A oxidação catalítica de compostos orgânicos é amplamente utilizada no tratamento de gases industriais devido ao menor consumo energético em comparação com a combustão térmica.
Em um experimento, um combustível líquido contendo 85% em massa de carbono e 15% em massa de hidrogênio é completamente vaporizado e queimado com ar.
A análise do gás de chaminé seco forneceu a seguinte composição molar:
Considere que o ar contém
e
(base molar).
Determine:
a) Quantos lbmol de gás de chaminé seco são produzidos por 150 kg de combustível
R : 195,2 lbmol de gás seco
b) A porcentagem de ar em excesso utilizada na combustão R:21,8% de excesso de ar
Em um experimento, um combustível líquido contendo 85% em massa de carbono e 15% em massa de hidrogênio é completamente vaporizado e queimado com ar.
A análise do gás de chaminé seco forneceu a seguinte composição molar:
Considere que o ar contém
a) Quantos lbmol de gás de chaminé seco são produzidos por 150 kg de combustível
R : 195,2 lbmol de gás seco
b) A porcentagem de ar em excesso utilizada na combustão R:21,8% de excesso de ar
Passo 1
O enunciado dá a composição em massa do combustível e a composição molar do gás de chaminé seco, e pede duas coisas:
- (a) quantos
de gás de chaminé seco são produzidos por de combustível; - (b) a porcentagem de excesso de ar usada na combustão.
Dados fornecidos (peguei diretamente do enunciado):
- Composição em massa do combustível:
de carbono e de hidrogênio (base massa). - Massa de combustível disponível:
. - Composição molar do gás de chaminé seco:
. - Composição molar do ar:
. - Constante de conversão usada entre mol e lbmol:
.
Observações que vou usar (não resolvo ainda, só listo):
- Cada átomo de carbono do combustível gera uma molécula de
na combustão completa. - Cada par de átomos de hidrogênio forma uma molécula de
; a água é condensada/retirada (gás seco), então não aparece no gás seco. - A fração molar de
no gás seco (= ) relaciona-se com o número total de mols de gás seco: . - O nitrogênio no gás de chaminé vem do ar introduzido; assim o número de mols de
no gás permite calcular o ar real fornecido.
Passo 2
Escolher uma base e transformar massas em mols (aqui uso a massa real dada,
, não preciso assumir 100 g).
- Massa de carbono no combustível:
- Massa de hidrogênio no combustível:
Agora converto essas massas em mols usando massas atômicas aproximadas (
,
):
- Mols de átomos de carbono:
- Mols de átomos de hidrogênio:
Explicação didática curta: para passar de massa (g) para mols usa-se
, onde
é a massa e
a massa molar (g·mol^{-1}). Aqui tratamos átomos: 12 g de C correspondem a 1 mol de átomos de C.
Passo 3
Relacionar mols de C com mols de
formados:
- Cada átomo de carbono oxida-se a uma molécula de
, portanto
Esse número de mols de
é o que aparece no gás de chaminé seco. Pelo enunciado,
corresponde a
do total (base molar). Logo podemos obter os mols totais de gás seco.
Passo 4
Calcular o total de mols de gás seco usando a fração molar de
:
Fazendo a conta:
Explicação didática: se
é a fração molar de
, então
. Isolando
.
Passo 5
Converter mols totais do gás seco para
.
Regra de conversão:
. Então
Calculando:
Comentário didático: a unidade
é usada em engenharia (pound-mole). Para passar de mols para lbmol divide-se pelo número de mols contidos em 1 lbmol (aqui
).
Passo 6
Agora calculo o oxigénio estequiométrico necessário (O2 teoricamente requerido) para queima completa do combustível, para depois comparar com o ar realmente usado.
Reações de formação de produtos principais (estequiometria elemental):
- Para carbono:
. Logo 1 mol de C consome 1 mol de . - Para hidrogênio:
(mais simples: ). Portanto, cada 2 átomos de H (1 mol de ) necessita de mol de ; em termos de átomos H, por cada 4 átomos H precisa-se de 1 mol de . Forma prática: moles de para H = .
Aplicando aos nossos números:
- O2 para C:
- O2 para H:
- O2 total estequiométrico:
Explicação didática: para H usar a regra prática
porque cada
átomos de H consome
mol de
(ou, equivalente, cada 2 átomos formam 1 H2, e cada H2 consome 0,5 O2).
Passo 7
Converter a necessidade teórica de
em necessidade teórica de ar (base molar do ar:
,
):
Explicação didática: cada mol de ar traz
mol de
, então para obter
mols de
precisa-se de
mols de ar.
Passo 8
Determinar o ar realmente usado a partir do nitrogênio no gás seco. Pelo enunciado, o gás seco tem
de
(base molar). Calculamos quantos mols de
há:
Cálculo direto (usando frações racionais facilita a conta): como
, então
Agora, cada mol de ar contém
mol de
, então o ar real fornecido é
Didática curta: o nitrogênio é inerte na combustão (aqui assumido), então todo o
medido na chaminé veio do ar introduzido; daí podemos achar quanto ar entrou.
Passo 9
Calcular o excesso de ar (% excesso) comparando o ar real com o ar teórico:
Substituindo os valores:
Arredondando de forma condizente com os dados do enunciado (duas casas significativas), obtemos aproximadamente
de excesso de ar.
Explicação didática: excesso de ar é a fração a mais de ar usada além do necessário estequiométrico; positivo indica ar suplementar presente (oxidante em excesso), negativo indicaria falta de ar.
Passo 10
Resumo numérico final (valores arredondados de forma coerente):
- Total de gás de chaminé seco produzido por
de combustível: aproximadamente . - Excesso de ar utilizado na combustão: aproximadamente
.
Resposta
a)
b)
b)