A análise elementar do carvão em porcentagem mássica é 84 \% de \mathrm{C}, 12 \% de \mathrm{H}, 2 \% de S e o balanço de cinzas. O carvão é queimado com 15 \% de excesso de ar, sendo que o carvão é alimentado a uma taxa de 4000 \mathrm{Kg} / \mathrm{h}. Sabe-se que 5 \% do C presente no carvão não é queimado. O carbono queimado forma \mathrm{CO}_{2} e CO , o enxofre forma \mathrm{SO}_{2} e o hidrogênio é oxidado a água. A seletividade \mathrm{CO}_{2} para CO é de 13: 1. Determine:
a) As vazões molares de \mathrm{CO}_{2}, para CO e de jolar da corrente de gases que saem da chario seca e úmida.
b) Você usaria excesso de ar na combustão? Justifique.

Passo 1

O enunciado dá a análise mássica do carvão (4000 kg/h) com 84 % de C, 12 % de H, 2 % de S e 2 % de cinzas, queimado com 15 % de excesso de ar. Sabe-se que 5 % do C não queima; o C queimado vai para C O_{2} e CO em razão de 13:1, o S forma S O_{2} e o H forma H_{2}O. Vamos fazer balanços estequiométricos e de massa para obter as vazões molares dos gases (secos e úmidos).

Passo 2

Calcular a quantidade de cada elemento na alimentação e converter em mol/h:
\begin{aligned} \dot m_C &=0{,}84\cdot4000=3360\\ \mathrm{kg/h},& \dot n_C&=\frac{3360}{12}=280\\ \mathrm{kmol/h},\\\ \dot m_H &=0{,}12\cdot4000=480\\ \mathrm{kg/h}, & \dot n_H&=\frac{480}{1}=480\\ \mathrm{kmol/h},\\\ \dot m_S &=0{,}02\cdot4000=80\\ \mathrm{kg/h}, & \dot n_S&=\frac{80}{32}=2{,}5\\ \mathrm{kmol/h}. \end{aligned}
Do C total ( 280 kmol/h), 5 % não queima: \dot n_{C,\mathrm{não}}=0{,}05\cdot280=14\\ \mathrm{kmol/h}ã.
Logo, C queimado: \dot n_{C,\mathrm{queim}}=280-14=266\\ \mathrm{kmol/h}.
Deste, C O_{2}:CO =13: 1\to soma de 14 partes corresponde a 266 kmol/h, cada parte =19 kmol/h.
\dot n_{\mathrm{CO}_2}=13\cdot19=247\\ \mathrm{kmol/h},\quad \dot n_{\mathrm{CO}}=1\cdot19=19\\ \mathrm{kmol/h}.
O enxofre forma S O_{2}:
\dot n_{\mathrm{SO}_2}=\dot n_S=2{,}5\\ \mathrm{kmol/h}.
O hidrogênio forma água: cada 2 H \to 1 H_{2}O, logo
\dot n_{\mathrm{H_2O}}=\frac{\dot n_H}{2}=\frac{480}{2}=240\\ \mathrm{kmol/h}.

Passo 3

Calcular O_{2} teórico para cada reação:
\begin{aligned} \mathrm{C\to CO_2:}&\quad1\\ \mathrm{kmol\\ O_2/kmol\\ CO_2}\,\to\,247,\\\ \mathrm{C\to CO:}&\quad0{,}5\\ \mathrm{kmol\\ O_2/kmol\\ CO}\,\to\,9{,}5,\\\ \mathrm{S\to SO_2:}&\quad1\\ \mathrm{kmol\\ O_2/kmol\\ SO_2}\,\to\,2{,}5,\\\ \mathrm{H\to H_2O:}&\quad0{,}5\\ \mathrm{kmol\\ O_2/kmol\\ H_2O}\,\to\,120. \end{aligned}
Total teórico:
\dot n_{O_2,\mathrm{th}}=247+9{,}5+2{,}5+120=379\\ \mathrm{kmol/h}.
Com 15 % de excesso:
\dot n_{O_2,\mathrm{act}}=1{,}15\cdot379=435{,}85\\ \mathrm{kmol/h}.
O nitrogênio do ar (razão molar N_{2}/ O_{2} =3,76) é
\dot n_{N_2}=435{,}85\cdot3{,}76=1638\\ \mathrm{kmol/h}.
Oxigênio remanescente:
\dot n_{O_2,\mathrm{excesso}}=435{,}85-379=56{,}85\\ \mathrm{kmol/h}.

Passo 4

Montar a corrente de gases secos (excluindo H_{2}O):
\begin{aligned} \dot n_{N_2}&=1638,\\\ \dot n_{O_2}&=56{,}85,\\\ \dot n_{\mathrm{CO}_2}&=247,\\\ \dot n_{\mathrm{CO}}&=19,\\\ \dot n_{\mathrm{SO}_2}&=2{,}5,\\\ \dot n_{\mathrm{tot,dry}}&=1638+56{,}85+247+19+2{,}5=1963{,}35\\ \mathrm{kmol/h}. \end{aligned}
Com a água de combustão ( 240 kmol/h) obtemos o gás úmido:
\dot n_{\mathrm{tot,wet}}=1963{,}35+240=2203{,}35\\ \mathrm{kmol/h}.

Passo 5

Para o item (b), o excesso de ar é usado para garantir a completa oxidação do combustível e manter o CO numa proporção controlada; sem excesso teria muito CO e emissões maiores de compostos indesejáveis. A desvantagem é perda de calor sensível no N_{2} excedente, mas normalmente aceita-se 5–20 % de excesso como compromisso entre combustão completa e eficiência térmica.

Resposta

a) \dot n_{\mathrm{CO}_2}=247\\ \mathrm{kmol/h}, \dot n_{\mathrm{CO}}=19\\ \mathrm{kmol/h}.
Gás seco total: 1963{,}35\\ \mathrm{kmol/h}.
Gás úmido total: 2203{,}35\\ \mathrm{kmol/h}. b)
Sim. Deve-se usar excesso de ar para assegurar combustão completa, reduzindo CO e SOₓ não oxidado, embora isso implique maior calor perdido no aquecimento do N_{2} excedente.

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