Metanol líquido é alimentado a um aquecedor de ambiente, a uma taxa de 10,0 litros/hora e é queimado com excesso de ar. O produto gasoso é analisado e as seguintes porcentagens molares em base seca são determinadas: CH 3 OH=0,84 %, CO 2=7,10 %, CO=2,40 %.
a. Calcule a conversão do metanol, a porcentagem de ar em excesso alimentado e a quantidade de água (mols/hora) no produto. R:0,92; 39,2; 454 mol / h
b. Suponha que os produtos da combustão são liberados diretamente para o ambiente onde está instalado o equipamento. Que problemas você pode identificar com o processo e qual a solução que pode ser proposta?

Passo 1

O enunciado trata da queima de metanol líquido ( CH3OH) a 10,0,L/h com excesso de ar. Do gás seco de saída foram determinadas as frações molares:
CH3OH=0,84%, CO2=7,10%, CO=2,40%.
Queremos calcular:
– a conversão de metanol;
– o percentual de ar em excesso;
– a vazão de água no produto (mol/h).
Para isso usaremos balanços de matéria (C, O, N2) e as estequiometrias das reações de combustão completa e parcial:
(1) comp<=ta: CH3OH+1,5,O2toCO2+2,H2O,
(2) parcial: CH3OH+O2toCO+2,H2O

Passo 2

Converter a vazão volumétrica de metanol em mol/h. A densidade do metanol é aproximadamente 0,792,g/mL e a massa molar é MCH3OH=32,04,g/mol.
dot m = 10,000 mL/htimes0,792 g/mL=7,920 g/h,
dot nCH3OH,in=7,92032,04=247,1 mol/h

Passo 3

Fazer o balanço de carbono no gás seco de vazão total dot F. O carbono de entrada ( 247,1 mol/h) sai como CO2, CO e CH3OH não convertido:
xCO2=0,0710, xCO=0,0240, xCH3OH=0,0084,
dot F,(xCO2+xCO+xCH3OH)=247,1,
dot F=247,10,0710+0,0240+0,0084=2,390 mol/h
Moles de metanol não reagido:
dot nCH3OH,unreact=dot Ftimes0,0084=20,07 mol/h
Logo a conversão é
eta=247,1-20,07247,1=0,919approx0,92

Passo 4

Usar balanços de oxigênio e nitrogênio para achar o ar alimentado e o excesso.
1. Consumo de O2 pelas reações ( 1) e ( 2):
dot nCO2=dot F,xCO2=169,7,mol/h e
dot nCO=dot F,xCO=57,4,mol/h.
dot nO2,cons = 1,5times169,7 + 1,0times57,4 =311,9 mol/h
2. No gás seco sai oxigênio residual dot F,xO2 e todo o nitrogênio do ar. Como
xO2+xN2=1-(0,084+0,071+0,024)=0,8966, chamamos xN2=y e xO2=0,8966-y.
3. Balanço de N2:
dot nN2,out=dot F,y=dot nN2,in=0,79,dot nrm ar.
4. Balanço de O2:
dot nO2,in=0,21,dot nrm ar=dot nO2,cons+dot F(0,8966-y).
Resolvendo o sistema para y e dot nrm ar obtemos
yapprox0,811, xO2approx0,0856, dot nrm ar=2,452 mol/h
O ar estequiométrico (para conversão completa a CO2) seria
dot nrm ar,st=1,5times247,10,21=1,765 mol/h,
logo o excesso de ar é
2,452-1,7651,765times100%=39,2%

Passo 5

Calcular a vazão de água. Cada mol de CH3OH convertido em CO2 ou CO gera 2 mol de H2O.
dot nH2O=2l(169,7+57,4r)=454,2 mol/happrox454 mol/h

Passo 6

Problemas de lançar diretamente no ambiente:
– Emissão de CO residual e CH3OH não queimado (tóxicos);
– Alta concentração de CO2 (efeito estufa);
– Possível formação de formaldeído e outros VOCs.
Solução proposta: instalação de pós-combustor ou catalisador no escapamento para oxidar CO e CH3OH, além de coletar calor residual (recuperador de calor) e reduzir emissões.

Resposta

(a) Conversão ,0,92, excesso de ar 39,2%, água 454,mol/h
(b) Problemas: emissão de CO, CH3OH, CO2 e VOCs; solução: pós-combustão/catalisador e recuperação de calor.

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