De um forno queimando gás combustível resultou a seguinte análise de Orsat dos gases de combustão: \mathrm{CO}_{2}=7,53 \%, \mathrm{O}_{2}=7,0 \%, \mathrm{CO}=0 \%. Calcule:
a) a \% de excesso de ar;
b) a composição do gás de chaminé.

Passo 1

Temos a análise Orsat a seco dos gases de combustão: \mathrm{CO}_{2}=7{,}53\%, \mathrm{O}_{2}=7{,}00\%, \mathrm{CO}=0\%.
O conteúdo é combustão de gás combustível (vamos assumir metano puro \mathrm{CH}_4 para ilustrar) e cálculo de excesso de ar e composição do gás da chaminé. Para isso vamos:
  1. Determinar o volume de gás seco total e as mols de cada componente por mol de \mathrm{CH}_4 queimado.
  2. Calcular o ar teórico e o ar real (via oxigênio residual) para achar o excesso de ar.
  3. Acrescentar a água de combustão e obter a composição a úmido do gás de chaminé.

Passo 2

Definimos uma base de 1 mol de \mathrm{CH}_4 queimado. Pela análise Orsat seca, o gás seco total possui 100% dividido em C O_{2}, O_{2} e N_{2} (já que CO =0). Logo
\%N_2 = 100 - (7{,}53 + 7{,}00 + 0) = 85{,}47\%.
Se chamarmos de T o número total de mols de gás seco produzido por mol de \mathrm{CH}_4, então
\frac{1\;\text{mol CO}_2}{T} = 0{,}0753 \quad\Longrightarrow\quad T = \frac{1}{0{,}0753} \approx 13{,}28\;\text{mol}.
Assim as demais mols são
n_{O_2}=0{,}07\times13{,}28\approx0{,}9296\;\text{mol}, \quad n_{N_2}=0{,}8547\times13{,}28\approx11{,}3504\;\text{mol}.

Passo 3

Para combustão estequiométrica de \mathrm{CH}_4 valem as reações
\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{O}_2 \longrightarrow \mathrm{CO}_2 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}.
Logo o consumo teórico de \mathrm{O}_2 é 2 mol por mol de \mathrm{CH}_4. Se \lambda é o fator de ar (razão entre ar real e teórico), temos:
\text{O}_2\text{ residual} = 2\,\lambda - 2 \quad\text{e sabemos que} \quad 2\,\lambda - 2 = 0{,}9296.
Logo
\lambda = 1 + \frac{0{,}9296}{2} = 1{,}4648.
O excesso de ar é
\%\text{ excesso} = (\lambda - 1)\times100\% = 0{,}4648\times100\% \approx 46{,}48\%.

Passo 4

Para obter a composição do gás de chaminé a úmido, adicionamos a água de combustão. Cada mol de \mathrm{CH}_4 gera 2 mol de \mathrm{H}_2\mathrm{O}. O total de mols a úmido é
T_{\rm úmido} = T + 2 = 13{,}28 + 2 = 15{,}28\;\text{mol}.ú
As frações em volume (ou molar) são então:
\begin{aligned} \%\,\mathrm{CO}_2 &= \frac{1}{15{,}28}\times100\% \approx 6{,}54\%,\\\ \%\,\mathrm{O}_2 &= \frac{0{,}9296}{15{,}28}\times100\% \approx 6{,}08\%,\\\ \%\,\mathrm{N}_2 &= \frac{11{,}3504}{15{,}28}\times100\% \approx74{,}29\%,\\\ \%\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} &= \frac{2}{15{,}28}\times100\% \approx13{,}09\%. \end{aligned}

Resposta

a) Excesso de ar \approx 46,48 %.
b) Composição a úmido do gás de chaminé (vol %): \mathrm{CO}_2\approx6{,}54\%, \mathrm{O}_2\approx6{,}08\%, \mathrm{N}_2\approx74{,}29\%, \mathrm{H}_2\mathrm{O}\approx13{,}09\%.

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