Um reator químico, cuja carga, contendo 5 % de gás inerte (GI), é composta por N2 e H2, produz conforme a seguinte equação:
N2+3 H2 2 NH3
Considerando-se 75 % de conversão do H2 e 15 % de excesso do N2, calcular a composição porcentual do efluente do reator.

Passo 1

O enunciado dá a reação
N2 + 3,H2 longrightarrow 2,NH3
com conversão de 75% do H2 e 15% de excesso de N2 no alimentado, que também contém 5% de gás inerte (GI). Para resolver, vamos usar uma base de 100 mol de alimentação total e:
– Determinar moles de H2 e N2 na alimentação respeitando o excesso.
– Calcular os moles reagidos e formados.
– Obter o balanço do efluente e converter em frações molares.

Passo 2

Na base de 100 mol de alimentação temos 5 mol de GI. Restam 95 mol para N2 e H2. Se não houvesse excesso, o N2 estequiométrico seria tfrac13 do H2. Com 15% de excesso:
nN2 = 1,15 times nH23
E nN2 + nH2 = 95. Assim,
nN2 = 0,3833,nH2, nH2 + 0,3833,nH2 = 95
1,3833,nH2 = 95 Longrightarrow nH2 = 951,3833approx 68,672 mol,
nN2 = 0,3833times 68,672approx 26,329 mol

Passo 3

Com conversão de 75% do H2, reagem
nH2,reag = 0,75times 68,672 = 51,504 mol
Pela estequiometria, consome-se tfrac13 disso em N2:
nN2,reag = 51,5043 = 17,168 mol
Gera-se ,2 mol de NH3 por mol de N2 reagido, logo
nNH3 = 2 times 17,168 = 34,337 mol

Passo 4

Os moles que sobram no efluente são:
nH2,out &= 68,672 - 51,504 = 17,168 mol, nN2,out &= 26,329 - 17,168 = 9,161 mol, nGI,out &= 5 mol, nNH3,out &= 34,337 mol
Total do efluente:
ntot = 17,168 + 9,161 + 5 + 34,337 = 65,666 mol

Passo 5

As frações molares e porcentagens são:
yH2 = 17,16865,666 approx 0,2615(26,15%), yN2 = 9,16165,666 approx 0,1395(13,95%),
yNH3 = 34,33765,666 approx 0,5230(52,30%), yGI = 565,666 approx 0,0761(7,61%)

Resposta

Composição porcentual do efluente:
NH3: 52,30 %
H2: 26,15 %
N2: 13,95 %
GI: 7,61 %

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