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Enunciado

Termodinâmica - Moran e Shapiro - Princípios de Termodinâmica para Engenharia- Ed: 7º - Capítulo 13.Problemas - Ex. 18

O butano (C4H10) queima completamente com 150% de ar teórico. Se os produtos de combustão forem resfriados a 1 atm à temperatura T, plote a quantidade de vapor d’água condensada, em kmol por kmol de combustível versus T variando de 20 a 60°C.

Passo 1

Saalve, tranquilo?

Vamos resolver juntos mais uma questão de termodinâmica?!

Passo 2

É dado que

C 4 H 10 queima completamente com 150 % da quantidade teórico de ar

O esquemático do problema é mostrado

Passo 3

A equação da reação para a combustão completa de C 4 H 10 com a quantidade de ar teórico é

C 4 H 10 + α O 2 + 3,76 N 2 → β C O 2 + γ H 2 O + δ N 2

Onde 3,76   m o l s de N 2 acompanhando cada mol de O 2 no ar

Passo 4

Aplicando o princípio de conservação de massa ao carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, respectivamente

  • Carbono C : β = 4
  • Hidrogênio H : 10 = 2 γ → γ = 5
  • Oxigênio O 2 : 2 α = 2 β + γ → α = 6,5
  • Nitrogênio N 2 : δ = 3,76 α = 24,44

    • A equação balanceada para a combustão de C 4 H 10 com a quantidade teórica de ar

    C 4 H 10 + 6,5 O 2 + 3,76 N 2 → 4 C O 2 + 5 H 2 O + 24,44 N 2

    Passo 5

    A combustão completa de C 4 H 10 com 150 % de ar teórico

    C 4 H 10 + 1,5 ⋅ 6,5 O 2 + 3,76 N 2 → β C O 2 + γ H 2 O + + ω O 2 + δ N 2

    Onde 3,76   m o l s de N 2 acompanhando cada mol de O 2 no ar

    Passo 6

    Aplicando o princípio de conservação de massa ao carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, respectivamente

  • Carbono C : β = 4
  • Hidrogênio H : 10 = 2 γ → γ = 5
  • Oxigênio O 2 : 1,5 ⋅ 6,5 = β + γ / 2 + ω → ω = 3,25
  • Nitrogênio N 2 : δ = 1,5 ⋅ 6,5 ⋅ 3,76 = 36,66

A equação química balanceada é

C 4 H 10 + 9,75 O 2 + 3,76 N 2 → 4 C O 2 + 5 H 2 O + + 3,25 O 2 + 36,66 N 2

Passo 5

A pressão parcial do vapor de água é

p v = y v p = n v n v + n u m i d o p = 5 4 + 5 + 3,25 + 36,66 1,01325 = 0,10328   b a r

Com p v nas tabelas de vapor saturado, interpolando

T c o n d e n s a ç ã o = 45,81 + 60,06 - 45,81 0,10358 - 0,1 0,2 - 0,1 = 46,32 ° C

Passo 6

A condensação ocorre quando os produtos de combustão são resfriados abaixo do ponto de condensação. Os produtos gasosos restantes depois os produtos serem resfriados T < T c o n d e n s a ç ã o

Então a pressão parcial do vapor da água na mistura vai ser

p v = p g ⋅ T

E também sabemos que

p v = y v ' p = n v ' n v ' + n c o n d p = n v ' n v ' + 4 + 3,25 + 36,66 1,01325

Então, podemos substituir

p g T = n v ' n v ' + 43,91 1,01325

→ n v ' = p g T 43,91 1,01325 - p g T

A quantidade condensada é

n c o n d = 5 - n v '

Passo 7

Para a faixa de temperatura de 20 ° C → 60 ° C

A quantidade condensada pode ser calculada

Com T = 20 ° C , das tabelas de vapor saturado

n v ' = p g T 43,91 1,01325 - p g T = 0,02339 ⋅ 43,91 1,01325 - 0,02339 = 1,038

E

n c o n d = 5 - n v ' = 3,962 k m o l á g u a k m o l c o m b u s t í v e l

Com T = 3 0 ° C , das tabelas de vapor saturado

n v ' = p g T 43,91 1,01325 - p g T = 0,04246 ⋅ 43,91 1,01325 - 0,04246 = 1,92

E

n c o n d = 5 - n v ' = 3 , 079 k m o l á g u a k m o l c o m b u s t í v e l

Com T = 4 0 ° C , das tabelas de vapor saturado

n v ' = p g T 43,91 1,01325 - p g T = 0,07384 ⋅ 43,91 1,01325 - 0,07384 = 3,45

E

n c o n d = 5 - n v ' = 1,548 k m o l á g u a k m o l c o m b u s t í v e l

Passo 8

Plotando a quantidade condensada n c o n d X temperatura

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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