Questão 4 ( 3,5 pontos) A amônia (
) é a principal matéria-prima para a produção de fertilizantes nitrogenados, como a ureia e o nitrato de amônio. Ela é produzida em um reator através da reação de gás nitrogênio
com gás hidrogênio
de gas nitrogênio e
de gás hidrogênio são alimentados em uma corrente gasosa no reator contínuo. Responda os seguintes itens, sabendo que o processo está em estado estacionário.
a.
Qual é o reagente limitante, o reagente em excesso e porcentagem em excesso?
b.
Qual a composição molar (frações em base molar) da corrente de saída (efluente) do reator se a conversão do limitante é de 65%?
a.
b.
Passo 1
O enunciado nos dá as seguintes informações e pede duas coisas:
-
Dados fornecidos:
- Alimentação de
: . - Alimentação de
: . - Reação balanceada (produção de amônia):
- Estado estacionário (fluxos constantes no tempo).
- Conversão do reagente limitante (informada no item b):
.
- Alimentação de
-
Perguntas:
(a) Identificar o reagente limitante, o reagente em excesso e a porcentagem em excesso.
(b) Calcular a composição molar (frações molares) da corrente de saída quando a conversão do limitante é.
Passo 2
Entendendo como identificar o reagente limitante (aula rápida):
- A reação pede que cada
mol de reaja com mol de . - Para decidir qual é o limitante comparo a razão disponível com a razão estequiométrica.
- Se houver menos
do que o necessário para consumir todo o , então é limitante, e vice-versa.
- Se houver menos
Calcule quanto de
seria necessário para consumir todo o
fornecido:
Mas o fornecido é
de
, muito menor que
. Portanto:
- O reagente limitante é
. - O reagente em excesso é
.
Passo 3
Como calcular a porcentagem em excesso (explicação e fórmula):
- Definição usada aqui: porcentagem em excesso do reagente em excesso =
. - Primeiro achar a quantidade estequiométrica de
que corresponderia ao disponível.
Quantidade de
necessária para reagir completamente com
de
:
Quantidade em excesso de
:
Porcentagem em excesso:
Interpretação rápida: há
de
a mais do que o necessário para reagir com o
disponível.
Passo 4
Agora o item (b): usar a conversão do reagente limitante para achar as correntes de saída. Vou definir as quantidades e o que cada símbolo significa:
-
é o fluxo de alimentação de . -
é o fluxo de alimentação de . -
é a conversão do reagente limitante ( neste caso). Dado: . -
é a quantidade de que reage:
Pela estequiometria da reação:
- Para cada
mol de consumidos consome-se mol de . - Logo
- Logo
- A produção de
é mol de por mol de : - Logo
- Logo
Passo 5
Calcular os fluxos de saída (efluente) usando balanço simples (entrada menos consumido mais produzido):
-
na saída:
-
na saída:
-
na saída (assumindo nenhuma alimentação de ):
Verificação do total:
Passo 6
Calcular as frações molares (definição e cálculo):
- A fração molar de um componente
é .
Calcule cada uma:
Checagem rápida:
, consistente.
Resposta
(a) Reagente limitante:
; reagente em excesso:
; porcentagem em excesso:
.
(b) Frações molares na saída:
(b) Frações molares na saída: