calculoesteq_ combustão
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Calculo Estequiométrico da
Combustão
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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.
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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.
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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
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Unidade Molares
Mol = molécula – gramaKmol = 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
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A combustão do metano é representada:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O
16g + 64g 44g + 36g
1mol + 2mol 1mol + 2 mol
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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 V2-------- = -------- T1 T2
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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
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Isso não pode ser aplicado quando se consideram proporções volumétricas. Utilizando-se proporções volumétricas, tem-se:
C3H8 + 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 1:5 --- 3:4 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 CNTP1 litro 5 litros 3 litros 4 litrosa 20°C e 760 mm Hg:2 litros 10 litros 6 litros 8 litrosa 27°C e 700 mm Hg:1 litro 5 litros 3 litros 4 litrosa t °C e P mm Hg:1 litro 5 litros 3 litros 4 litrosa t °C e P mm Hg:1 m³ 5 m³ 3 m³ 4 m³ (n vezes)
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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:
P0 V0 PV P0 T-------- = ----, onde V = V0 ---- x ----- T0 T P T0
V2 = V1 P1 T2 ---- x ---- P2 T1
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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.
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ETAPA 1
COMO OS GASES FORAM APRESENTADOS NA FORMA DE VOLUME REPRESENTAR INDIVIDUALMENTE CADA FRAÇÃO DOS REAGENTES:
C3H8-----------------50%---------------V=0,5 LITRO
C4H10---------------50%----------------V=0,50 LITRO
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ETAPA 2
REPRESENTAR O BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO, CARACTERIZANDO UMA COMBUSTÃO COMPLETA
(1) C3H8 + 5 02 3 CO2 + 4 H20 0,5l 5 X 0,5l
(2) C4H10 + 6,5 02 4 CO2 + 5 H20 0,5l 6,5 X 0,5l
ONDE:
V (O2 teórico) = V (O2 para combustão completa)
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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 ------------------------------------ 0,21 litro de O2 X ------------------------------------ 5,75 litros de O2
X = 27,38 litros de ar atm
V (ar teórico) = 5,75 litros V (O2 teórico no ar atmosférico) = 0,21
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EXEMPLO 2:
1) Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume:
CH4---------- 40%C2H6-------- 30%CO------------ 20%CO2---------- 10%
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ETAPA 1
COMO OS GASES FORAM APRESENTADOS NA FORMA DE VOLUME REPRESENTAR INDIVIDUALMENTE CADA FRAÇÃO DOS REAGENTES:
CH4 -----------------40%---------------V=0,4 LITRO
C2H6 ---------------30%----------------V=0,30 LITRO
C0--------------------20%----------------V=0,20 LITRO
C02------------------10%----------------V=0,10 LITRO
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ETAPA 2
REPRESENTAR O BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO, CARACTERIZANDO UMA COMBUSTÃO COMPLETA
(1) CH4 + 2 02 CO2 + 2 H20 0,4l 2 X 0,4l
(2) C2H6 + 3,5 02 2 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)
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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 ------------------------------------ 0,21 litro de O2 X ------------------------------------ 1,95 litros de O2
X = 9,286 litros de ar atm
V (ar teórico) = 1,95 litros V (O2 teórico no ar atmosférico) = 0,21
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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 V2-------- = -------- T1 T2
V2 = V1 P1 T2 ---- x ---- P2 T1
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ASSIM:
V = 10,21 760 X 293 760 273
V = 10,21 X 1,07
V = 10,92 Litros de 02
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EXERCÍCIO:
1) Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume:
CH4---------- 50%C2H6-------- 40%O2------------ 10%
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
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CH4---------- 30%C3H8-------- 50%CO----------- 10%CO2---------- 10%
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
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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 .
Metano - CH4 - 86,0 %Vol Etano – C2H6 - 10,0 %Vol Propano - C3H8 – 3,5 %Vol Oxigênio - O2 - 0,5 %Vol
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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 ---------------------------80% (em peso)
Hidrogênio -----------------------20% (em peso)
Determinar o volume, a 27ºC e 700 mmHg, de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1Kg do líquido combustível.
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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 -----------------------80%----------------------m(C) = 800,0g
H2----------------------20%-----------------------m(H2) = 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
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As reações que se darão pela combustão completa é a seguinte:
(1) C + O CO2 66,66 66,66
(2) H2 + 1/2 O2 H2O 100 100/2
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(O2 teórico) = n(O2 para C) + n(O2 para H2)
Assim:
n(O2 teórico) = 66,66 + 100/2
n(O2 teórico) = 116,6 moles de O
n(Ar teórico) = 116,6/0,21 = 555,53 moles de ar atm
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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 = 12.443,6 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
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Exercício 1
O álcool isopropílico ( C3H7OH) 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..............................56,8%Hidrogênio..........................16,7%Oxigênio..............................26,5%
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.
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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..................................65,4%
Hidrogênio.............................34,6%
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.
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COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS
EXEMPLO 1Considerando 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
Carbono 74,0
Hidrogênio 5,0
Oxigênio 5,0
Nitrogênio 1,0
Enxofre 1,0
Umidade 9,0
Cinzas 5,0
TOTAL 100,0
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Base de Calculo
Tendo em vista que a porcentagem dos componentes é dada em peso, tomamos como base de calculo 1Kg do combustível sólido.
COMPONENTE MASSA
Carbono 740,0
Hidrogênio 50,0
Oxigênio 50,0
Nitrogênio 10,0
Enxofre 10,0
Umidade 90,0
Cinzas 50,0
TOTAL 1000,0
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Dividindo-se a massa de cada um dos componentes pela sua massa atômica ou molecular, teremos o número em moles.
COMPONENTE N Moles
Carbono 740/12 61,66
Hidrogênio 50/2 25,00
Oxigênio 50/32 1,56
Nitrogênio 10/28 0,36
Enxofre 10/32 0,31
Umidade 90/18 5,00
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As reações que se darão pela combustão completa é a seguinte:
(1) C + O2 CO2 61,66 61,66
(2) H2 + 1/2 O2 H2O 25 25/2
(3) S + O2 S2O 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(O2 teórico) = n(O2 para C) + n(O2 para H2) + n(O2 para S) - n(02 Combustível)
Assim:
n(O2 teórico) = (61,66 + 25/2 + 0,31) - 1,56
n(O2 teórico) = 72,91 moles de O
n(Ar teórico) = 72,91/0,21 = 347,19 moles de ar atm
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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 = 7.777 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