Usando como matérias-primas 560,00 kg / h de solução de ácido nítrico a 50 % e 312,50 kg / h de cal extinta, contendo 48 % de hidróxido de cálcio e o restante de impurezas insolúveis que não participam da reação química, deseja-se produzir 215,00 kg / h de nitrato de cálcio.
A equação química do processo é a Eq.(1):
Ca(OH)2+2 HNO3 Ca(NO3)2+2 H2 O
Considerar o reator com massa inicial de 10.000 kg de água desmineralizada e que, durante toda a operação, essa massa permanece constante.
Pedem-se:
o fluxograma simplificado do processo, em regime permanente, indicando os parâmetros de corrente e os parâmetros de composição de corrente;
a concentração do produto desejado, nitrato de cálcio, na solução produzida no regime permanente;

Passo 1

O processo recebe duas correntes de alimentação em regime permanente: uma solução de ácido nítrico e um sólido de cal extinta. A reação química é
Ca(OH)2 ;+;2,HNO3;longrightarrow;Ca(NO3)2;+;2,H2O
Queremos identificar as vazões mássicas e composições das correntes de entrada e saída e calcular a concentração em massa de Ca(NO3)2 na solução produzida.

Passo 2

Determinar as composições das correntes de alimentação:
A solução de ácido nítrico entra a 560,00,kg/h e é 50% em massa de HNO3, logo
dotmHNO3,in = 560 times 0,50 = 280 kg/h, dotmH2O,in = 560 times 0,50 = 280 kg/h
O sólido de cal extinta entra a 312,50,kg/h, contendo 48% de Ca(OH)2 e 52% de impurezas insolúveis, daí
dotmCa(OH)2,in = 312,50times0,48 = 150,00 kg/h, dotmimpurezas = 312,50times0,52 = 162,50 kg/h

Passo 3

Para produzir 215,00,kg/h de Ca(NO3)2, calculamos a quantidade de reação:
massa molar Ca(NO3)2=164,10,g/mol, então
dotnCa(NO3)2 =215,00times10^3164,10 approx1310,1 mol/h
Da estequiometria segue consumo de Ca(OH)2 e HNO3:
dotmCa(OH)2,cons =1310,1times74,09;/1000approx97,09 kg/h, dotmHNO3,cons =2times1310,1times63,01;/1000approx165,10 kg/h
Reage também a formação de água: 2 mol de H2O por mol de reação, com massa molar 18,02,g/mol, dando
dotmH2O,prod =2times1310,1times18,02;/1000approx47,20 kg/h

Passo 4

Aplicando balanço mássico em cada espécie temos na saída do reator:
unidade de sólidos insolúveis
dotmimpurezas,out=162,50,kg/h (todo o sólido alimentado);
sólido Ca(OH)2 não reagido
dotmCa(OH)2,out=150,00-97,09=52,91,kg/h;
HNO3 não reagido
dotmHNO3,out=280,00-165,10=114,90,kg/h;
produto Ca(NO3)2 dotmCa(NO3)2=215,00,kg/h;
água total na corrente de saída
dotmH2O,out=280,00+47,20=327,20,kg/h.
A somatória de todas as correntes de saída é 872,5,kg/h, igual à somatória das entradas.

Passo 5

Fluxograma simplificado em regime permanente (valores em kg/h e composição em massa):
Alimentação ácido: 560,kg/h com 50% HNO3 e 50% H2O.
Alimentação cal: 312,5,kg/h com 48% Ca(OH)2 e 52% impurezas.
Reator (adição de 10000 kg de água inicial mantida constante).
Saída do reator dividida em:
– corrente sólida: 162,5,kg/h impurezas + 52,91,kg/h de Ca(OH)2 não reagido;
– corrente líquida (para purificação): 215 kg/h Ca(NO3)2, 114,90 kg/h HNO3 e 327,20 kg/h H2O.

Passo 6

Na solução líquida final, a massa total é
215 + 114,90 + 327,20 = 657,10 kg/h,
logo a concentração em massa de Ca(NO3)2 é
215657,10times100%approx32,7% (m/m)

Resposta

O fluxograma simplificado em regime permanente é:
Alimentações to Reator to Separador sólido–líquido
\quad Sólido ( 162,5 kg/h impurezas +52,91 kg/h Ca(OH)2)
\quad Líquido ( 215 kg/h Ca(NO3)2 + 114,90 kg/h HNO3 + 327,20 kg/h H2O)
A concentração de Ca(NO3)2 na solução produzida é aproximadamente 32,7% em massa.

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