Em uma tentativa de gerar NO econômico, amônia gasosa é queimada em um reator com 20,0% de O2 em excesso, de acordo com a reação:

4 NH 3+5 O 2 4 NO+6 H 2 O

A amônia que não reagiu é separada dos demais componentes, arrastando 5 % da água que alimenta o separador. 5 % da corrente efluente do separador é purgada continuamente e o restante é reciclado para o reator, conforme esquema da figura a seguir. A conversão por passe é de 70,0 %.
a) Calcule a conversão global do processo.
b) Identifique no fluxograma todos os volumes de controle, alimentação nova, alimentação combinada, purga.
c) Identifique todos os componentes de cada corrente do processo. Utilize a BC de 100 kmol / h de amônia na entrada do reator.
d) Quais os novos valores de conversão, se a amônia for queimada com 40,0% de 02 em excesso. Explique.

Passo 1

Beleza, o que temos aqui é um processo em “loop” onde queimamos amônia segundo a reação
4,NH3 + 5,O2 longrightarrow 4,NO + 6,H2O
Temos 20 % de O₂ em excesso no alimentado, conversão por passe (no reator) de 70 %, um separador que retira a amônia não reagida (e arrasta 5 % da água que chega nele) e depois purgamos 5 % da corrente saindo do separador, reciclamos o resto e misturamos tudo de novo.
O conteúdo da matéria aqui é balanço de massa em sistema com reciclo e purga, estequiometria e definição de conversão global. Vamos precisar:
• Escrever o balanço estequiométrico no reator “por passe” e calcular quem entra e sai.
• Fazer o balanço no separador (arraste de água).
• Calcular purge e recirculação.
• Definir conversão global.

Passo 2

Primeiro, pego base de 100 kmol/h de NH₃ na entrada do reator. Conversão por passe é 70 %, logo:
• NH₃ reagida = 0,70×100 = 70 kmol/h
• NH₃ não reagida = 30 kmol/h
Pela estequiometria, para 70 kmol/h de NH₃ reagida preciso (5/4)×70 = 87,5 kmol/h de O₂ em base estequiométrica. Como há 20 % de excesso, O₂ alimentado = 1,20×87,5 = 105 kmol/h.
Saem do reator, por passe:
• NH₃ = 30
• O₂ não consumido = 105 − 87,5 = 17,5
• NO produzido = 70 (1:1 com NH₃ reagida)
• H₂O produzido = (6/4)×70 = 105

Passo 3

No separador, toda a NH₃ (30 kmol/h) é removida do gás, mas arrasta 5 % da água que chega nele. A água que entra no separador é só a que veio do reator: 105 kmol/h.
Então água arrastada = 0,05×105 = 5,25 kmol/h.
Corrente “líquida” de amônia:
• NH₃ = 30
• H₂O = 5,25
Corrente “gasosa” (efluente do separador) fica com:
• O₂ = 17,5
• NO = 70
• H₂O = 105 − 5,25 = 99,75

Passo 4

Dessa corrente gasosa, 5 % é purgada e 95 % recirculada:
– Purge (5 %):
• O₂ = 0,05×17,5 = 0,875
• NO = 0,05×70 = 3,5
• H₂O = 0,05×99,75 = 4,9875
– Recicla (95 %):
• O₂ = 16,625
• NO = 66,5
• H₂O = 94,7625
Além disso, a corrente “líquida” de amônia (30 kmol/h de NH₃ + 5,25 kmol/h de H₂O) também volta para o reator.
Calculo o “fresh feed” de NH₃ e O₂ necessário para manter 100 kmol/h de NH₃ na entrada:
• NH₃ total na entrada = recirc + fresh = 30 + fresh ⇒ fresh = 100 − 30 = 70 kmol/h
• O₂ total na entrada = recirc + fresh = 16,625 + fresh_O₂ ⇒ fresh_O₂ = 105 − 16,625 = 88,375 kmol/h

Passo 5

Conversão global de NH₃ = NH₃ reagida (por passe) ÷ NH₃ fresca alimentada = 70 ÷ 70 = 1, ou seja, 100 %.
(Isto acontece porque toda NH₃ não reagida é reciclada e não há perda de NH₃ na purga.)

Passo 6

Volumes de controle e fluxos:
• VC1: o reator (onde ocorre a reação).
• VC2: o separador (absorve NH₃, arrasta água e gera gasosa).
Alimentações novas: NH₃ fresca (70 kmol/h) e O₂ fresco (88,375 kmol/h).
Alimentação combinada ao reator: mistura de recirculados + fresh (tal que NH₃ total =100 kmol/h).
Purga: 5 % da corrente gasosa do separador (contém O₂, NO, H₂O).

Passo 7

Componentes em cada corrente (BC: 100 kmol/h de NH₃ na entrada do reator):
  1. NH₃ fresca: NH₃ puro.
  2. O₂ fresca: O₂ puro.
  3. Recirc líquida de NH₃: NH₃ (30) + H₂O (5,25).
  4. Recirc gasosa: O₂ (16,625) + NO (66,5) + H₂O (94,7625).
  5. Alimentação ao reator (soma de 1+2+3+4): NH₃=100, O₂=105, NO=66,5, H₂O≈100.
  6. Saída do reator: NH₃=30, O₂=17,5, NO=70, H₂O=105.
  7. Efluente do separador (gasosa): O₂=17,5, NO=70, H₂O=99,75.
  8. Purga: O₂=0,875, NO=3,5, H₂O=4,9875.
  9. Produto final é a purga (leva o NO que você quer).

Passo 8

Se eu alterar o excesso de O₂ de 20 % para 40 %, o O₂ alimentado sobe de 1,20×estequiométrico para 1,40×estequiométrico, mas a conversão por passe continuaria a mesma (70 %) — você botou O₂ de sobra, não era o reagente limitante. E como a NH₃ continua sendo totalmente reciclada, a conversão global também fica em 100 %.

Resposta

a) Conversão global de NH₃ = 100 %.
d) Com 40 % de O₂ em excesso, X_por passe permanece 70 % e X_global continua 100 %.

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