04 - Pirita (FeS2) é ustulada com ar em excesso para produzir Fe2 O3 e SO2. O ar e o sulfeto são introduzidos a 25^circ C e os produtos da ustulação deixam o reator a 500^circ C. O gás da ustulação contém 6,3 % de SO2 sendo o restante O2 e N2. Determine a quantidade de ar teoricamente necessária, a quantidade de ar utilizada e a composição e volume dos gases da ustulação. Pergunta-se ainda se há necessidade de se fornecer energia para o processo de ustulação?

Passo 1

Resumindo: queremos torrar pirita FeS2 com excesso de ar para obter Fe2O3 e SO2. O ar e o minério entram a 25^circC e os gases saem a 500^circC. Sabemos que o gás de saída tem 6,3% em mol de SO2 (o resto é O2 e N2). Precisamos:
1. Equacionar a reação de tostagem.
2. Calcular o ar teórico e o ar real (para dar 6,3% de SO2).
3. Determinar a composição e o volume do gás de saída a 500^circC.
4. Fazer an’{a}lise energética para ver se há calor a fornecer ou não.

Passo 2

Equacionando a tostagem em base de 4 mol de FeS2:
4,FeS2(s) ;+;11,O2(g);longrightarrow;2,Fe2O3(s);+;8,SO2(g)
Assim, por mol de FeS2 consumido precisamos de tfrac114=2,75 mol de O2.

Passo 3

Ar teórico: o ar é 21% O2 e 79% N2 molarmente.
Para 1 mol de FeS2:
O2,req=2,75;mol, Arteórico=2,750,21=13,095;mol; de; ar ó

Passo 4

Ar real (excesso) para que o gás de saída tenha 6,3% de SO2.
Base 1 mol de FeS2: gera 2 mol de SO2.
Se usarmos m mol de ar, entrará 0,21,m mol de O2 e 0,79,m mol de N2.
O2 consumido é 2,75 mol, sobra 0,21,m-2,75.
Total mol gasoso de saída:
nout=2;(SO2)+l(0,21m-2,75r);(O2)+0,79m;(N2) = m - 0,75
A fração de SO2 é
2m-0,75=0,063 Longrightarrow m-0,75=20,063=31,746 Longrightarrow m=32,496;mol; de; ar
Logo, ar real = 32,496 mol por mol de FeS2.

Passo 5

Composição molar do gás de saída (base 1 mol de FeS2):
SO2:2,00;mol, O2:0,21times32,496 -2,75=4,074;mol, N2:0,79times32,496=25,665;mol
Total =31,831 mol. Em porcentagem molar:
SO2=6,3%, O2=12,8%, N2=80,9%
Volume a 500^circ C ( T=773 K) e 1 atm:
V = n,R,TP =31,831times0,08206;(m^3,atm)/(mol,K)times773;K1;atm approx2,02;m^3

Passo 6

Análise energética qualitativa:
bul<=t Entalpia padrão de reação ( 298 K) é fortemente \emph{exotérmica} ( approx -828 kJ por mol de FeS2).
bul<=t É preciso aquecer gases (ar e produtos) de 25 até 500^circC: cerca de 0,45 MJ por mol de FeS2.
bul<=t A energia liberada pela reação ( sim 0,83 MJ) supera a energia necessária para aquecimento ( sim 0,45 MJ).
Conclusão: o processo é autopropelido; não é necessário fornecer calor externo.

Resposta

Ar teórico: 13,095 mol/mol FeS2
Ar real: 32,496 mol/mol FeS2
Gás de saída (molar): SO2=6,3%, O2=12,8%, N2=80,9%
Volume a 500^circ C: 2,02;m^3 por mol de FeS2
Energia: processo exotérmico, sem calor externo necessário.

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