Enunciado

Um combustível gasoso com 65% de C H 4 , 25% de N 2 e 10% de O 2 (em mols) é queimado com ar seco que entra na câmara de combustão a 25 °C e 100 kPa. A análise volumétrica dos produtos em base seca é de 3,36% de C O 2 , 0,09% de CO, 14,91% de O2 e 81,64% de N2. Determine (a) a razão ar/combustível,(b) a porcentagem de ar teórico utilizado e (c) a vazão volumétrica do ar usada para queimar o combustível alimentado a uma taxa de 3,5 kg/min.

Passo 1

Entendendo o problema:

O problema consiste na combustão de um combustível de composição conhecida em presença de ar seco. A composição dos produtos também é conhecida. O problema pede a razão ar-combustível, AC, a porcentagem do ar teórico, além da taxa volumétrica de ar.

O tratamento desde problema é semelhante ao problema 97. A combustão é avaliada como completa e o ar de combustão e gases são tratados como gases ideais.

Considerando 100 Kmol de produtos, de acordo com a porcentagem dada no enunciado, temos a seguinte equação de combustão.

X 0,65   C H 4 + 0,25   N 2 + 0,1   O 2 + a O 2 + 3,76   N 2   → 3,36   C O 2 + 0,09   C O + 14,91   O 2 + 81,64   N 2 + b H 2 O

Os coeficientes X, a e b são determinados pelos balanços de massa:

  • C :     0,65 X = 3,36 + 0,09   → X = 5,31
  • H :     4   .   0,65 X = 2 b   → b = 6,90
  • N 2 :   0,25 X + 3,761   → 81,64   → a = 21,36

Dessa forma, a equação de balanço balanceada é:

5,31 0,65   C H 4 + 0,25   N 2 + 0,1   O 2 + 21,36   O 2 + 3,76   N 2 →   3,36   C O 2 + 0,09   C O + 14,91   O 2 + 81,64   N 2 + 6,9   H 2 O

Dividindo a equação por 5,31 para deixar em função de 1 Kmol de combustível:

0,65   C H 4 + 0,25   N 2 + 0,10   O 2 + 4,02     O 2 + 3,76   N 2   → 0,633   C O 2 + 0,017   C O + 2,81   O 2 + 15,37   N 2 + 1,3   H 2 O

Passo 2

Calculando AC: (item a)

A C =   m a r m c o m b u s t í v e l = ( 4,02   .     4,76   K m o l ) ( 29   K g / m o l 0,65   .     16 + 0,25   .     28 + 0,10   .     32 = 26,9   K g   a r /   K g   c o m b u s t í v e l

Passo 3

Calculando a porcentagem de ar teórico e a taxa volumétrica : (item b)

Necessitamos calcular a quantidade de ar teórico, e para isso devemos analisar a equação de combustão teórica para o processo:

0,65   C H 4 + 0,25   N 2 + 0,10   O 2 + a O 2 + 3,76   N 2 → 0,65   C O 2 + 1,3   H 2 O + ( 0,25 + 3,76 a N 2

Pelo balanço de massa de oxigênio

2   .   0,1 + 2 a = 1,3 + 1,3

2 a = 2,6 - 0,2

a = 1,2

Assim:

P o r c e n t a g e m   t e ó r i c a =   m a r m a r t e o r i c o =   4,02 4,76 K c a l 1,2   .     4,76   K c a l = 3,35 = 335 %

Item C:

Uma vez que o ar é tratado como gás ideal e a pressão é conhecida, o volume é calculado como:

V = R T P = 0,855   m 3 / K g

Calculando a taxa mássica de ar:

m ˙ a r = A C   .   m ˙ c o m b u s t í v e l = ( 26,9   K g   a r   /   K g   c o m b u s t í v e l ) 3,5   k g   c o m b u s t í v e l   = 94,15   m 3 / m i n

V ˙ a r =   m ˙ a r V = 94,15   .   0,755 = 80,5   m 3 / m i n

Resposta

Ei, a resposta está no passo a passo :)

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