Considerando um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem em peso, é a seguinte: 74% de carbono, 5% de hidrogênio, 5% de oxigênio, 1% de nitrogênio, 1% de enxofre, 9% de umidade e
de cinzas.
a) Determinar a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando
de excesso de ar, em condições de
e 700 mmHg . R:
b) Determinar o volume dos fumos desprendidos, medido a
e
. R:
c) Determinar a composição percentual volumétrica dos fumos na base seca (correspondente à análise de Orsat). R: 7,15% O2; 80,70% N2; 12,09% CO2; 0,06% SO2
a) Determinar a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando
b) Determinar o volume dos fumos desprendidos, medido a
c) Determinar a composição percentual volumétrica dos fumos na base seca (correspondente à análise de Orsat). R: 7,15% O2; 80,70% N2; 12,09% CO2; 0,06% SO2
Passo 1
Lista clara do que o enunciado dá e do que pede.
Dados (peguei todos os percentuais do enunciado; tudo é relativo a
de carvão):
- Composição por massa (fração em massa):
, , , , , , . - Condições de admissão do ar (para a parte a):
, . - Condições dos fumos (para a parte b):
, . - Fração volumétrica do oxigénio no ar seco: tomo
e nitrogênio (valores padrão). - Constante dos gases:
.
O que se pede:
a) Volume de ar real necessário para queima de de carvão, considerando
de excesso de ar, em
e
.
b) Volume dos fumos resultantes medidos a e
.
c) Composição volumétrica dos fumos na base seca (Orsat):
,
,
,
(em % vol., base seca).
a) Volume de ar real necessário para queima de
b) Volume dos fumos resultantes medidos a
c) Composição volumétrica dos fumos na base seca (Orsat):
Passo 2
Converto as massas em mols (base:
). Uso massas atômicas aproximadas:
,
,
,
,
.
Massa (g) de cada elemento em
:
umidade
(água) e cinzas
.
Mols:
Observações didáticas rápidas:
-
aqui é número de mols de átomos de hidrogênio; a água formada a partir do hidrogênio será mol (pois cada contém 2 átomos H). - O oxigênio presente no combustível contribui para a oxidação:
átomos de O equivalem a mol de “fornecidos” internamente.]
Passo 3
Calculo o oxigénio estequiométrico (mol de
) necessário para oxidar
,
e
, subtraindo o oxigénio já presente no combustível.
Reações essenciais e exigência em mol de
:
- Para carbono:
→ 1 mol consome 1 mol . Logo . - Para hidrogênio:
. Um atomo H (em mol) consome mol . Mais direto: . - Para enxofre:
→ . - Oxigénio no combustível reduz a necessidade:
.
Portanto o
estequiométrico total:
Substituindo números:
Calculo passo a passo:
Logo
Didática: esse é o número de mols de
que, em teoria, reagiriam com os constituintes combustíveis para completa oxidação, sem considerar ar em excesso.
Passo 4
Transformo esse
em volume de ar na condição de admissão, e aplico
de excesso.
Molar volume do gás ideal na condição de admissão:
Faço a conta:
Volume estequiométrico de
nas condições de admissão:
Agora o ar contém
(fração molar/volumétrica). Logo o volume estequiométrico de ar:
Com
de excesso de ar (fator
):
Arredondando coerentemente com o enunciado:
. Isso responde a parte (a).
Passo 5
Determino agora a composição molar dos produtos (mols de cada espécie) para usar no cálculo do volume dos fumos e na composição seca.
Espécies geradas por 1 kg de carvão (usando as quantidades e o ar com
excesso calculado):
- Mols de ar fornecido:
- Primeiro obtenho o número de mols de ar correspondentes ao volume de ar usado. Usei
e , então
(O mesmo resultado vem de:
.)
- Mols de
vindos do ar:
- Mols de
vindos do combustível: a massa de N no combustível é . Isso é mol de átomos de N; como normalmente sai como (hipótese usual), o número de mols de do combustível é
Portanto nitrogênio total:
-
formado (toda a massa de carbono vai a na combustão completa):
- Água formada:
- Águas da combustão do hidrogênio do combustível:
- Água já presente como umidade no combustível: massa de água
→
Total de vapor d’água (antes de eventual condensação):
-
formado:
- Oxigénio em excesso (O2 não consumido):
Resumo dos mols de produto (por
de carvão):
Passo 6
Volume dos fumos a
e
.
Total de mols de fumos (estado gasoso, contando vapor d’água — ou seja, “molés total molar, úmido”):
Substituindo:
Molar volume nas condições dos fumos:
Volume total dos fumos (úmidos) nessas condições:
Arredondando conforme o enunciado e diferenças por aproximações:
. Isso responde (b).
Passo 7
Composição percentual volumétrica dos fumos na base seca (retiramos a água da base — Orsat mede gases secos).
Calculo do total seco (excluindo
):
Porcentagens volumétricas (base seca) — cada fração é simplesmente
porque para gases ideais a fração molar = fração volumétrica:
Arredondando de forma coerente com o enunciado e com as aproximações usadas, obtemos a composição seca (Orsat):
Resposta
(a)
de ar real (para 50% de excesso, a
e
).
(b) de fumos (medidos a
e
).
(c) Composição volumétrica dos fumos na base seca (Orsat):
7,15% O2; 80,70% N2; 12,09% CO2; 0,06% SO2.
(b)
(c) Composição volumétrica dos fumos na base seca (Orsat):
7,15% O2; 80,70% N2; 12,09% CO2; 0,06% SO2.