I) ZnS(s)+3 / 2 O2(g) ZnO(s)+SO2(g)
a) Construa uma tabela de controle de balanço de massas.
b) Construa uma tabela de controle de balanço de energias.
c) Qual a massa resultante de ZnO por tonelada processada de ZnS ?
d) Qual a massa de material não convertido por tonelada processada de ZnS ?
e) Calcule o excesso ou a deficiência de calor por tonelada de ZnS processado.
Considerações:
i) As matérias primas entram no forno a 25^circ C;
ii) Os produtos saem do forno a 900^circ C;
iii) O ar* entra em excesso de 50 % em relação a quantidade que efetivamente reage (* proporção de 79 % mol e 21 % mol de N2 e O2, respectivamente);
iv) O rendimento da reação é de 99 %;
v) Há perda térmica de 5 % por dissipação de calor para o ambiente.
vi) Os dados termodinâmicos necessários estão na tabela a seguir:
Substância (De <br> (kcal/com) Peso molecular ( g / mol ) (De
ZnS(s) -48,2 97,4 11,2
O2 (g) 0 32,0 7,0
ZnO(s) -83,2 81,4 10,6
SO2 (g) -70,9 64,1 10,6
N2 (g) 0 28,0 6,6
CO(g) -26,4 28,0
CO2 (g) 94,05 44,0
CaCO3 (s) -288,4 100,1
CaO (s) -151,6 56,1

Passo 1

Primeiro, vamos entender o que o exercício pede e definir a base de cálculo. Temos a reação
ZnS(s) + tfrac32,O2(g) to ZnO(s) + SO2(g)
Precisamos fazer o balanço de massas e de energia para 1 tonelada (10^6 g) de ZnS, considerando:
– rendimento de 99 %,
– ar com 50 % de excesso (79 % N_2 e 21 % O_2 em mol),
– perdas de calor de 5 %,
– matérias-primas a 25 °C (298 K) e produtos a 900 °C (1173 K),
– dados de ΔH°_298 e ΔH de aquecimento até 1173 K da tabela.

Passo 2

Para o balanço de massas, calculamos os moles:
– ZnS alimentado:
10^6, g97,4,g/mol=10268,3,mol
– ZnS reagido (99 %):
0,99times10268,3=10165,6,mol
– ZnS não convertido (1 %):
10268,3-10165,6=102,7,mol
– O_2 estequiométrico:
1,5times10268,3=15402,5,mol
– O_2 alimentado (50 % excesso):
1,5times15402,5=23103,8,mol
– O_2 reagido:
1,5times10165,6=15248,4,mol
– O_2 não reagido: 23103{,}8–15248{,}4=7855{,}4 mol
– N_2 no ar:
23103,8times7921=86883,9,mol

Passo 3

Calculamos as massas dos produtos e do não convertido:
– ZnO formado: 10165{,}6 mol×81{,}4 g/mol =828402 g ≃828,4 kg
– ZnS não convertido: 102{,}7 mol×97{,}4 g/mol =9999,8 g ≃10,0 kg

Passo 4

Para o balanço de energia, achamos primeiro o ΔH°_reação a 1173 K. Usando
H1173=ΔH°298+ΔH298→1173
produtos:
– ZnO: −83{,}2+10{,}6=−72{,}6 kcal/mol
– SO_2: −70{,}9+10{,}6=−60{,}3 kcal/mol
soma =−132{,}9 kcal/mol
reagentes:
– ZnS: −48{,}2+11{,}2=−37{,}0 kcal/mol
– 1,5 O_2: 0+1,5×7{,}0=10{,}5 kcal/mol
soma =−26{,}5 kcal/mol
Logo
ΔHrxn,1173=−132,9−(−26,5)=−106,4,kcal/mol

Passo 5

Agora o calor de aquecimento dos reagentes de 298→1173 K:
– ZnS: 10268{,}3×11{,}2=115044 kcal
– O_2: 23103{,}8×7{,}0=161727 kcal
– N_2: 86883{,}9×6{,}6=573035 kcal
Total =849806 kcal
Calor liberado pela reação: 10165{,}6 mol×106{,}4=1 081 606 kcal. Descontando 5 % de perda, sobra 0{,}95×1 081 606=1 027 526 kcal.
Saldo de calor =1 027 526−849 806=177 720 kcal de excesso.

Resposta

c) 828,4 kg de ZnO por tonelada de ZnS
d) 10,0 kg de ZnS não convertido por tonelada
e) excesso de calor de 1,78×10^5 kcal por tonelada de ZnS processada

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