Silício com grau solar pode ser fabricado por decomposição térmica de silano em pressões moderadas em um reator de leito fluidizado, no qual a reação global é:
SiH4(g) Si(s)+2 H2(g)
Quando silano puro é preaquecido até 300^circ C e calor é adicionado ao reator para promover uma taxa de reação razoável, 80 % do silano é convertido em silício e os produtos deixam o reator a 750^circ C. Quanto de calor deve ser adicionado ao reator para cada quilograma de silício produzido?

Passo 1

O enunciado pede o calor Q que deve entrar no reator para cada quilograma de silício produzido na decomposição
SiH4(g);longrightarrow;Si(s)+2,H2(g)
sabendo que:
– o silano entra a 300 ^circ C e 80 % dele reage;
– os produtos saem a 750 ^circ C.
Para resolver, precisamos fazer um balanço de entalpia entre fluxo de entrada (silano não reagido + calor de aquecimento do alimentado) e fluxo de saída (silano não reagido, silício sólido e hidrogênio, todos a 750 ^circ C), incluindo a entalpia de formação do silano e as capacidades caloríficas para aquecer cada espécie de 25 ^circ C até a sua temperatura de processo.

Passo 2

Listar as quantidades molares por kg de Si. A massa molar do silício é
MSi=28,0855;g/mol
logo produzir 1;kg de Si requer
nSi=1000; g28,0855;g/molapprox35,61;mol
Como a conversão é de 80 %, o silano alimentado deve ser
nSiH4,in=35,610,8approx44,51;mol,
dos quais 35,61 mol reagem e 8,89 mol saem não reagidos, e formam-se 2times35,61=71,22 mol de H2.

Passo 3

Escrever o balanço de entalpia em regime permanente (sem trabalho de fluxo) e tomando como datum 25 ^circ C:
Qin + suminnil[De<a Hf,i^circ(298, K) +!!integral298^Tin,iCp,i,dTr] = sumoutnjl[De<a Hf,j^circ(298, K) +!!integral298^Tout,jCp,j,dTr]
Aqui:
De<a Hf^circ de SiH4 em 298 K e os Cp de SiH4, H2 e Si são dados de tabela.
Tin,SiH4=300 ^circ C, Tout=750 ^circ C.

Passo 4

Observar que, sem fornecer os valores numéricos de e dos , não há como calcular numericamente . São dados termodinâmicos essenciais que devem vir de tabelas (por exemplo: , , , ).

Passo 5

Conclusão: não há dados suficientes no enunciado (entalpias de formação e capacidades caloríficas) para se obter valor numérico de Qin.

Resposta

Não é possível determinar numericamente o calor a ser adicionado sem os valores de De<a Hf^circ do silano e dos Cp das espécies envolvidas.

Exercícios relacionados