Em um reator ocorre a reação de oxidação da amônia. Uma corrente de
de amônia à
e uma corrente de
de ar à
alimentam o reator, no qual
da amônia é consumida. Os produtos de reação saem gasosos a
.
A reação de oxidação de amônia é dada por:
Utilizando a equação abaixo, calcule a taxa de calor do processo descrito (em kW), admitindo a operação a aproximadamente 1 atm . Para auxiliar nos cálculos, está uma tabela para ser preenchida com valores numéricos.
A reação de oxidação de amônia é dada por:
Entrada | Saída | |||
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NO | ||||
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Passo 1
Beleza, vamos ter que calcular a taxa de calor (
) de um reator onde rola a oxidação da amônia:
4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O.
Entradas: 100 mol/s de NH₃ a 200 °C e 900 mol/s de ar a 25 °C (21% O₂, 79% N₂).
Saídas: gases a 400 °C, com 98% da NH₃ consumida.
Conteúdo: termodinâmica de reações (entalpia padrão + sensível).
Precisamos de:
4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O.
Entradas: 100 mol/s de NH₃ a 200 °C e 900 mol/s de ar a 25 °C (21% O₂, 79% N₂).
Saídas: gases a 400 °C, com 98% da NH₃ consumida.
Conteúdo: termodinâmica de reações (entalpia padrão + sensível).
Precisamos de:
- Extensão de reação;
- ΔH°ₙₜᵣₐ₁ (entalpia padrão da reação);
- Calcular entalpia sensível (
) de cada corrente; - Montar
Passo 2
Determinar quantas “reações” ocorrem por segundo.
- NH₃ entra: 100 mol/s.
- Consome 98% ⇒ 98 mol/s de NH₃ reagem.
- Stoichiometria é 4 mol NH₃ por “1 reação” →
Passo 3
Balanço de matéria p/ O₂ e N₂ do ar:
- O₂ alimentado: 0{,}21·900 = 189 mol/s.
- Consumido:
mol/s. - Sobra O₂: 189 – 122{,}5 = 66{,}5 mol/s.
- N₂ alimentado: 0{,}79·900 = 711 mol/s (inerte, sai tudo).
Produtos formados (estoquiométrico):
- NO: 4/4·98 = 98 mol/s.
- H₂O: 6/4·98 = 147 mol/s.
- NH₃ não reagida: 2% de 100 = 2 mol/s.
Passo 4
Calcular ΔH°ₙᵣ da reação (tudo a 25 °C, 1 atm):
usando ΔH⁰f (kJ/mol):
NH₃(g) = –45,9; O₂(g)=0; NO(g)=+90,3; H₂O(g)=–241,8.
usando ΔH⁰f (kJ/mol):
NH₃(g) = –45,9; O₂(g)=0; NO(g)=+90,3; H₂O(g)=–241,8.
Logo, termo de reação:
Passo 5
Calcular entalpia sensível
.
Aproximar constantes (J/mol·K):
NH₃=35,0; O₂=29,4; N₂=29,1; NO=29,0; H₂O(g)=33,6.
Temperaturas em K:
,
,
,
.
Aproximar
NH₃=35,0; O₂=29,4; N₂=29,1; NO=29,0; H₂O(g)=33,6.
Temperaturas em K:
Entrada:
- Só NH₃ esquenta de 298 → 473 K:
kJ/mol.
kJ/s total. - O₂, N₂ entram a 25 °C → zero.
Saída (tudo a 673 K):
Para cada espécie: .
Para cada espécie:
- NH₃ não reagida (2 mol/s): 35·375=13,125 kJ/mol → 2·13,125=26,25 kJ/s
- O₂ (66,5 mol/s): 29,4·375=11,025 kJ/mol → 66,5·11,025=733,16 kJ/s
- N₂ (711 mol/s): 29,1·375=10,9125 → 711·10,9125=7 750,8 kJ/s
- NO (98 mol/s): 29·375=10,875 → 98·10,875=1 065,8 kJ/s
- H₂O (147 mol/s): 33,6·375=12,600 →147·12,600=1 852,2 kJ/s
Somando saídas:
kJ/s.
Passo 6
Agora monta a conta final:
Resposta
A taxa de calor do processo é
ou seja, há liberação de aproximadamente 11 386 kW de calor (sinal negativo indica exotérmico).