3-) A análise de um carvão indica, em porcentagens mássicas,
de
de
de S e o balanço cinzas não combustíveis. O carvão é queimado a uma taxa de
, e a taxa de alimentação de ar à fornalha é
do C do combustível não sofre combustão. Toda a cinza e o C não queimado deixam a fornalha como uma escória fundida. O carbono queimado forma
e CO , o enxofre forma
e o H do carvão é oxidado a água. A seletividade de
para CO é
.
a-) Calcule a porcentagem de excesso de ar no reator.
b-) Calcule a fração molar dos gases poluentes CO e
no gás de chaminé.
a-) Calcule a porcentagem de excesso de ar no reator.
b-) Calcule a fração molar dos gases poluentes CO e
Passo 1
Vou explicitar claramente o que o enunciado dá e o que pede (tudo que peguei do enunciado):
- Dados do combustível (porcentagens mássicas):
de C, de H, de S e o restante é cinza/incombustível. - Vazão mássica de carvão:
. - Vazão molar de ar à fornalha:
. - Parcela de carbono que não queima:
do C do combustível sai como C não queimado na escória. - Produtos da combustão: C queimado vira
e ; razão selectividade . - H do carvão vira
. - S vira
.
O enunciado pede:
a) Calcular a porcentagem de excesso de ar no reator.
b) Calcular a fração molar (no gás de chaminé) dos poluentes e
.
a) Calcular a porcentagem de excesso de ar no reator.
b) Calcular a fração molar (no gás de chaminé) dos poluentes
Assunções explícitas (com justificativa breve): usar ar seco com composição molar típica
e
. Usarei massas molares:
,
,
. Essas são escolhas padrão para este tipo de cálculo.
Passo 2
Converter a vazão de carvão para uma base por minuto (o ar está em
, então trabalho em minutos):
Agora calcular as massas por componente (peguei as porcentagens do enunciado):
Passo 3
Converter massas em fluxos molares (kmol/min) usando massas molares (expliquei os valores no Passo 1):
Obs.: as unidades estão coerentes: massa (g) / (g/mol) = mol; converti para
dividindo por
.]
Passo 4
Determinar quanto do carbono efetivamente queima:
do carbono não queima (vai para a escória), então:
O carbono não queimado:
(este último sai como sólido e NÃO entra no balanço gasoso).
Passo 5
Distribuir o carbono queimado entre
e
segundo a selectividade
. Isso significa que, das mols de C queimado,
viram
e
viram
.
Observação didática: aqui conto 1 mol de C → 1 mol de
ou 1 mol de C → 1 mol de
; por isso a partição em função do número de mols de C é direta.]
Passo 6
Converter o hidrogênio em
. Cada mol de
contém 2 átomos de H, logo:
(Isto assume que toda a H é oxidada a água — enunciado afirma isso.)
Passo 7
Converter o enxofre em
. Cada mol de S gera 1 mol de
:
Passo 8
Calcular a necessidade estequiométrica de
. Para as reações principais:
- Formação de
: consome mol por mol de . - Formação de
: consome mol por mol de . - Formação de
: consome mol por mol de . - Formação de
: consome mol por mol de .
Logo a necessidade estequiométrica de
é:
Explicando: somei o consumo de
necessário para cada produto formado.]
Passo 9
Calcular quanto de
é fornecido pelo ar. Composição molar do ar assumida:
Agora o excesso de ar (definição usada em engenharia de combustão):
Substituindo:
Interpretação rápida: o ar fornecido é cerca de
vezes o ar estequiométrico, ou seja
de excesso.
Passo 10
Montar o balanço dos gases de chaminé (fluxos molares dos componentes gasosos). Do ar fornecido vêm
e
:
Listando todos os gases que saem na chaminé (não conto cinza nem C não queimado, pois saem como sólido):
Somando para obter o total de mols do gás de chaminé:
Passo 11
Calcular as frações molares pedidas (definição:
).
Para
:
(em percentual:
).
Para
:
(em percentual:
).
Passo 12
Resumo rápido dos números intermediários importantes (para conferência):
Resposta
a) Excesso de ar
.
b) Frações molares no gás de chaminé: