4-Balanço de massa reação química

27/03/2017
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Londrina
Introdução às Operações Unitárias na Indústria
de Alimentos
Equação geral do balanço de massa
BALANÇO DE MASSA COM REAÇÃO QUÍMICA
Profa. Marianne Ayumi Shirai
Acúmulo: variação de massa ou moles dentro do sistema em
𝑑𝑀
relação ao tempo ( 𝑑𝑡 )
Sistema permanente sem reação
Termos usuais
• Equação química:
2 SO2+ O2 → 2 SO3
• Os coeficientes estequiométricos são:
2 para o SO2
1 para o O2
2 para o SO3
• Note que a relação indicada nas equações estequiométricas é em
base molar;
• Então, não necessariamente o número total de moles dos reagentes
é igual ao dos produtos, como ocorre em relação à massa total!
• É possível ter um aumento ou uma diminuição do número de moles
totais em uma reação química.
Sistema permanente com reação
• Isto pode ser visto na reação em análise:
2 SO2+ O2 → 2 SO3
que, em base molar representa:
Reagentes: 3 moles no total
Produto: 2 moles no total
• Sendo as massa moleculares das substâncias envolvidas na
reação:
SO2
(32 + 16 x 2) = 64 g/gmol
O2
16 x 2 = 32 g/gmol
SO3
(32 + 16 x 3) = 80 g/gmol
tem-se, em base mássica:
Reagentes: 2 x 64 + 2 x 16 = 160 g no total
Produto: 2 x 80 = 160 g no total
Igualdade imposta pelo princípio da conservação da massa!
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Termos usuais
• Reagente limite: é aquele que encontra-se no meio reacional em
menor quantidade, em termos estequiométricos. Se a reação for
conduzida até o final, o reagente limite é o que desaparece primeiro.
• Reagente em excesso: é definido como o percentual representativo
do excesso em que é adicionado determinado reagente em relação à
quantidade necessária, deste mesmo reagente, para reagir com a
quantidade utilizada do reagente limite.
onde n = número de moles alimentados do reagente em excesso
ne = número de moles do reagente em excesso para reagirem com o
número de moles presentes do reagente limite.
• Grau de Conclusão da reação: é a fração do reagente limitante
que reage (ou que é convertida em produtos). Em muitas
reações industriais, mesmo com excesso de reagentes, o
reagente limitante não se esgota completamente. Isso ocorre
devido ao equilíbrio que se forma entre os reagentes e o
produto (reações reversíveis) e tempo de contato insuficiente
entre os reagentes para que ocorra a reação completa.
• Rendimento: é a razão entre a quantidade de matéria (ou
massa) formada do produto desejado e a quantidade de
matéria (ou massa) que seria formada do produto desejado, se
não houvesse reações paralelas e se o reagente limitante
reagisse completamente.
• Seletividade: é a razão entre a quantidade de matéria formada
do produto desejado e a quantidade de matéria formada do
produto não desejado.
Exercícios
• Grau de conversão de um reagente: o grau de conversão (ou
simplesmente conversão) de um reagente indica uma relação
quantitativa entre o número de moles alimentados no meio
reacional e o número de moles que efetivamente reagem, de
uma determinada substância. A conversão pode ser
apresentada em termos percentuais:
1) Qual a quantidade de O2 necessária para produzir 1600
kg/h de SO3?
2) Dióxido de carbono pode ser produzido mediante
decomposição do carbonato de cálcio, formando
também como subproduto o óxido de cálcio. A reação é
85% completa em um reator químico. Qual a
quantidade de CO2 formada e qual a composição do
resíduo de saída (mistura de óxido de cálcio e
carbonato de cálcio) para uma entrada de 100 kg/h de
CaCO3 no processo?
CaCO3 → CaO + CO2
3) Acrilonitrila é produzida por uma reação envolvendo
propileno, amônia e oxigênio, representada pela
equação química:
C3H6 + NH3 + 02 → C3H3N + H2O
A alimentação contém 10% de C3H6, 12% de NH3 e 78%
de ar, em base molar. Com base nas informações
fornecidas responda:
a) Qual o reagente limite? Qual o percentual em excesso
de outros reagentes?
b) Calcule a razão kmol de C3H3N produzidos por kmol de
NH3 alimentados para uma conversão de 30% do
reagente limite.
4) Deseja-se produzir 500 lb de gelo seco por hora, a partir
da combustão do heptano. Sabe-se que 50% do CO2
produzido é convertido em gelo seco. Quantas libras de
heptano devem ser queimadas por hora?
C7H16 + O2 → CO2 + H2O
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5) Determinado calcário possui a seguinte composição:
CaCO3 – 92,89%
MgCO3 – 5,41%
Material não reativo – 1,70%
Pelo aquecimento do calcário é possível recuperar óxidos,
que juntos são conhecidos como cal.
a) Quantas libras de óxido de cálcio podem ser
produzidas a partir de 1 tonelada deste calcário?
b) Quantas libras de CO2 podem ser recuperadas por libra
de calcário?
c) Quantas libras de calcário são necessárias para
produzir 1 tonelada de cal?
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