Um processo de alta velocidade de processo de fermentação acética por bactéria, utilizando um microrganismo geneticamente modificado, é dada pela equação abaixo:
Dado: ácido acético:
; dióxido de carbono:
; água Líquida:
; etanol:
Considere que a diferença entre as condiçóes padróes e
(temperatura de processo) seja insignificante e que toda a energia gerada na reação esteja na forma de calor.
a) Determine o calor de reação para a produção e 1 mol de ácido acético
b) Determine a quantidade de energia liberada por unidade de tempo para um consumo de etanol de
min. L para cada litro de reação
c) Determine a quantidade total de energia liberada em um reator de 100.000 L por min .
d) Para o reator de 100.000 Litros e supondo que todo o calor gerado por essa reação seja transferido a uma serpentina, em que há água gelada entrando a
e saindo a
, estime a vazāo de água na saida de água no sistema (em
).
Considere que a diferença entre as condiçóes padróes e
a) Determine o calor de reação para a produção e 1 mol de ácido acético
b) Determine a quantidade de energia liberada por unidade de tempo para um consumo de etanol de
c) Determine a quantidade total de energia liberada em um reator de 100.000 L por min .
d) Para o reator de 100.000 Litros e supondo que todo o calor gerado por essa reação seja transferido a uma serpentina, em que há água gelada entrando a
Passo 1
O enunciado pede quatro coisas (a–d) relacionadas à energia liberada pela reação
Lista do que foi dado e o que se deve determinar:
- Dados fornecidos (entalpias padrão de formação):
- Considerações: diferenças entre condições padrão e
são insignificantes; toda energia liberada aparece como calor (ou seja, podemos usar as entalpias de formação diretamente). - Perguntas:
(a) Calor de reação para produzirmol de ácido acético.
(b) Energia liberada por unidade de tempo para consumo de etanol de(isto é, por litro de reação).
(c) Energia total liberada em um reator depor minuto.
(d) Para o reator de, supondo que todo o calor vá para uma serpentina com água que entra a e sai a , estimar a vazão de água na saída em .
Passo 2
Conceito e fórmula que vamos usar (aula curta e prática).
- Entalpia padrão de formação
é a entalpia para formar mol de uma substância a partir dos elementos em suas formas padrão. Por convenção, , logo . - Lei de Hess: a entalpia de reação em condições padrão é a soma das entalpias de formação dos produtos menos a soma das entalpias de formação dos reagentes, ponderadas pelos coeficientes estequiométricos:
Aqui são os coeficientes estequiométricos (positivos). - O sinal de
: -
significa exotérmica (libera calor). -
significa endotérmica (absorve calor).
-
Passo 3
Checagem da estequiometria (importante para aplicar a fórmula corretamente).
- A reação dada é
- Verificação dos átomos (coeficientes todos
funcionam): - Carbono:
. - Hidrogênio:
. - Oxigênio:
no reagente; produtos .
- Carbono:
- Portanto a equação está balanceada com coeficientes
para todas as espécies mostradas; usamos esses coeficientes na lei de Hess.
Passo 4
Cálculo do calor de reação por mol de ácido acético (resolução de (a)).
- Aplicando a fórmula de Hess:
- Substituindo os valores (
): - Fazendo as contas passo a passo:
- Interpretação:
significa que a reação libera por mol de ácido acético formado (reação exotérmica).
Passo 5
Energia liberada por unidade de tempo por litro para consumo de etanol de
(resolução de (b)).
- Primeiro convertemos a vazão molar de etanol para mol por minuto:
- Cada mol de etanol consumido corresponde a
mol de ácido acético formado (pelo balanço estequiométrico), então a energia liberada por minuto por litro é - Cálculo:
- Convertendo para potência (Watt), lembrando que
. Mais direto:
- Interpretação: cada litro de reação, com consumo de etanol de
, libera cerca de .
Passo 6
Energia total liberada em um reator de
por minuto (resolução de (c)).
- Usamos o valor por litro por minuto e multiplicamos pelo volume:
- Cálculo:
- Converter para potência (kJ s^{-1} = kW), dividindo por
: Em unidades maiores: - Significado: o reator libera cerca de
por minuto, ou cerca de de potência térmica.
Passo 7
Cálculo da vazão de água de resfriamento necessária (resolução de (d)).
- Modelo de balanço de energia simples: todo o calor gerado pela reação é removido pela água na serpentina. Equação:
onde
é a potência térmica a ser retirada (positivo em módulo), é a vazão mássica da água ( ), é o calor específico da água e é a variação de temperatura da água. - Valores usados:
- Isolando
: - Substituindo os números:
- Cálculo:
- Interpretação: é necessária uma vazão de água na saída da serpentina de aproximadamente
para absorver a potência térmica gerada.
Resposta
(a)
.\n
(b)
)
(b)