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QUÍMICA TECNOLÓGICA MODESTO HURTADO FERRER, PROF. DR. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC CENTRO DE ENGENHARIAS DA MOBILIDADE - CEM 2013/2 SUMÁRIO MÓDULO: 3 Cálculo de combustão: ar teórico, e ar real necessários; Cálculo de composição e concentração dos fumos de combustão; Hilsdorf, J. W; Barros, N. D; Tassinari, C. A; Costa, I. Química Tecnológica. 1ª Edição. São Paulo: Cengage Learning, 2009. BIBLIOGRAFÍA CÁLCULOS DE COMBUSTÃO: AR TEORICO E AR REAL NECESSÁRIOS “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Base de cálculo = 1L da mistura gasosa (a 270C e 700mmHg) A) As quantidades em volume dos componentes gasosos da mistura: Propano (C3H8)------ 50% -------VC3H8= 0,5L Butano (C4H10)------ 50% ------- VC4H10=0,5L Exemplo 1: O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10). Considerando a combustão completa, calcular o volume de ar teórico necessário considerando 1 litro de GLP, a 27oC e 700 mmHg [Hilsdorf, pg. 23]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” B, C) Reações de combustão e estequiometria em volume (expresso em (L) a CNTP) 1) C3H8 + 5 02 → 3 CO2 + 4 H2O(vapor) 0,50 5 x 0,5 L 2) C4H10 + 6,502 → 4CO2 + 5 H2O(vapor) 0,5 6,5 x 0,5 L Exemplo 1: O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10). Considerando a combustão completa, calcular o volume de ar teórico necessário considerando 1 litro de GLP, a 27oC e 700 mmHg [Hilsdorf, pg. 23]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” D) Pelas proporções volumétricas das equações 1 e 2 o volume de oxigênio teoricamente necessário será(considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) V(O2 teórico) = V(O2 para a combustão) - V(O2 do combustível) V(O2 teórico) = V(O2 para C3H8) + V(O2 para C4H10) V(O2 teórico) = (0,5 x 5) + (0,5 x 6,5) = 5,75 L de O2 / L de C3H8 e C4H10 Exemplo 1: O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10). Considerando a combustão completa, calcular o volume de ar teórico necessário considerando 1 litro de GLP, a 27oC e 700 mmHg [Hilsdorf, pg. 23]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” E) O volume de Ar teoricamente necessário será (considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) Como o Ar contêm 21% em volume de oxigênio, tem-se: Em cálculo de combustão considera-se a composição volumétrica ou molar do ar atmosférico seco, como: Oxigênio = 21% Nitrogênio=79% V(Ar teórico) = 5,75 / 0,21 = 27,38 L (a 270C e 700mmHg) – mesma condição na mistura gasosa Exemplo 1: O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10). Considerando a combustão completa, calcular o volume de ar teórico necessário considerando 1 litro de GLP, a 27oC e 700 mmHg [Hilsdorf, pg. 23]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Base de cálculo = 1L da mistura gasosa (a CNTP) A) As quantidades em volume dos componentes gasosos da mistura: Metano (CH4)------ 40% -------VCH4= 0,4L Etano (C2H6)------ 30% ------- VC2H6=0,3L Monóxido de carbono (CO) ------ 20% ------- VCO=0,2L Dióxido de carbono (CO2) ------10% ------VCO2= 0,1L Exemplo 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4 = 40%, C2H6 = 30%, CO = 20%, CO2 = 10%. Considerando a combustão completa de 1 litro a CNTP com 10% de ar em excesso, determinar o volume de ar real a 20oC e 760 mmHg para a combustão de 1 litro dessa mistura gasosa [Hilsdorf, pg. 24]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” B, C) Reações de combustão e estequiometria em volume (expresso em (L) a CNTP) 1) CH4 + 2 02 → CO2 + 2 H2O(vapor) 0,40 2 x 0,4 L 2) C2H6 + 3,5 02 → 2CO2 + 3 H2O(vapor) 0,3 3,5 x 0,3 L 3) CO + 0,5 02 → CO2 0,2 0,5 x 0,2 L Exemplo 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4 = 40%, C2H6 = 30%, CO = 20%, CO2 = 10%. Considerando a combustão completa de 1 litro a CNTP com 10% de ar em excesso, determinar o volume de ar real a 20oC e 760 mmHg para a combustão de 1 litro dessa mistura gasosa [Hilsdorf, pg. 24]. Exemplo 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4 = 40%, C2H6 = 30%, CO = 20%, CO2 = 10%. Considerando a combustão completa de 1 litro a CNTP com 10% de ar em excesso, determinar o volume de ar real a 20oC e 760 mmHg para a combustão de 1 litro dessa mistura gasosa [Hilsdorf, pg. 24]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” D) Pelas proporções volumétricas das equações 1, 2 e 3, o volume de oxigênio teoricamente necessário será(considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) V(O2 teórico) = V (O2 para Metano- CH4) + V(O2 para Etano-C2H6) + V(O2 para CO) V(O2 teórico) = (0,4 x 2) + (0,3 x 3,5) + (0,2 x 0,5) = 1,95 L Exemplo 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4 = 40%, C2H6 = 30%, CO = 20%, CO2 = 10%. Considerando a combustão completa de 1 litro a CNTP com 10% de ar em excesso, determinar o volume de ar real a 20oC e 760 mmHg para a combustão de 1 litro dessa mistura gasosa [Hilsdorf, pg. 24]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” E) O volume de Ar teoricamente necessário será (considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) Como o Ar contêm 21% em volume de oxigênio, tem-se: Em cálculo de combustão considera-se a composição volumétrica ou molar do ar atmosférico seco, como: Oxigênio = 21% Nitrogênio=79% V(Ar teórico) = 1,95 / 0,21 = 9,286 L (a CNTP) – mesma condição na mistura gasosa Exemplo 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4 = 40%, C2H6 = 30%, CO = 20%, CO2 = 10%. Considerando a combustão completa de 1 litro a CNTP com 10% de ar em excesso, determinar o volume de ar real a 20oC e 760 mmHg para a combustão de 1 litro dessa mistura gasosa [Hilsdorf, pg. 24]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” F) O volume de Ar real necessário será (considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) Como a combustão será efetuada com 10% de ar em excesso, o volume de ar real a ser utilizado será: V(Ar Real) = 9,286 x 1,10 = 10,2 L (a CNTP) – mesma condição na mistura gasosa Exemplo 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4 = 40%, C2H6 = 30%, CO = 20%, CO2 = 10%. Considerando a combustão completa de 1 litro a CNTP com 10% de ar em excesso, determinar o volume de ar real a 20oC e 760 mmHg para a combustão de 1 litro dessa mistura gasosa [Hilsdorf, pg. 24]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” G) O volume de Ar Real, necessário nas condições de 20 oC e 760 mmHg, pode ser calculada através da equação de transformação do estado de gases perfeitos. LV xV T T x P P VV T PV T VP 96,10 273 20273 760,760 21.10 0 0 0 0 00 de ar real a 200C e 760mmHg / L de combustível a CNTP “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Base de cálculo = 1kg do combustível líquido a 270C e 700mmHg. A) As quantidades em peso da mistura dos componentes do combustível. carbono (C)------ 80% -------mC = 0,8kg = 800g hidrogênio (H2)------ 20% ------- mH2 = 0,2kg = 200g Exemplo 3: Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição do combustível é a seguinte: Carbono ------- 80%; Hidrogênio ------- 20% Determinar o volume a 270C e 700mmHg de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1kg de líquido combustível, [Hilsdorf, pg. 27]. Dividindo a massa de cada um dos componentes pelas suas massas atômicas, teremos o número de moles de cada um. n(C)=800/12 = 66,6 moles n(H2 )= 200/2 = 100,0 moles “Ar teoricamente necessário” e “ar real” B, C) Reações de combustão e estequiometria expressa em moles a 270C e 700mmHg 1) C + 02 → CO2 66,6 moles 66,6 moles 2) H2 + 1/2 02 → H2O 100 moles 100/2 moles Exemplo 3: Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição do combustível é a seguinte: Carbono ------- 80%; Hidrogênio ------- 20% Determinar o volume a 270C e 700mmHg de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1kg de líquido combustível, [Hilsdorf, pg. 27]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” D) Pelas proporções estequiométricas expressas em moles das equações 1 e 2 a quantidade molar de oxigênio teoricamente necessário será(considerando que não há oxigênio livre no combustível) n(O2 teórico) = n(O2 para a combustão) - n(O2 do combustível) n(O2 teórico) = n(O2 para C) + n(O2 para H2) n(O2 teórico) = (66,6) + (100/2) = 116,6 moles de O2 / kg de combustível líquido a 270C e 700mmHg Exemplo 3: Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição do combustível é a seguinte: Carbono ------- 80%; Hidrogênio ------- 20% Determinar o volume a 270C e 700mmHg de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1kg de líquido combustível, [Hilsdorf, pg. 27]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” E) O volume de Ar teoricamente necessário será (considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) Considerando 21% de oxigênio no ar, tem-se: Sabendo que 1mol de gás em CNTP ocupa 22,4 L, o volume necessário de Ar teórico (a CNTP) é dado como: Em cálculo de combustão considera-se a composição volumétrica ou molar do ar atmosférico seco, como: Oxigênio = 21% Nitrogênio=79% n(Ar teórico) = 116,66 / 0,21 = 555,52 moles , na mesma condição que o combustível Exemplo 3: Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição do combustível é a seguinte: Carbono ------- 80%; Hidrogênio ------- 20% Determinar o volume a 270C e 700mmHg de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1kg de líquido combustível, [Hilsdorf, pg. 27]. V(Ar teórico) = 555,52 moles x 22,4 L/mol = 12.443,6L = 12,44 m3 “Ar teoricamente necessário” e “ar real” F) Considerando que a combustão é feita com 20% de ar em excesso o volume de ar real em CNTP. Exemplo 3: Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição do combustível é a seguinte: Carbono ------- 80%; Hidrogênio ------- 20% Determinar o volume a 270C e 700mmHg de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1kg de líquido combustível, [Hilsdorf, pg. 27]. V(Ar Real) = 12,44 m3 x 1,2 = 14,93 m3, a CNTP/ por cada Kg de combustível “Ar teoricamente necessário” e “ar real” G) O volume de Ar Real, necessário nas condições de 27 oC e 700 mmHg, pode ser calculada através da equação de transformação do estado de gases perfeitos. 3 0 0 0 0 00 81,17 273 27273 700 760 93.14 mV xV T T x P P VV T PV T VP de ar real a 270C e 700mmHg / kg de combustível a CNTP Exemplo 3: Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição do combustível é a seguinte: Carbono ------- 80%; Hidrogênio ------- 20% Determinar o volume a 270C e 700mmHg de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1kg de líquido combustível, [Hilsdorf, pg. 27]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Base de cálculo = 1kg do combustível líquido a 270C e 760mmHg. A) As quantidades em peso da mistura dos componentes do combustível. carbono (C)------ 52,22% -------mC = 0,5222kg = 522,2g hidrogênio (H2)------ 13% ------- mH2 = 0,13kg = 130,0g Oxigênio (O2) -------- 34,8% ------- m O2 = 0,348kg = 348,0g Exemplo 4: O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: Carbono ------- 52,22%; Hidrogênio ------- 13% Oxigênio ------- 34,8% Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 270C e 760mmHg, utilizada na combustão d e1kg de álcool etílico, sabendo que a combustão se dará com 20% de ar em excesso, [Hilsdorf, pg. 29]. Dividindo a massa de cada um dos componentes pelas suas massas atômicas, teremos o número de moles de cada um. n(C)=522,2/12 = 43,5 moles n(H2 )= 130,0/2 = 65,0 moles n(O2) = 348,0/32 = 10,88 moles “Ar teoricamente necessário” e “ar real” B, C) Reações de combustão e estequiometria expressa em moles a 270C e 760mmHg 1) C + 02 → CO2 43,5 moles 43,5 moles 2) H2 + 1/2 02 → H2O 65 moles 65/2 moles Exemplo 4: O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: Carbono ------- 52,22%; Hidrogênio ------- 13% Oxigênio ------- 34,8% Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 270C e 760mmHg, utilizada na combustão d e1kg de álcool etílico, sabendo que a combustão se dará com 20% de ar em excesso, [Hilsdorf, pg. 29]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” D) Pelas proporções estequiométricas expressas em moles das equações 1 e 2, considerando as quantidades de hidrogênio e de carbono em moles e a quantidade de oxigênio existente no álcool etílico, para quando a combustão é completa, a quantidade molar de oxigênio teoricamente necessário será. n(O2 teórico) = n(O2 para a combustão) - n(O2 do combustível) n(O2 teórico) = (n(O2 para C) + n(O2 para H2)) - n(O2 do combustível) n(O2 teórico) = (43,5 + 65,0/2) – 10,88 = 65,125 moles de O2 / kg de álcool etílico a 270C e 700mmHg Exemplo 4: O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: Carbono ------- 52,22%; Hidrogênio ------- 13% Oxigênio ------- 34,8% Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 270C e 760mmHg, utilizada na combustão d e1kg,de álcool etílico, sabendo que a combustão se dará com 20% de ar em excesso, [Hilsdorf, pg. 29]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” E) O volume de Ar teoricamente necessário será (considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) Considerando 21 % de oxigênio no ar, tem-se: Sabendo que 1mol de gás em CNTP ocupa 22,4 L, o volume necessário de Ar teórico (a CNTP) é dado como: Em cálculo de combustão considera-se a composição volumétrica ou molar do ar atmosférico seco, como: Oxigênio = 21% Nitrogênio=79% n(Ar teórico) = 65,125 / 0,21 = 310,12 moles , na mesma condição que o combustível V(Ar teórico) = 310,12 moles x 22,4 L/mol = 6.946,69 L = 6,947 m3 (em CNTP) Exemplo 4: O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: Carbono ------- 52,22%; Hidrogênio ------- 13% Oxigênio ------- 34,8% Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 270C e 760mmHg, utilizada na combustão d e1kg de álcool etílico, sabendo que a combustão se dará com 20% de ar em excesso, [Hilsdorf, pg. 29]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” F) Considerando que a combustão é feita com 20% de ar em excesso o volume de ar real em CNTP para a combustão completa de 1kg de álcool etílico será: V(Ar Real) = 6,947 m3 x 1,2 = 8,3364 m3, a CNTP/ por cada Kg de combustível Exemplo 4: O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: Carbono ------- 52,22%; Hidrogênio ------- 13% Oxigênio ------- 34,8% Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 270C e 760mmHg, utilizada na combustão d e1kg de álcool etílico, sabendo que a combustão se dará com 20% de ar em excesso, [Hilsdorf, pg. 29]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” G) O volume de Ar Real, necessário nas condições de 27 oC e 760 mmHg, pode ser calculada através da equação de transformação do estado de gases perfeitos. 3 0 0 0 0 00 16,9 273 27273 760 760 3364,8 mV xV T T x P P VV T PV T VP de ar real a 270C e 760mmHg / kg de álcool etílico a CNTP Exemplo 4: O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: Carbono ------- 52,22%; Hidrogênio ------- 13% Oxigênio ------- 34,8% Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 270C e 760mmHg, utilizada na combustão d e1kg de álcool etílico, sabendo que a combustão se dará com 20% de ar em excesso, [Hilsdorf, pg. 29]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Base de cálculo = 1kg de carvão a 270C e 700mmHg. A) As quantidades em peso da mistura dos componentes do combustível. carbono (C)------ 74,0% -------mC = 0,740kg = 740g hidrogênio (H2)------ 5% ------- mH2 = 0,05kg = 50g 0xigênio (O2) -------- 5% ------- mO2 = 0,05kg = 50g nitrogênio (N2) --------1% ------mN2 = 0,01kg = 10g Enxofre (S) ------- 1% ------- mS = 0,01Kg = 10g Umidade --------9% ------ mUmd = 0,09Kg = 90g Cinza --------5% ---------- mCnz = 0,05Kg = 50g Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” Base de cálculo = 1kg de carvão a 270C e 700mmHg. A) As quantidades em peso da mistura dos componentes do combustível. Dividindo a massa de cada um dos componentes pelas suas massas atômicas, teremos o número de moles de cada um. n(C)=740/12 = 61,66 moles n(H2 )= 50/2 = 25,0 moles n(O2) = 50/32 = 1,56 moles n(N2) = 10/28 = 0,36 moles n(S) = 10/32 = 0,31moles n(H2O) = 90/18 = 5,0 moles Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. carbono (C)------ 74,0% -------mC = 0,740kg = 740g hidrogênio (H2)------ 5% ------- mH2 = 0,05kg = 50g 0xigênio (O2) -------- 5% ------- mO2 = 0,05kg = 50g nitrogênio (N2) --------1% ------mN2 = 0,01kg = 10g Enxofre (S) ------- 1% ------- mS = 0,01Kg = 10g Umidade --------9% ------ mUmd = 0,09Kg = 90g Cinza --------5% ---------- mCnz = 0,05Kg = 50g “Ar teoricamente necessário” e “ar real” B, C) As reações que se darão pela combustão completa (passagem d etodo o carbono a dióxido de carbono, todo hidrogênio a vapor de água e todo enxofre a dióxido de enxofre) da parte do carvão mineral e estequiometria expressa em moles a 270C e 700mmHg 1) C + 02 → CO2 61,66 moles 61,66 moles 2) H2 + 1/2 02 → H2O 25 moles 25/2 moles 3) S + O2 → SO2 0,32 moles 0,32 moles Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” D) Pelas proporções estequiométricas expressas em moles das equações 1, 2 e 3 considerando as quantidades de hidrogênio, carbono e enxofre, expressas em moles, e a quantidade de oxigênio existente no carvão mineral, para quando a combustão é completa, a quantidade molar de oxigênio teoricamente necessário será. n(O2 teórico) = n(O2 para a combustão) - n(O2 do combustível) n(O2 teórico) = (n(O2 para C) + n(O2 para H2) n(O2 para S)) - n(O2 do combustível) n(O2 teórico) = (61,66 + 25/2 + 0,31) – 1,56= 72,91 moles de O2 / kg de carvão mineral a 270C e 700mmHg Exemplo 5:,Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” E) A quantidade de Ar teoricamente necessário será (considerando que não há oxigênio livre na mistura gasosa combustível) Considerando 21 % de oxigênio no ar, tem-se: Sabendo que 1mol de gás em CNTP ocupa 22,4 L, o volume necessário de Ar teórico (a CNTP) é dado como: n(Ar teórico) = 72,91 / 0,21 = 347,2 moles , na mesma condição que o combustível V(Ar teórico) = 347,2 moles x 22,4 L/mol = 7.777,28 L = 7,77728 m3 (em CNTP) Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” F) Considerando que a combustão é feita com 50% de ar em excesso o volume de ar real em CNTP para a combustão completa de 1kg carvão mineral será: V(Ar Real) = 7,77728 m3 x 1,5 = 11,66 m3, a CNTP/ por cada Kg de combustível Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” G) O volume de Ar Real, necessário nas condições de 27 oC e 700 mmHg, pode ser calculada através da equação de transformação do estado de gases perfeitos. 3 0 0 0 0 00 91,13 273 27273 700 760 66,11 mV xV T T x P P VV T PV T VP de ar real a 270C e 700mmHg / kg de carvão mineral a CNTP Exemplo 5: Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: Carbono ------- 74,0 % Hidrogênio ------- 5,0 % Oxigênio ------- 5,0 % Nitrogênio ------- 1,0% Enxofre ------- 1,0% Umidade ------- 9,0% Cinza --------5,0% Total --------100% Determine a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 270C e 700mmHg, [Hilsdorf, pg. 33]. CÁLCULOS DE COMBUSTÃO: COMPOSIÇÃO E VOLUME DOS FUMOS DA COMBUSTÃO Composição e volume dos fumos da combustão Base de cálculo = 1L a 270C e 700mmHg A) Sistema de combustão GLP: C3H8 → Fumos C4H10 Ar : O2 e N2 C3H8 + 5 02 → 3 CO2 + 4 H2O C4H10 + 6,502 → 4CO2 + 5 H2O CO2 H2 (vapor) N2 Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 270C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 270C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. Composição e volume dos fumos da combustão Considerações para a determinação da quantidade dos gases nos fumos (gases residuais) da combustão, em razão do combustível e da quantidade de ar utilizada. a) Quanto a combustível: - Carbono produz CO2 nos fumos; - Hidrogênio produz H2O (vapor) nos fumos; - Enxofre produz SO2 nos fumos; - Nitrogênio passa a N2 nos fumos; - O Oxigênio estará combinado com parte do Hidrogênio (combinado)do combustível passando a água nos fumos: Umidade produz H2O nos fumos; - Cinza (matéria orgânica nos combustíveis sólidos) não passa os fumos pois fará parte dos resíduos da combustão. Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 270C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. Composição e volume dos fumos da combustão Considerações para a determinação da quantidade dos gases nos fumos (gases residuais) da combustão, em razão do combustível e da quantidade de ar utilizada. b) Quanto ao comburente: Comburente: oxigênio puro : na quantidade teórica não produz O2 nos fumos em excesso produz O2 nos fumos Comburente: ar atmosférico seco: na quantidade teórica produz N2 nos fumos em excesso produz N2 e O2 nos fumos Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 270C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. Composição e volume dos fumos da combustão A) Sistema de combustão GLP: C3H8 → Fumos C4H10 Ar : O2 e N2 C3H8 + 5 02 → 3 CO2 + 4 H2O C4H10 + 6,502 → 4CO2 + 5 H2O CO2 H2 O(vapor) N2 B) Pelo esquema de combustão do propano e do butano, verifica-se que a composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP),,contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 27 0C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. Composição e volume dos fumos da combustão B) Pelo esquema de combustão do propano e do butano, verifica-se que a composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 C) As Reações de combustão e estequiometria em volume (expresso em (L) a CNTP) 1) C3H8 + 5 02 → 3 CO2 + 4 H2O(vapor) 0,50 5 x 0,5 L 3 x 0,5 L 4 x 0,5 L 2) C4H10 + 6,502 → 4CO2 + 5 H2O(vapor) 0,5 5,5 x 0,5 L 4 x 0,5 L 5 x 0,5 L Composição e volume dos fumos da combustão D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 VCO2 = VCO2 (eq. 1) + VCO2 (eq. 2) = (3 x 0,5) + (4 x 0,5) = 1,5 + 2,0 = 3,5 L de CO2 (a 27 0C e 700mmHg) Quantidade em volume de dióxido de carbono nos fumos Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 27 0C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. Quantidade em volume de vapor de água nos fumos VH2O = VH2O (eq. 1) + VH2O (eq. 2) = (4 x 0,5) + ( 5 x 0,5) = 2,0 + 2,5 = 4,5 L de H2O ( a 27 0C e 700mmHg) Composição e volume dos fumos da combustão D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 27 0C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. VN2 nos fumos = 0,79 x V (do ar real) V(ar real)= 27,38 L (a 27 0C e 700mmHg), determinado no exercício 1 VN2 nos fumos = 0,79 x 27,38 VN2 nos fumos 21,62L (a 27 0C e 700mmHg) Quantidade em volume de nitrogênio nos fumos. Como a mistura não apresenta nitrogênio, a quantidade de nitrogênio nos fumos será: Composição e volume dos fumos da combustão D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 27 0C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. VN2 nos fumos = 21,62 L (a CNTP) VH2O = 4,5 L (a CNTP) VCO2 = 3,5 L (a CNTP) 270C e 700mmHg V(fumos) = (3,5 + 4,5 + 21,62) L V(fumos) = 29,62 L, a 270C e 700mmHg) / L de GLP, a 270C e 700mmHg Composição e volume dos fumos da combustão E) Composição volumétrica dos fumos resultantes em base úmida é: Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 27 0C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. %99,79100 62,29 61,21 % %19,15100 62,29 5,4 % %82,11100 62,29 5,3 % 2 2 2 N HO COV(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 V(fumos) = (3,5 + 4,5 + 21,62) L V(fumos) = 29,62 L Composição e volume dos fumos da combustão E) Composição volumétrica dos fumos resultantes em base seca é: Exemplo 6: Considerando a combustão do gás liquefeito de petróleo (GLP), contendo uma mistura consistindo em 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás normal-butano (C4H10), calcular o volume de fumos (medidos a 27 0C e 700mmHg) que se desprenderá , e a composição volumétrica dos gases componentes, [Hilsdorf, pg. 42]. %07,86100 12,25 62,21 % %93,13100 12,25 5,3 % 2 2 N CO V(fumos) = VCO2 + VN2 V(fumos) = (3,5 + 21,62) L V(fumos) = 25,12 L Composição e volume dos fumos da combustão Base de cálculo = 1L da mistura gasosa (a CNTP) A) Volume dos componentes gasosos da mistura: Vmetano-CH4= 0,4L Vetano-C2H6=0,3L VCO=0,2L VCO2=0,1L Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 2 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 2 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão B, C) Reações de combustão e estequiometria em volume (expresso em (L) a CNTP) 1) CH4 + 2 02 → CO2 + 2 H2O(vapor) 0,40 2 x 0,4 0,4 2 x 0,4 2) C2H6 + 3,5 02 → 2CO2 + 3 H2O(vapor) 0,3 3,5 x 0,3 2 x 0,3 3x 0,3 3) CO + 0,5 02 → CO2 0,2 0,5 x 0,2 0,2 Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 + VO2 VCO2 = VCO2 (eq. 1) + VCO2 (eq. 2) + VCO2 (eq. 3) + VCO2 da mistura VCO2 = 0,4 + (2 x 0,3) + 0,2 + 0,1 VCO2 = 1,3 L (a CNTP) Quantidade em volume de dióxido de carbono nos fumos Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão VH2O = (2x 0,4) + (3 x 0,3) VH2O = 1,7 L (a CNTP) Quantidade em volume de vapor de água nos fumos D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 + VO2 VH2O = VH2O (eq. 1) +,VH2O (eq. 2) Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão VN2 nos fumos = 0,79 x V (do ar real) V(ar real)= 10,21 L (a CNTP), determinado no exercício 2 VN2 nos fumos = 0,79 x 10,21 VN2 nos fumos = 8,066 L (a CNTP) Quantidade em volume de nitrogênio nos fumos. Como a mistura não apresenta nitrogênio, a quantidade de nitrogênio nos fumos será: D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 + VO2 VN2 nos fumos = VN2 (do ar real) Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão VO2 (do ar real)=VO2 (teórico) x (1,10) VO2 (teórico) = 1,95 L (a CNTP) (determinado no exercício 2) 0nde, VO2 (do ar real)= 1,95 L x (1,10) = 2,145 L (a CNTP) Quantidade em volume de oxigênio nos fumos. A quantidade em volume de oxigênio nos fumos deve ser sempre calculada pela expressão: Como a quantidade de ar em excesso na combustão deve ser de 10%, a quantidade de oxigênio em excesso será, também, de 10%, e portanto: D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 + VO2 VO2 nos fumos = VO2 (do ar real) - VO2 (consumido) Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão VO2 nos fumos = VO2 (do ar real) - VO2 (consumido)= 2,145 L – 1,95 L VO2 nos fumos = 0,195 L (a CNTP) Quantidade em volume de oxigênio nos fumos. O volume de oxigênio consumido na combustão, no presente caso, corresponde à quantidade de oxigênio teórico, pois a combustão é considerada completa. Portanto, tem-se: Por tanto, VO2 (consumido) = VO2 (teórico) = 1,95 L (a CNTP) (determinado no exercício 2) D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 + VO2 Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão V(fumos) = (1,3 + 1,7 + 8,065 + 0,195) L V(fumos) = 11,26 L (a CNTP) D) Composição quantitativa dos fumos: V(fumos) = VCO2 + VH2O (vapor) + VN2 + VO2 VO2 nos fumos = 0,195 L (a CNTP) VN2 nos fumos = 8,066 L (a CNTP) VH2O = 1,7 L (a CNTP) VCO2 = 1,3 L (a CNTP) Exemplo 7: Considerando a combustão da mistura gasosa combustível do exemplo 1 (a CNTP), com excesso de 10% de ar, determinar o volume de fumos desprendidos (a 127 oC e 760 mmHg) [Hilsdorf, pg. 43]. Composição e volume dos fumos da combustão E) As condições reais de 127 oC e 760 mmHg será conseguida pela equação de transformação do estado de gases perfeitos. LV xV T T x P P VV T PV T VP 50,16 273 127273 760 760 26.11 0 0 0 0 00 de fumo a 1270C e 760mmHg / L de mistura gasosa a CNTP Estudar o exercício resolvido em Hilsdorf, pgs. 29 e 52 O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: C = 52,2%, H = 13%, O = 34,8%. a)Considerando combustão completa, calcular a quantidade de ar real a 27oC e 760 mmHg, utilizada na combustão de 1 kg de álcool etílico, sabendo-se que a combustão se dará com 20% de ar em excesso [Hilsdorf, pg. 29] b) Determinar o volume de fumos (inclusive vapor de água) desprendido e medido a 127 oC e 0,92 atm [Hilsdorf, pg. 52]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” e volume de fumos Estudar o exercício resolvido em Hilsdorf, pgs. 33 e 54 Consideremos um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso, é a seguinte: C = 74%, H = 5,0%, O = 5,0%, N = 1,0%, S = 1,0%, Umidade = 9,0%, Cinza = 5,0%. a) Determinar a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1,0 kg desse carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 27 oC e 700 mmHg [Hilsdorf, pg. 33]. b) Determinar o volume de fumos desprendidos, medidos a 250 oC e 0,895 atm. c) Determinar a composição percentual volumétrica dos fumos na base seca (correspondente à análise de Orsat dos fumos) [Hilsdorf, pg. 54]. “Ar teoricamente necessário” e “ar real” e volume de fumos