3- Grandes usinas termoelétricas (cerca de 1000 MW de potência) usando combustores de leito fluidizado, poderão ser construídas algum dia. Estas usinas gigantes seriam alimentadas por 240 toneladas de carvão/h ( 90 % de C, 10% de H2 ), dos quais 50 % queimariam no interior de uma série de leitos fluidizados principais e os outros 50 % queimariam em algum outro ponto do sistema. Um projeto sugerido poderia usar uma bateria de 10 leitos fluidizados, cada um com 20 m de comprimento e 4 m de largura, contendo sólidos até uma profundidade de 1 m . Encontre a taxa de reação no interior dos leitos, baseando-se no oxigênio consumido

Passo 1

O enunciado trata de uma usina de 1000 MW que queima 240 t/h de carvão ( 90 % C e 10 % H2) e diz que 50 % desse combustível queima em 10 leitos fluidizados, cada um com 20,m de comprimento, 4,m de largura e 1,m de profundidade de sólidos. Queremos a taxa volumétrica de reação baseada no consumo de oxigênio dentro dos leitos. Para isso vamos usar estequiometria das reações de combustão e definição de taxa volumétrica de reação.

Passo 2

Primeiro dividimos a vazão de carvão entre C e H2 e depois vemos quanto vai para os leitos:
– Vazão total de carvão:
240,t/h=240,000,kg/h
– Composição em massa: 90 % C e 10 % H2.
mC =0,90times240,000=216,000,kg/h, mH2=0,10times240,000=24,000,kg/h
– Só metade queima nos leitos fluidizados:
mC^rm <=ito=108,000,kg/h, mH2^rm <=ito=12,000,kg/h

Passo 3

Convertendo para kmol/h:
nC=108,00012=9,000 kmol/h, nH2=12,0002=6,000 kmol/h

Passo 4

Reações e consumo de O2:
C+ O2toCO2 Longrightarrow 1 mol C consome 1 mol O2,
H2+tfrac12,O2toH2O Longrightarrow 1 mol H2 consome 0,5 mol O2
Logo o consumo total de oxigênio nos leitos é
nO2 = nCcdot1 + nH2cdot0,5 =9,000 + 6,000times0,5 =9,000 +3,000 =12,000 kmol/h

Passo 5

Cada leito tem área de base 20times4=80, m^2 e profundidade de sólidos 1 m, logo volume de cada leito
Vrm <=ito=80times1=80 m^3,
e o total dos 10 leitos é
Vrm total=10times80=800 m^3
A taxa volumétrica de consumo de O2 é
rO2 =12,000 kmol/h800 m^3 =15 kmolh,cdotm^3
Convertendo para unidades de mol/(s cdot m^3):
rO2 =15 kmolh,m^3times1,000 mol1 kmoltimes13,600 s/h =4,167 mols,cdotm^3

Resposta

A taxa volumétrica de reação (baseada no consumo de oxigênio) nos leitos é
rO2=15 kmolh,cdotm^3 l(4,17 tfracmols,cdotm^3r)

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