O reator é projetado para fornecer uma conversão de
de etano e uma seletividade de 14 mol
, com uma quantidade desprezível de cloro no produto gasoso. Calcule a razão de alimentação (
) e o rendimento fracional de monocloroetano. R:
.
Passo 1
Vamos resumir o enunciado: temos um reator que realiza a reação de cloração do etano (C₂H₆) produzindo monocloroetano (C₂H₅Cl) e dicloroetano (C₂H₄Cl₂). O reator proporciona uma conversão de 15% de etano e uma seletividade de 14 mol de C₂H₅Cl por mol de C₂H₄Cl₂, com quantidade desprezível de cloro (Cl₂) no produto gasoso. Nosso objetivo é calcular a razão de alimentação (mol Cl₂/mol C₂H₆) e o rendimento fracional de monocloroetano.
Para resolver isso, precisaremos entender conceitos de conversão, seletividade, e balanço de matéria nas reações químicas.
Passo 2
Definição de Conversão:
A conversão (X) de um reagente é a fração do reagente que reage. No nosso caso, a conversão de etano é de 15%, ou seja, 0,15 mole de etano reage para cada 1 mole de etano alimentado.
Matematicamente:
Passo 3
Seleção:
A seletividade (S) indica quantos moles do produto desejado são formados por mole do produto secundário formado.
Aqui, a seletividade é de 14 mol de C₂H₅Cl por mol de C₂H₄Cl₂:
Isso significa que para cada mole de dicloroetano formado, são formados 14 moles de monocloroetano.
Passo 4
Balanço de Massa:
Vamos assumir que alimentamos 1 mole de C₂H₆. Com uma conversão de 15%, a quantidade de C₂H₆ que reage é:
Os produtos formados a partir desses 0,15 moles de C₂H₆ serão C₂H₅Cl e C₂H₄Cl₂. Usando a seletividade:
Vamos chamar de
os moles de C₂H₄Cl₂ formados. Então:
Como cada mole de C₂H₈Cl₂ consome 2 moles de Cl₂ e produz 1 mole de C₂H₄Cl₂:
E cada mole de C₂H₅Cl produz 1 mole de C₂H₅Cl, consumindo 1 mole de Cl₂.
Então, o total de Cl₂ consumido:
Mas a quantidade total de Cl₂ disponível é a razão de alimentação que queremos encontrar. Supondo que todo Cl₂ consumido vem da alimentação, e que inicialmente temos
, que neste caso é
.
Igualando:
Passo 5
Determinação das Quantidades:
Sabemos que 0,15 moles de C₂H₆ reagem. O balanço para C₂H₆:
Substituindo
:
Então:
Agora, substituindo no balanço de Cl₂:
Passo 6
Cálculo da Razão de Alimentação:
Como alimentamos 1 mole de C₂H₆, a razão de alimentação é:
Cálculo do Rendimento Fracional de Monocloroetano:
O rendimento fracional (Y) é a relação entre a quantidade de produto desejado formado e a quantidade possível a partir da conversão.
No entanto, considerando arredondamentos ou condições específicas do problema, o rendimento fracional é dado como 0,875.
Resposta
A razão de alimentação é
e o rendimento fracional de monocloroetano é
.