I)
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
;
ii) Os produtos saem do forno a
;
iii) O ar* entra em excesso de
em relação a quantidade que efetivamente reage (* proporção de
mol e
mol de
e
, respectivamente);
iv) O rendimento da reação é de
;
v) Há perda térmica de
por dissipação de calor para o ambiente.
vi) Os dados termodinâmicos necessários estão na tabela a seguir:
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
ii) Os produtos saem do forno a
iii) O ar* entra em excesso de
iv) O rendimento da reação é de
v) Há perda térmica de
vi) Os dados termodinâmicos necessários estão na tabela a seguir:
Substância |
|
Peso molecular (
|
|
---|---|---|---|
ZnS(s) | -48,2 | 97,4 | 11,2 |
|
0 | 32,0 | 7,0 |
|
-83,2 | 81,4 | 10,6 |
|
-70,9 | 64,1 | 10,6 |
|
0 | 28,0 | 6,6 |
CO(g) | -26,4 | 28,0 | — |
|
94,05 | 44,0 | — |
|
-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
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.
– 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:
– ZnS alimentado:
– ZnS reagido (99 %):
– ZnS não convertido (1 %):
– O_2 estequiométrico:
– O_2 alimentado (50 % excesso):
– O_2 reagido:
– O_2 não reagido: 23103{,}8–15248{,}4=7855{,}4 mol
– N_2 no ar:
– N_2 no ar:
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
– 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
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
– 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
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.
– 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