Enunciado

Octano líquido ( C 8 H 18 ) a 25 °C e 1 atm entra a uma vazão de 0,25 kg/min em uma câmara de combustão que opera em regime permanente. Ele é queimado com 50% de excesso de ar, que também entra na câmara a 25 °C e 1 atm. Após a combustão, os produtos são resfriados até 25 °C. Considerando uma combustão completa, na qual todo o H 2 O dos produtos está na forma líquida,

determine:

  1. a taxa de transferência de calor da câmara de combustão
  2. a taxa de geração de entropia
  3. a taxa de destruição de exergia. Considere que T 0 = 298 K e que os produtos saem da câmara de combustão a 1 atm de pressão.

Passo 1

Vamos assumir que:

A combustão está completa.

Existem condições operacionais estáveis.

O ar e os gases de combustão são gases ideais.

Mudanças nas energias cinética e potencial são insignificantes.

Passo 2

Na letra a:

O combustível é queimado completamente com o excesso de ar e, portanto, os produtos contêm apenas C O 2 ,   H 2 O ,   N 2 e um pouco de O 2 livre. Considerando 1 kmol C 8 H 18 , a equação de combustão pode ser escrita como

C 8 H 18 ( l ) + 1.5 a t h ( O 2 + 3.76 N 2 ) → 8 C O 2 + 9 H 2 O + 0.5 a t h O 2 + ( 1.5 ) ( 3.76 ) a t h N 2

onde a t h é o coeficiente estequiométrico e é determinado a partir do balanço de O 2 ,

1.5 a t h = 8 + 4.5 + 0.5 a t h → a t h = 12.5

Então,

C 8 H 18 ( l ) + 18.75 ( O 2 + 3.76 N 2 ) → 8 C O 2 + 9 H 2 O + 9 H 2 O + 6.25 O 2 + 70.5 N 2

Sob condições de fluxo constante, o balanço energético E i n - E o u t = Δ E s i s t e m a aplicado na câmara de combustão com W = 0, temos:

- Q o u t = ∑ N P ( h º _ f + h _ - h º _ ) P - ∑ N R ( h º _ f + h _ - h º _ ) R = ∑ N P h º _ f , P - ∑ N R h º _ f ,   R

uma vez que todos os reagentes estão a 25 ° C. Supondo que o ar e os produtos de combustão sejam gases ideais, temos h=h(T). Das tabelas,

Substituindo:

Q o u t = 5470680 k J / k m o l   d e   C 8 H 18

O C 8 H 18 é queimado a uma taxa de 0,25 kg / min ou

N ˙ = m ˙ M = 2193 × 1 0 - 3 k m o l / m i n

Então,

Q ˙ o u t = N ˙ Q o u t = 11997 k J / m i n

A transferência de calor para esse processo também é equivalente à entalpia de combustão do líquido C 8 H 18 , que pode ser facilmente determinado na tabela A-27 como

h _ C = 5470740 k J / k m o l   d e   C 8 H 18

Passo 3

(b) A geração de entropia durante esse processo é determinada a partir de

S g e n = S P - S R + Q o u t T s u t t → S g e n = ∑ N P s _ P - ∑ N R s _ R + Q o u t T s u r r

O C8H18 está a 25 ° C e 1 atm e, portanto, sua entropia absoluta é s _ C 8 H 18 = 360.79 k J / k m o l K . Os valores de entropia listados nas tabelas de gás ideais são para pressão de 1 atm. O ar e os gases do produto estão a uma pressão total de 1 atm, mas as entropias devem ser calculadas à pressão parcial dos componentes que é igual a P i = y i P t o t a l , onde y i é a fração molar do componente i. Além disso

S i = N i s _ i ( T , P i ) = N i ( s º _ i ( T ,   P 0 ) - R u l n ( y i P m ) )

Os cálculos de entropia podem ser apresentados em forma de tabela como:

Portanto:

S g e n = S P - S R + Q s u r r T s u r r = 17798 k J / k m o l K

S ˙ g e n = N ˙ S g e n = 39,03 k J / m i n K

Passo 4

Na c, a taxa de destruição de exergia associada a esse processo é determinada a partir de

X ˙ d e s t r u í d a = T 0 S ˙ g e n = 193.9 k W

Resposta

  1. Q ˙ o u t = 11997 k J / m i n
  2. S ˙ g e n = 39,03 k J / m i n K
  3. X ˙ d e s t r u í d a = 193.9 k W

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