Gás natural composto por
de
e
de
, em base molar, é queimado em motor Diesel com excesso de ar de 100%. (a) Faça o balanço estequiométrico da combustão com ar atmosférico (
de
e
de
), seguido do balanço com excesso de ar; (b) estime a relação ar/combustível de ambas as reações (em base massa) e calcule o fator de equivalência.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas principais:
- (a) Fazer o balanço estequiométrico da combustão do gás natural (composto por
de e de , em base molar) usando ar atmosférico ( , ), e em seguida escrever o balanço quando o ar fornecido é com de excesso (isto é, o dobro do ar estequiométrico). - (b) Estimar a razão ar/combustível (massa de ar por massa de combustível) para as duas condições e calcular o fator de equivalência.
Dados que usamos (pegos do enunciado ou constantes comuns):
- Composição do combustível (base molar):
e . - Ar atmosférico:
e (frações molares). - Excesso de ar:
significa fornecer duas vezes o ar estequiométrico. - Massas molares usadas (valores típicos):
daí
Observação sobre abordagem: vou tomar uma base de 1 mol de mistura de combustível (isto facilita as contas molares) e fazer balanceamento por átomos, depois converter moles em massa para obter a razão ar/combustível (massa). A resolução começa de verdade no Passo 2.
Passo 2
Escolher a base e escrever as reações parciais estequiométricas dos componentes:
- Tomamos como base
mol da mistura de combustível, isto é: - Reação estequiométrica da combustão completa (formas padrão):
Aqui expliquei cada coeficiente: para
, há 1 C e 4 H; produtos completos exigem 1 CO
(1 C) e 2 H
O (4 H), o que usa
mol de O
(4 átomos O). Para
, há 2 C e 6 H; produtos devem ser
CO
(4 O) +
H
O (3 O) = 7 O no total, isto é
O
.
Passo 3
Calcular o consumo estequiométrico de
para a mistura (base 1 mol de mistura):
-
: -
:
Somando:
Verificação rápida (átomos): produtos finais esperados serão
mol de
(0{,}9+0{,}2) e
mol de
(1{,}8+0{,}3) — mais adiante vamos usar esses números.
Passo 4
Expressar o ar e calcular quantidades molares de ar estequiométrico:
- Frações molares do ar:
- Relação
por (moles): - Logo, para
de são acompanhados por - Moles totais de ar (estequiométrico) =
.
Agora posso escrever a equação global estequiométrica (base 1 mol de mistura) em termos dee .
Passo 5
Escrever a equação global estequiométrica (1 mol de mistura como base):
- Produtos esperados (da soma das reações parciais):
- Balanço estequiométrico (molar) com ar separado em
e :
Isso corresponde a fornecer exatamente o
necessário; não sobra
no produto.
Passo 6
Converter para massa para obter a razão ar/combustível (massa):
- Calcular massa do combustível na base escolhida (1 mol mistura):
Substituindo e : - Massa molar média do ar (pela fração molar):
- Massa do ar estequiométrico:
- Razão ar/combustível (massa) estequiométrica:
Expliquei cada passo: converti moles em massa multiplicando pela massa molar; depois dividi massa do ar pela massa do combustível para obter A/F em base massa.
Passo 7
Agora tratar o caso com
de excesso de ar:
- Excesso de
significa fornecer o dobro do ar estequiométrico. - Moles de
fornecidas: - Moles de
fornecidas: - Produtos da combustão completa (como antes) mais o oxigénio em excesso que permanece molecular:
Aqui destaque: restam
de
que não reagiram (diferença entre fornecido e consumido).
Passo 8
Calcular a razão ar/combustível (massa) para o caso com excesso de ar e o fator de equivalência:
- Massa do ar com
excesso é o dobro da massa estequiométrica: - Razão ar/combustível (massa) com excesso:
- Definição de fator de equivalência
: é a razão entre a razão ar/combustível estequiométrica e a real (ou, equivalentemente, o recíproco de ): Para o caso com de excesso, , logo
Interpretação prática:
indica mistura pobre (excesso de ar). Aqui, com 100% de excesso,
.
Resposta
(a) Estequiométrica (base 1 mol da mistura):
(a) Com
de excesso de ar (base 1 mol da mistura):
(b) Razões ar/combustível (massa):
(b) Fator de equivalência: