Uma caldeira a vapor foi projetada para queimar óleo combustível. Partindo da composição química do óleo em base mássica (Carbono - 83%; Hidrogênio - 10%; Enxofre - 6%; Outros - 1%), determine (i) a razão AC teórica, (ii) o volume teórico de ar (
), (iii) a massa teórica de gases de combustão (
), (iv) o volume teórico dos gases de combustão (
gas
), (v) a fração molar teórica de CO2 nos produtos (base seca).
(vi) verifique seus cálculos através de um balanço de massa na câmara de combustão.
(vi) verifique seus cálculos através de um balanço de massa na câmara de combustão.
Passo 1
Beleza, vamos resolver esse exercício sobre a queima de óleo combustível em uma caldeira a vapor. O enunciado nos dá a composição química do óleo em base mássica: Carbono 83%, Hidrogênio 10%, Enxofre 6% e Outros 1%. Vamos usar esses dados para calcular várias coisas relacionadas à combustão, como a razão ar-combustível teórica, volumes e massas dos gases de combustão, e a fração molar de CO₂ nos produtos. Para isso, vamos precisar usar conceitos de estequiometria da combustão, balanço de massa e propriedades dos gases.
Passo 2
Primeiro, vamos determinar a fórmula empírica do óleo combustível com base na composição mássica fornecida. Assumimos uma massa total de 100 kg para facilitar os cálculos:
- Carbono (C): 83 kg
- Hidrogênio (H): 10 kg
- Enxofre (S): 6 kg
- Outros: 1 kg
Agora, convertendo essas massas para moles:
Vamos desconsiderar os “Outros” pois eles não participam da combustão.
Passo 3
Agora, escrevemos a equação de combustão completa para o óleo combustível. A combustão completa do óleo com a presença de enxofre gera dióxido de carbono (CO₂), água (H₂O), dióxido de enxofre (SO₂) e oxigênio não reagido. A equação geral fica:
Precisamos balancear essa equação para encontrar a quantidade de oxigênio necessário e, consequentemente, a quantidade de ar.
Passo 4
Vamos substituir os valores de a, b e c pelos moles encontrados:
Agora, balanceamos o oxigênio. Cada CO₂ precisa de 2 moles de O, cada H₂O precisa de 1 mole de O e cada SO₂ precisa de 2 moles de O:
Então, a equação balanceada fica:
Passo 5
Agora, vamos calcular a razão ar-combustível teórica (AC). Sabemos que o ar é composto principalmente por oxigênio (21%) e nitrogênio (79%) em volume. Para cada mol de O₂, temos aproximadamente 3,76 moles de N₂.
Quantidade de ar necessária por mol de combustível:
Portanto, a razão ar-combustível teórica é de aproximadamente 91,469 moles de ar por mol de combustível.
Passo 6
Agora, queremos a razão ar-combustível em massa. Primeiro, calculamos a massa molar do combustível:
Agora, calculamos a massa de ar correspondente:
Portanto, a razão ar-combustível teórica em massa é de aproximadamente 26,48 kg de ar por kg de combustível.
Passo 7
Para determinar o volume teórico de ar (m³ nr ar / kg cb), usamos as condições padrão de temperatura e pressão, onde 1 mol de gás ocupa 22,4 m³/kmol.
Passo 8
Agora, vamos calcular a massa teórica de gases de combustão (kg gas / kg cb). Somamos as massas de CO₂, H₂O e SO₂ produzidas por kg de combustível:
Convertendo por kg de combustível:
Passo 9
Para o volume teórico dos gases de combustão (m³ nr gas / kg cb), usamos novamente 22,4 m³/kmol:
Passo 10
Agora, vamos encontrar a fração molar teórica de CO₂ nos produtos, considerando a base seca (sem H₂O). Os moles totais dos produtos secos são CO₂ e SO₂:
A fração molar de CO₂ é:
Resposta
(i) A razão ar-combustível teórica é aproximadamente 26,48 kg ar/kg combustível.
(ii) O volume teórico de ar é cerca de 20,72 m³ nr ar/kg combustível.
(iii) A massa teórica de gases de combustão é aproximadamente 4,10 kg gas/kg combustível.
(iv) O volume teórico dos gases de combustão é cerca de 4,35 m³ nr gas/kg combustível.
(v) A fração molar teórica de CO₂ nos produtos (base seca) é aproximadamente 97,4%.
(ii) O volume teórico de ar é cerca de 20,72 m³ nr ar/kg combustível.
(iii) A massa teórica de gases de combustão é aproximadamente 4,10 kg gas/kg combustível.
(iv) O volume teórico dos gases de combustão é cerca de 4,35 m³ nr gas/kg combustível.
(v) A fração molar teórica de CO₂ nos produtos (base seca) é aproximadamente 97,4%.