Aula 07 Balanço de massa em reatores de combustão

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Introdução ao Cálculo de Processo
Aula 07 – Balanço de Massa em Reatores de Combustão
Prof. Msc. João Guilherme Pereira Vicente
email: joao.vicente@facens.br
Balanço de massa em reatores de combustão
1. Combustão
 Processo industrial em que um combustível é queimado com um
comburente.
 Combustível: normalmente uma mistura de hidrocarbonetos, com
contaminação de compostos de enxofre.
 Comburente: normalmente oxigênio do ar, em excesso em relação ao
combustível.
 Reações:
C + O2 → CO2 (combustão completa)
2H2 + O2 → 2 H2O
S + O2 → SO2
C + ½ O2 → CO (combustão incompleta)
 Gera-se uma mistura gasosa conhecida como gás de combustão ou gás de
chaminé. Seus principais componentes serão CO2, CO, SO2, N2 (inerte) e
CO (combustão incompleta).
 Por razões econômicas óbvias, o ar é fonte de oxigênio. Sua composição
molar é de 79% de N2 e 21% de O2.
3
2. Composição em base seca e base úmida
 Base úmida: considera a água presente em uma dada mistura.
Exemplo, composição molar de um gás em base úmida: 20% CO, 50%
CO2 e 30% H2O (base úmida)
 Base seca: NÃO CONSIDERA A ÁGUA presente na mistura.
Exemplo, a composição molar do mesmo gás acima em base seca é 28,6%
CO e 71,4% CO2.
 Base de cálculo: 100 g-mol de gás úmido
20 g-mol de CO
50 g-mol de CO2 ⇒ 70 g.mol total em base seca (desconsiderando H2O)
30 g-mol de H2O
Y CO = 20/70 = 0,286 em base seca
Y CO2 = 50/70 = 0,714 em base seca
Balanço de massa em reatores de combustão
Terminologia
 Oxigênio teórico: o número de mols ou vazão molar de O2 necessários
para a COMBUSTÃO COMPLETA de todo o combustível do reator,
assumindo-se que todo C se converta a CO2 e todo H se converta a
H2O.
 Ar teórico: a quantidade de ar que contém o oxigênio teórico.
 Excesso de ar: a quantidade de ar alimentado que excede a quantidade
teórica.
 Conhecendo-se a estequiometria de reação completa, determina-se o
O2 teórico.
100%
lim





 

teórico
teóricoentaçãoa
arn
arnarn
ardeexcesso
Balanço de massa em reatores de combustão
1. não esquecer de incluir o N2 na entrada e na saída do fluxograma. 
2. não esquecer do combustível e do O2 não reagidos na saída, além dos 
produtos de combustão (CO2, H2O. Quando combustão é incompleta, 
lembrar do CO).
3. se é dada uma porcentagem em excesso de ar, o O2 realmente alimentado 
pode ser calculado utilizando-se a equação
100%
lim





 

teórico
teóricoentaçãoa
arn
arnarn
ardeexcesso
4. O ar teórico é calculado como sendo a quantidade necessária para
queimar todo o combustível e formar exclusivamente CO2, e
independe da quantidade de combustível queimado na prática
(conversão).
5. O valor da porcentagem de excesso de ar depende somente do ar
teórico e do ar alimentado, e não quanto do O2 é consumido no reator,
ou se a combustão é completa ou parcial.
Balanço de massa em reatores de combustão
Exemplo I: 
100 mol/h de butano (C4H10) e 5.000 mol/h de ar são alimentados a um reator 
de combustão. Calcular:
a) o oxigênio teórico
b) o ar teórico
c) a porcentagem de ar em excesso.
C4H10 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O
Praticando!
9
ሶ𝑛𝑂2 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =
100 𝑚𝑜𝑙 𝐶4𝐻10
ℎ
𝑥
6,5 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙 𝐶4𝐻10
ሶ𝑛𝑂2 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 650
𝑚𝑜𝑙 𝑂2
ℎ
C4H10 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O
ሶ𝑛𝑎𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =
650 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
ℎ
𝑥
4,76 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟
𝑚𝑜𝑙 𝑂2
= 3094
𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟
ℎ
%6,61%100
3094
30945000
% 




 
ardeexcesso
 Lembrando que a composição molar do ar é: 21 % O2 e 79 % N2
Exemplo II:
O Etano é queimado com 50% em excesso de ar. A percentagem de
conversão do etano é 90%; do etano queimado, 25% reagem para
formar CO e o resto forma CO2. Calcule a composição molar do gás
de chaminé em base seca e úmida e a razão molar da água para o gás
da chaminé seco.
Praticando!
100 mol C2H6
50% em excesso de ar
n0(mol)
0,21 mol O2
0,79 mol N2
n1 (mol C2H6)
n2 (mol O2)
n3 (mol N2)
n4 (mol CO)
n5 (mol CO2)
n6 (mol H2O)
C2H6 + 7/2 O2 → 2CO2 + 3H2O
C2H6 + 5/2 O2 → 2CO + 3H2O
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𝑛𝑂2 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =
100 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
ℎ
𝑥
3,5 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
= 350 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
 50 % de ar em Excesso
50 % de ar em Excesso ou 1,5 vezes mais
0,21 𝑛0 = 1,50. 350 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 𝑛0 = 2.500 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜
 90 % de Conversão de Etano: ( 10 % não reage)
𝑛1 = 0,100. 100 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6 𝑓𝑜𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑛1 = 10 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
 Balanço Nitrogênio → Entra = Sai
𝑛3 = 0,79. 2500 𝑚𝑜𝑙
𝑛3 = 1975𝑚𝑜𝑙 𝑁2
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𝑛𝑂2 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =
100 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
ℎ
𝑥
3,5 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
= 350 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
 Outra forma de calcular n0
50 % de ar em Excesso ou 1,5 vezes mais
𝑛0 = 1,50. 1666 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑛0 = 2.500 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜
𝑛𝑎𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 =
350𝑚𝑜𝑙 𝑂2
ℎ
𝑥
4,76𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟
𝑚𝑜𝑙 𝑂2
= 1666 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
 90 % de Conversão de Etano: ( 10 % não reage)
𝑛1 = 0,100. 100 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6 𝑓𝑜𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑛1 = 10 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
 Balanço Nitrogênio → Entra = Sai
𝑛3 = 0,79. 2500 𝑚𝑜𝑙
𝑛3 = 1975𝑚𝑜𝑙 𝑁2
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 25 % de Conversão a CO 
e 75 % a CO2
𝒏𝟒 = 0,25𝑥90,0 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑟 𝐶𝑂𝑥
2 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒
= 45 𝑚𝑜𝑙 CO
 Balanço de Carbono Atômico: Entra = Saída
 Balanço de Hidrogênio Atômico: Entra = Saída
100 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6𝑥
2 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
= 𝑛1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
2 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
+ 𝑛4 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
+ 𝑛5 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
10 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
2 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
+ 45 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
+ 𝑛5 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
1 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
100 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6𝑥
2 𝑚𝑜𝑙 𝐶
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
=
𝒏𝟓 = 𝟏𝟑𝟓𝒎𝒐𝒍 𝑪𝑶𝟐
100 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6𝑥
6 𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
= 𝑛1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
6 𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
+ 𝑛6 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
2 𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
100 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6𝑥
6 𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
= 10 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
6 𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑚𝑜𝑙𝐶2𝐻6
+ 𝑛6 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
2 𝑚𝑜𝑙 𝐻
1 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
𝒏𝟔 = 𝟐𝟕𝟎𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐𝑶
𝒏𝟓 = 0,75𝑥90,0 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑟 𝐶𝑂2𝑥
2𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠
1𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒
= 135 𝑚𝑜𝑙 CO2
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 Balanço de Oxigênio Atômico: 
Entra = Saí
525 𝑚𝑜𝑙 𝑂2𝑥
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
= 𝑛2 𝑚𝑜𝑙𝑂2
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝑂2
+ 𝑛4 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
+ 𝑛5 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
+ 𝑛6 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
525 𝑚𝑜𝑙 𝑂2𝑥
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
= 𝑛2 𝑚𝑜𝑙𝑂2
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝑂2
+ 45 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
+ 135 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
2 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2
+ 270 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
1 𝑚𝑜𝑙 𝑂
1 𝑚𝑜𝑙𝐻2𝑂
 A análise do gás da chaminé está completa. Resumindo:
𝑛1 = 10 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
𝑛6 = 270 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
𝒏𝟐 = 𝟐𝟑𝟐𝒎𝒐𝒍 𝑶𝟐
𝑛2 = 232 𝑚𝑜𝑙 𝑂2
𝑛3 = 1975 𝑚𝑜𝑙 𝑁2
𝑛4 = 45 𝑚𝑜𝑙 CO
𝑛5 = 135 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2
2397 𝑚𝑜𝑙 𝑔á𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜
+
2397 𝑚𝑜𝑙 𝑔á𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜
2667 𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
+
 Razão =
270 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
2397 𝑚𝑜𝑙 𝑔á𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜
= 0,113
𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
𝑚𝑜𝑙 𝑔á𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑜
1,50. 350 𝑚𝑜𝑙 𝑂2,𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
0,21. 2500 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜
ou
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 Assim, a composição em base 
seca e úmida será:
𝑦1 =
10 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
2397
= 0,0042
𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
𝑚𝑜𝑙
𝑦2 = 0,0968
𝑚𝑜𝑙 𝑂2
𝑚𝑜𝑙
𝑦3 = 0,8235
𝑚𝑜𝑙 𝑁2
𝑚𝑜𝑙
𝑦4 = 0,0188
𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
𝑚𝑜𝑙
𝑦5= 0,0563
𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2
𝑚𝑜𝑙
𝑦1 =
10 𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
2667
= 0,0037
𝑚𝑜𝑙 𝐶2𝐻6
𝑚𝑜𝑙
𝑦2 = 0,0870
𝑚𝑜𝑙 𝑂2
𝑚𝑜𝑙
𝑦3 = 0,7402
𝑚𝑜𝑙 𝑁2
𝑚𝑜𝑙
𝑦4 = 0,0169
𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂
𝑚𝑜𝑙
𝑦5 = 0,0506
𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2
𝑚𝑜𝑙
𝑦6 = 0,1012
𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂
𝑚𝑜𝑙
BASE SECA BASE ÚMIDA