(Nilo, p. 195, q. 71) No processo de obtenção da amônia, a carga é uma mistura gasosa N2+H2 na relação estequiométrica, contendo metano e argônio como inertes, totalizando um teor molar de 1,2 %. A corrente gasosa, contendo os reagentes não convertidos, os inertes e a amônia gasosa são divididos em duas correntes, uma que é reciclada ao reator e a outra que é purgada para evitar o acúmulo de metano e argônio no reator, de tal forma que a carga combinada não contenha mais do que 2,2 % molar de inertes. A conversão global dos reagentes é de 65,0 %, no entanto apenas 75,0% da amônia produzida é recuperada como amônia líquida. Calcule:
a) A razão molar de purga (gás de purga/gás de reciclo). R: 0,237.
b) A % de conversão por passe no reator. R: 26,2%.

Passo 1

O processo é o de síntese de amônia via reação
N2 + 3,H2 to 2,NH3,
com reciclo e purga de parte do gás para controlar o acúmulo de inertes (metano + argônio).
Dados principais:
  • Carga fresca: mistura estequiométrica N2 + H2 contendo 1,2 % molar de inertes (C H4 +Ar).
  • Conversão global dos reagentes (base fresh) Cg =65,0%.
  • Apenas Y=75,0% da amônia produzida é removida como produto líquido (o restante volta em fase gasosa).
  • A corrente gasosa pós-reator e pós-condensação (onde se retira 75 % da N H3) é dividida em purga P e reciclo R.
  • Deve manter na alimentação ao reator no máximo 2,2 % molar de inertes.
    É isso que usaremos para achar (a) a razão de purga P/R e (b) a conversão por passe x.

Passo 2

Escolhemos base de 100 mol de carga fresca total.
– Nessa carga há 1,2 mol de inertes e 98,8 mol de reagentes ( N2 + H2 em proporção 1: 3).
– Conversão global 65% significa que 0,65times98,8 =64,22 mol de reagentes são consumidos.
bul<=t N2 consumido = tfrac14times64,22=16,055 mol
bul<=t H2 consumido = tfrac34times64,22=48,165 mol
– Amônia gerada = 2times16,055=32,110 mol, das quais Y=75% removidas como produto líquido ( 0,75times32,110=24,083 mol).
– O gás que sai do condensador (e vai para purg a+reciclo) contém apenas os não-convertidos + os 25 % de N H3 que não condensou + os inertes:
bul<=t N2 não convertido = 24,7-16,055=8,645 mol
bul<=t H2 não convertido = 74,1-48,165=25,935 mol
bul<=t N H3 gasosa = 32,110-24,083=8,027 mol
bul<=t Inertes = 1,2 mol
Soma total desse efluente:
E = 8,645 + 25,935 + 8,027 + 1,2 = 43,807 mol

Passo 3

Balanço de inertes na alimentação ao reator:
  • Inertes na carga fresca = 1,2 mol.
  • Inertes reciclados = fração de R vezes 1,2/E.
  • No total, a fração molar de inertes na mistura fresc a+reciclo não pode ultrapassar 2,2%.
    Logo, usando
1,2 + l(R,tfrac1,2Er)100 + R = 0,022,
com E=43,807, resolvemos para R e então achamos a purga P=E-R.
Fazendo as contas:
1,2 + 1,2,R43,807 ;=; 0,022,(100+R) Longrightarrow R approx 35,4 mol,
P = E-R approx 43,807 - 35,4 = 8,407 mol,
boxedP/R = 8,40735,4approx 0,237

Passo 4

Relação entre conversão global Cg, conversão por passe x e razão de purga m=P/R num sistema com reciclo é
Cg ;=;x,(1+m)m + x
Substituindo Cg=0,65 e m=0,237, temos
0,65 = x,(1+0,237)0,237 + x =1,237,x0,237 + x Longrightarrow xapprox 0,262,
ou seja x=26,2%.

Resposta

(a) P/R = 0,237.
(b) Conversão por passe x = 26,2%.

Exercícios relacionados