O processo Claus é utilizado para transformar o
em enxofre elementar. Imagine que a alimentação de uma planta que utiliza esse processo seja composta por
molar de
e
molar de
. Uma parte dessa corrente, equivalente a um terço do total, é direcionada a uma fornalha, onde o
é totalmente queimado com uma quantidade estequiométrica de ar, sendo operada à pressão de 1 atm e temperatura de
. Os produtos resultantes dessa reação são misturados com o restante da corrente de alimentação da planta (dois terços) e enviados para um reator, onde ocorre a reação abaixo:
Ao sair do reator, os gases têm uma vazão de
a
e 205 kPa (pressão absoluta). Assumindo que os gases se comportam de acordo com a teoria dos gases ideais e que a composição do ar seja
molar de
e
de
, resolva a questão a seguir:
Qual a vazão volumétrica (
) de ar empregado na fornalha?
Qual a vazão volumétrica (
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício fala sobre o processo Claus, que transforma o
em enxofre. A gente tem uma mistura de gases entrando na planta: 10% de
e 90% de
. Uma parte dessa mistura (um terço) vai para uma fornalha onde o
é queimado com ar. Depois, os gases resultantes se juntam com o restante da mistura e vão para um reator onde acontece uma reação química. A gente precisa descobrir qual é a vazão volumétrica de ar usada na fornalha. Para resolver isso, vamos usar conceitos de estequiometria e a lei dos gases ideais.
Passo 2
Primeiro, vamos entender a composição da corrente de alimentação da planta. Sabemos que ela é 10%
e 90%
em termos molares. Se considerarmos um fluxo total de, por exemplo, 3 mols por minuto (para facilitar os cálculos), teríamos:
-
: 10% de 3 mols = 0,3 mol/min -
: 90% de 3 mols = 2,7 mol/min
Mas como parte dessa corrente é direcionada para a fornalha, vamos calcular quanto isso representa.
Passo 3
A parte que vai para a fornalha é um terço do total, ou seja, 1 mol/min. Dentro desses 1 mol, mantemos a mesma proporção:
-
: 10% de 1 mol = 0,1 mol/min -
: 90% de 1 mol = 0,9 mol/min
Como na fornalha queimamos apenas o
, vamos focar nele.
Passo 4
A reação de queima do
com o oxigênio do ar é:
Isso significa que para cada 2 mols de
queimados, precisamos de 3 mols de
. Vamos calcular a quantidade de
necessária para queimar 0,1 mol/min de
.
Passo 5
Usando a relação da reação:
Resolvendo para
:
Então, precisamos de 0,15 mol/min de
para queimar o
.
Passo 6
Como o ar é composto por 20% de
e 80% de
em termos molares, para obter 0,15 mol/min de
, precisamos calcular a quantidade total de ar:
Resolvendo para
:
Então, precisamos de 0,75 mol/min de ar para fornecer o oxigênio necessário.
Passo 7
Agora, vamos converter essa vazão molar de ar para vazão volumétrica usando a lei dos gases ideais, que é dada por:
Queremos achar o volume (
), então rearranjamos a equação:
Onde:
-
-
(vamos usar essa unidade para facilitar) -
-
Passo 8
Substituindo os valores na equação:
Convertendo para metros cúbicos por minuto:
Resposta
A vazão volumétrica de ar empregado na fornalha é aproximadamente
.