A continuous reactor operating at steady state is being used to study the formation of methanol
from mixtures of H 2 and CO according to the reaction
Some data from one particular run are shown below.
Some data from one particular run are shown below.
Species | Rate in <br>
|
Rate out <br>
|
---|---|---|
CO | 100 | 83 |
|
72 | 38 |
|
9 | 9 |
|
19 | 19 |
|
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 (
) a partir de misturas de
e
. A reação considerada é:
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
e
no reator. A taxa de consumo é a diferença entre a taxa de entrada e a taxa de saída.
Para
:
Para
:
Passo 3
Agora, vamos verificar a razão de consumo entre
e
pela reação dada. Pela equação balanceada:
A relação estequiométrica ideal é que para cada mol de
consumido, são consumidos 2 mols de . Então, a taxa esperada de consumo de deveria ser o dobro da de
.
Vamos verificar:
E de fato, a taxa calculada de consumo de
é 34
, 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
�� a diferença entre a taxa de saída e a taxa de entrada:
De acordo com a estequiometria da reação, para cada mol de
consumido, forma-se 1 mol de
. Então, esperaríamos que a taxa de formação de
fosse igual à taxa de consumo de
, ou seja, 17
. Mas aqui temos apenas 11
.
Passo 5
Essa discrepância sugere que além da reação principal, pode estar ocorrendo outra reação que consome
e/ou
sem formar
. Uma hipótese razoável é que está ocorrendo a formação de
pela reação:
Passo 6
Vamos verificar se essa hipótese faz sentido com os dados fornecidos. A taxa de formação de
é:
Isso indica que não há formação líquida de
, 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
e
para formar um subproduto como
:
A taxa de formação de
é:
Isso também sugere que não há formação líquida de $\mathrm{CH}_4}.
Passo 8
Como não há formação líquida de
nem de , mas ainda há uma discrepância na formação de
, é possível que parte do
esteja sendo convertida de volta em
e ou que haja outra reação secundária equilibrada que consome
.
Passo 9
Para quantificar a discrepância, podemos calcular a diferença entre a taxa esperada e a taxa real de formação de
:
Esses 6
podem estar sendo consumidos por uma reação secundária, como a decomposição de
.
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
estiver ocorrendo, esperaríamos ver variações na taxa de formação de
com mudanças na temperatura ou pressão que afetam o equilíbrio da reação.
Resposta
Não, o sistema não se comporta apenas como a reação
. A discrepância na taxa de formação de metanol sugere que uma reação secundária está consumindo parte do metanol formado. Uma hipótese é que o
está se decompondo de volta em
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.