Exercicio Reator Amonia

10.511-2 Balanços de Massa e Energia

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Exercício: Produção de amônia
No processo Haber-Bosch de produção de amônia, hidrogênio (H2) proveniente de gás natural e nitrogênio (N2) proveniente do ar reagem em condições elevadas de pressão e temperatura (200 atm e 450ºC), de acordo com a seguinte equação:
N2 + 3 H2 Æ 2 NH3
Os reagentes são alimentados no processo na razão molar de 2 mols H2/1 mol N2 e a conversão global em relação ao hidrogênio (XG) é de 95%. Considerando que a unidade de separação recicla 98% dos reagentes não convertidos no reator, calcule a conversão no reator em uma planta que produz 100 toneladas de NH3 por dia.
Pode-se notar que se trata de um processo contínuo com reciclo e com reação no estado estacionário. O fluxograma que segue ilustra o processo em questão:

Solução 1 (Balanços atômicos):
Denominando o hidrogênio como H, o nitrogênio como N e a amônia como A, inicialmente organizamos as informações antes de iniciarmos os balanços de massa.
“reagentes alimentados no processo na razão molar de 2 mols H2/1 mol N2”

n& H1 = 2 ⋅ n& N1

(1)

“planta produz 100 toneladas de NH3 por dia”

n& A 5 = 100

ton NH 3 dia n& A 5 = 245,1

 1 ton - mol NH 3
⋅ 
 17 ton NH 3

  10 3 kmol   1 dia 

⋅
  1 ton - mol  ⋅  24 h 
 


kmol NH 3 h A conversão global (XG) para o H2 é dada por:
XG =

n& H1 − n& H5 n& H1

n& H5 = 0,05 ⋅ n& H1

Æ

95 n& H1 − n& H5
=
100 n& H1

logo:

(2)

Unidade de separação recicla 98% dos reagentes não convertidos no reator; 2% restantes saem na corrente de produto (corrente 5). Logo, tem-se que: n& H4 = 0,98 ⋅ n& H3

(3)

n& H5 = 0,02 ⋅ n& H3

(4)

10.511-2 Balanços de Massa e Energia

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Esse exercício será resolvido por meio de balanços atômicos para o hidrogênio (H) e o nitrogênio (N). Realizando um balanço global envolvendo as correntes 1 e 5 para o hidrogênio atômico (H), tem-se que:
SAI (H) = ENTRA (H)
O hidrogênio atômico (H) entra no processo pela corrente 1 na molécula de H2 e deixa o processo pela