O metano queima nas seguintes reações:
(combustão completa)
(combustão parcial ou incompleta)
REAÇÃO GLOBAL:
Sabendo que a alimentação do reator é composta por
de
de
e
de
(em base molar), a entrada de metano é equivalente a
, a conversão do metano é de
e na saída a proporção entre
é de 9/1 mol. Determine:
A extensão das reações;
REAÇÃO GLOBAL:
Sabendo que a alimentação do reator é composta por
A extensão das reações;
Passo 1
Beleza, vamos entender o que a questão está pedindo. A gente tem uma reação de queima do metano (CH₄) que pode ocorrer de duas formas: completa e incompleta. A queima completa usa mais oxigênio e gera dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O), enquanto a queima incompleta usa menos oxigênio e forma monóxido de carbono (CO) e água.
Na reação global fornecida, temos uma mistura das duas formas de queima. O problema nos dá a composição do gás de entrada, a quantidade de metano que entra por hora, a conversão do metano e a proporção de CO₂ para CO na saída. Nosso objetivo é descobrir a extensão das reações, ou seja, quanto de cada tipo de queima está ocorrendo.
Para resolver isso, vamos precisar fazer balanços de matéria envolvendo as reações de queima completa e incompleta, além de usar as informações fornecidas sobre as proporções de gases.
Passo 2
Primeiro, vamos anotar as reações de queima completa e incompleta:
-
Combustão Completa:
-
Combustão Incompleta:
A reação global que mistura ambas é:
Vamos chamar a extensão da combustão completa de
e a da incompleta de
.
Passo 3
Agora, vamos montar as equações baseadas nas extensões
e
:
Para a combustão completa:
- Metano consumido:
- Oxigênio consumido:
- CO₂ formado:
- H₂O formado:
Para a combustão incompleta:
- Metano consumido:
- Oxigênio consumido:
- CO formado:
- H₂O formado:
Passo 4
Vamos usar a informação de que a entrada de metano é 100 mol/h e a conversão é de 90%. Isso significa que 90 mol/h de metano são convertidos nas reações, ou seja:
Além disso, temos que a proporção de CO₂ para CO na saída é de 9:1, o que dá:
Passo 5
Substituindo
na primeira equação:
Então,
Passo 6
Agora, vamos verificar o consumo de oxigênio. O total de oxigênio consumido é:
Na entrada, a alimentação tem 19,4% de O₂. Como a entrada de metano é 100 mol/h e isso representa 7,8%, o total de mols na alimentação é:
Assim, a quantidade de O₂ na entrada é:
O oxigênio não consumido na reação é:
Passo 7
Por fim, vamos calcular a extensão das reações:
- Combustão Completa (ξ): 81 mol/h
- Combustão Incompleta (η): 9 mol/h
Resposta
A extensão das reações é de 81 mol/h para a combustão completa e 9 mol/h para a combustão incompleta.