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A manufatura de produtos químicos de base, como os fertilizantes nitrogenados, exige um rigoroso controle de variáveis para garantir a pureza do produto e a segurança ambiental.
Os fertilizantes têm sua qualidade medida de acordo com a granulometria e a fluidez, que irão afetar, respectivamente, a dissolução e a facilidade de escoamento; e a consistência, que é responsável pela resistência dos grãos, permitindo armazenagem e transporte. A síntese do sulfato de amônio (NH4)2SO4, amplamente utilizado no agronegócio, ocorre pela neutralização ácido-base entre correntes de amônia gasosa NH3 e ácido sulfúrico líquido H2SO4 (Tolentino, 2015).
Nesse ambiente fabril, o profissional de engenharia é frequentemente desafiado a transitar entre o laboratório e a planta industrial: seja calculando as concentrações das matérias-primas que alimentam os reatores, avaliando as trocas de calor do sistema ou monitorando a concentração de efluentes para atender às rígidas legislações ambientais vigentes.
Você acaba de ser promovido a Engenheiro de Produção, responsável pelo setor de síntese de uma indústria focada na produção de fertilizantes nitrogenados. O principal produto da sua linha é o Sulfato de Amônio, um sal obtido por meio da injeção direta de amônia anidra no ácido sulfúrico. A reação não balanceada está apresentada a seguir:
H2SO4(aq) + NH3(g) → (NH4)2SO4(aq)
Questão 1: Preparação da Matéria-Prima:
Para alimentar o reator, você recebeu do almoxarifado uma bombona de ácido sulfúrico H2SO4 concentrado. O rótulo indica título em massa de 98% e densidade de 1,84 g/mL. Para dimensionar o fluxo das bombas, você precisa padronizar essa informação. Calcule a concentração molar (em mol/L) deste ácido concentrado, assumindo que a massa molar do H2SO4 é 98 g/mol.
Questão 2: Otimização da Planta de Gás:
A amônia NH3 utilizada na neutralização é produzida na própria fábrica por meio do Processo Haber-Bosch, uma reação gasosa reversível e exotérmica. A reação não balanceada está apresentada a seguir:
N2(g) + H2(g) ⇌ NH3(g) ΔH < 0
O diretor da planta exigiu um aumento na produção de amônia para o próximo trimestre sem adicionar mais reagentes. Explique como você deve alterar a temperatura do reator para deslocar o equilíbrio no sentido da formação de amônia NH3. Justifique sua decisão tecnicamente.
Questão 3: Meta de Produção:
Para esta questão, os conceitos de estequiometria se fazem essenciais. Para isso, ela é dividida em duas partes.
Parte 1: nos laboratórios e nas indústrias químicas, considera-se de extrema importância a estequiometria para a determinação da quantidade de substâncias que será produzida nas reações químicas realizadas. Para fortalecer os conceitos sobre o tema e compreender os cálculos da estequiometria, você deve realizar a prática "Estequiometria" do laboratório virtual da ALGETEC. Para acessar, siga o passo a passo descrito no final da atividade. Após realizar o experimento, faça o que se pede:
– Descreva as possíveis reações de decomposição do bicarbonato de sódio (NaHCO3).
– Calcule a massa do sólido residual teórica após a decomposição do bicarbonato de sódio, partindo de 4,1 g de NaHCO3 para cada reação descrita no item anterior. Para isso, utilize os valores de massa molar contidos no Sumário Teórico do experimento. A quantidade calculada de sólido residual é igual ou se aproxima da massa mostrada na balança da prática realizada? Adicione uma foto da balança do experimento, evidenciando a massa de soluto.
Parte 2: Com a amônia e o ácido prontos, a reação de neutralização vai ocorrer. Primeiro, escreva a equação química balanceada da reação entre o ácido sulfúrico (H2SO4) e a amônia (NH3), formando o sulfato de amônio. Em seguida, calcule: se o seu reator consumir exatamente 490 kg de ácido sulfúrico puro, qual será a massa teórica máxima de sulfato de amônio produzida (em kg), considerando que a amônia está em excesso? Considere a massa molar do sulfato de amônio igual a 132 g/mol.
Questão 4: Segurança Operacional:
A reação que produz sulfato de amônio gera uma grande quantidade de calor. Sabe-se que