Formaldeído
é produzido industrialmente pela oxidação catalítica do metanol
segundo a reação:
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 :
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
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:
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:
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:
E, com um rendimento de 75% na formação de formaldeído:
Passo 4
Parte do formaldeído produzido reage para formar monóxido de carbono:
Vamos chamar a fração de formaldeído que reage dessa forma de
. A quantidade de CO formada será igual a
.
Como o rendimento total de formaldeído é 75%, temos:
A quantidade de oxigênio consumido nessa segunda reação será:
Passo 5
Vamos agora fazer o balanço de oxigênio. Inicialmente, fornecemos 1 mol de
. Na primeira reação, para 0,9 mol de metanol convertido, usamos:
Na segunda reação, usamos
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:
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:
Como o rendimento de formaldeído é 75%, podemos considerar que
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%.