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Calculo Estequiométrico da Combustão. Por meio de balanços de materiais podem ser determinadas as quantidades de combustíveis, de ar, de fumos e de resíduos.

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1 Calculo Estequiométrico da Combustão

2 Por meio de balanços de materiais podem ser determinadas as quantidades de combustíveis, de ar, de fumos e de resíduos (cinzas). Para efetuar o calculo: Escolher um sistema que, em geral, é o local em que se realiza a combustão; Adotar uma base de cálculo; Estabelecer balanços materiais em numero suficiente para a determinação necessária.

3 Sendo as combustões normalmente efetuados sob pressões próximas da pressão atmosférica, pode-se considerar que os gases envolvidos na operação comportam-se como gases perfeitos. Geralmente, os cálculos estequiométricos da combustão correspondem a três tipos: Calculo da qualidade de ar teoricamente necessário e de ar real para a combustão completa do combustível; Calculo da composição e do volume dos fumos da combustão; Calculo da porcentagem de ar em excesso utilizada em uma combustão, em razão da análise de Orsat da combustão.

4 Aparelho de Orsat Aparelho de Orsat Com ampla faixa de aplicação para fins didáticos e industriais nas análises dos gases Dióxido de Carbono CO2, Oxigênio O2 e Monóxido de Carbono CO, este aparelho atende ao método convencional segundo Orsat

5 Unidade Molares Mol = molécula – grama Kmol = molécula – quilograma O mol corresponde a quantidade em gramas igual a massa molecular da substancia química pura considerada, ou sua massa tômica. Considerando a reação de combustão completa do carbono. C + O2 + CO2 12g + 32g 44g 1mol + 1 mol 1 mol

6 A combustão do metano é representada: CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O 16g + 64g 44g + 36g 1mol + 2mol 1mol + 2 mol

7 Critérios de Cálculos COMBUSTIVEIS GASOSOS A estequiometria em volume é mais adequada para cálculos de combustão quando tanto os reagentes como os produtos sejam gasosos. É importante considerar que as proporções volumétricas dadas pelo coeficiente da reação de combustão somente serão válidas para volumes nas mesmas condições de pressão e temperatura. A transformação de qualquer dos volumes considerados pode ser efetuada para outras condições de pressão e temperatura pela equação de estado de gases perfeitos, ou seja: P1 V1 P2 V = T1 T2

8 EXEMPLO: Na combustão do gás propano (C3H8) têm-se as proporções molares de reação dadas pela seguinte equação química: C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O ( vapor ) 1mol 5 moles 3 moles 4 moles As proporções molares de 1:5 -- 3:4 independem das condições de pressão e temperatura, pois utiliza-se uma unidade química (mol) que está relacionada com massa: massa (gramas) Número de moles = massa molecular

9 Isso não pode ser aplicado quando se consideram proporções volumétricas. Utilizando-se proporções volumétricas, tem-se: C 3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O ( vapor ) 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros Isso a t °C e a P mm Hg. Neste caso, as proporções 1: :4 somente podem ser consideradas para condições iguais de pressão e temperatura de todos os gases ( ou vapor de água ) e a condição considerada ( ou adotada ) deve ser mencionada. Dessa forma, pode-se ter: C3H8 ( gás ) + 5 O2( gás ) 3 CO2 ( gás ) + 4 H2O ( vapor ) A CNTP 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros a 20°C e 760 mm Hg: 2 litros 10 litros 6 litros 8 litros a 27°C e 700 mm Hg: 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros a t °C e P mm Hg: 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros a t °C e P mm Hg: 1 m³ 5 m³ 3 m³ 4 m³ (n vezes)

10 Prosseguindo no calculo, pode-se, em seguida, transformar o volume de oxigênio (ou de ar) para condições reais de pressão e temperatura, e o volume de fumos para as condições reais de pressão e temperatura, pela expressão de transformação de estado de gases perfeitos: P 0 V 0 PV P 0 T = ----, onde V = V x T 0 T P T 0 V2 = V1 P1 T x ---- P2 T1

11 EXEMPLO: CÁLCULO DA QUANTIDADE DE AR TEORICAMENTE NECESSÁRIO E DE AR REAL PARA COMBUSTÃO COMPLETA DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS 1)O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás butano (C4H10). Considerando que a combustão seja completa, calcular o volume de ar teórico necessário para a combustão de 1 litro de GLP a 27ºC e 700 mm Hg.

12 ETAPA 1 COMO OS GASES FORAM APRESENTADOS NA FORMA DE VOLUME REPRESENTAR INDIVIDUALMENTE CADA FRAÇÃO DOS REAGENTES: C3H % V=0,5 LITRO C4H % V=0,50 LITRO

13 ETAPA 2 REPRESENTAR O BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO, CARACTERIZANDO UMA COMBUSTÃO COMPLETA (1)C3H CO2 + 4 H20 0,5l 5 X 0,5l (2) C4H10 + 6, CO2 + 5 H20 0,5l 6,5 X 0,5l ONDE: V (O2 teórico) = V (O2 para combustão completa)

14 ETAPA 3 SABENDO-SE QUE A QUANTIDADE DE COMBURENTE PARA A COMBUSTÃO ESTÁ BASEADA NA QUANTIDADE DE OXIGÊNIO NECESSÁRIA MAIS A QUANTIDADE DE OXIGÊNIO DO REAGENTE, MAS COMO TRATA-SE DE UM HIDROCARBONETO V (O2 teórico) = (0,5 X 5) + (0,5 X 6,5) = 2,5 + 3,25 = 5,75 Litros de O2 Ou seja: A QUANTIDADE DE AR TEÓRICO SERÁ 1 litro ar atmosférico seco ,21 litro de O2 X ,75 litros de O2 X = 27,38 litros de ar atm V (ar teórico) = 5,75 litros V (O2 teórico no ar atmosférico) = 0,21

15 EXEMPLO 2: 1)Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH % C2H % CO % CO %

16 ETAPA 1 COMO OS GASES FORAM APRESENTADOS NA FORMA DE VOLUME REPRESENTAR INDIVIDUALMENTE CADA FRAÇÃO DOS REAGENTES: CH % V=0,4 LITRO C2H % V=0,30 LITRO C % V=0,20 LITRO C % V=0,10 LITRO

17 ETAPA 2 REPRESENTAR O BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO, CARACTERIZANDO UMA COMBUSTÃO COMPLETA (1)CH CO2 + 2 H20 0,4l 2 X 0,4l (2) C2H6 + 3, CO2 + 3 H20 0,3l 3,5 X 0,3l (3) C0 + 0,5 02 CO2 0,2l 0,5 X 0,2l ONDE: V (O2 teórico) = V (O2 para combustão completa)

18 ETAPA 3 SABENDO-SE QUE A QUANTIDADE DE COMBURENTE PARA A COMBUSTÃO ESTÁ BASEADA NA QUANTIDADE DE OXIGÊNIO NECESSÁRIA MAIS A QUANTIDADE DE OXIGÊNIO DO REAGENTE, MAS COMO TRATA-SE DE UM HIDROCARBONETO V (O2 teórico) = (0,4 X 2) + (0,3 X 3,5) + (0,2 X 0,5) = 1,95 Litros de O2 Ou seja: A QUANTIDADE DE AR TEÓRICO SERÁ 1 litro ar atmosférico seco ,21 litro de O2 X ,95 litros de O2 X = 9,286 litros de ar atm V (ar teórico) = 1,95 litros V (O2 teórico no ar atmosférico) = 0,21

19 ETAPA 4 FOI MENSIONADO QUE O SISTEMA ESTAVA COM 10% DE AR EM EXCESSO, PORTANTO: AR REAL = 9,286 X 1,10 = 10,21 Litros CNTP COMO O VOLUME DE AR REAL DEVE SER CALCULADO A 20ºC E 760 mm DE Hg, APLICA-SE A FÓRMULA DE TRANSFORMAÇÃO DE GASES PERFEITOS P1 V1 P2 V = T1 T2 V2 = V1 P1 T x ---- P2 T1

20 ASSIM: V = 10, X V = 10,21 X 1,07 V = 10,92 Litros de 02

21 EXERCÍCIO: 1) Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH % C2H % O % Considerando a combustão completa com 15% de ar em excesso, determine o valor de ar real (a CNTP) para a combustão de 1m³ desta mistura gasosa

22 CH % C3H % CO % CO % EXERCÍCIO: 2) Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: Considerando a combustão completa com 28% de ar em excesso, determine o valor de ar real (a CNTP) para a combustão de 1 litro desta mistura gasosa a 730mm Hg e o sistema iniciando-se a 180ºC e com de 38ºC

23 EXERCÍCIO: 3) O Brasil hoje tem uma matriz energética proveniente de gás natural, onde este tem uma importação principal das jazidas da Colômbia. A composição básica do gás colombiano é a seguinte: Considerando que uma industria que gera vapor tendo em suas caldeiras a matriz energética de gás natural e com uma eficiência de 95% sobre a combustão qual a quantidade de ar atmosférico teórico necessário para cada 1m³ de gás natural. Qual a quantidade de ar atmosférico com 12% em excesso seria necessário se a combustão fosse completa. MetanoMetano - CH4 - 86,0 %Vol EtanoEtano – C2H6 - 10,0 %Vol PropanoPropano - C3H8 – 3,5 %Vol OxigênioOxigênio - O2 - 0,5 %Vol

24 COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS EXEMPLO 1 Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição em peso do combustível é a seguinte: Carbono % (em peso) Hidrogênio % (em peso) Determinar o volume, a 27ºC e 700 mmHg, de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1Kg do líquido combustível.

25 Base de Calculo Tendo em vista que a porcentagem dos componentes é dada em peso, tomamos como base de calculo 1Kg do combustível líquido C % m(C) = 800,0g H % m(H 2 ) = 200,0g Dividindo-se a massa de cada um dos componentes pela sua massa atômica ou molecular, teremos o número em moles. nC = 800/12 = 66,66 moles nH2 = 200/2 = 100,0 moles

26 As reações que se darão pela combustão completa é a seguinte: (1)C + O CO 2 66,66 66,66 (2) H 2 + 1/2 O 2 H 2 O /2 Esses dois componentes é que consumirão oxigênio do ar para a combustão. Não havendo oxigênio no combustível, logo, a quantidade molar de oxigênio teórico necessário será: n(O 2 teórico) = n(O 2 para C) + n(O 2 para H 2 ) Assim: n(O 2 teórico) = 66, /2 n(O 2 teórico) = 116,6 moles de O n(Ar teórico) = 116,6/0,21 = 555,53 moles de ar atm

27 Sabendo-se que 1 mol de gás em condições normais de temperatura e pressão ocupa 22,4 litros, o volume de ar necessário a CNTP será: V = 555,52 X 22,4 = ,6 litros de ar teórico a CNTP Considerando-se 20% de ar em excesso: V(ar real) = 12,44 X 1,20 = 14,93m³ (CNTP) Kg de combustível Transformando para 27ºC e 700 mm Hg V (ar real) = 14,93 (760/700) X (300/273) V (ar real) = 17,81 m³

28 Exercício 1 O álcool isopropílico ( C 3 H 7 OH) pode ser utilizado para limpar componentes eletrônicos, sendo o mais apropriado para este fim pois a porcentagem de água é menor do que 1%, e por isso a hipótese de oxidação das peças é quase nula. É também vastamente empregado na indústria gráfica, na composição da solução de molha do processo de impressão offset, apresentando a seguinte composição: Carbono ,8% Hidrogênio ,7% Oxigênio ,5% Considerando a combustão completa deste álcool calcular a quantidade de ar real a 27ºC 730 mm Hg, utilizada na combustão de 1Kg de álcool isopropílico, sabendo-se que a combustão se dará com 35% de ar em excesso.

29 Exercício 2 O Hexano é um hidrocarboneto alcano com a fórmula química C6H14. O prefixo "hex" refere-se aos seus seis átomos de carbono, ao passo que a terminação "ano" indica que os seus carbonos estão conectados por ligações simples. Os isômeros de hexano são altamente inertes, e são freqüentemente usados como solvente inerte em reações orgânicas. São também componentes comuns da gasolina. Sua composição é a seguinte: Carbono ,4% Hidrogênio ,6% Considerando a combustão completa do hexano, calcular a quantidade de ar real a 23ºC 740 mm Hg, utilizada na combustão de 3Kg de hexano, sabendo-se que a combustão se dará com 12% de ar em excesso.

30 COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS EXEMPLO 1 Considerando um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso é a seguinte: Determinar a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1,0 Kg deste carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 27ºC e 700 mm Hg COMPONENTE% PESO Carbono74,0 Hidrogênio5,0 Oxigênio5,0 Nitrogênio1,0 Enxofre1,0 Umidade9,0 Cinzas5,0 TOTAL100,0

31 Base de Calculo Tendo em vista que a porcentagem dos componentes é dada em peso, tomamos como base de calculo 1Kg do combustível sólido. COMPONENTEMASSA Carbono740,0 Hidrogênio50,0 Oxigênio50,0 Nitrogênio10,0 Enxofre10,0 Umidade90,0 Cinzas50,0 TOTAL1000,0

32 Dividindo-se a massa de cada um dos componentes pela sua massa atômica ou molecular, teremos o número em moles. COMPONENTE N Moles Carbono740/12 61,66 Hidrogênio50/2 25,00 Oxigênio50/32 1,56 Nitrogênio10/28 0,36 Enxofre10/32 0,31 Umidade90/18 5,00

33 As reações que se darão pela combustão completa é a seguinte: (1)C + O 2 CO 2 61,66 61,66 (2) H 2 + 1/2 O 2 H 2 O 25 25/2 (3) S + O 2 S 2 O 0,31 0,31 Esses dois componentes é que consumirão oxigênio do ar para a combustão. Não havendo oxigênio no combustível, logo, a quantidade molar de oxigênio teórico necessário será: n(O 2 teórico) = n(O 2 para C) + n(O 2 para H 2 ) + n(O 2 para S) - n(0 2 Combustível) Assim: n(O 2 teórico) = (61, /2 + 0,31) - 1,56 n(O 2 teórico) = 72,91 moles de O n(Ar teórico) = 72,91/0,21 = 347,19 moles de ar atm

34 Sabendo-se que 1 mol de gás em condições normais de temperatura e pressão ocupa 22,4 litros, o volume de ar necessário a CNTP será: V = 347,2 X 22,4 = litros de ar teórico a CNTP Considerando-se 50% de ar em excesso: V(ar real) = 7,78 X 1,50 = 11,67m³ (CNTP) Kg de combustível Transformando para 27ºC e 700 mm Hg V (ar real) = 7,78 (760/700) X (300/273) V (ar real) = 13,9 m³

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