A continuous reactor operating at steady state is being used to study the formation of methanol (CH 30 H) from mixtures of H 2 and CO according to the reaction
CO+2 H 2 rightarrows CH 3 OH
Some data from one particular run are shown below.
Species Rate in <br> (g cdot mol / min) Rate out <br> (g cdot mol / min)
CO 100 83
H2 72 38
CO2 9 9
CH4 19 19
CH3 OH 2 13
Does the system behave as though only one stoichiometrically simple reaction, i.e., the above reaction, takes place? If not, develop a hypothesis that quantitatively accounts for any discrepancy in the data. How could your hypothesis be tested?

Passo 1

Beleza, vamos entender o que o exercício está pedindo. Temos um reator contínuo operando em estado estacionário onde está ocorrendo a formação de metanol ( CH3OH) a partir de misturas de H2 e CO. A reação considerada é:
CO + 2,H2 rightarrows CH3OH
O exercício nos fornece as taxas de entrada e saída de várias espécies no reator e pergunta se o sistema está se comportando como se apenas essa reação estivesse ocorrendo. Se não estiver, precisamos propor uma hipótese para explicar a discrepância e sugerir como poderíamos testar essa hipótese.
Vamos precisar usar conceitos de balanço de massa e estequiometria para resolver esse problema.

Passo 2

Primeiro, vamos calcular a taxa de consumo de CO e H2 no reator. A taxa de consumo é a diferença entre a taxa de entrada e a taxa de saída.
Para CO:
Para Taxa de consumo de CO = 100,gcdotmolmin - 83,gcdotmolmin = 17,gcdotmolmin :
H2

Passo 3

Agora, vamos verificar a razão de consumo entre CO e H2 pela reação dada. Pela equação balanceada:
CO + 2,H2 rightarrows CH3OH
A relação estequiométrica ideal é que para cada mol de CO consumido, são consumidos 2 mols de . Então, a taxa esperada de consumo de deveria ser o dobro da de H2.
Vamos verificar:
E de fato, a taxa calculada de consumo de H2 é 34 CO, que coincide com a taxa esperada. Até aqui, parece que apenas essa reação está ocorrendo.

Passo 4

Agora, vamos analisar a formação de metanol. A taxa de formação de CH3OH �� a diferença entre a taxa de saída e a taxa de entrada:
Taxa de formação de CH3OH = 13,gcdotmolmin - 2,gcdotmolmin = 11,gcdotmolmin çã
De acordo com a estequiometria da reação, para cada mol de CO consumido, forma-se 1 mol de CH3OH. Então, esperaríamos que a taxa de formação de CH3OH fosse igual à taxa de consumo de CO, ou seja, 17 gcdotmolmin. Mas aqui temos apenas 11 gcdotmolmin.

Passo 5

Essa discrepância sugere que além da reação principal, pode estar ocorrendo outra reação que consome CO e/ou H2 sem formar CH3OH. Uma hipótese razoável é que está ocorrendo a formação de CO2 pela reação:
CO + H2 CO2 + H2O

Passo 6

Vamos verificar se essa hipótese faz sentido com os dados fornecidos. A taxa de formação de CO2 é:
Taxa de formação de CO2 = 9,gcdotmolmin - 9,gcdotmolmin = 0,gcdotmolmin çã
Isso indica que não há formação líquida de CO2, sugerindo que talvez haja uma reação reversa ou equilíbrio que não está sendo considerado na reação principal.

Passo 7

Outra possibilidade é que haja uma reação paralela que consome CO e H2 para formar um subproduto como CH4:
CO + 3,H2 rightarrows CH4 + H2O
A taxa de formação de CH4 é:
Taxa de formação de CH4 = 19,gcdotmolmin - 19,gcdotmolmin = 0,gcdotmolmin çã
Isso também sugere que não há formação líquida de $\mathrm{CH}_4}.

Passo 8

Como não há formação líquida de CO2 nem de , mas ainda há uma discrepância na formação de CH4, é possível que parte do CH3OH esteja sendo convertida de volta em CH3OH e ou que haja outra reação secundária equilibrada que consome CO.

Passo 9

Para quantificar a discrepância, podemos calcular a diferença entre a taxa esperada e a taxa real de formação de CH3OH:
De
Esses 6 gcdotmolmin podem estar sendo consumidos por uma reação secundária, como a decomposição de CH3OH.

Passo 10

Para testar essa hipótese, poderíamos realizar experimentos adicionais onde monitoramos a composição de saída do reator em diferentes condições de operação. Se a decomposição de CH3OH estiver ocorrendo, esperaríamos ver variações na taxa de formação de CH3OH com mudanças na temperatura ou pressão que afetam o equilíbrio da reação.

Resposta

Não, o sistema não se comporta apenas como a reação CO + 2,H2 rightarrows CH3OH. A discrepância na taxa de formação de metanol sugere que uma reação secundária está consumindo parte do metanol formado. Uma hipótese é que o CH3OH está se decompondo de volta em CO e . Para testar essa hipótese, podemos realizar experimentos variando condições como temperatura e pressão para observar se a taxa de formação de metanol responde conforme esperado pela presença da reação secundária.

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