Um óleo combustível possui a seguinte composição em massa:
Calcular:
a) O poder calorífico inferior do óleo
b) A vazão volumétrica de ar (nas CNTP) necessária para queimar
desse óleo com um excesso de ar de 25%
a) O poder calorífico inferior do óleo
b) A vazão volumétrica de ar (nas CNTP) necessária para queimar
Passo 1
Vamos resolver o exercício que envolve a composição do óleo combustível e calcular, respectivamente:
a) O poder calorífico inferior (PCI) do óleo.
b) A vazão volumétrica de ar necessária para queimar 450 kg/h desse óleo com um excesso de ar de 25%.
Para isso, vamos precisar entender conceitos de combustão, cálculo do PCI e balanço de massa para a combustão.
Passo 2
a) Cálculo do Poder Calorífico Inferior (PCI)
Primeiro, vamos calcular o PCI do óleo combustível. O poder calorífico inferior é a quantidade de calor liberada quando uma unidade de massa de combustível é queimada, descontando o calor latente da água formada.
A composição em massa do óleo é:
- Carbono ©: 82%
- Hidrogênio (H₂): 8%
- Oxigênio (O₂): 4%
- Enxofre (S): 4%
- Umidade: 2%
Vamos calcular o PCI considerando apenas os componentes que participam da combustão: C, H₂, S.
Passo 3
Etapa 1: Determinar a massa de cada elemento por kg de óleo
Para 1 kg de óleo:
- C: 0,82 kg
- H₂: 0,08 kg
- S: 0,04 kg
(A umidade não participa da combustão e será desconsiderada no cálculo do PCI.)
Passo 4
Etapa 2: Calcular o PCI de cada elemento
Utilizamos os valores de PCI padrão para cada elemento:
- C: 33,33 MJ/kg
- H₂: 141,86 MJ/kg
- S: 9,65 MJ/kg
Passo 5
Etapa 3: Multiplicar a massa de cada elemento pelo seu PCI
- C: 0,82 kg × 33,33 MJ/kg = 27,33 MJ
- H₂: 0,08 kg × 141,86 MJ/kg = 11,35 MJ
- S: 0,04 kg × 9,65 MJ/kg = 0,39 MJ
Passo 6
Etapa 4: Somar os valores obtidos para cada elemento
PCI total = 27,33 MJ + 11,35 MJ + 0,39 MJ = 39,07 MJ/kg
Passo 7
b) Cálculo da Vazão Volumétrica de Ar Necessária
Agora, vamos calcular a quantidade de ar necessária para queimar 450 kg/h do óleo com um excesso de ar de 25%.
Primeiro, determinamos a quantidade teórica de ar necessária para a combustão completa do combustível e depois aplicamos o excesso de ar.
Passo 8
Etapa 1: Determinar a quantidade de oxigênio necessária para a combustão
A combustão completa de cada elemento exige:
- C + O₂ → CO₂
- H₂ + 0.5 O₂ → H₂O
- S + O₂ → SO₂
Calculamos a quantidade de O₂ necessária para cada componente.
Passo 9
Etapa 2: Calcular moles de O₂ para cada elemento
Vamos considerar as massas molares:
- C: 12 g/mol
- H₂: 2 g/mol
- S: 32 g/mol
- O₂: 32 g/mol
Para 1 kg de ��leo:
- C: 0,82 kg → 820 g → 820 / 12 ≈ 68,33 mol → O₂ necessário: 68,33 mol
- H₂: 0,08 kg → 80 g → 80 / 2 = 40 mol → O₂ necessário: 40 × 0,5 = 20 mol
- S: 0,04 kg → 40 g → 40 / 32 = 1,25 mol → O₂ necessário: 1,25 mol
Total de moles de O₂ necessários por kg de óleo:
68,33 + 20 + 1,25 = 89,58 mol/kg
68,33 + 20 + 1,25 = 89,58 mol/kg
Passo 10
Etapa 3: Calcular a massa de O₂ necessária por kg de óleo
Massa de O₂ = 89,58 mol × 32 g/mol = 2866,56 g = 2,8666 kg O₂/kg óleo
Passo 11
Etapa 4: Determinar a massa de ar necessária
Sabemos que o ar é composto aproximadamente por 21% de O₂. Portanto, a massa de ar necessária para fornecer 2,8666 kg de O₂ é:
Massa de ar = 2,8666 kg / 0,21 ≈ 13,66 kg ar/kg óleo
Passo 12
Etapa 5: Calcular a vazão teórica de ar para 450 kg/h de óleo
Vazão de ar teórica = 13,66 kg ar/kg óleo × 450 kg/h = 6147 kg/h
Passo 13
Etapa 6: Aplicar o excesso de ar de 25%
Excesso de ar = 25% → Vazão de ar total = Vazão teórica × (1 + 0,25) = 6147 × 1,25 ≈ 7683,75 kg/h
Passo 14
Etapa 7: Converter a massa de ar para volume nas CNTP
Nas Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP), 1 mol de g��s ocupa 22,4 litros.
Primeiro, calculamos a massa molar do ar (~28,97 g/mol).
Volume de ar = Massa de ar / Massa molar × 22,4 L/mol
Massa de ar = 7683,75 kg = 7.683.750 g
Volume de ar = (7.683.750 g) / 28,97 g/mol × 22,4 L/mol ≈ 5.932.255 Litros/h ≈ 5932,26 m³/h
Resposta
a) O poder calorífico inferior do óleo é aproximadamente 39,07 MJ/kg.
b) A vazão volumétrica de ar necessária é aproximadamente 5932,26 m³/h.