A acrilonitrila é produzida a partir da reação do propileno, amônia e oxigênio:
C3 H6+NH3+1,5 O2 C3 H3 N+3 H2 O
A alimentação do reator contém 10 % C3 H6, 12 % NH3 e 78 % ar e consegue-se uma conversão de 30 % do reagente limite. Para 100 kgmol da corrente de alimentação, determinar: a) O reagente limite; b) A percentagem em excesso dos demais reagentes; e c) As quantidades de cada composto presente no gás de saída.

Passo 1

Beleza, vamos resolver esse exercício juntos! A gente tem uma reação química onde a acrilonitrila é produzida a partir de propileno ( C3H6), amônia ( NH3) e oxigênio ( O2). Nosso objetivo é descobrir qual reagente está limitando a reação, quanto sobra dos outros reagentes e as quantidades de cada composto no gás que sai do reator. Para isso, vamos precisar usar conceitos de estequiometria e balanceamento de reações químicas.

Passo 2

Primeiro, vamos entender a reação:
C3H6 + NH3 + 1,5 O2 C3H3N + 3 H2O
Isso significa que 1 mol de propileno reage com 1 mol de amônia e 1,5 mols de oxigênio para produzir 1 mol de acrilonitrila e 3 mols de água.

Passo 3

Temos 100 kgmol de alimentação com as seguintes porcentagens:
  • 10% de C3H6 → 10 kgmol
  • 12% de NH3 → 12 kgmol
  • 78% de ar → 78 kgmol
Vamos considerar que o ar é composto principalmente de oxigênio e nitrogênio. Sabemos que o ar é aproximadamente 21% O2 e 79% N2. Então, a quantidade de O2 no ar é:
O2 = 0,21 times 78 , kgmol = 16,38 , kgmol

Passo 4

Agora, vamos identificar o reagente limitante. Para isso, comparamos a quantidade disponível de cada reagente com a quantidade necessária pela estequiometria da reação.
  • Para C3H6: precisamos de 1 mol para cada 1 mol de reação. Temos 10 kgmol.
  • Para NH3: precisamos de 1 mol para cada 1 mol de reação. Temos 12 kgmol.
  • Para O2: precisamos de 1,5 mol para cada 1 mol de reação. Temos 16,38 kgmol.
Vamos calcular quantos mols de reação cada reagente pode sustentar:
  • C3H6: 10 kgmol / 1 = 10 mols
  • NH3: 12 kgmol / 1 = 12 mols
  • O2: 16,38 kgmol / 1,5 ≈ 10,92 mols
O menor valor é 10 mols, então o C3H6 é o reagente limitante.

Passo 5

Agora, vamos calcular a porcentagem de conversão, que é de 30%. Isso significa que apenas 30% do C3H6 vai reagir.
Quantidade reagida de C3H6:
10 , kgmol times 0,30 = 3 , kgmol

Passo 6

Com base na reação balanceada, para cada 1 mol de C3H6 que reage, precisamos de 1 mol de NH3 e 1,5 mol de O2.
Então, a quantidade reagida de NH3:
3 , kgmol times 1 = 3 , kgmol
E a quantidade reagida de O2:
3 , kgmol times 1,5 = 4,5 , kgmol

Passo 7

Agora, vamos determinar a quantidade que sobra de cada reagente:
  • C3H6: todo o excesso foi consumido parcialmente, mas como é o limitante, sobra 7 kgmol (10 - 3).
  • NH3: 12 - 3 = 9 kgmol.
  • O2: 16,38 - 4,5 = 11,88 kgmol.

Passo 8

Vamos calcular a porcentagem de excesso dos reagentes que não são limitantes. O reagente limitante é o C3H6, então os demais são NH3 e O2.
A fórmula para excesso é:
Excesso (%) = ( Quantidade SobraQuantidade Reagida ) times 100%
  • Para NH3:
Excesso = ( 93 ) times 100% = 300%
  • Para O2:
Excesso = ( 11,884,5 ) times 100% approx 264%

Passo 9

Finalmente, vamos calcular as quantidades de cada composto presente no gás de saída. Considerando que parte dos reagentes não reagiu e houve formação de produtos.
  • Produtos formados:
    • C3H3N: 3 kgmol
    • H2O: 3 mols de água por mol de reação × 3 kgmol = 9 kgmol
  • Reagentes não consumidos:
    • C3H6: 7 kgmol
    • NH3: 9 kgmol
    • O2: 11,88 kgmol
  • Nitrogênio não reage: no ar, além do oxigênio, temos N2. Quantidade de N2 no ar:
N2 = 0,79 times 78 , kgmol = 61,62 , kgmol
Então, o gás de saída tem:
  • C3H6: 7 kgmol
  • NH3: 9 kgmol
  • O2: 11,88 kgmol
  • N2: 61,62 kgmol
  • C3H3N: 3 kgmol
  • H2O: 9 kgmol

Resposta

a) O reagente limitante é o propileno ( C3H6).
b) A percentagem em excesso de NH3 é 300% e de O2 é aproximadamente 264%.
c) As quantidades de cada composto no gás de saída são:
  • C3H6: 7 kgmol
  • NH3: 9 kgmol
  • O2: 11,88 kgmol
  • N2: 61,62 kgmol
  • C3H3N: 3 kgmol
  • H2O: 9 kgmol

Exercícios relacionados