Questão 2.4: Um combustível fóssil apresenta a seguinte composição em peso: Carbono (72%), Hidrogênio (14%), Oxigênio (8%), Nitrogênio (2,8%), Enxofre (3,2%). Pede-se:
a) Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível.

Passo 1

O enunciado fornece a composição em massa de um combustível fóssil (por 1 kg de combustível):
• Carbono: 72 % \Rightarrow 0,72 kg
• Hidrogênio: 14 % \Rightarrow 0,14 kg
• Oxigênio ligado: 8 % \Rightarrow 0,08 kg
• Nitrogênio ligado: 2,8 % \Rightarrow 0,028 kg (inerte)
• Enxofre: 3,2 % \Rightarrow 0,032 kg
Queremos a razão estequiométrica ar/combustível (massa de ar necessária por massa de combustível) supondo combustão completa. Para isso vamos:
  1. Calcular quantos mols de cada elemento há em 1 kg de combustível.
  2. Determinar os mols de \mathrm{O_2} necessários pelas reações de combustão de C, H e S, descontando o oxigênio já presente no combustível.
  3. Converter mols de \mathrm{O_2} em massa de ar usando a composição do ar ( \mathrm{O_2}+3{,}76\,\mathrm{N_2} em mol).

Passo 2

Calcular os mols de cada espécie em 1 kg de combustível:
n_C = \frac{0,72}{12} = 0,060\;\text{kmol}
n_H = \frac{0,14}{1} = 0,140\;\text{kmol de átomos de H}\;\Rightarrow\;n_{H_2}=\frac{0,140}{2}=0,070\;\text{kmol}á
n_O^{\text{(combustível)}} = \frac{0,08}{16} = 0,005\;\text{kmol de átomos de O}íá
n_S = \frac{0,032}{32} = 0,001\;\text{kmol}

Passo 3

Para a combustão completa:
• C + \mathrm{O_2} \mathrm{CO_2} ⇒ consome 1 mol \mathrm{O_2} por mol C
H_2 + ½ \mathrm{O_2} H_{2}O ⇒ consome 0,5 mol \mathrm{O_2} por mol H_2
• S + \mathrm{O_2} → S O_{2} ⇒ consome 1 mol \mathrm{O_2} por mol S
Além disso, o oxigênio ligado no combustível reduz a necessidade de \mathrm{O_2} externa em n_O^{\text{(comb)}}/2.

Passo 4

Calculando os mols de \mathrm{O_2} necessários:
n_{O_2,\;C} = n_C = 0,060
n_{O_2,\;H} = \frac{n_{H_2}}{2} = \frac{0,070}{2} = 0,035
n_{O_2,\;S} = n_S = 0,001
Total bruto:
0,060 + 0,035 + 0,001 = 0,096\;\text{kmol}
Descontando o oxigênio do combustível:
n_{O_2,\text{req}} = 0,096 - \frac{n_O^{\text{(comb)}}}{2} = 0,096 - \frac{0,005}{2} = 0,0935\;\text{kmol}

Passo 5

Converter em massa de ar:
Massa de \mathrm{O_2} requerida
m_{O_2} = 0,0935\;\text{kmol} \times 32\;\frac{\text{kg}}{\text{kmol}} = 2,992\;\text{kg}
Na composição molar do ar cada kmol de \mathrm{O_2} vem acompanhado de 3,76 kmol de \mathrm{N_2}, portanto a massa de ar por kmol de \mathrm{O_2} é
m_{\text{ar por kmol }O_2} = 32 + 3{,}76\times28 = 137{,}28\;\frac{\text{kg}}{\text{kmol }O_2}
Logo a massa de ar estequiométrica por massa de \mathrm{O_2} é
\frac{137{,}28}{32}=4{,}29\;\frac{\text{kg ar}}{\text{kg }O_2}
Finalmente, a razão ar/combustível:
m_{\text{ar}} = 2,992\times4{,}29 = 12,84\;\text{kg de ar por kg de combustível}í

Resposta

A proporção estequiométrica ar/combustível (massa) é aproximadamente
\boxed{12,8:1}

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