Uma caldeira ZFW-SF 150, flamotubular, capacidade 3,30 t/h de vapor saturado a uma pressão de 2 kgf / cm^2, opera em uma fábrica consumindo 95 kg / hora de óleo combustível BPF ( PCI=41.000 kJ / kg base seca). A temperatura do combustível e ar que entra na câmara de combustão é 30^circ C. A análise volumétrica dos produtos da combustão realizada através do analisador tipo ORSAT indica a existência de O2=7,0 % CO2+SO2=10,60 % e CO=0,51 %. A temperatura dos produtos da combustão registrada na base da chaminé foi de 250^circ C. Para efeito de cálculo utilizar a temperatura do óleo combustível igual à temperatura do ar de combustão de 60^circ C. A temperatura ambiente é 30^circ C e umidade relativa do ar atmosférico de 90 %. A temperatura da água de alimentação é 32^circ C.
A partir dos dados sobre a composição elementar do combustível C^t=83 %, H^t=10,4 %, S^t=2,80 %, O^t=0,50 %, N^t=0,3 %, W^t=3 % e A^t=8 %. Considerar, caso necessário, que o consumo de vapor saturado para atomização do combustível seja igual a 0,20 kg / kg de combustível. A tabela abaixo fornece do calor específico médio para o ar, combustível e para os produtos da combustão.
Valores médios Ar Combustível Produtos da <br> Combustão
Calor específico (kJ / m^3 ^circ C) 1,33 1,90 1,60
obtenha:
b) Volume de ar estequiométrico seco

Passo 1

Beleza, vamos começar resumindo o que a questão está pedindo. Temos uma caldeira que consome óleo combustível e queremos descobrir qual é o volume de ar estequiométrico seco necessário para a combustão desse óleo. Isso envolve entender como calcular a quantidade de ar ideal para queimar completamente o combustível, sem excesso ou falta de oxigênio. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de estequiometria de combustão e cálculos com base na composição do combustível.

Passo 2

Primeiro, vamos entender o que é ar estequiométrico. Esse é o volume de ar necessário para queimar completamente uma quantidade específica de combustível, sem deixar oxigênio ou combustível não reagido. Para encontrar esse valor, precisamos saber a composição elementar do combustível, que neste caso é fornecida na questão:
  • Carbono ©: 83%
  • Hidrogênio (H): 10,4%
  • Enxofre (S): 2,80%
  • Oxigênio (O): 0,50%
  • Nitrogênio (N): 0,3%
  • Outros (W + A): 3% + 8% = 11%

Passo 3

Vamos considerar que os “Outros” (W e A) não participam da combustão e focar apenas nos elementos que reagem, ou seja, C, H, S e O. Abaixo, ajustamos a composição considerando apenas esses elementos:
  • C: 83%
  • H: 10,4%
  • S: 2,80%
  • O: 0,50%
Agora, vamos supor que temos 100 kg de combustível para facilitar os cálculos.

Passo 4

Calculamos a quantidade de cada elemento presente nesses 100 kg de combustível:
  • Carbono: 83 kg
  • Hidrogênio: 10,4 kg
  • Enxofre: 2,80 kg
  • Oxigênio: 0,50 kg

Passo 5

Agora, vamos calcular a quantidade de oxigênio necessário para queimar completamente cada um desses elementos:
  1. Carbono ©:
    • A reação é: $ C + O_2 \rightarrow CO_2 $
    • Cada mol de C precisa de 1 mol de O₂.
    • Massa molar de C = 12 g/mol, de O₂ = 32 g/mol.
    • Então, para 83 kg de C: C + O2 CO2 83,000 g12 g/mol = 6,916.67 mol de C
  2. Hidrogênio (H):
    • A reação é: $ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O $
    • Cada 2 mols de H₂ precisam de 1 mol de O₂.
    • Massa molar de H₂ = 2 g/mol, de O₂ = 32 g/mol.
    • Para 10,400 g de H: 6,916.67 mol times 32 g/mol = 221,333.44 g = 221.33 kg de O2 2H2 + O2 2H2O 10,400 g2 g/mol = 5,200 mol de H2
  3. Enxofre (S):
    • A reação é: $ S + O_2 \rightarrow SO_2 $
    • Cada mol de S precisa de 1 mol de O₂.
    • Massa molar de S = 32 g/mol, de O₂ = 32 g/mol.
    • Para 2,800 g de S: 5,2002 = 2,600 mol de O2 2,600 mol times 32 g/mol = 83,200 g = 83.2 kg de O2
  4. Oxigênio (O):
    • O oxigênio presente no combustível já contribui para a combustão, diminuindo a necessidade de O₂ externo.
    • Para 0,50 kg de O, basta converter para mols: S + O2 SO2
      • Cada mol de O reduziu a necessidade de 0.5 mol de O₂:
      2,800 g32 g/mol = 87.5 mol de S (Na verdade, a presença de O no combustível reduz a necessidade de O₂, mas para simplificar, consideramos a redução proporcional na quantidade total de O₂ necessária.)

Passo 6

Agora, somamos todo o oxigênio necessário para a combustão:
221.33 kg (C) + 83.2 kg (H) + 2.8 kg (S) = 307.33 kg de O2
E subtraímos o oxigênio que já está no combustível:
307.33 kg - 16 kg = 291.33 kg de O2

Passo 7

Sabemos que o ar atmosférico é composto aproximadamente por 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio. Para encontrar o volume de ar estequiométrico seco, usamos a relação:
Massa de ar = Massa de O20.21
Portanto:
Massa de ar = 291.33 kg0.21 approx 1,387.29 kg de ar

Passo 8

Para converter a massa de ar para volume, precisamos usar a densidade do ar. A densidade do ar a condições padrão é de aproximadamente 1.225 kg/m³, mas como a temperatura e a pressão podem variar, e considerando que a temperatura ambiente é 30°C e alta umidade, podemos ajustar a densidade para cerca de 1.18 kg/m³.
Volume de ar = 1,387.29 kg1.18 kg/m^3 approx 1,175.2 m^3

Resposta

O volume de ar estequiométrico seco necessário para a combustão do óleo combustível é aproximadamente 1.175 m³.

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