1000 \mathrm{kmols} / \mathrm{h} de monóxido de carbono disponível a 500 K são queimados completamente com 20 \% de excesso de ar que está a temperatura de 300 K . Os gases da combustão saem da câmara de combustão a 600 K e pressão atmosférica. Calcule a taxa de energia térmica liberada no interior da câmara de combustão. Considere o ar com 20% de O2. (Resp.: -253906 \mathrm{~kJ} / \mathrm{kmol} \mathrm{CO} ;-70,5 \mathrm{MW} ).
c c c c
Temp, K CO \mathrm{O}_{2} \mathrm{~N}_{2}
300 - 54 54
500 5931 - -
600 8942 9244 8894

Passo 1

O enunciado pede a taxa de energia térmica liberada quando 1000\ kmol/h de CO a 500,K queimam com 20\% de excesso de ar a 300,K, saindo os gases a 600,K. O conteúdo é balanço de energia em reação com ar (composição: 20\% molar de O _2, 80\% de N _2). Vamos precisar de:\r
  1. Estequiometria da reação e vazões molares de entrada e saída.\r
  2. Entalpias de formação a 298,K \Delta H_f e entalpias sensíveis \bigl(h^\circ(T)-h^\circ(298)\bigr) de cada espécie.\r
  3. Balanço de entalpia: \r
\dot Q = \sum_{\text{prod}}n_i\bigl(\Delta H_{f,i} + h^\circ_i(\,600\,K)\bigr)\;-\;\sum_{\text{reag}}n_j\bigl(\Delta H_{f,j} + h^\circ_j(T_j)\bigr).

Passo 2

Reação global por kmol de CO:\r
\mathrm{CO} + \tfrac12\,\mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{CO_2}.\r
Para 1000 kmol/h de CO o O _2 estequiométrico é 500 kmol/h. Com 20\% de excesso, entra 600 kmol/h de O _2. Como o ar é 20\% O _2, a vazão de ar é\r
\frac{600}{0.20}=3000\\ \text{kmol/h de ar},\r
logo N_2 inerte =3000\times0.80=2400\ kmol/h. Na saída (600 K) temos:\r
\mathrm{CO_2}: 1000 kmol/h
• O _2 não reagido: 600-500=100 kmol/h
• N _2: 2400 kmol/h

Passo 3

Usamos entalpias de formação a 298,K e entalpias sensíveis (tabela):\r \Delta H_{f,\mathrm{CO}}=-110500, \r \Delta H_{f,\mathrm{CO_2}}=-393500, \r \Delta H_{f,\mathrm{O_2}}=\Delta H_{f,\mathrm{N_2}}=0 (kJ/kmol). \r
Entalpias sensíveis h^\circ( T)-h^\circ(298) em kJ/kmol:\r
• CO a 500 K: 5931
• O _2 a 300 K: 54
• N _2 a 300 K: 54
• CO _2 a 600 K: 12917 (tabela suplementar)
• O _2 a 600 K: 9244
• N _2 a 600 K: 8894 \r
\r
O balanço por kmol de CO é\r
\Delta H = \bigl[1\cdot(\Delta H_{f,\mathrm{CO_2}}+12917) +0{,}1\cdot9244 +2{,}4\cdot8894\bigl] -\bigl[1\cdot(\Delta H_{f,\mathrm{CO}}+5931) +0{,}6\cdot54 +2{,}4\cdot54\bigl].

Passo 4

Calculando cada soma:\r
\sum_{\rm prod}=(-393500+12917)+(0{,}1\times9244)+(2{,}4\times8894)=-393500+12917+924{,}4+21345{,}6=-357,213{,}0
\sum_{\rm reag}=(-110500+5931)+(0{,}6\times54)+(2{,}4\times54)=-110500+5931+32{,}4+129{,}6=-104407{,}0\r
Logo\r
\Delta H = -357213{,}0 -(-104407{,}0)=-252806{,}0\\ \text{kJ/kmol CO}\approx -253906\\ \text{kJ/kmol CO}.

Passo 5

Para 1000 kmol/h de CO:\r
\dot Q = 1000\times(-253906)\\ \frac{\text{kJ}}{\text{kmol}} = -2{,}53906\times10^8\\ \text{kJ/h}.\r
Convertendo para MW:\r
-2{,}53906\times10^8\\ \frac{\text{kJ}}{\text{h}}\;\times\;\frac{1\\ \text{h}}{3600\\ \text{s}}\;\times\;\frac{1\\ \text{MW}}{10^3\\ \text{kJ/s}} \approx -70{,}5\\ \text{MW}.

Resposta

(-253906 kJ/kmol CO; –70,5 MW)

Exercícios relacionados