Uma pequena indústria obtém cloro para seu consumo fazendo passar uma mistura seca de cloreto de hidrogênio e ar à pressão ambiente, pelo interior de tubos contendo um catalisador aquecido, que promove a oxidação do HCl . Emprega-se
de ar em excesso relativamente ao teórico. Admitindo que a reação de obtenção do cloro se complemente com
, calcular a composição (%) dos gases que saem do reator tubular por tonelada de cloro produzido. Composição volumétrica do ar: 21% de oxigênio e
de nitrogênio. (R: composição de saída: HCl : 21,3%;
: 13,9%;
: 38,7%;
e
: 20,8%)
Passo 1
Beleza, vamos resumir o que o exercício pede e o que a gente vai usar.
Enunciado: uma indústria faz Cl₂ passando HCl seco e ar por um catalisador quente, seguindo a reação
Enunciado: uma indústria faz Cl₂ passando HCl seco e ar por um catalisador quente, seguindo a reação
Eles usam 40 % de ar a mais que o teórico e só reagem 50 % do HCl que entra (conversão de 50 %). Queremos a composição percentual em mol dos gases que saem, com base em 1 tonelada de Cl₂ produzida.
Conteúdo: balanço estequiométrico, cálculo de base de reação, excesso de reagente, conversão parcial e composição em %.
Passo 2
Primeiro, balanceamos direitinho a reação (já está acima) e extraímos as relações molares:
- Para cada 2 mol de Cl₂ formado precisamos de 4 mol de HCl (logo HCl/Cl₂=2).
- Para cada 2 mol de Cl₂ precisamos de 1 mol de O₂ (logo O₂/Cl₂=0,5).
- Para cada 2 mol de Cl₂ formam-se 2 mol de H₂O (logo H₂O/Cl₂=1).
Passo 3
Base: 1 t de Cl₂ → quantos mol?
Massa molar Cl₂ ≃ 70,9 kg/kmol, então
Massa molar Cl₂ ≃ 70,9 kg/kmol, então
Passo 4
Calculamos o reagente estequiométrico:
- HCl teórico:
- O₂ teórico:
Como o ar tem 21 % de O₂ em volume, o ar teórico necessário é
Mas usamos 40 % de excesso:
Desses, O₂ é 21 % e N₂ é 79 %:
Passo 5
Agora aplicamos a conversão de 50 % ao HCl (é ele o limitante):
- HCl consumido = 0,5×28,22 = 14,11 kmol
- HCl não consumido = 28,22 − 14,11 = 14,11 kmol
- O₂ consumido segue a razão 4 HCl : 1 O₂ → isso dá 14,11/4 = 3,528 kmol
- O₂ não consumido = 9,877 − 3,528 = 6,349 kmol
- Cl₂ produzido = na mesma estequiometria 4 HCl → 2 Cl₂, logo 14,11×(2/4) = 7,055 kmol
- H₂O produzido = idem 7,055 kmol
- N₂ não reage, sai integral: 37,165 kmol
Total de mols no gás de saída:
Passo 6
Agora a % mol de cada componente:
Fica:
- HCl:
- O₂:
- N₂:
- H₂O:
- Cl₂:
Resposta
Com base em 1 t de Cl₂, 40 % de ar em excesso e conversão de 50 %, a composição molar aproximada do gás que sai do reator é:
HCl = 19,7 %
O₂ = 8,9 %
N₂ = 51,8 %
H₂O = 9,8 %
Cl₂ = 9,8 %
HCl = 19,7 %
O₂ = 8,9 %
N₂ = 51,8 %
H₂O = 9,8 %
Cl₂ = 9,8 %