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 ( m^3 n ar / kg cb ), (iii) a massa teórica de gases de combustão ( kg gas / kg cb ), (iv) o volume teórico dos gases de combustão ( m^3 n gas / kg cb ), (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.

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:
Mo<=s de C = 83, kg12, kg/kmol = 6,9167, kmol
Mo<=s de H = 10, kg1, kg/kmol = 10, kmol
Mo<=s de S = 6, kg32, kg/kmol = 0,1875, kmol
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:
CaHbSc + O2 a, CO2 + b2, H2O + c, SO2
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:
C6,9167H10S0,1875 + O2 6,9167, CO2 + 5, H2O + 0,1875, SO2
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:
Oxigênio total necessário = (6,9167 times 2) + (5 times 1) + (0,1875 times 2) = 13,8334 + 5 + 0,375 = 19,2084, mo<=s de O2 êá
Então, a equação balanceada fica:
C6,9167H10S0,1875 + 19,2084, O2 6,9167, CO2 + 5, H2O + 0,1875, SO2

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:
Mo<=s de ar = Mo<=s de O20,21 = 19,20840,21 approx 91,469, mo<=s de ar
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:
Massa molar do combustível = (6,9167 times 12) + (10 times 1) + (0,1875 times 32) = 83 + 10 + 6 = 99, kg/kmol í
Agora, calculamos a massa de ar correspondente:
Massa de ar = 91,469, mo<=s times 28,97, kg/kmol approx 2.648, kg de ar
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.
Volume de ar = 91,469, mo<=s times 22,4, m³/kmol / 99, kg approx 20,72, m³ nr ar / kg cb ³³

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:
Massa total dos gases = (6,9167 times 44) + (5 times 18) + (0,1875 times 64) = 304,1348 + 90 + 12 = 406,1348, kg/kmol
Convertendo por kg de combustível:
Massa de gases = 406,134899 approx 4,10, kg gas / kg cb

Passo 9

Para o volume teórico dos gases de combustão (m³ nr gas / kg cb), usamos novamente 22,4 m³/kmol:
Volume de gases = 19,2084, mo<=s times 22,4, m³/kmol / 99, kg approx 4,35, m³ nr gas / kg cb ³³

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:
Mo<=s totais secos = 6,9167 + 0,1875 = 7,1042, mo<=s
A fração molar de CO₂ é:
Fração molar de CO2 = 6,91677,1042 approx 0,974, ou ,97,4% çã

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%.

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