Realizar balanço de energia em um processo de combustão utilizando como combustível a casca de coco, pinus e casca de arroz. Para calcular o poder calorífico na base trabalho utilizar a equação de Medeliev:
Calcular:
1- O excesso de ar (
);
Calcular:
1- O excesso de ar (
Passo 1
O que o enunciado pede:
- Calcular o excesso de ar (
) para o processo de combustão usando como combustíveis: casca de coco, pinus e casca de arroz.
Informações fornecidas no enunciado:
- Só foi dito os tipos de combustível (casca de coco, pinus, casca de arroz) e que o poder calorífico deve ser calculado pela equação de Medeliev (isso indica que a análise termoquímica é relevante).
Informações QUE FALTAM e que são imprescindíveis para calcular numericamente
:
- A análise elementar de cada combustível (frações em massa na base seca e, conforme solicitado, possivelmente na base “trabalho” — preciso que se saiba se é base seca, base seca e sem cinzas (dry-ash-free) ou outra; sem isso não dá para continuar numericamente). Em geral são necessárias as frações
(em kg/kg ou ). - Ou, em alternativa, o ar efetivamente fornecido (por exemplo razão ar/combustível mássica real
em kg ar/kg combustível ou volumétrica), ou a medição de nos gases de exaustão (em % vol. seco) — qualquer uma dessas informações permite calcular após saber o teor elementar do combustível.
Observação: não vou pedir esses dados (conforme sua restrição), então a partir do Passo 2 em diante eu mostro o método completo, com todas as fórmulas e um exemplo ilustrativo usando composições típicas (aviso: valores ilustrativos — substitua pelos seus dados reais para obter
correto).
Passo 2
O que é o excesso de ar
e definição simples:
- Conceito:
é a razão entre o ar realmente fornecido à combustão e o ar estequiométrico necessário para a completa combustão sem excesso:
- Interpretação:
significa ar estequiométrico (sem excesso), significa excesso de ar (com oxigênio residual nos gases), significa déficit de ar (combustão rica, não desejável).
Passo 3
Como calcular o ar estequiométrico a partir da análise elementar do combustível (procedimento padrão):
- Representar o combustível, na base seca (ou na base desejada), por suas frações em massa:
(em kg por kg combustível, por exemplo). (Se estiver em porcentagem, dividir por 100 para obter kg/kg.) - Determinar a massa de oxigênio molecular
necessária por kg de combustível para oxidar em , em , e em . A contribuição do oxigênio já presente no combustível ( ) reduz a demanda externa de . A fórmula em massa (muito usada) para a necessidade de é:
onde as constantes surgem por este raciocínio:
- Para o carbono:
. 12 g C consomem 32 g O2, logo kg O2 por kg C. - Para o hidrogênio:
. 4 g H consomem 32 g O2, logo kg O2 por kg H. - Para o enxofre:
. 32 g S consomem 32 g O2, logo kg O2 por kg S. - O oxigénio do combustível reduz a necessidade externa:
(kg) equivale a kg O2 internamente disponível (porque cada 2 átomos O do combustível “valem” 1 molécula ).
- Converter a massa de
necessária para massa de ar teórico. Para ar seco usamos a relação massa de ar por massa de :
(este número vem de composições típicas do ar: 20,95% em volume de
e razões molares; o resultado é aproximadamente 4{,}322 kg ar por kg O2). Então:
- Observações de base: se a análise elemental fornecida estiver em base seca com cinzas (dry) e você precisa da base seca e sem cinza (dry-ash-free — DAF), primeiro transforme as frações para DAF removendo a fração de cinzas; o mesmo se o pedido for “base trabalho” (verifique qual base exatamente: seca, com umidade x%, etc.) — todas as quantidades devem estar na mesma base para que o cálculo seja correto.
Passo 4
Como obter
a partir do ar efetivamente fornecido:
- Se você sabe a massa (ou volumetria) de ar real fornecido por kg de combustível,
(em kg ar/kg combustível), então
- Se você conhece a razão ar/combustível mássica real
e calculou como no passo anterior, aplica a mesma fórmula. - Se você tem a medição do
de nos gases secos de combustão (ex.: em % vol.), existe um procedimento para converter isso em por balanço molar (é necessário conhecer a composição molar dos gases de saída — que depende do combustível — então é uma equação de balanço molar que deve ser resolvida). É possível, mas é um pouco mais longo: basicamente se monta o balanço molar por mol de combustível, inclui o oxigênio estequiométrico e o oxigênio excedente (que aparece como no gás seco) e calcula resolvendo a fração molar nos produtos. Posso detalhar essa rota se for o seu caso (medição de O2).
Passo 5
Exemplo ilustrativo (substitua por seus dados reais): cálculo de
e
- Suponha uma análise elementar dry-ash-free (apenas para demonstrar) para um combustível qualquer:
-
(52 % em massa), -
, -
, -
.
-
- Calcular massa de
necessária por kg combustível:
- Converter para ar estequiométrico:
- Se o ar real fornecido for, por exemplo,
(isto é um exemplo; troque pelo seu valor medido), então
Isto significa
de excesso de ar. Repare que os números acima são ilustrativos: para casca de coco, pinus e casca de arroz substitua
pelas frações reais e proceda exatamente da mesma maneira.
Passo 6
Resumo prático do procedimento para cada combustível (passo-a-passo que você deve aplicar na prova ou no laudo):
- Obtenha a análise elementar na base pedida (por exemplo, seca ou “base trabalho”). Transforme para frações em massa
em kg/kg. - Calcule
(kg O2/kg combustível). - Calcule
(kg ar/kg combustível). - Meça ou use o ar efetivamente fornecido
(kg ar/kg combustível) ou meça nos gases secos e faça o balanço molar correspondente. - Calcule
. Interprete: é a fração de excesso de ar (por exemplo, excesso).
Resposta
Não é possível calcular numericamente o excesso de ar
sem a análise elementar (
na base correta) de cada combustível e/ou sem o valor do ar efetivamente fornecido (ou a medição de
nos gases). Substitua esses dados no procedimento acima para obter
.