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CAPÍTULO 2 BALANÇOS MATERIAIS

EXERCÍCIOS 1. Oxigênio e nitrogênio tecnicamente puros são produzidos industrialmente pela destilação criogênica do ar atmosférico de acordo com o esquema mostrado na Figura abaixo. Para a composição molar do ar atmosférico: O2: 20,55%; Ar: 0,91%; H2O: 1,96%; N2 balanço, determinar os valores em branco na Tabela de Correntes dada.

2 1

Purga

UNIDADE DE DESTILAÇÃO CRIOGÊNICA

AR

4

Nitrogênio 5

Oxigênio

3

1 O2 N2 Ar H2O Total

PM 32,00 28,01 39,94 18,02

kg/h

%peso

Tabela de Correntes 2 3 kg/h %peso kg/h %peso 5,00 0,00 0,00 0,00 0,00

4 kg/h

5 %peso 0,10

kg/h

0,00 0,00 6000,0

%peso 99,50 0,00 0,00

16000,0

Solução

1 O2 N2 Ar H2O Total

PM 32,00 28,01 39,94 18,02

kg/h %peso 18906,9 22,88 61670,7 74,63 1,26 1041.2 1,23 1016,4 82635,2 100,00

2 kg/h 2980,9 55676,7 961,2 0,00 59618,8

Tabela de correntes 3 %peso kg/h %peso 5,00 0,00 0,0 0,00 93,39 0,0 0,00 1,61 0,0 0,00 1016,4 100,00 100,00 1016,4 100,00

4 Kh/h %peso 0,10 6,0 5994,0 99,90 0,00 0,0 0,00 0,0 6000,0 100,00

5 kg/h %peso 15920,0 99,50 0,00 0,0 80,0 0,50 0,00 0,00 16000,0 100,00

2. Um reator produz óxido de etileno pela oxidação catalítica do etileno com oxigênio em fase vapor, segundo a reação: C2H4 + ½ O2 → C2H4O Simultaneamente, uma parte do etileno é oxidada a CO2 e água: C2H4

+

3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O

A conversão do etileno é definida como a relação entre o número de moles de etileno que reagiram e o número de moles de etileno alimentado. A seletividade da reação é definida como a relação entre o número de moles de óxido de etileno produzidos e o número total de moles de etileno reagidos. Para uma situação em que o reator é operado com uma seletividade de 81,00% e uma conversão de 11,00% e para as demais condições dadas na tabela de correntes abaixo, determinar os valores correspondentes aos espaços em branco. Tabela de correntes

C2H4 O2 C2H4O CO2 H2O N2 Ar C2H6 Total

P.M. 28,05 32,00 44,05 44,01 18,02 28,01 39,95 30,07

kmol/h

1 %mol 19,00 7,00 0,00 8,15 0,25 8,50 0,50 100,00

2 kg/h

%peso

kmol/h

%mol

kg/h

%peso

7.048,0

100,00

100,00

100,00

Solução

Tabela de Correntes

C2H4 O2 C2H4O CO2 H2O N2 Ar C2H6 Total

P.M. 28,05 32,00 44,05 44,01 18,02 28,01 39,95 30,07

kmol/h 1.795,74 661,59 0,00 770,28 23,63 5.349,40 803,36 47,26 9.451,26

1 %mol kg/h %peso 19,00 50.371 17,42 7,00 21.171 7,32 0,00 0,00 0,00 8,15 33.900 11,72 0,25 426 0,15 56,60 149.837 51,81 8,50 32.094 11,10 0,50 1.421 0,49 100,00 289.220 100,00

2 kmol/h 1.598,21 469,00 160,00 845,34 98,69 5.349,40 803,36 47,26 9.272,93

%mol 17,24 5,06 1,73 9,12 1,06 57,69 8,66 0,51 100,00

kg/h %peso 44.830 15,50 15.008 5,19 7.048 2,44 37.203 12,86 1.778 0,61 149.837 51,81 32.094 11,10 1.421 0,49 289.219 100,00

3. 88,00kmol/h de gás natural devem ser queimados com excesso de ar tal que a concentração molar de O2 nos gases de combustão seja 1,5%. São dados: Composição do gás natura (%mol): CH4: 90,00%; C2H6: 8,00%; CO2 (balanço). Composição do ar (% mol): O2: 20,54; Ar: 0,91: CO2: 0,03; H2O: 1,96; N2: balanço. Determinar: a) a vazão de ar b) a vazão e a composição dos gases e combustão. Solução:

1 3 2

Componente N2 O2 Ar H2O CH4 C2H6 CO2 Total

QUEIMA

Tabela de correntes Corrente 1 Corrente 2 Ar de combustão Gás natural kmol/h %mol kmol/h %mol 0,00 741,41 76,56 0,00 20,54 0,00 198,91 0,00 0,91 0,00 8,81 0,00 1,96 0,00 18,98 0,00 0,00 90,00 0,00 79,20 0,00 8,00 0,00 7,04 0,03 0,29 1,76 2,00 88,00 968,40 100,00 100,00

Corrente 3 Gases de combustão kmol/h %mol 741,41 70,06 1,50 15,87 8,81 0,83 198,50 18,76 0,00 0,00 0,00 0,00 93,57 8,84 1058,16 100,00

4. A amônia é produzida industrialmente pela reação de síntese entre o nitrogênio e o hidrogênio em pressões e temperaturas elevadas, de acordo com a reação: 3H2 + N2 → 2NH3. O sistema de síntese deve ser alimentado com uma mistura gasosa de H2 e N2 numa relação molar de aproximadamente 3/1. Essa mistura pode ser obtida de várias formas. Uma das mais importantes utiliza gás natural como matéria prima. O gás de síntese é obtido através de uma série de transformações químicas que começam pela reforma do gás natural com vapor de água (reforma primária) seguida da oxidação com ar (reforma secundária). Neste caso deseja-se fazer um balanço material das seções de reforma primária e secundária de uma unidade de amônia de acordo com o esquema e tabela de correntes mostrados abaixo: vapor

2 1 Gás natural

4

AR

3

REFORMA PRIMÁRIA

5 Gás de síntese

REFORMA SECUNDÁRIA

São consideradas as seguintes reações: Reforma primária: CH4 + H2O → CO + 3 H2 CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2 C2H6 + 2 H2O → 2 CO + 5 H2 Reforma secundária 2CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2 CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O 1 kmol/h CH4 C2H6 H2O H2 CO CO2 O2 N2 Ar Total

2 %mol 93,00 7,00

kmol/h

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00

Tabela de correntes 3 %mol kmol/h %mol 0,00 8,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100.00

100,00

4 kmol/h

5 %mol 0,00 0,00

kmol/h

0,00 0,00 0,00 20,96 78,11 0,93 100,00

6700,00

%mol 0,39 32,65 36,95 4,64 0,00

100,00

Solução: 1 CH4 C2H6 H2O H2 CO CO2 O2 N2 Ar Total

kmol/h 2256,17 169,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 2425,99

Tabela de correntes 3 kmol/h %mol kmol/h %mol 0,00 1070,53 8,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 7739,94 100,00 5555,64 42,04 0,00 5065,04 0,00 38,32 0,00 0,00 866,26 6,55 0,00 0,00 659,02 4,99 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 7739,94 100,00 13216,48 100,00 2

%mol 93,00 7,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100.00

4 kmol/h %mol 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 20,96 773,40 78,11 2882,18 0,93 34,32 3689,90 100,00

5 kmol/h %mol 0,39 70,72 0,00 0,00 32,65 5920,30 6700,00 36,95 1683,74 9,29 4,64 841,35 0,00 0,00 2882,18 15,90 34,32 0,19 18132,61 100,00

Quantidade de CH4 que reage com água na reforma primária para formar CO 526,62 kmol/h Quantidade de CH4 que reage com água na reforma primária para formar CO2: 659,02 kmol/h Quantidade de CH4 que reage com O2 para formar CO e H2 na reforma secundária: 817,48 kmol/h

Quantidade de CH4 que reage com O2 para formar CO2 e água na reforma secundária: 183,33 kmol/h

5. Um sistema de carbonato é usado para tratar uma corrente de gás natural da qual devem ser removidos H2S e CO2, de acordo com o esquema de processo e Tabela de Correntes abaixo.

2

5

Gás natural tratado

Gases ácidos

COLUNA DE REGERERAÇÃO

COLUNA DE ABSORÇÃO

3 6 Vapor

1 Vapor (V) Gás natural ácido 4

Tabela de Correntes CH4 C2H6 CO2 H2S H2O K2CO3 KHCO3 KHS Total

P.M. 16,04 30,07 44,01 34,08 18,02 138,21 100,12 72,17

1 kmol/h %mol

2

3 %mol

5,50 12,00 6,00 1,50 0,00 0,00 0,00

0,45 0,05 0,90 0,00 0,00 0,00

4

5

%peso 0,00 0,00 0,00 0,00

%peso 0,00 0,00 0,00 0,00

26,00 4,00 2,00

5,25

6 %mol

%mol 0,00 0,00 0,00 0,00

60,00 0,00 0,00 0,00

4.800

Os gases ácidos são removidos na Coluna de Absorção através das seguintes reações químicas: CO2 + K2CO3 + H2O H2S + K2CO3

→

→

2 KHCO3

KHCO3 + KHS

Na Coluna de Regeneração de Carbonato acontecem exatamente as mesmas reações mas no sentido inverso. Para essas condições determinar os dados que estão em branco na Tabela de Correntes e o consumo de vapor no refervedor da Coluna de Regeneração de Carbonato sabendo-se que são requeridos 1,02 kg desse vapor para cada kg de água vaporizada da solução de carbonato. Solução: Tabela de Correntes 1 CH4 C2H6 CO2 H2S H2O K2CO3 KHCO3 KHS Total

2

P.M. kmol/h %mol kmol/h %mol 16,04 3.600 75,00 3600 91,86 5,50 30,07 264 264 6,74 0,45 44,01 576 12,00 18 6,00 0,05 34,08 288 2 1,50 0,90 18,02 72 35 0,00 0,00 138,21 0 0 0,00 0,00 100,12 0 0 0,00 0,00 72,17 0 0 4.800 100,00 3919 100,00

Consumo de vapor: 680 kg/h

3 kg/h 0 0 0 0 388.289 148.463 22.841 11.420 571.013

4 5 %peso kg/h %peso kmol/h 0,00 0,00 0 0 0,00 0,00 0 0 0,00 0,00 0 558 0,00 0,00 0 286 68,00 378.901 62,53 1.266 26,00 31.814 5,25 0 4,00 163.209 26,93 0 2,00 32.061 5,29 0 100,00 605.985 100,00 2.110

6 %mol kmol/h %mol 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 26,45 0 0,00 13,55 0 60,00 1.229 100,00 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 0,00 0,00 0 100,00 1.229 100,00

6. Para uma unidade de óxido de etileno / glicóis mostrado no esquema abaixo, efetuar o balanço material de forma a completar os dados faltantes na Tabela de Correntes correspondente, sabendo-se que a seletividade da reação de óxido é 81,0% e que 1,5% do óxido formado na Unidade de Óxido é transformado em MEG nessa Unidade. Purga de argônio

5

6

Água

CO2

10 11

MEG 7

1

12

Etileno

DEG 2

UNIDADE

Oxigênio

UNIDADE

8

DE 3

DE

ÓXIDO

13

TEG

GLICÓIS

9

Metano

14

Pesados 4

Vapor + água

15

Efluente

Tabela de Correntes

C2H4 O2 C2H4O H2O CO2 CH4 Ar MEG DEG TEG Pesados (*) Total

P.M. 28,054 31,998 44,053 18,015 44,009 16,043 39,948 62,068 106,121 150,174 200,835

1 Etileno Kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

2 Oxigênio kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,30 0,00 0,00 0,00 0,00

3 Metano kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

4 Vapor+água kg/h %peso 0,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

5 Purga de Ar kmol/h %peso 10,00 5,50 0,00 0,3 2,00 10,00 0,00 0,00 0,00 0,00

9500

(*) H(C2H4O)4,15OH

C2H4 O2 C2H4O H2O CO2 CH4 Ar MEG DEG TEG Pesados (*) Total

P.M. 28,054 31,998 44,053 18,015 44,009 16,043 39,948 62,068 106,121 150,174 200,835

6 CO2 Kg/h %peso 0,02 0,00 0,00

7 Purga kg/h %peso 0,00 0,00 0,00

8 Água + óxido kg/h %peso 0,00 0,00 10,00

65,00 0,25 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 5,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 0,20 0,00 0,00 0,00

9 Água de reciclo kg/h %peso

0,00

0,15

10 Água kmol/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

(*) H(C2H4O)4,15OH

C2H4 O2 C2H4O H2O CO2 CH4 Ar MEG DEG TEG Pesados (*)

P.M. 28,054 31,998 44,053 18,015 44,009 16,043 39,948 62,068 106,121 150,174 200,835

11 MEG Produto Kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00

12 DEG Produto kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,06 0,00

13 TEG Produto kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,30 0,05

14 Pesados kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4,60

15 Efluente kmol/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,00

47500

Total

3000

750

115

5000

(*) H(C2H4O)4,15OH

Solução

Tabela de Correntes

C2H4 O2 C2H4O H2O CO2 CH4 Ar MEG DEG TEG Pesados (*) Total

P.M. 28,054 31,998 44,053 18,015 44,009 16,043 39,948 62,068 106,121 150,174 200,835

1 Etileno Kg/h %peso 29165,9 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 29165,9 100,00

2 Oxigênio kg/h %peso 0,00 32374,0 99,70 0,00 0,00 0,00 0,00 0,30 97,4 0,00 0,00 0,00 0,00 32471,4 100,00

3 Metano kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 769,9 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 769,9 100,00

4 Vapor+água kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 9500 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 9500 100,00

5 Purga de Ar kmol/h %peso 10,00 97,4 5,50 53,6 0,00 0,3 2,9 2,00 19,5 703,3 72,20 10,00 97,4 0,00 0,00 0,00 0,00 974,1 100,00

9 Água de reciclo kg/h %peso

10 Água kmol/h %peso 0,00 0,00 0,00 12055,8 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 12055,8 100,00

(*) H(C2H4O)4,15OH 6 CO2 C2H4 O2 C2H4O H2O CO2 CH4 Ar MEG DEG TEG Pesados (*) Total

P.M. 28,054 31,998 44,053 18,015 44,009 16,043 39,948 62,068 106,121 150,174 200,835

Kg/h 5,3

9246,5 17305,5 66,6

26623,9

%peso 0,02 0,00 0,00 34,73 65,00 0,25 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00

7 Purga kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 10435,0 95,00 0,00 0,00 0,00 5,00 549,2 0,00 0,00 0,00 10984,2 100,00

8 Água + óxido kg/h %peso 0,00 0,00 10,00 36412,1 326980,9 89,80 0,00 0,00 0,00 0,20 728,2 0,00 0,00 0,00 364121,2 100,00

330300,0

0,00 99,85

496,2

0,15

330796,2

100,00

(*) H(C2H4O)4,15OH

C2H4 O2 C2H4O H2O CO2 CH4 Ar MEG DEG TEG Pesados (*) Total

P.M. 28,054 31,998 44,053 18,015 44,009 16,043 39,948 62,068 106,121 150,174 200,835

11 MEG Produto Kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,01 4,8 0,00 0,00 0,00 47485,7 99,97 0,02 9,5 0,00 0,00 47500,0 100,00

12 DEG Produto kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,3 2997,9 99,93 0,06 1,8 0,00 3000,0 100,00

13 TEG Produto kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,30 2,3 747,3 99,65 0,05 0,4 750,0 100,00

(*) H(C2H4O)4,15OH Outros resultados: Etileno reagido: 29063,2 kg/h (1035,98 kmol/h) Oxigênio reagido: 32320,4 kg/h (1010,08 kmol/h) Óxido produzido: 36966,6 kg/h ( 839,14 kmol/h) CO2 produzido: 17325,0 kg/h ( 393,67 kmol/h) MEG formado na unidade de óxido: 781,3 kg/h

14 Pesados kg/h %peso 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4,60 5,2 109,8 95,40 115,0 100,00

15 Efluente kmol/h %peso 0,00 0,00 0,00 4999,0 99,98 0,00 0,00 0,00 0,02 1,0 0,00 0,00 0,00 5000,0 100,00