estequiometria industrial, Notas de estudo de Engenharia Química

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Estequiometria Industrial

Introdução!^ Problemas industriais:–

Princípios químicos;– Princípios físicos;– Princípios físico-químicos.A termodinâmica e a cinética envolvidas nos processos unitáriosfazem com que a produção industrial tenha resultados cadavez mais satisfatórios.

Introdução!^

Problemas de Estequiometria Industrial:1.^ Balanços de materiais;2.^ Balanços de energias;3.^ Relações de equilíbrio;4.^ Equações de velocidade de processos.

Introdução!^ 1. Gases reais:

PV = nRT

para gases perfeitos ou misturas; PV = znRT

para gases reais ou misturas destes,onde z é o fator decompressibilidade.O valor de z é função

Pr

(pressão reduzida) e da

Tr

(temperatura reduzida emtermos absolutos).

Oxigênio

Cloro

Hidrogênio

Ar

Amônia

Água(vapor)

vc (L/mol) Pc (atm) Tc^ (ºC) gás

Introdução!^ 2. Reações químicas em ambientes industriais:^ –

Em reações industriais um ou mais reagentes são colocados emexcesso; podendo ser calculado por: 100(m

• ma \ m^ t^ t^

), %, onde m

t

massa teórica e m

massa alimentada;a

-^ No final teremos reagentes não consumidos e produtos de reação;–^ As quantidades máximas dos produtos serão determinadas peloreagente-limite;–^ Os excessos dos outros reagentes serão calculados em relação aoreagente-limite;–^ Mesmo havendo reagentes em excesso geralmente não se chega aesgotar o reagente-limite;–^ Esta complementação parcial pode ocorrer devido a um equilíbrioformado ou por um tempo de contato insuficiente entre os reagentes;–^ Define-se como grau de complementação a % do reagente-limite queforma o produto.

Introdução^!

Exemplo:

Em uma fábrica de fertilizantes é produzido

um superfosfato tratando fosfato de cálcio com 87% depureza, pelo ácido sulfúrico concentrado. Em umaprodução foram misturados 500Kg de fosfato com 250Kgde H

SO^2

, obtendo-se 280Kg de superfosfato. Indicar 4

qual o reagente-limite e calcular o excesso do outroreagente. Qual é o grau de complementação destareação?

1-Balanço de materiais^!^ Princípio: lei de conservação das massas;^!^ Definição de fórmulas e reações;^!^ Para fluxos: entrada – saída = acúmulo;^!^ Unidades molares – reações químicas.

1-Balanço de materiais!^

Técnica:1.^ Conhecer completamente do processo considerado;2.^ Esquematizar um fluxograma simplificado (vazões, pressões,temperaturas, concentrações, etc.);3.^ Analisar o fluxograma relacionando quantidades;4.^ Escolher um base de cálculo apropriada ao caso;5.^ Selecionar o sistema onde ocorre o processo ou a operação;6.^ Realizar o balanço através de equações que traduzam oproblema e obter um valor numérico para o caso em análise.

1-Balanço de materiais!^ Exemplo:

uma solução a

50 mol %

de etanol

em água alimenta uma coluna de destilaçãocom vazão constante para produzir umdestilado com

70 mol %

de etanol e

1 mol %

de resíduos. Sendo F a quantidade em molque alimenta a coluna em um dado intervalode tempo e D e R os números de mol dedestilado e resíduos produzidos.Calcule osvalores de D e R.

1-Balanço de materiais1- Equações :

F = D + RF= D xF^

+ R xD

xR

onde

xF^ = 0,5,

xD^ = 0,7 e

xR^ = 0,

Logo resolvendo o sistema teremos:

D = F

xF

-^ xRxD - xR

e^

R = F

xD - xFxD - xR

para qualquer valor de F podemos substituir as incógnitas nasequações.

1-Balanço de materiais!^ Exemplo:

um tanque de armazenamento de água

quente de lavagens recebe água de várias fontes. Em um dia

de operação,

240m

3 de condensados são

enviados para este tanque,

80m

3 de água quente com

soda vem direto do lavador e

130m

3 são proveniente

de um filtro rotativo. Durante este período,

300m

3 são

retirados para diversos usos,

5m

3 são perdidos por

evaporação e

1m

3 por vazamento. A capacidade do

tanque é de

500m

3 e, no início do dia, está cheio até a

metade. Quanta água haverá no tanque no final dodia?

1-Balanço de materiais!^

Técnica: 1.^ Um tanque que recebe água de diferentes pontos, pode-seconsiderar uma composição uniforme, ignorando variações detemperaturas, densidades, pode-se dizer que as massas queentram e saem podem ser proporcionais aos volumes;2.^ Fluxograma simplificado :

Volume inicial de água quente

(^3) 250m

condensados solução do lavadorágua do filtro rotativo

(^3) 240m (^3) 80m (^3) 130m

água perdida por evaporação^3 5m

água para consumo300m

3 vazamento

(^3) 1m

Sistema

Tanque de armazenamento com cap. 500m

3

2-Balanços de energia!^ Os processos estão sempre associados a alterações deenergéticas das mais variadas formas;!^ Nos processos químicos há liberação ou absorção de energiageralmente sob forma de calor;!^ Nos processos de combustão a energia interna do combustível éutilizada para geração de calor, em fornos e caldeiras, ou paraprodução de trabalho, em motores e turbinas;!^ Nas bombas e compressores é fornecido um trabalho paraacelerar ou comprimir fluídos;!^ Nos trocadores de calor é feita a transferência de calor de umfluído quente para um fluído mais frio.

2-Balanços de energia!^ É importante a determinação da energia, em suas diversas formas, queestarão envolvidas em todos os processos e operações de uma produção;^!^ Certas reações exotérmicas podem ser completamente bloqueadas se osmeios necessários para dissipação do calor liberado não forem adequados;^!^ Os cálculos envolvidos são efetuados pela aplicação do primeiro princípio datermodinâmica, que relaciona a variação das quantidades das diversasenergias armazenadas em um sistema com as energias em trânsito;^!^ Estando relacionados ao balanço de materiais;^!^ São necessários ainda conhecimento das propriedades térmicas etermodinâmicas dos envolvidos no processo (capacidades caloríficas,entalpias de mudança de estado físico, poderes caloríficos de combustíveis eentalpias de reações);^!^ São também necessários dados referentes as perdas geradas pelos própriosequipamentos e suas características de construção.