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processo Haber-Bosch
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10.511-2 Balanos de Massa e Energia 1
Exerccio: Produo de amnia No processo Haber-Bosch de produo de amnia, hidrognio (H2) proveniente de gs natural e nitrognio (N2) proveniente do ar reagem em condies elevadas de presso e temperatura (200 atm e 450C), de acordo com a seguinte equao:
N2 + 3 H2 2 NH3 Os reagentes so alimentados no processo na razo molar de 2 mols H2/1 mol N2 e a converso global em relao ao hidrognio (XG) de 95%. Considerando que a unidade de separao recicla 98% dos reagentes no convertidos no reator, calcule a converso no reator em uma planta que produz 100 toneladas de NH3 por dia.
Pode-se notar que se trata de um processo contnuo com reciclo e com reao no estado estacionrio. O fluxograma que segue ilustra o processo em questo:
Soluo 1 (Balanos atmicos): Denominando o hidrognio como H, o nitrognio como N e a amnia como A, inicialmente organizamos as informaes antes de iniciarmos os balanos de massa. reagentes alimentados no processo na razo molar de 2 mols H2/1 mol N2
11 NH n2n && = (1) planta produz 100 toneladas de NH3 por dia
=
h 24dia 1
mol-ton 1kmol 10
NH ton 17 NH mol-ton 1
diaNH ton
100n3
3
33A5
&
hNH kmol
1,245n 3A5 =&
A converso global (XG) para o H2 dada por:
1
51
H
HHG n
nnX &
&& = 1
51
H
HH
n
nn
10095
&&& = logo:
15 HH n05,0n && = (2)
Unidade de separao recicla 98% dos reagentes no convertidos no reator; 2% restantes saem na corrente de produto (corrente 5). Logo, tem-se que:
34 HH n98,0n && = (3)
35 HH n02,0n && = (4)
10.511-2 Balanos de Massa e Energia 2
Esse exerccio ser resolvido por meio de balanos atmicos para o hidrognio (H) e o nitrognio (N). Realizando um balano global envolvendo as correntes 1 e 5 para o hidrognio atmico (H), tem-se que:
SAI (H) = ENTRA (H)
O hidrognio atmico (H) entra no processo pela corrente 1 na molcula de H2 e deixa o processo pela corrente 5 nas molculas de H2 e de NH3, logo:
=
+
2
2H
2
2H
3
3
H kmol 1H kmol 2
hH kmol
nH kmol 1H kmol 2
hH kmol
nNH kmol 1
H kmol 3hNH kmol
1,24515
&&
15 HH n2n23,735 && =+ (5)
Substituindo a Equao 2 na Equao 5, tem-se que:
h
H kmol 387n 2H1 =& e h
H kmol4,19n 2H5 =&
Pela Equao 1, tem-se que:
h
N kmol 5,193n 2N1 =&
Utilizando-se as Equaes 3 e 4, tem-se que:
h
H kmol 5,967n 2H3 =& e h
H kmol 2,948n 2H4 =&
Realizando-se o BM para o H2 no ponto de mistura (M), tem-se que:
412 HHH nnn &&& += 2,948387n 2H +=& h
H kmol 2,1335n 2H2 =&
Assim, pose-se calcular a converso no reator como sendo:
2,1335
5,9672,1335n
nnX
2
32
H
HHR
== &&&
(27,5%) 275,0XR =
10.511-2 Balanos de Massa e Energia 3
Soluo 2 (Balanos para H2, N2 e NH3): Produo de amnia pela unidade:
=
h 24dia 1
mol-ton 1kmol 10
NH ton NH mol-ton 1
diaNH ton
3
3
33
171005
3NHn&
hNH kmol
31,24553=NHn&
Balano de Massa para NH3: SAI (NH3) = ENTRA(NH3) + GERADO(NH3)
)GERADO(NHnn 31NH
5NH 33
+= && )GERADO(NH0245,1 3+=
hNH kmol
245,1)GERADO(NH 33 = Balano de Massa para H2:
SAI (H2) = ENTRA(H2) - CONSUMIDO(H2)
)HCONSUMIDO(nn 21H
5H 22
= &&
Da estequiometria da reao sabemos que:
2)GERADO(NH
3)HCONSUMIDO( 32 = )GERADO(NH)HCONSUMIDO( 32 = 2
3
Logo, temos:
)GERADO(NHnn 31H
5H 22
=23&&
( )1,24523 = 1H5H 22 nn && (1)
A converso global (XG) para o H2 dada por:
5
51
2
22
H
HHG n
nnX &
&& = 551
2
22
10095
H
HH
nnn
&&& =
Logo:
10.511-2 Balanos de Massa e Energia 4
1522
05,0 HH nn && =
Substituindo na equao 1, vem:
( )1,24523 = 1H1H 22 nn0,05 &&
h21
H
H kmol387n
2=&
h25
H
H kmol1n
24,9=&
unidade de separao recicla 98% dos reagentes no convertidos no reator; os 2% restantes saem na corrente de produto (corrente 5). Logo, tem-se que:
3422
98,0 HH nn && = 35
2202,0 HH nn && =
Portanto, temos:
h
nH 2H kmol5,967
02,04,193
2==&
Realizando um balano para H2 na unidade de separao, temos: 543
222 HHHnnn &&& +=
hnH 2
H kmol15,94842=&
Realizando um balano para H2 no ponto M, temos: 412
222 HHHnnn &&& +=
hnH 2
H kmol15,133522=&
Assim, pode-se calcular a converso no reator:
2,1335
5,9672,13352
32
2
22 ==H
HHR n
nnX &
&& (27,5%) 275,0XR =