Balanços de energia com reação química

EQ 481 – Introdução à Engenharia Química - Balanços de energia com reação química
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Universidade Estadual de Campinas
Faculdade de Engenharia Química
Departamento de Tecnologia de Polímeros
EQ481A – INTRODUÇÃO À ENGENHARIA QUÍMICA
Balanços de energia com reação química
1- (9-2) A entalpia de ração padrão para a combustão do n-nonano líquido formando dióxido de
carbono e água líquida é ∆Hˆ ro = -6124 kJ/mol, e para o n-nonano gasoso, nas mesmas
condições, é = 6171 kJ/mol.
a- Se 3 moles/s de n-nonano líquido são consumidos e o reagentes e produtos estão a 25 0C,
calcule a taxa de calor em kW. Indique se ele é retirado ou fornecido ao sistema. –18370 kW
b- Qual o significado físico da diferença de 47 kJ/mol entre os valores de ∆ Hro ?
2- (9-11) n-Heptano reage cataliticamente para formar tolueno:
C7H16 → C6H5CH3 + 4 H2
A reação ocorre em um reator isotérmico a 400 0C e 1 atm. Heptano puro é alimentado no
reator e a conversão alcançada é de 35%.
a- Calcule o calor da reação a 400 0C, utilizando entalpias de formação padrão dos reagentes
e produtos. A capacidade calorífica do heptano é Cp (J/mol 0C) = 150 + 0,6 T (0C). 237,5
kJ/mol
b- Estime a taxa de transferência de calor 5a ser fornecida ou removida do reator para uma
produção de 200 kg/h de tolueno. 5,15 10 kJ/h
3- (9-14) Dióxido sulfúrico é oxidado para trióxido sulfúrico em um reator. SO2 e 100% de ar em
excesso são alimentados no reator a 450 0C. A reação tem uma conversão de 65% de SO2 e
os produtos saem do reator a uma temperatura de 550 0C. A taxa de produção do SO3 é de
100 kg/h. O reator é resfriado com auxílio de uma camisa onde água é alimentada a 25 0C.
Calcule a mínima vazão de água de resfriamento se a diferença de temperatura da água não
pode ultrapassar 15 0C. 1293 kg/h
4- (9-18) Etanol pode ser produzido comercialmente pela hidratação do etileno:
C2H4 (g) + H2O (g) ↔ C2H5OH (g)
Etanol produzido também é consumido para produzir éter dietílico:
C2H5OH (g) ↔ (C 2H5)2 O (g) + H2O (g)
A alimentação do reator contém 53,7 mol% de C2H4, 36,7 de H2O e o restante em inertes,
estando a 310 0C. O reator opera isotermicamente a 310 0C. Uma conversão em etileno é de
5% e o rendimento do etanol (moles de etanol produzido / moles de etileno consumido) é de
0,9.
Dados do éter dietílico:
∆Hˆ fo = -272,8 kJ/mol para o líquido ∆Hˆ v = 26,05 kJ/mol (assuma independente de T)
Cp (J/mol 0C) = 89,45 + 0,4033 T (0C) – 2,244 10 -4 T2.
a- Calcule o calor a ser fornecido ou retirado do reator, em kJ/mol alimentado. –1,3 kJ/mol
b- O que poderia ser feito para melhorar a baixa conversão do etileno?
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5- (9-22) Etileno é convertido em estireno em um reator catalítico:
C8H10 (g)→ C8H8 (g) + H2
∆Hˆ ro (600 0C)= 124,5 kJ/mol
Um fluxograma simplificado é apresentado a seguir:
Etilbenzeno fresco e reciclado é misturado e aquecido de 25 a 500 0C (A) e esta corrente é
misturada adiabaticamente com uma corrente de vapor a 700 0C (B) para produzir a corrente
de alimentação do reator a 600 0C. (O vapor evita reações paralelas e remove carvão
depositado na superfície do catalisador). A conversão no reator é de 35% (C) e os produtos
saem a 560 0C. A corrente de produtos é resfriada a 25 0C, condensando toda a água,
etilbenzeno e estireno. O hidrogênio, na forma de vapor, é retirado do processo. A água e os
hidrocarbonetos são imiscíveis e são separados em um decantador (E). A água é vaporizada e
aquecida (F) e reciclada para a mistura com o etilbenzeno. A corrente de hidrocarbonetos é
alimentada em uma coluna de destilação (G), onde são separados em duas correntes puras a
25 0C.
a- Calcule, para uma base de 100 kg/h de estireno produzido, a vazão de alimentação do
etilbenzeno, do etilbenzeno reciclado e a água recirculada em mol/h (assuma P=1 atm). 960,
1780 e 19400 mol/h
b- Calcule as taxas de aquecimento ou resfriamento em (A), (F) e (C). 3,67 105, 1,34 10 6 e 5,65
104 kJ/h
Dados:
Etilbenzeno: Cp (líquido) = 182 J/mol 0C
∆Hˆ v = 36 kJ/mol a 136 0C
Cp (vapor)= 118 + 0,3 T (0C) J/mol 0C
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Estireno: Cp (líquido) = 209 J/mol 0C
∆Hˆ v = 37,1 kJ/mol a 145 0C
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Cp (vapor)= 115 + 0,27 T (0C) J/mol 0C
6- (9-56) Monóxido de carbono é queimado com excesso de ar a 1 atm. Os reagentes são
alimentados a 25 0C e a temperatura adiabática de chama é 1500 0C.
a- Calcule o e xcesso de ar. 99%
b- Se aumentarmos a porcentagem de excesso de ar, o que aconteceria com a temperatura
adiabática de chama? Diminuiria
7- (9-57) Propano é queimado completamente em um reator com uma quantidade
estequiométrica de oxigênio. Calcule a temperatura adiabática de chama, assumindo que a
capacidade calorífica dos produtos gasosos é 1 kJ/kg 0C e os gases são alimentados a 25 0C.
Calcule também 0quando a0 alimentação é feita com ar ao invés de oxigênio. Explique a
diferença. 10040 C e 2822 C