O etano é queimado com 50% em excesso de ar. A % de conversão do etano é 90%. Do etano queimado, 25% reagem para formar CO e o resto forma CO2. Calcule:
a) A composição molar do gás de chaminé em base seca
b) A razão molar de água para o gás de chaminé seco.

Passo 1

Beleza, então o enunciado diz: a gente queima etano (C₂H₆) usando 50 % de excesso de ar. Só 90 % desse etano realmente reage. Dessas moléculas que reagem, 25 % formam CO e 75 % formam CO₂. Precisamos achar:
a) a composição molar do gás de chaminé em base seca (ou seja, só os gases que não são H₂O)
b) a razão molar H₂O/gás seco
Conteúdo: balanço de massa estequiométrico, conceito de excesso de ar, conversão e frações de produtos. Vamos usar reações químicas, definições de excesso e conversão, e composição do ar (21 % O₂ + 79 % N₂).

Passo 2

Primeiro escolhemos uma base: vamos supor que entram 1 kmol de C₂H₆.
– Conversão = 90 % significa que 0,9 kmol de C₂H₆ reagem e 0,1 kmol sobra sem reagir.
– Excesso de ar = 50 % significa que a gente fornece 1,5 vezes o ar estequiométrico.

Passo 3

Calcula o ar estequiométrico:
Reação completa do etano:
C2H6 + tfrac72,O2 to 2,CO2 + 3,H2O
Então, para cada 1 kmol de C₂H₆, precisa de 3,5 kmol de O₂. Ar é 21 % O₂ + 79 % N₂, logo para cada kmol de O₂ vêm 3,76 kmol de N₂.
Ar estequiométrico:
3,5,O2 + 3,5times 3,76,N2 =3,5,O2 +13,16,N2

Passo 4

Agora o ar fornecido (com 50 % de excesso) é 1,5× o teórico:
O₂fed =3,5times1,5=5,25 kmol, N₂fed=5,25times3,76=19,74 kmol

Passo 5

Dos 1 kmol de C₂H₆, só 0,9 kmol reagem. Dessas que reagem:
– 25 % vira CO → 0,9×0,25=0,225 kmol de C₂H₆ seguem pela via do CO
– 75 % vira CO₂ → 0,9×0,75=0,675 kmol de C₂H₆ seguem para CO₂
As reações parciais são:
Para CO:
Para CO₂:

Passo 6

Calculemos O₂ consumido:
– Via CO₂: H2O =0,9times3=2,7 kmol kmol O₂
– Via CO: kmol O₂
Total consumido = kmol.
O₂ que sobra no gás = kmol.
Produtos de carbono:
– CO₂: 2×0,675 = 1,35 kmol
– CO: 2×0,225 = 0,45 kmol
Unreacted C₂H₆ = 0,1 kmol.
Nitrogênio não participa de reação, então N₂ saindo = 19,74 kmol.
Água produzida (ambas as vias geram 3 H₂O por mol de C₂H₆ reagido):

Passo 7

Agora monta o gás seco (excluindo H₂O):
Total gás seco = N₂ + O₂ + CO₂ + CO + C₂H₆
= 19,74 + 2,325 + 1,35 + 0,45 + 0,1
= 23,965 kmol.
As frações molares (base seca) são:
yN2=19,7423,965=0,824, yO2=2,32523,965=0,097, yCO2=1,3523,965=0,056, yCO=0,4523,965=0,019, yC2H6=0,123,965=0,004
A razão molar H₂O/gás seco é
nH2Onseco =2,723,965approx0,113

Resposta

a) Composição molar no gás seco (arredondado):
  • N₂: 82,4 %
  • O₂: 9,7 %
  • CO₂: 5,6 %
  • CO: 1,9 %
  • C₂H₆: 0,4 %
b) Razão molar H₂O/gás seco ≈ 0,113.

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