Balanço de Material com Reação Química e Combustão: Guia Completo

Balanço de material com reação BM por elemento Combustão 1 BM por elemento Elementos em processos químicos Tem suas quantidades conservadas Os elementos não são gerados nem consumidos então os termos de geração e consumo são ignorados Entra Sai Em um processo de hidrocraqueamento a carga é misturada com excesso de hidrogênio e submetida a altas temperatura e pressão na presença de um catalisador de zeólita Os pesquisadores nessa área estudam o hidrocraqueamento de compostosmodelo como o octano C8H18 para compreender o comportamento dessas reações Em um desses experimentos de hidrocraqueamento de octano o produto apresentou a seguinte composição molar 1950 C3H8 propano 5940 C4H10 butano e 2110 C5H12 pentano Determinar a razão molar entre o hidrogênio consumido e o octano convertido no experimento Exemplo 1 Base de cálculo P 100 mol C8H18 H2 1950 C3H8 5940 C4H10 2110 C5H12 Exemplo 1 Base de cálculo P 100 mol C8H18 H2 1950 C3H8 5940 C4H10 2110 C5H12 Exemplo 1 BM para C Entra Sai CF nF CG nC CP nP 8 nF 0 nC 100 mol 0195 3 0594 4 0211 5 nF 5020 mol BM para H Entra Sai HF nF HG nC HP nP 18 nF 2 nC 100 mol 0195 8 0594 10 0211 12 18 5020 mol 2 nC 100 mol 0195 8 0594 10 0211 12 nC 4980 mol Exemplo 1 A razão molar entre o hidrogênio consumido e o octano convertido é nH2 consumido nC8H18 convertido 4980 mol 5020 mol 099 Exemplo 1 2 Combustão Processo de combustão Processo industrial em que um combustível é queimado com ar em excesso em relação ao combustível Há geração de uma mistura gasosa o chamado gás de combustão ou gás de chaminé Constituição do gás de combustão Dióxido de carbono Vapor dágua Oxigênio em excesso Nitrogênio do ar que não reage Monóxido de carbono poderá aparecer se a combustão ocorrer com baixo excesso de ar O2 teórico ou O2 estequiométrico Quantidade de O2 necessária para ocorrer a combustão completa Analogamente temse o ar teórico ou ar estequiométrico que é a quantidade de ar necessária para ocorrer a combustão completa Excesso de O2 Quantidade de O2 em excesso em relação à quantidade necessária para a combustão completa Da mesma forma temse o excesso de ar que é a quantidade de ar em excesso em relação à quantidade necessária para a combustão completa Normalmente expresso em base relativa Relação válida tanto para o ar como para o oxigênio porque o excesso de O2 021 do excesso de ar e O2 teórico 021 do ar teórico Excesso de ar Exc ar excesso de arar teórico x 100 ou Exc ar excesso O2 O2 teórico x 100 Excesso de ar O2 real Quantidade total de O2 usada na combustão que é igual à soma de O2 teórico e O2 em excesso De forma correspondente temse o ar real que é a quantidade total de ar usada na combustão que é igual à soma de ar teórico e ar em excesso Análise de Orsat Amostra dos gases 100 mL após ser borbulhada em uma solução ligeiramente alcalina é analisada volumetricamente na seguinte ordem usando as soluções de absorção CO2 solução de KOH O2 solução de pirogalato de potássio CO solução de cloreto cuproso N2 obtida por diferença Combustível Ar Gás de chaminé Água Gás de combustão seco Problema de combustão em que a análise dos gases de combustão é usada em base seca Um óleo combustível obtido a partir de um petróleo contendo elevado teor de enxofre é queimado em um forno industrial usando 30 de excesso de ar A análise elementar do óleo combustível indicou C 8550 H 970 S 480 em base mássica Determinar a composição do gás de chaminé GC e a do gás seco G considerando a combustão completa do óleo combustível Exemplo 2 8550 C 970 H 480 S F GC G 21 O2 79 N2 30 excesso Exemplo 2 A análise elementar do combustível está em base mássica e a composição do ar em quantidade de matéria Manteremos a composição do ar em quantidade de matéria kmol Base de cálculo F 100 kg Transformando massa kg de F em quant de matéria kmol Elemento F kg MM kgkmol F kmol C 8550 1201 712 H 970 101 960 S 480 3206 015 Total soma 100 1687 Exemplo 2 Reações de combustão C O2 CO2 1 kmol de C reage com 1 kmol de O2 para produzir 1 kmol de CO2 4H O2 2H2O 4 kmol de H reagem com 1 kmol de O2 para produzir kmol de H2O S O2 SO2 1 kmol de S reage com 1 kmol de O2 para produzir 1 kmol de SO2 Quantidades C O2 CO2 712 712 712 4H O2 2H2O 960 240 480 S O2 SO2 015 015 015 Exemplo 2 Assim CO₂ 712 kmol 11 H₂O 480 kmol 42 ou 21 SO₂ 015 kmol 11 O₂ teórico O₂ da 1ª RQ C 712 kmol O₂ da 2ª RC H 240 kmol O₂ da 3ª RQ S 015 kmol O₂ total 967 kmol Exemplo 2 Assim Exc O₂ 03 967 kmol 290 kmol nO₂ real nO₂ total nO₂ excesso 967 290 kmol 1257 kmol Correlacionando N₂ com O₂ no ar 1250 kmol O₂ 21 nN₂ 79 nN₂ 4730 kmol Exemplo 2 Elemento GC kmol Descrição CO₂ 712 1 kmol de C 712 reage com 1 kmol de O₂ para produzir 1 kmol de CO₂ SO₂ 015 1 kmol de S 015 reage com 1 kmol de O₂ para produzir 1 kmol de SO₂ O₂ 290 Excesso além do que já está inserido nas espécies N₂ 4730 Real com base no O₂ real H₂O 480 4 kmol de H 960 reagem com 1 kmol de O₂ para produzir 2 kmol de H₂O Total soma 6226 Exemplo 2 Elemento CO2 SO2 O2 N2 H2O Total soma GC kmol 712 015 290 473 480 6226 GC y 1143 024 466 7596 771 100 G kmol 712 015 290 4730 5746 G y 1239 026 505 8230 100 a partir de 6226 kmol é 100 a partir de 5746 kmol é 100 Exemplo 2 Atividades propostas A cloração de metano ocorre de acordo com a seguinte reação CH4 Cl2 CH3Cl HCl Determinar a composição molar do produto sabendo que a conversão do reagente limitante é de 67 e que a composição da alimentação molar corresponde a 40 CH4 50 Cl2 e 10 N2 1320 mol CH4 2320 mol Cl2 2680 mol CH3 Cl 2680 mol HCl 10 mol N2 n CH4 que reage 2680 kmol 1 40 CH4 50 Cl2 10 N2 F P n CH4 n Cl2 n CH3Cl n HCl n N2 1 De um forno queimando gás combustível resultou a seguinte análise de Orsat dos gases de combustão CO2 753 O2 753 e CO 0 Calcular a O de excesso de ar 50 nN2A nN2G 8494 kmol nO2A 2258 kmol b A composição do gás de chaminé 655 CO2 655 O2 7383 N2 1307 H2O nO2 teórico 1505 kmol nGC 11504 kmol nCO2 753 kmol nO2 753 kmol nN2 8494 kmol nH2O 1504 kmol 2 Combustível F A 21 O2 79 N2 GC 100 H2O W G 753 CO2 753 O2 0 CO 8494 N2 2 Um óleo combustível é queimado em um forno gerando um gás de combustão com a seguinte análise de Orsat CO2 1320 O2 360 e CO 040 molar Determinar a As reações químicas pertinentes ao processo b O de excesso de ar 195 nN2A nN2C 8280 kmol nO2A 22 kmol c A quantidade de água que sai na corrente W 10 kmol 3 Combustível F GC 100 H2O W G 132 CO2 36 O2 04 CO 828 N2 A 21 O2 79 N2 3