Em um reator ocorre a reação de oxidação da amônia. Uma corrente de 100 mol / s de amônia à 200^circ C e uma corrente de 900 mol / s de ar à 25^circ C alimentam o reator, no qual 98% da amônia é consumida. Os produtos de reação saem gasosos a 400^circ C.
A reação de oxidação de amônia é dada por:
4 NH3(g)+5 O2(g) 4 NO(g)+6 H2 O(g)
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.
dotQ=dotvarepsilon De
Entrada Saída
dotn(mol / s) De dotn(mol / s) De
NH3
O2
N2
NO
H2 O

Passo 1

Beleza, vamos ter que calcular a taxa de calor ( dot Q = dot varepsilon,De) 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:
  1. Extensão de reação;
  2. ΔH°ₙₜᵣₐ₁ (entalpia padrão da reação);
  3. Calcular entalpia sensível ( ) de cada corrente;
  4. Montar
í

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” →
dot varepsilon ;=;984 ;=;24,5;mol de reação/s çã

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.
Deçã
Logo, termo de reação:
dot varepsilon;De

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:
, , , .
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: .
  • 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:
dot Q = underbrace-22,202dot varepsilon,Deí
dot Q = -22,202 + 11,428,2 - 612,5 = -11,386,3;kJ/s = -11,386,3;kW

Resposta

A taxa de calor do processo é
dot Q = -11,4;MW
ou seja, há liberação de aproximadamente 11 386 kW de calor (sinal negativo indica exotérmico).

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