Enunciado
Termodinâmica - Moran e Shapiro - Princípios de Termodinâmica para Engenharia- Ed: 7º - Capítulo 13.Problemas - Ex. 90
Carvão com uma análise mássica de 88% de C, 6% de H, 4% de O, 1% de N e 1% de S queima completamente com a quantidade de ar teórico. Determine
- A quantidade de SO2 gerada, em Kg por Kg de carvão.
- A razão ar-combustível em uma base mássica.
- Por razoes ambientais, é desejável separar o SO2 dos produtos de combustão através do fornecimento dos produtos a 340K, 1 atm a um dispositivo que opera isotermicamente a 340K. Em regime permanente, um fluxo de SO2 dos gases restantes saem, cada qual, a 340K e 1 atm. Se o carvão é queimado a uma taxa de 10Kg/s, determine, em Kw, a potência teórica mínima de entrada necessária pelo dispositivo. Ocorre transferência de calor com a vizinhança, mas os efeitos das energias cinética e potencial podem ser ignorados.
Passo 1
Beleza, espero que todos estejam bem e prontos para aprender a resolver mais uma questão da nossa querida termodinâmica.
Primeiro vamos analisar a situação, o que temos, o que precisamos encontrar e o que iremos assumir com base no enunciado.
Sabemos que: Carvão com uma análise de massa especificada queima completamente com a quantidade teórica de ar
Precisamos encontrar: A quantidade de SO₂ produzida, a razão ar-combustível em uma base mássica, a potência teórica mínima necessária para remover o SO₂ dos produtos de combustão através de um dispositivo específico.
Iremos assumir que: 1º-3,76 moles de N₂ acompanham cada mol de O₂ no ar. N₂ é inerte. 2º-o dispositivo de limpeza opera em regime permanente a 340K com efeitos de energia potencial e cinética desprezíveis. 3º-Aplicam-se propriedades do gás ideal.
O desenho abaixo irá nos ajudar a visualizar melhor o que está acontecendo.
Passo 2
A primeira coisa que iremos fazer após toda a análise da situação, é descobrir o número de mols de todas as substâncias presentes na nossa situação.
Balanceando nossa equação temos que,
- A quantidade de produzido é 0.03 Kmol por 100Kg de carvão. Então, com ,
- A quantidade de ar necessária é (8.735) (4.7) Kmol por 100Kg de carvão. Então temos,
- A Letra C é um pouco mais trabalhosa do que às duas letras anteriores, onde apenas utilizamos de conceitos estequiométricos. Agora é aonde iremos realmente aplicar os conceitos de termodinâmica.
Passo 3
Referindo-se à equação de reação, para uma taxa de queima de carvão de 10 kg/s, a taxa de fluxo molar dos produtos de combustão é
Para o dispositivo de limpeza, a análise molar do fluxo de saída e entrada é,
Um balanço de taxa de energia reduz no estado estacionário para
Então, visto que os princípios do gás ideal se aplicam, os termos de entalpia se cancelam porque as linhas de entrada e saída estão na mesma temperatura. Assim, .
um equilíbrio de taxa de entropia reduzido para estado estacionário nos dá,
Sabemos pela equação que
A potência teórica mínima de saída corresponde a . Então, com y e ý de cima