Controlo da produção industrial.

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1 Controlo da produção industrial.
Fatores que influenciam a evolução do sistema reacional: Princípio de Le Chatelier. Alteração do equilíbrio à escala industrial.

2 Henri Louis Le Châtelier 1850-1936 Engenheiro Químico Francês
Mostrou que quando se afeta o estado de equilíbrio de um sistema ele evolui para um novo estado de equilíbrio que é aquele que reduz parcialmente o efeito que o produziu Lei de Le Châtelier (conhecida como Princípio de Le Châtelier): Se um sistema que se encontra em equilíbrio é sujeito a uma perturbação por variação na pressão, na temperatura ou na quantidade de qualquer componente, haverá tendência para a reação evoluir no sentido em que reduz o efeito dessa perturbação.

3 Aquecendo/Arrefecendo a mistura reacional
N2O4 (g) NO2 (g) ΔH>0 Em gelo Em água quente Gás incolor Gás castanho - escuro Como classifiar energeticamente esta reação? Reação endotérmica T T Evolui de acordo com o Princípio de Le CHâtelier Se aumentar A tende a diminuir A reação evolui no sentido em que absorve energia - direto Ocorrendo a reacção endotérmica absorve energia baixando a temperatura do sistema O que acontecerá ao valor da constante de equilíbrio deste sistema reacional? Irá aumentar

4 Aumentando/Diminuindo a concentração
N2(g) + 3 H2 (g) NH3 (g) A evolução da reação prevista pelo Princípio de Le Châtelier pode ser explicada por comparação dos valores de Kc e Q. No instante em que se adiciona hidrogénio ao sistema em equilíbrio qual a relação entre Q e Kc? Q < Kc Como irá evoluir o sistema reacional? Aumentando a concentração de reagente, o Q < Kc, a reação evolui no sentido direto para diminuir a concentração dos reagentes aumentando a concentração de produtos até que Q = Kc .

5 N2(g) + 3 H2 (g) NH3 (g) Aumentando a concentração de NH3, como evoluirá a reação? Q > Kc Aumentando a concentração de produtos, Q > Kc, logo a reação evolui no sentido inverso diminuindo a concentração de produtos e aumentando a concentração de reagentes até que Q = Kc.

6 N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) Considere a produção de amoníaco
Como evoluirá o sistema reacional, quando se encontra em equilíbrio e se adiciona azoto?

7 Aumentando/Diminuindo a Pressão
Diminuição de volume = aumento de pressão N2(g) + 3 H2 (g) NH3 (g) (a) Mistura gasosa de azoto, hidrogénio e de amoníaco no equilíbrio (b) A pressão é aumentada por diminuição de volume. A mistura deixa de estar em equilíbrio e Qc< Kc. (c) A reação ocorre no sentido direto (da esquerda para a direita) diminuindo o número total de moléculas gasosas até o equilíbrio ser restablecido quando Qc = Kc.

8 Diminuição de volume = aumento de pressão = compressão
Sentido em que se produz menor número de moles de gás Aumento de volume = diminuição de pressão = descompressão = expansão V P Sentido em que se produz maior número de moles de gás

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10 Catalisadores Afetam de igual modo a reação directa e a reação inversa por isso não alteram a composição do sistema no equilíbrio Os catalisadores apenas aumentam a rapidez com que o equilibrio é atingido.

11 Como se pode provocar alterações do equilíbrio químico quando se pretende trabalhar à escala industrial?

12 A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch Porquê este diagrama e não outro? A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3 B- Temperatura C- A pressão D- Catalisador

13 A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch A- Proporções de azoto e hidrogénio 1:3 N2(g) + 3 H2 (g) NH3 (g) Os reagentes, em qualquer reação, estarão sempre nas proporções estequiométricas? Em geral deve-se usar excesso do reagente mais barato se o outro for muito caro. (No processo de Haber Bosch o azoto é mais barato, no entanto, ambos os gases são reciclados)

14 B- Temperatura N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH = -92 kJ mol-1
Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch B- Temperatura N2(g) + 3 H2 (g) NH3 (g) ΔH = -92 kJ mol-1 1. Considerações de equilibrio De acordo com o Princípio de Le Châtelier como será favorecida, aumentando ou diminuindo a temperatura? Esta reação é favorecida por uma diminuição de temperatura. A temperatura de 400ºC-450ºC não é uma temperatura baixa. Porque razão se utilizam estas temperaturas e não outras? 2. Considerações sobre rapidez da reação Menor temperatura implica maior tempo de reação. Mas é necessário que a mistura gasosa atinja o equilíbrio no menor intervalo de tempo possível. A mistura gasosa deve estar em contacto com o catalisador.

15 Síntese do amoníaco pelo processo de Haber-Bosch
O que acontece ao rendimento da reação quando se aumenta a temperatura? O rendimento da produção do amoníaco diminui com o aumento da temperatura qualquer que seja a pressão. A temperatura ºC permite a obtenção de amoníaco (rendimento 20%) num intervalo de tempo pequeno.

16 C- A pressão N2(g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH = -92 kJ mol-1
1. Considerações de equilíbrio De acordo com o Princípio de Le Châtelier como será favorecida a produção de amoníaco, por altas ou baixas pressões? Usando pressão tão elevada quanto possível. !!! Porque razão se utilizam estes valores de pressão e não outros superiores? 2. Considerações sobre a rapidez da reação. O aumento de pressão facilita a aproximação das moléculas e o contacto com a superfície do catalisador aumentando a rapidez da reacção 3. Considerações económicas Processos industriais a altas pressões são dispendiosos quer na fase de construção quer na produção quer na manutenção das instalações 4. Condições de segurança Processos industriais a altas pressões têm riscos explosão, condicionando a segurança do processo. 5. O compromisso A pressão de 200 atm é uma pressão de compromisso devido aos custos das altas pressões.

17 D- Catalisador 2. Considerações sobre a rapidez da reação
1. Considerações de equilíbrio De que modo é que a utilização de um catalisador afeta a produção do amoníaco? Não tem qualquer efeito na composição de equilíbrio 2. Considerações sobre a rapidez da reação A produção de amoníaco na ausência do catalisador é muito lenta e a utilização do catalisador (Ferro) aumenta a rapidez com que se obtém uma certa quantidade de amoníaco, fazendo com que os gases reajam no curto intervalo de tempo durante o qual permanecem dentro do reator .

18 O conjunto de valores para as variáveis que permite um compromisso - maior rendimento da reação directa versus custos-segurança é o que estabelece uma temperatura de cerca de 450 °C e uma pressão de 200 atm, com a introdução de um catalisador. O compromisso A temperatura ºC permite a obtenção de amoníaco (rendimento 15%) num intervalo de tempo pequeno. A reciclagem do azoto e do hidrogénio tornam o processo não dispendioso (não sendo necessário adicionar o azoto em excesso). A pressão de 200 atm (e não superior) é uma pressão de compromisso devido aos custos das altas pressões relativamente à construcção e manutenção de sistemas (reatores e outros) de altas pressões, para que haja segurança das instalações para os trabalhadores e populações vizinhas da instalação industrial. O catalisador – Ferro, aumenta a rapidez com que se obtém uma certa quantidade de amoníaco, fazendo com que os gases reajam no curto intervalo de tempo durante o qual permanecem dentro do reator .

19 Resolver APSA 9, 10, 11 e 12