Metano e oxigênio reagem na presença de um catalisador para formar formaldeído. Em uma reação paralela, parte do metano é oxidada a dióxido de carbono e água. A alimentação do reator contém somente quantidades equimolares de metano e oxigênio. Admita a alimentação de
. A conversão do metano foi
e o rendimento para o formaldeído é
em relação a alimentação. Calcule a composição molar da corrente de saída do reator, e a seletividade da produção de formaldeído em relação ao dióxido de carbono.
Passo 1
Beleza, vamos começar entendendo o que o enunciado está nos perguntando. Temos uma reação onde metano (
) e oxigênio (
) reagem para formar formaldeído (
) e água (
). Além disso, parte do metano também pode reagir de forma “paralela” para formar dióxido de carbono (
) e água.
O que precisamos aqui é calcular a composição molar da saída do reator e a seletividade da produção de formaldeído em relação ao dióxido de carbono. Para isso, vamos usar conceitos de estequiometria e rendimentos de reação.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar a alimentação inicial do reator. Sabemos que a alimentação contém quantidades equimolares de metano e oxigênio, totalizando 100 mol/s. Então:
Passo 3
Agora, vamos considerar a conversão do metano, que é de 90%. Isso significa que 90% dos 50 mol/s de metano são consumidos nas reações. Calculando:
Portanto, o metano que sobra na saída é:
Passo 4
Em seguida, vamos calcular o rendimento para o formaldeído (
), que é de 85,5% em relação à alimentação de metano. Isso significa:
Passo 5
Agora, vamos determinar quanto metano foi convertido na reação paralela que forma dióxido de carbono (
). Sabemos que o total de metano consumido é 45 mol/s e que 42,75 mol/s foram convertidos em formaldeído. Então:
Passo 6
Vamos agora calcular os produtos de cada reação.
Para a produção de formaldeído (
):
A reação balanceada é:
Para cada mol de
consumido, produz-se 1 mol de
e 1 mol de
.
Então:
Para a produção de dióxido de carbono (
):
A reação balanceada é:
Para cada mol de
consumido, produz-se 1 mol de
e 2 mols de
.
Então:
Passo 7
Agora, vamos somar toda a água produzida nas duas reações:
Passo 8
Vamos também verificar o consumo de oxigênio (
):
Na reação para formaldeído:
Na reação para dióxido de carbono:
Portanto, o oxigênio que sobra na saída é:
Passo 9
Agora, vamos compilar todos os componentes na corrente de saída:
- Metano (CH
): 5,0 mol/s - Oxigênio (O
): 2,75 mol/s - Formaldeído (CH
O): 42,75 mol/s - Dióxido de Carbono (CO
): 2,25 mol/s - Água (H
O): 47,25 mol/s
Passo 10
Por fim, vamos calcular a seletividade da produção de formaldeído em relação ao dióxido de carbono. A seletividade (
) é dada pela razão entre os mols de formaldeído produzidos e os mols de dióxido de carbono produzidos:
Resposta
A composição molar da corrente de saída do reator é:
-
: 5,0 mol/s -
: 2,75 mol/s -
: 42,75 mol/s -
: 2,25 mol/s -
: 47,25 mol/s
A seletividade da produção de formaldeído em relação ao dióxido de carbono é de 19.