2 C2 H4+O2 longrightarrow 2 C2 H4 O
Uma reação não desejada, que compete com a primeira, é a combustão do etileno:
C2 H4+3 O2 2 CO2+2 H2 O
A alimentação do reator (näo a alimentação virgem do processo) contém 3 moles de etileno por mol de oxigênio. A conversão do etileno no reator é 20 %, e para cada 100 moles de etileno consumidos no reator 90 moles de óxido de etileno saem nos produtos. Um processo de múltiplas unidades é usado para separar estes produtos: o etileno e o oxigênio são reciclados para o reator, o óxido de etileno é vendido como um produto e o dióxido de carbono e a água são descartados.
(a) Tome uma quantidade da corrente de alimentação do reator como base de cálculo, desenhe e rotule o fluxograma do processo, faça uma análise dos graus de liberdade e escreva as equações que você usaria para calcular (i) as vazões molares de etileno e oxigênio na alimentação virgem, (ii) a taxa de produção do óxido de etileno e (iii) a conversão de etileno no processo. Não faça nenhum cálculo.

Passo 1

Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. Temos uma reação química envolvendo etileno ( ) e oxigênio ( ) para formar óxido de etileno e, como reação indesejada, a combustão do etileno. Nosso objetivo é analisar o processo de produção, desenhar o fluxograma, determinar os graus de liberdade e escrever as equações necessárias para calcular:
i) As vazões molares de etileno e oxigênio na alimentação virgem.
ii) A taxa de produção de óxido de etileno.
iii) A conversão de etileno no processo.
Para isso, vamos precisar de conceitos de balanço de massas, fluxogramas de processos e análise de graus de liberdade na engenharia química.

Passo 2

Primeiro, vamos desenhar o fluxograma do processo. Um fluxograma mostra como os materiais entram no sistema, as reações que ocorrem e como os produtos são separados e tratados. No nosso caso, temos:
  1. Alimentação do Reator: Contém etileno e oxigênio, com uma relação de 3 moles de etileno por mol de oxigênio.
  2. Reator: Onde ocorre a reação desejada ( ) e a reação indesejada de combustão ( ).
  3. Separação por Múltiplas Unidades:
    • Reciclagem: Etileno e oxigênio são reciclados de volta para o reator.
    • Produto Vendido: Óxido de etileno.
    • Descarte: Dióxido de carbono e água.
Esse fluxograma ajuda a visualizar como os materiais circulam no processo.

Passo 3

Agora, vamos analisar os graus de liberdade do sistema. Graus de liberdade indicam quantas variáveis podemos ajustar sem alterar o comportamento do sistema. Para sistemas químicos, usamos a regra de cálculo:
Graus de Liberdade = Número de componentes - Número de reações + Número de fluxos independentes - 1 úúçõú
No nosso caso:
  • Componentes: , , , , .
  • Reações: 2 (a principal e a combustão).
  • Fluxos Independentes: Considerando a alimentação virgem e possíveis reciclos.
Aplicando a fórmula, determinamos quantas variáveis podemos ajustar no processo.

Passo 4

Em seguida, vamos escrever as equações necessárias para resolver cada parte:
i) Vazões Molares na Alimentação Virgem:
  • Utilizamos balanços de massa para etileno e oxigênio, considerando a relação inicial de 3 moles de etileno por mol de oxigênio.
ii) Taxa de Produção de Óxido de Etileno:
  • Aplicamos o balanço de massa baseado na conversão de etileno e na seletividade para formar o óxido de etileno.
iii) Conversão de Etileno no Processo:
  • Definimos a conversão como a fração de etileno que reage no reator, usando os dados fornecidos sobre consumo e produção.
Essas equações nos permitirão montar um sistema que, mesmo sem resolver numericamente, descreve como as variáveis estão relacionadas no processo.

Resposta

Seguindo os passos acima, estruturamos o fluxograma do processo, analisamos os graus de liberdade e identificamos as equações necessárias para calcular as vazões molares de etileno e oxigênio na alimentação virgem, a taxa de produção de óxido de etileno e a conversão de etileno no processo.

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