Carbono isento de hidrogênio em forma de coque é queimado. Em cada caso, calcule a composição de saída do gás de chaminé e a conversão do coque. Em c) e d) calcule também rendimento e seletividade.
Por combustão completa usando
de ar em excesso;
Por combustão completa usando
Passo 1
O enunciado (na forma em que foi enviado) diz: “Carbono isento de hidrogênio em forma de coque é queimado. Em cada caso, calcule a composição de saída do gás de chaminé e a conversão do coque. Em c) e d) calcule também rendimento e seletividade. Por combustão completa usando
de ar em excesso.”
Informações explícitas que tenho:
Informações explícitas que tenho:
- O combustível é carbono puro (coque), sem hidrogênio.
- A combustão é dita “completa” (ou seja, o produto desejável é
, sem formação intencional de CO nem de outros C-oxidados). - O ar é fornecido com
de excesso (em relação ao ar estequiométrico).
O que NÃO foi informado (dados necessários para casos c) e d) ou para outras variações do enunciado): - O enunciado menciona “Em cada caso” e “Em c) e d)”, mas os casos a), b), c), d) não foram enviados. Não sei se c) e d) envolvem combustão parcial (formação de
) ou outra condição diferente.
Como não posso pedir informações extras, vou resolver a situação padrão correspondente à “combustão completa comde excesso de ar” assumindo uma base conveniente (1 mol de carbono alimentado). Para c) e d) darei fórmulas e explicações de como calcular rendimento e seletividade caso haja formação de (mas não poderei dar números específicos para c) e d) sem os detalhes desses casos).
Passo 2
Escolha da base e reação estequiométrica. Vou trabalhar com a base “por
mol de carbono alimentado” — isso simplifica e é usual em problemas de balanço de massa. A reação de combustão completa do carbono é:
Explicação didática: a equação diz que cada mol de carbono consome exatamente
mol de oxigênio (
) e gera
mol de dióxido de carbono (
). Como o problema fala em “ar”, precisamos transformar a necessidade de
em quantidade de ar usando a composição do ar atmosférico.
Composição do ar (assunção padrão usada em muitos exercícios): por mol, o ar seco contém aproximadamente
em mol de
e
em mol de
. Assim, cada mol de
requer, em média,
mol de ar. Isso é:
Passo 3
Calcular o ar fornecido com
de excesso.
Para mol de carbono, a demanda estequiométrica de
é
mol. Então o ar estequiométrico necessário (por mol de C) é
Para
Com
de excesso (isto é,
vezes o ar estequiométrico):
Agora separamos esse ar em
e
:
Passo 4
Balanço de produtos (combustão completa). Relembrando a reação:
mol de C +
mol de
→
mol de
. Assim, para 1 mol de C consumido teremos:
-
formado: mol. -
remanescente: -
não reage (assumindo ar seco):
Total de mols de gás na saída (gás seco da chaminé):
Cálculo das frações molares e percentuais (volume % ≈ mol % para gases ideais):
Observação didática: o nitrogênio mantém-se com a mesma porcentagem relativa que tinha no ar seco (
), porque ele não participa da reação; o excesso de ar aparece como oxigênio residual (
neste caso).
Passo 5
Conversão do coque. Definição e cálculo:
- Definição prática: a conversão do coque (carbono) é a fração do carbono alimentado que efetivamente reage (é consumida) na combustão. Em termos de mols,
.
Neste problema, assumimos combustão completa e fornecimento de ar em excesso suficiente, portanto todo o carbono alimentado é convertido em. Assim:
Passo 6
Rendimento e seletividade (c) e d): definição e como calcular se houver formação de
.
Como o enunciado pede também rendimento e seletividade para c) e d) mas não forneceu os casos, explico as definições e dou fórmulas e um exemplo genérico que você poderá aplicar quando souber as quantidades de e
formadas.
Como o enunciado pede também rendimento e seletividade para c) e d) mas não forneceu os casos, explico as definições e dou fórmulas e um exemplo genérico que você poderá aplicar quando souber as quantidades de
Definições (formas usuais, explicadas):
- Rendimento (yield) em relação ao produto desejado
(por exemplo ): é a razão entre a quantidade de realmente formada e a quantidade máxima de que poderia ser formada se todo o reagente limitante fosse convertido em . Em base molar por mol de C alimentado:
- Seletividade para
(definição comum usada em processos com produtos concorrentes): é a fração do carbono convertido que resulta no produto desejado:
Outra forma (menos usada aqui) é seletividade como razão entre produto desejado e produtos indesejados; o importante é escolher a definição e aplicá-la consistentemente.
Exemplo genérico (para você aplicar a c) ou d) quando souber os números): suponha que por 1 mol de C alimentado se formem
mol de
e
mol de
. Então:
- Conversão do carbono
(se todo C convertido ficou como CO ou CO2). - Rendimento para
:
- Seletividade para
:
Se o caso c) ou d) especificar quantidades/percentuais de formação de CO e CO2, substitua
e
e calcule numericamente.
Resposta
Com base em
mol de carbono queimado e combustão completa com
de ar em excesso:
Composição do gás de chaminé (mol %): ,
,
.
Conversão do coque: .
Para os itens c) e d): não é possível calcular numericamente rendimento e seletividade porque os casos c) e d) (quantidades de e/ou
formadas) não foram fornecidos; acima explicitei as fórmulas para cálculo de rendimento e seletividade que você deverá aplicar quando tiver
= mol de
e
= mol de
(veja as fórmulas em texto).
Composição do gás de chaminé (mol %):
Conversão do coque:
Para os itens c) e d): não é possível calcular numericamente rendimento e seletividade porque os casos c) e d) (quantidades de