Formaldeído (CH 2 O) é produzido industrialmente pela oxidação catalítica do metanol (CH 3 OH) segundo a reação:
CH 3 OH+1 / 2 O 2 CH 2 O+H 2 O
Infelizmente, nas condições empregadas para a produção economicamente viável do formaldeído, uma fração considerável do formaldeído formado pode reagir com o oxigênio para produzir CO e H 2 O :
CH 2 O+1 / 2 O 2 CO+H 2 O
Considere que o reator seja alimentado por metanol e por duas vezes a quantidade estequiométrica de ar necessária à oxidação completa de CH 3 OH . Considere também que ocorrem 90 % de conversão do metanol e que se obtém um rendimento de 75% de formaldeído (fundamentado na produção teórica do CH 2 O pela reação 1). Determine a composição do gás na saída do reator e a seletividade do formaldeído em relação ao monóxido de carbono.

Passo 1

Beleza, então vamos entender o que pede a questão. A gente quer saber qual é a composição do gás que sai do reator quando a gente produz formaldeído a partir do metanol, considerando que nem todo metanol é convertido e que parte do formaldeído vira monóxido de carbono. Além disso, precisamos calcular a seletividade do formaldeído em relação ao CO. Para isso, vamos usar conceitos de estequiometria e balanço de matéria.

Passo 2

Primeiro, vamos determinar a quantidade de ar necessária para a oxidação completa do metanol. A reação balanceada é:
CH3OH + 12 O2 CH2O + H2O
Isso mostra que para cada mol de metanol, precisamos de meio mol de oxigênio. Mas como estamos usando duas vezes a quantidade estequiométrica de ar, teremos:
Oxigênio fornecido = 2 times 12 = 1 mol de O2 por mol de CH3OH ê
Lembrando que o ar é cerca de 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio, mas como a questão não menciona nitrogênio, vamos considerar apenas o oxigênio para simplificação.

Passo 3

Agora, vamos considerar a conversão do metanol e o rendimento do formaldeído. Temos 90% de conversão do metanol, o que significa que:
Metanol consumido = 0,9 times 1 = 0,9 mol
E, com um rendimento de 75% na formação de formaldeído:
Formaldeído produzido = 0,75 times 0,9 = 0,675 mol í

Passo 4

Parte do formaldeído produzido reage para formar monóxido de carbono:
CH2O + 12 O2 CO + H2O
Vamos chamar a fração de formaldeído que reage dessa forma de Formaldeído não reagido para CO = x Formaldeído restante = 0,675 - x . A quantidade de CO formada será igual a 12 x mol de O2 .
Como o rendimento total de formaldeído é 75%, temos:
íãí
A quantidade de oxigênio consumido nessa segunda reação será:

Passo 5

Vamos agora fazer o balanço de oxigênio. Inicialmente, fornecemos 1 mol de Oxigênio na primeira reação = 0,9 times 12 = 0,45 mol de O2 . Na primeira reação, para 0,9 mol de metanol convertido, usamos:
0,45 + 12 x = 0,45 + 0,5x êçã
Na segunda reação, usamos 1 - (0,45 + 0,5x) = 0,55 - 0,5x mol de O2 no exitus mol de . O oxigênio total consumido é:
Como fornecemos 1 mol de :

Passo 6

Agora, vamos considerar a composição dos gases na saída:
  • Formaldeído não reagido: 0,9 mol de H2O + x mol de H2O = 0,9 + x mol mol
  • Monóxido de carbono: mol
  • Água: formada tanto na primeira quanto na segunda reação:
  • Oxigênio não consumido: mol

Passo 7

Para determinar , precisamos considerar que o rendimento de formaldeído é baseado na produção teórica. Porém, sem informações adicionais sobre a cinética ou conversão específica para a segunda reação, vamos assumir que o rendimento de 75% já engloba as perdas para a formação de CO. Assim, podemos resolver diretamente a seletividade.

Passo 8

A seletividade do formaldeído em relação ao CO é dada por:
Se<=tividade = Formaldeído não reagidoFormaldeído não reagido + CO formado = 0,675 - x0,675 - x + x = 0,675 - x0,675 íãíã
Como o rendimento de formaldeído é 75%, podemos considerar que Se<=tividade = 0,675 - 0,2250,675 = 0,450,675 approx 0,6667 ou 66,67% mol (já que 25% do formaldeído acaba formando CO).
Então:

Resposta

A composição do gás na saída do reator é aproximadamente:
  • Formaldeído ( ): 0,45 mol
  • Monóxido de carbono ( ): 0,225 mol
  • Oxigênio (): 0,55 - 0,5 \times 0,225 = 0,4375 mol
  • Água ( ): 0,9 + 0,225 = 1,125 mol
E a seletividade do formaldeído em relação ao monóxido de carbono é de aproximadamente 66,67%.

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