(Nilo, p. 191, q. 50) Um óleo combustível com a seguinte análise elementar (base mássica): C = 84,7 %, H=14,8 % e S=0,5 % é queimado completamente com 20,0 % de excesso de ar. O gás de combustão gerado é misturado com um ar secundário e a mistura resultante é usada em um secador que reduz o teor de água de uma argila de 15,0 % para 2,0 % (base mássica). O teor de CO2 (em base seca) no gás efluente do secador é de 9,0% (base molar). Calcule:
a) A razão em quantidade de matéria ar secundário/gás de chaminé (antes da mistura). R: 0,315.
b) A razão mássica argila úmida/óleo combustível, se o teor de CO2 (em base úmida) do gás efluente do secador é 6,2% (base molar). R: 38,1.

Passo 1

Resumo do enunciado e estratégia
Temos um óleo combustível cuja composição elementar (base mássica) é
C=84,7%, H=14,8%, S=0,5%
queimar-se-á com 20,0% de excesso de ar. Do produto desta combustão (``gás de chaminé'') vamos extrair a sua composição molar para, depois, misturá-lo com ar secundário até que, a jusante de um secador, o teor de CO2 em base seca seja 9,0% (molar).
a) Para achar a razão molar
R ;=;mol de ar secundáriomol de gás de chaminé ááé
vamos
1. calcular a quantidade de O2 teórica necessária;
2. aplicar 20% de excesso de ar;
3. montar o balanço molar do gás de chaminé;
4. impor que, depois da mistura com ar secundário e exclusão de vapor d'água (base seca), a fração molar de CO2 seja 0,09.

Passo 2

Balanço de oxigênio e composição do gás de chaminé
Adotando base de 1rm kg de óleo:
– massas de C, H e S:
mC=0,847;rm kg, mH=0,148;rm kg, mS=0,005;rm kg
– moles de cada elemento:
nC=847;rm g12=70,583;rm kmol, nH=148;rm g1=148,000;rm kmol, nS=5;rm g32=0,15625;rm kmol
– consumo estequiométrico de O2:
n!O2,rm theo = nC,(1) + nHl(tfrac12r) + nS,(1) =70,583 + 74 + 0,15625 =144,7395;rm kmol
– com 20% de excesso:
nO2,rm real =1,20times144,7395 =173,6874;rm kmol
Ar seco é 21% O2 e 79% N2 (mol):
n!N2,rm ar =173,6874times7921 approx652,97;rm kmol
Produtos (gás de chaminé) por kg de óleo:
CO2&:70,583, H2O&:74, SO2&:0,15625, O2,(excesso)&:173,6874-144,7395=28,9479, N2&:652,97
Total de moles de gás de chaminé
Nrm ch =70,583+74+0,15625+28,9479+652,97 approx826,657;rm kmol

Passo 3

Expressão da fração molar de CO2 em base seca após mistura
Se misturarmos nrm Ch=1 kmol de gás de chaminé (já com a composição da Tabela acima) com x kmol de ar secundário, teremos a jusante do misturador (ainda junto com o vapor d'água do combustível)
nCO2&=0,0854, nH2O&=0,0896, nO2&=0,0350 + 0,21,x, nN2&=0,7899 + 0,79,x,
onde os coeficientes são as frações molares do gás de chaminé original ( tfrac70,583826,657=0,0854, etc.).
Em ``base seca'' retiramos o vapor d'água, então o total seco vale
D = nCO2+nO2+nN2 =0,0854 + (0,0350+0,21x) + (0,7899+0,79x) =0,9103 + x
Queremos
nCO2D =0,08540,9103 + x =0,09 Longrightarrow 0,9103 + x = 0,08540,09 =0,949
Logo
x = 0,949 - 0,9103 = 0,0387
Isto é, para cada mol de gás de chaminé usamos 0,0387 mol de ar secundário.

Passo 4

Cálculo da razão mássica argila úmida/óleo combustível
Agora o gás misto entra num secador que retira água da argila, baixando-a de 15% para 2% de umidade.
– Seja mc (kg) a argila úmida por 1 kg de óleo.
– Massa de água evaporada:
De<a m!H2O =0,15,mc - 0,02,(mc - 0,15,mc) =0,15,mc - 0,02cdot0,85,mc =0,133,mc
Moles de água evaporada:
nrm evap =0,133,mccdot100018,015 approx7,384,mc(kmol)
Gás de entrada ao secador (por 1 kg óleo) já continha, após mistura,
nCO2=70,583, nO2=35,616, nN2=678,055, nH2O=74
Mais nrm evap de H2O. No efluente molar total (base úmida) a fração molar de CO2 é dada por
70,58370,583 + 35,616 + 678,055 + (74 + 7,384,mc) =0,062
Somando tudo, o denominador é
784,254 + 7,384,mc
e deve valer
70,5830,062=1,138,758
Então
784,254 + 7,384,mc =1,138,758 ;Longrightarrow; 7,384,mc = 354,504 ;Longrightarrow; mc = 354,5047,384approx48,0;rm kg

Resposta

a) R = dfracmol de ar 2circmol do gás de chaminé=0,0387áé
b) massa argila úmidamassa ó<=o=48,0úó.

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