cálculos estequiométricos_balanço material_combustão

---> Por questões de rendimento é desejável B4 nas reações realizadas em condições industriais, um ou mais reagentes estejam em

excesso relativamente às quantidades teóricas previstas pelas equações químicas. Nestas condições, os produtos encerrarão

alguns dos reagentes não consumidos, ao lado dos compostos formados na reação.

---> As quantidades máximas dos produtos formados serão determinadas pela quantidade do reagente limite, que é o que não se

encontra em excesso relativamente a qualquer outro processo. Os excessos de cada um dos demais reagentes deverão ser

calculados em relação à quantidade desse mesmo reagente-limite.

mt : Quantidade teórica de um determinado reagente (massa necessária para reagir completamente com o reagente limite).

ma : Quantidade realmente alimentado do reagente.

% Excesso = ((ma - m1)/m1) x 100

Mesmo havendo reagente em excesso, muitas vezes não se chega a esgotar o reagente-limite.

Esta complementação parcial da reação pode ser o resultado de um estado de equilíbrio ou tempo insuficiente de reação.

Define-se Grau de Complementação a porcentagem de reagente que se transforma em produto no decurso da reação.

Quando a transformação do reagente limite em produtos é total, então o Grau de Complementação foi de 100%.

Heptano Oxigênio Dióxido de Carbono Água

C7H16 + 11 O2 ------------------------> 7 CO2 + 8 H2O

1 (100) g 11 (32) g 7 (44) g 8 (18) g

1 g-mol 11 g-mol 7 g-mol 8 g-mol

1 kg-mol 11 kg-mol 7 kg-mol 8 kg-mol

1 lb-mol 11 lb-mol 7 lb-mol 8 lb-mol

1 (6x10^23) 11 (6x10^23) 7 (6x10^23) 8 (6x10^23)

moléculas moléculas moléculas moléculas

Cálculos Estequiométricos e Balanços MateriaisCálculos Estequiométricos , Balanços Materiais e Estequiometria da Combustão

Francisco de Assis Bertini Moraes, [email protected]

EXEMPLO-1 : Uma fábrica de fertilizante produz superfosfato tratando fosfato de cálcio, com 87% de pureza, pelo ácido sulfúrico concentrado.

Num ensaio realizado, foram misturados 500 kg de fosfato com 250 kg de H2SO4, obtendo-se 280 kg de superfosfato. Dizer qual o

reagente-limite e calcular o excesso do outro reagente. Qual o grau de complementação da reação ?

310 196 234 --------> Proporções Estequiométricas

500 x 0,87 = 435 250 280 --------> Reagente Limite : H2SO4 (Não se encontra em excesso)

395,4 250 298,5 --------> Quantidades Estequiométricas c/ o Reagente Limite

% Excesso (Fosfato de Calcio) = (435-395,4).100/395,4 = 9,85 %

Grau de Complementação = 280 . 100/298,5 = 93,8 %

EXEMPLO-2 : Uma barita (sulfato de bario) com 70% de pureza én reduzida em temperatura elevada com coque (C) encerrando 90% Carbono, de

modo a fornecer Sulfeto de Bario (BaS). Este, aquecido num reator tubular por onde passa uma corrente de anidrido carbônico

úmido (CO2 + H2O) , obtendo-se Carbonato de Bario (BaCO3) que é finalmente submetido a ação de vapor de água superaquecido

do que resulta o Hidróxido de Bário (Ba(OH)2).

O coque é empregado na 1a reação com 40% de excesso e a conversão global da barita em hidróxido complementa-se com 72%.

Calcular os consumos de barita e de coque por tonelada de hidróxido de bário produzido.

BaSO4 + 4 C -----> BaS + 4 CO

233 48

BaS + CO2 + H2O -----> BaCO3 + H2S

BaCO3 + H2O -----> Ba(OH)2 + CO2

171

Em proporções estequiométricas, para a produção de 1000 kg de Ba(OH)2, temos :

BaSO4 = (233/171).1000 = 1363 kg C = (48/171).1000 = 281 kg

Com excesso de coque de 40% e 72% de Grau de Complementação, temos :

BaSO4 = (1363/0,72) = 1895 kg C = 1,4 (281/0,72) = 546 kg

Com a Barita de 70% de pureza e 90% de carbono no coque, temos para 1000 kg de Ba(OH)2 :

BaSO4 = 1895/0,70 = 2.710 kg C = 546/0,90 = 607 kg

Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 --------> 2 CaSO4 + CaH4(PO4)21,582

1,582

1,74

1,194

1,12

1,194

EXEMPLO-3 : Na produção de Cloro (Cl2) a partir da oxidação (O2) do Ácido clorídrico (HCl), emprega-se 40% de ar em excesso.

Considerando um grau de complementação de formação do cloro em 50%, calcular a composição dos gases que saem do reator

tubular e dar o consumo de matérias primas por tonelada de cloro produzido.

2 HCl + 1/2 O2 -----> Cl2 + H2O

73 7116 71 18

2 kg-mol 0,5 kg-mol 1 kg-mol 1 kg-mol

Em proporções estequiométricas, para produzir 1000 kg de Cloro ou 1000/71 = 14,1 kg-mol de Cloro temos :

HCl = (73/71) . 1000 = 1.029 kg O2 = (16/71) . 1000 = 225,3 kg

Para um Grau de Complementação de 50% na produção de 1.000 kg de Cl2 :

HCl = (1.029/0,5) = 2.058 kg HCl = 2058/36,5 = 56,4 kg-mol

Para um excesso de 40% de ar em relação ao teórico, temos :

O2 = 1,4 . 225,3 = 315,4 Kg O2 = 315,4/32 = 9,84 kg-mol N2 = 9,84 . 79/21 = 37,0 kg-mol

A composição dos gases na saída será :

kg-mol %Volume

Cl2 14,10 14,66

HCl 28,20 29,32

O2 2,79 2,90

N2 37,00 38,47

H2O 14,10 14,66

Total 96,19 100,00

EXEMPLO-4 : Um material sólido contém 15% de água em peso e deverá ser secado até 7% de água.

Ar fresco contendo 0,01 kg-água/kg-ar seco será misturado com ar reciclado (com 0,1 kg-água/kg-ar seco), de modo que o ar que entra

no secador encerre no máximo 0,03 kg-agua/kg-ar seco.

Por 100 kg de material sólido úmido alimentado ao secador, calcular : H : kg-agua/kg-ar seco

a-) a quantidade de ar fresco a ser alimentado ao sistema Ax : kg-ar seco

b-) o reciclo a empregar

Ar Reciclado-Ar , H2 = 0,10

Ar Fresco-Ae Máximo Ar Úmido-As

H1 = 0,01 H = 0,03 H2 = 0,10

Sólido Final Sólido Úmido = 100 kg

7% água 15% água = 15 kg

Sólido Seco = 85 kg Água Incorporada ao Ar Fresco = 15 - 6,4 = 8,6 kg

Sólido Final = 85/0,93 = 91,4 kg

7% Água = 6,4 kg

Ae . H1 + 8,6 = As . 0,10 Ae . 0,01 + 8,6 = As . 0,10 -----> Ae = As -----> Ae . 0,01 + 8,6 = Ae . 0,10

0,09 . Ae = 8,6 --> Ae = 95,6 kg-ar seco

Ar Fresco Total na Entrada = 95,6 + 0,01 . 95,6 = 96,6 kg de Ar + Água

Ar Fresco Total na Saída = 95,6 + 0,10 . 95,6 = 105,2 kg de Ar + Água

Ae . 0,01 + Ar . 0,10 = (Ae + Ar) . 0,03 ----> Ar . 0,07 = Ae . 0,02 ------> Ar = Ae. 0,02/0,07

Ar = 95,6 . 0,2857 = 27,3 kg- ar seco

Reciclo Total = 27,3 + 0,1 . 27,3 = 30,03 kg de Ar + Água

Secador

EXEMPLO-5 : Um processo industrial de fabricação de 1-5 diamino-naftaleno fornece, num dado estágio de fabricação, uma solução aquosa

de diamino-naftaleno contendo 3,01% desta base em peso. A recuperação do produto é feita por extração da solução aquosa

em contracorrente com éter etílico contendo 1,25% de água em peso. A fase aquosa extraída (refinado) encerra quantidade

desprezível da base, mas contém 3,24% de eter em peso.

a-) Quanto éter isento de água foi usado por 1000 kg de base extraída ?

b-) Que porcentagem do éter utilizado continha a fase aquosa extraída ?

Balanço Total A + S = E + R 100 + S = E + R

Balanço base(x) xA . A + xS . S = xE . E + xR . R 0,0301 x 100 = 0,1520 x E

E = 3,01/0,1520 = 19,8 kg

Balanço eter (y) yA . A + yS . S = yE . E + yR . R 0,9875 x S = 0,8113 x 19,8 + 0,0324 x R

S = 0,8113x19,8/0,9875 + 0,0324/0,9875xR

S = 16,27 + 0,0328 x R

100 + 16,27 + 0,0328 x R = 19,8 + R

R (1 - 0,0328) = 100 + 16,27 - 19,8

R = 96,47 / 0,9672 = 99,74 kg S = 16,27 + 0,0328 x 99,74 = 19,54 kg

Eter Utilizado = yS . S = 0,9875 x 19,54 = 19,30 kg

Base extraída = xE . E = 0,1520 x 19,80 = 3,01 kg

Eter no extrato = yE . E = 0,8113 x 19,8 = 16,06 kg

Eter no refinado = yR . R = 0,0324 x 99,74 = 3,23 kg

a-) Eter Utilizado/1000 kg base extraída

= (19,3/3,01) x 1000 = 6.412 kg

b-) Eter no Extrato/Eter Utilizado = 83,21 %

Eter no Refinado/Eter Utilizado = 16,74 %

Extrator

em

Contracorrente

AlimentaçãoA = 100 kgbase 3,01%água 96,99%

Extratobase 15,20%água 3,67%eter 81,13%

Solventeágua 1,25%eter 98,75%

Refinadoágua 96,76%eter 3,24%

EXEMPLO-6 : Em instalações de solda oxiacetilênica, o acetileno , C2H2, é obtido pela reação entre a água e o carbeto de cálcio.

Calcular durante quanto tempo poderá funcionar um maçarico deste tipo, sabendo que o gerador de acetileno

encerra dois quilos de carbeto comercial, contendo 90% de CaC2, e que o gás produzido é queimado a razão de

376 litros/h, medidos a temperatura de 27 C e pressão de 700 mmHg.

Qual a vazão de ar seco para queimar o acetileno e qual a vazão de gases produzidos na combustão, ambas a 27 C e 700 mmHg ?

CaC2 + 2 H2O ------> C2H2 + Ca(OH)2 CaC2 = 64 kg/kg-mol

64 2 x 18 26 74 H2O = 18 kg/kg-mol

2 x 0,9 = 1,8/64 0,73 C2H2 = 26 kg/kg-mol

0,02812 kmol 0,02812 kmol Ca(OH)2 = 74 kg/kg-mol

C2H2 + 5/2 O2 ------> 2 CO2 + H2O

26 3/2 x 16 44 18 P = 700/760 = 0,9211

1 kmol 2,5 kmol 2,0 kmol 1 kmol

0,02812 kmol 0,0703 0,05624 0,02812

Combustível kmol O2 (kmol) CO2(kmol)H2O(kmol)

C2H2 0,02812 0,0703 0,05624 0,02812

N2 0,2645

0,3348

1 kmol C2H2 ------> 22,4 m3 a CNTP N1 = N2 P1 . V1 / T1 = P2 . V2 / T2 760 . 0,63 / 273 = 700 . V2 / 300

0,02812 kmol C2H2 -------> 0,63 Nm3

V2 = 0,7516 m3-C2H2 a 700 mmHg e 27 C t = 0,7516/0,376 = 2,0 horas

1 kmol Ar --------> 22,4 m3 a CNTP 760 . 7,5 / 273 = 700 . Var / 300 Var = 8,95 m3 de ar a 700 mmHg e 27 C

0,3348 kmol Ar ----> 7,5 Nm3

Var / VC2H2 = 8,95 / 0,7516 =11,91 m3-ar/m3-C2H2

Qar = 11,91 x 0,376 = 4,48 m3/h de ar a 700 mmHg e 27 C.

Fumos = CO2 + H2O + N2 = 0,05624 + 0,02812 + 0,2645 = 0,3489 kmol

1 kmol Ar --------> 22,4 m3 a CNTP 760 . 7,8154 / 273 = 700 . Vfumos / 300 Vfumos = 9,3245 m3

0,3489 kmol Fumos -----> 7,8154 Nm3 Vfumos/VC2H2 = 9,3245/0,7516 = 12,41 m3-fumos/m3-C2H2

Qfumos = 12,41 x 0,376 = 4,67 m3/h de fumos a 700 mmHg e 27 C

ProdutosReagentes

Objetivo : A energia decorrente da oxidação de elementos combustíveis é liberada e poderá ser utilizada para aquecimento ou realização de trabalho.

Por meio de Balanços Materiais, determina-se : Quantidade de Combustível, de Ar, de Fumos e de Resíduos.

Combustão normalmente ocorre sob pressões próximas da pressão atmosférica ==> Comportam-se como Gases Perfeitos

Três tipos de cálculos :

- Cálculo da quantidade de ar teoricamente necessário e de ar real para a combustão completa do combustível.

- Cálculo da composição e do volume dos fumos da combustão.

- Cálculo da porcentagem de ar em excesso utilizada em uma combustão, em razão das análise de Orsat da combustão.

Aparelho de Orsat : Análise de CO2 , O2 , CO

Unidades Molares : Mol = Molécula-grama , Kmol = Molécula-quilograma

- Corresponde a quantidade em gramas igual a massa molecular da substância química pura considerada, ou sua massa atômica

C + O2 --> CO2 CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O No. Moles = Massa (gramas)

Massa Molecular

12 g + 32 g --> 44 g 16 g + 2 . 32 g --> 44 g + 2 . 18 g

1 mol + 1 mol --> 1 mol 1 mol + 2 mol --> 1 mol + 2 mol

Análise dos Combustíveis

Análise Elementar : Determinação de Carbono, Nitrogênio, Enxôfre e demais elementos que constituem o combustível.

Análise Imediata : Determinação de Carbono Fixo (CF), Umidade (U - 110 C), Matéria Volátil (MV) e da Cinza (Z - 725 C , combustão completa do C)

Matéria Volátil (MV) : É determinada pelo aquecimento do carvão seco, durante 7 minutos a 950 C e ao abrigo ao ar. Perda de hidrocarbonetos, H2, N2, etc.

Carbono Fixo (CF) : É o carbono que ainda fica no combustível após a eliminação da matéria volátil. É praticamente carbono puro.

Hidrogênio do Combustível : Uma parte na água da umidade, Uma parte na água de combinação do combustível (hidrogênio que na constituição

do combustível se acha combinado com o oxigênio) e Uma parte constitui o hidrogênio livre ou combustível , que

durante a combustão produzirá energia e consumirá oxigênio.

Poder Calorífico (PC) : É igual numericamente à entalpia-padrão de combustão, PC = - ΔHcombustão

Poder Calorífico Superior (PCS) : Calor produzido pela combustão completa de certa quantidade de combustível, a pressão constante e 18 C ,

havendo tão-somente formação de CO2 e H2O e ficando toda a água produzida, mais a inicialmente presente no

combustível, condensada no estado líquido.

Poder Calorífico Inferior (PCI) : É o valor obtido quando se considera toda a água no estado vapor ao final da combustão. O PCI é obtido a partir

do PCS, subtraindo deste o calor de vaporização da água a 18 C multiplicado pela água total no estado vapor, ou seja,

a inicialmente presente no combustível, mais aquela formada durante a queima.

CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO

Combustíveis Gasosos

- A estequiometria em volume é mais adequada para cálculos de combustão quando tanto os reagentes como os produtos sejam

gasosos. As proporções volumétricas dadas pelo coeficiente da reação de combustão somente serão válidas para volumes nas

mesmas condições de pressão e temperatura.

- Utiliza-se para conversão para outras condições de temperatura e pressão a equação de estado de gases perfeitos :

P1 V1 = N1 R T1 N1 = N2 P1 . V1 = P2 . V2 CNTP : 0 C ou 273,15 K

P2 V2 = N2 R T2 T1 T2 1 atm ou 101,325 kPa ou 1,01325 bar ou 760 mmHg

Volume molar de um gás ideal = 22,414 l/mol

No. Moles = Massa (gramas) , independem das condições de P e T

Massa Molecular

C3H8 + 5 O2 --> 3 CO2 + 4 H2O (v)

1 mol + 5 moles --> 3 moles + 4 moles As proporções molares 1 : 5 --> 3 : 4 , independem de P e T

1 litro + 5 litros --> 3 litros + 4 litros As proporções volumétricas 1 : 5 --> 3 : 4 , a CNTP : 0 C e 1 atm

1,092 l + 5,458 l --> 3,274 l + 4,366 l As proporções volumétricas 1,0921 : 5,458 --> 3,274 : 4,366 , a CNTP : 25 C e 1 atm

Queima com deficiência de ar - Alimentação de ar inferior ao teórico.

- Finalidade de produzir gases parcialmente oxidados, como o CO obtido nos gasogênios

- Situações não desejadas, onde a deficiência de oxigênio não é intencional, normalmente devido falha operacional.

Queima de combustíveis sólidos - Deve-se observar que a composição de um combustível sólido em geral não corresponde a uma fórmula química definida e, assim sendo, não se pode

falar em kmol desse combustível. As análises indicam geralmente as porcentagens em peso dos diversos elementos constituintes ou dos princíos

imediatos do combustível. Por este motivo, uma base de cálculo ponderal é normalmente mais vantajosa nestas situações. Por outro lado, quando a

análise de ORSAT é apresentada para os fumos, bserva-se que os cálculos realizados em kmol são em geral menos trabalhosos. Deve-se também se

atentar para a produção de fuligem e alcatrão, pois apesar de serem normalmente ignoradas nos cálculos, a queima de combustíveis sólidos conduza

normalmente a sua formação.

Combustão sem ar

- Em muitos processos de interesse prático a queima de combustível não é realizada com oxigênio do ar. Em seu lugar, um oxidante é empregado para

oxidar os elementos combustíveis, porém o resultado final do processo é ainda o mesmo : a energia decorrente da oxidação desses elementos é

liberada e poderá ser utilizada para aquecimento ou realização de trabalho. No caso de processos que utilizam oxigênio oriundo de subprocessos

para enriquecer o ar de combustão, isto é conveniente, pois a quantidade de fumos produzidos será muito menor. A redução na quantidade de

nitrogênio é desejável, por dois motivos principais : em primeiro lugar porque reduzindo a pressão parcial do oxigênio durante a combustão , dificulta

a complementação integral das reações. Em segundo lugar, porque os fumos, saindo quentes pela chaminé, carregam consigo uma quantidade maior

ou menor de energia inaproveitável. A eliminação do nitrogênio na alimentação do forno reduz consideravelmente essas perdas.

- Em muitos processos o ar não pode ser utilizado para realizar a combustão. É o caso de da queima dos combustíveis (propelantes) utilizados nos foguetes

Oxidantes de maior densidade e maior teor de oxigênio são testados e utilizados nesta operação.

EXEMPLO - 1 - Mistura Gasosa

1- Enunciado

O GLP apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás butano (C4H10)

Calcular o volume de ar teórico para a combustão de 1 litro de GLP a 27 C e 700 mmHg

2 - Dados

GLP 1,0 litro

C3H8 0,5 litro

C4H10 0,5 litro

3 - Equações do Sistema

C3H8 + 5 O2 ----> 3 CO2 + 4 H2O

C4H10 + 6,5 O2 ----> 4 CO2 + 5 H2O

4- Cálculos Estequiométricos

Combustível Volume (l) O2 (litros) CO2 (litros) H2O(litros)

C3H8 0,50 2,50 1,50 2,00

C4H10 0,50 3,25 2,00 2,50

Total 1,00 5,75 3,50 4,50

O2 estequimétrico 5,75 litros

O2 excesso 0 litros

O2 real adicionado 5,75 litros

N2 real adicionado 21,63 litros = O2 real adicionado X 79/21

Ar real adicionado 27,38 litros a CNTP : 760 mmHg a 0 C

(27,38 x 760)/273 = (V2 x 700)/300 --> V2 = (27,38 x 760 x 300) / (700 x 273) = 32,67 litros

Ar real adicionado = 32,67 litros , a 700 mmHg e 27 C (Fator 1,193207)

5 - Fluxograma Final Simplificado do Processo

GLP 1,1932

C3H8 0,5966

C4H10 0,5966

CO2 4,1762 litros

Ar 32,67 H2O 5,3694 litros

O2 6,86 N2 25,81 litros

N2 25,81

700 mmHg e 27 C 700 mmHg e 27 C

GLP 0,04464

C3H8 0,02232

C4H10 0,02232

CO2 4,1762 moles

Ar 1,2223 H2O 5,3694 moles

O2 0,2567 N2 0,9656 moles

N2 0,9656

6 - Relação Ar / Combustível

R = ( 1,2223 mol / 0,04464 mol ) = 27,38

7 - Emissão de CO2 - ECO2 (kg)

ECO2 = 4,1762 mol . 1 kmol/1000 mol . 44 kg/kmol = 0,184 kg

Reagentes Produtos

Combustão

Combustão

EXEMPLO - 2 - Mistura Gasosa

1- Enunciado

Um sistema de combustão é alimentado com uma mistura gasosa (MG) e ar, conforme os dados. Calcular as vazões do sistema

2- Dados

MG 1000 mol/min

CO 40 %

H2 20 %

H2S 10 %

CH4 10 %

C2H6 10 %

O2 5 %

N2 5 %

Exc. Ar 30 %

3- Equações do Sistema

CO + 0,5 O2 ----> CO2

H2 + 0,5 O2 ----> H2O

H2S + 1,5 O2 ----> H2O + SO2

CH4 + 2 O2 ----> CO2 + 2 H2O

C2H6 + 3,5 O2 ----> 2 CO2 + 3 H2O


Combustível No. Moles O2 (Moles) CO2(moles) SO2(moles) H2O(moles)

CO 400 200 400 0 0

H2 200 100 0 0 200

H2S 100 150 0 100 100

CH4 100 200 100 0 200

C2H6 100 350 200 0 300

O2 50 0 0 0 0

N2 50 0 0 0 0

Total 1000 1000 700 100 800

O2 estequimétrico 1000 mol/min

O2 combustível 50 mol/min

O2 teórico 950 mol/min

O2 excesso 285 mol/min

O2 real adicionado 1235 mol/min

N2 combustível 50 mol/min

N2 real adicionado 4646 mol/min = O2 real adicionado X 79/21

Ar real adicionado 5881 mol/min

5 - Fluxograma Final Simplificado do Processo

MG 1000

CO 400

H2 200 CO2 700 mol/min

H2S 100 SO2 100 mol/min

CH4 100 H2O 800 mol/min

C2H6 100 O2 285 mol/min

O2 50 N2 4696 mol/min

N2 50 6581

Ar 5881

O2 1235

N2 4646

6 - Relação Ar / Combustível

R = ( 5.881 mol/min / 1.000 mol/min ) = 5,881

7 - Emissão de CO2 - ECO2 (kg/h)

Reagentes Produtos

MG

Ar

Gases deCombustão

Combustão

Combustão

Combustão

EXEMPLO - 3 - Utilizando Composição dos Fumos

1- Enunciado

Um caldeira queima óleo combustível seco. Os fumos saem da chaminé e sua análise média é 11,2% CO2 , 0,4% CO e 6,2% O2.

Admitindo que o óleo combustível seja constituído inteiramente de hidrocarbonetos e e desprezando a formação de fuligem, calcular :

a) Porcentagem de Ar em excesso

b) Composição do Óleo Queimado

2- Dados

Fumos

CO2 11,2 % Ar Seco a 65 F

CO 0,4 % Fumos a 560 F

O2 6,2 % PCI 18700 Btu/lb


1,0 C + 1,0 O2 ----> CO2

1,0 C + 0,5 O2 ----> CO

1,0 H2 + 0,5 O2 ----> H2O


Combustível No. Moles O2 (Moles) CO2(moles) CO(moles) H2O(moles) O2(moles) N2(moles)

C 11,6 11,4 11,2 0,4

O2 6,2 6,2 6,2

H2 y y/2 y

N2 82,2 82,2

Total 100+y 17,6 + y/2 11,2 0,4 - 6,2 82,2 100

a) Porcentagem de Ar em excesso

Total de O2 Adicionado na Caldeira = 82,2 . 21/79 = 21,85 moles

x = O2 utilizado na formação de H2O = 21,85 - 17,6 = 4,25 moles

y = Água Formada = 2 x 4,25 moles = 8,5 moles (= 8,5 moles H2)

Total O2 utilizado na combustão = 21,85 - 6,2 = 15,65 moles

O2 em excesso = (6,2/15,65) . 100 = 39,6 %

b) Composição do Óleo Queimado

H2 ----> 2 H , então H = 2 . 8,5 = 17 moles Composição em massa

C = 1. 12 = 12,000 89,1 %

H/C = 17/11,6 = 1,466 ----> Fórmula : (CH1,466)m H = 1,466 . 1 = 1,466 10,9 %

13,466

Reagentes Produtos (Base = 100 mol fumos secos)

EXEMPLO - 4 - Utilizando o PC do combustível

1- Enunciado

Um carvão com PCI = 7500 kcal/kg, contém 31% de MV, 42% de CF e 7% de cinza.

Durante a operação, verifica-se que o resíduo contém 8% de MV, 11% de CF e o restante de cinza.

Calcular a energia perdida com o combustível que passa pela grelha numa alimentação de 500 kg/h de carvão.

Para verificar o grau de eliminação da MV no resíduo, calcula-se a relação (CF/MV) no carvão e no resíduo :

(CF/MV)carvão = 42/31 = 1,355 e (CF/MV)resíduo = 11/8 = 1,355

As relações são praticamente iguais, demonstrando que o carvão passou pela grelha antes de ser coqueificado.

Vazão de Cinza = 500 x 0,07 = 35 kg/g

Resíduo Composição do Resíduo : 8% MV , 11% CF e 81% de cinzas.

Vazão de Resíduo = 35 / 0,81 = 43,2 kg/h e Combustível no Resíduo = (0,08 + 0,11) . 43,2 = 8,2 kg/h

Composição do Carvão : 31% MV , 42% CF e 7% cinzas

Combustível

Combustível total no carvão = (0,31 + 0,42) . 500 = 365 kg/h

% Combustível que se perde = (8,2/365) . 100 = 2,2%

Perdas

Energia Perdida = 500 . 7500 . 0,022 = 82.500 Kcal/h

EXEMPLO - 5 - Um carvão com 80% de carbono, 6% de umidade e teores desprezíveis de enxofre e nitrogênio é queimado com ar seco, sem perdas,

fornecendo fumos cuja análise de Orsat revela 12% de CO2, 2% de CO e 6% de O2 a pressão de 700 mmHg.

Calcular a pressão parcial do vapor dágua nos fumos.

1- Dados

Fumos a 700 mmHg Carvão : 80% de Carbono e 6% de umidade

CO2 12 %

CO 2 %

O2 6 %


1,0 C + 1,0 O2 ----> CO2

1,0 C + 0,5 O2 ----> CO

1,0 H2 + 0,5 O2 ----> H2O


Combustível No. Moles O2 (Moles) CO2(moles) CO(moles) H2O(moles) O2(moles) N2(moles)

C 14 13 12 2

O2 6 6 6

H2 y y/2 y

N2 80 80

Total 100+y 19 + y/2 12 2 - 6 80 100

Total de O2 Adicionado na Caldeira = 80 . 21/79 = 21,27 moles

y/2 = O2 utilizado na formação de H2O = 21,27 - 19,00 = 2,27 moles

y = Água Formada na Combustão= 2 x 2,27 moles = 4,54 moles (= 4,54 moles H2)

Total O2 utilizado na combustão = 21,27 - 6,0 = 15,27 moles

O2 em excesso = (6,0/15,27) . 100 = 39,3 %

Água que entrou junto com o carvão : (14X12/0,8)x0,06 = 12,6 kg-água ----> No. Moles de Água = 12,6/18 = 0,7 moles

Total de água no fumos = 4,54 + 0,70 = 5,24 moles

Componente Moles % Pi

CO2 12 11,40 79,82

CO 2 1,90 13,30

H2O 5,24 4,98 34,85

O2 6 5,70 39,91

N2 80 76,02 532,12

Total 105,24 100 700

Reagentes Produtos (Base = 100 mol fumos secos)

Fumos a 700 mmHg

EXEMPLO - 6 - Um hidrocarboneto gasoso puro alimenta-se a 20 C a um forno, onde é queimado, fornecendo fumos a 450 C e pressão atm,

contendo 10,8 % de CO2 e 3,8% de O2, sendo restante constituído de nitrogênio.

Calcular :

1-A relação entre o Carbono e Hidrogênio do Combustível e se possível o nome e fórmula do combustível

2-A relação volumétrica (fumos/combustível), nas condições de operação

3-A vazão de fumos, em m3/min, sabendo-se que o combustível é alimentado a 210 kg/h

a) Dados

Hidrocarboneto gasoso : 210 kg/h e 20 C

CO2 10,8

O2 3,8

N2 85,4

b) Equações do Sistema

C + O2 ----> CO2

H + 1/2 O2 ----> H2O

c) Cálculos Estequiométricos

Combustível No. Moles O2 (moles) CO2(moles) H2O(moles) O2(moles) N2(moles)

CO2 10,8 10,8 10,8

O2 3,8 3,8 3,8

H2 y y/2 y

N2 85,4 - 85,4

Total 100+y 14,6+y/2 10,8 y 3,8 85,4

Total de O2 adicionado no queimador = 85,4 x (21/79) = 22,70 moles

y/2 = O2 utilizado na formação da água = 22,70 - 14,60 = 8,1 moles

y = Água formada na combustão = 2 x 8,1 = 16,2 moles

y = H2 do combustível na formação de água = 16,2 moles

2 H ----> H2 : [H] = 32,4 moles [C] = 10,8 moles 1-) [H]/[C] = 32,4/10,8 = 3 ----> CnH3n = C2H6 ---> etano

2-) Relação Molar (fumos/combustível)

Componente Moles % Pi C2H6 + 3/2 O2 -----> 2 CO2 + 3 H2O

CO2 10,8 9,29 70,64 1 mol 1,5 mol 2 mol 3 mol

H2O 16,2 13,94 105,96 5,4 mol 8,1 mol 10,8 mol 16,2 mol

O2 3,8 3,27 24,85

N2 85,4 73,49 558,55 Patm . Vf = Nf . R . Tf Vf = Nf . Tf ---> Vf = 116,2 .(450+273) = 53,1

Total 116,2 100 760 Patm . Vc = Nc . R . Tc Vc Nc . Tc Vc 5,4 . (20+273)

3-) 210 kg/h Q = 210 kg-c/h . 1h/60 min . 1 kg-mol-c/30 kg-c . 22,4 m3/kg-mol-f . 116,2 kg-mol-f/5,4 kg-mol-c . 723 K-f/273 K-P

Q = 149 m3/min de vazão de fumos

Fumos a 450 C e Patm, %

Reagentes Produtos

Fumos a 450 C e Patm

EXEMPLO - 7 - Um turbojato opera a uma altitude onde a pressão barométrica é de 500 mmHg, utilizando um combustível com 87% de carbono,

e 13% de hidrogênio, em peso. O ar é alimentado seco a -10 C. A análise de Orsat dos gases de combustão foi realizada a 20 C e

750 mm Hg, dando o seguinte resultado : CO2 14,9% , O2 0,9% , N2 84,2%. De sua opinião sobre as análises acima mencionadas e

calcule a relação (m3-ar / kg.combustível) nas condições de operação.

a-)Dados : Turbojato ----> 500 mmHg e -10 C , combustível com 87% de carbono e 13% de hidrogênio em peso.

Compon. % Vol.

CO2 14,9

O2 0,9

N2 84,2

b-) Equações do Sistema

C + O2 -----> CO2

H2 + 0,5 O2 -----> H2O

c-) Cálculos Estequiométricos

Comp kmol O2(kmol) CO2 O2 H2O N2

C 14,9 14,9 14,9

O2 0,9 0,9 0,9

H2 y y/2 y

N2 84,2 84,2

Total 100 15,8 Total

Total de Oxigênio adicionado ao queimador = 84,2 x (21/79) = 22,38 kmol

Oxigênio utilizado na combustão para formação de CO2 = 14,9 kmol

Oxigênio utilizado na formação de água, sem o excesso de ar = 22,38 - 14,9 - 0,9 = 6,58 kmol

Água formada na combustão = 2 x 6,58 = 13,16 kmol

H2 consumido na formação da água = 13,16 kmol

Ar utilizado para a combustão = 84,2 + 22,38 = 106,58 kmol

d-) Análise dos cálculos

Relação [C]/[H] do combustível = (87/12) / (13/2) = 7,25/6,5 = 1,1154

Diferença de 1,5% , permitindo validar os resultados.

Relação [C]/[H] calculada pelos fumos = (14,9) / (13,16) = 1,1322

Quantidade de combustível = (14,9 kmol-C x 12 kg-C/kmol-C) / (0,87 kg-C/kg-combustível) = 205,5 kg de combustível

Quantidade de Ar em Nm3 : 1 kmol ----> 22,4 Nm3 (0 C e 760 mmHg) ----> 106,58 kmol resulta em 2.387,39 Nm3

Quantidade de Ar em m3 : (760 x 2.387,39) / (R x 273) = (500 x Var) / (R x 263) ----> Var = 3.496 m3-ar

Relação m3-ar/kg-combustível = 3496/205,5 = 17,01 m3/kg

Fumos

Reagentes Produtos

EXEMPLO - 8 - Três análises devem ser apresentadas para um mesmo carvão seco ao ar : Análise Elementar, Análise Imediata e Análise Elementar

Modificada, em que se procede a distribuição do hidrogênio livre ou hidrogênio combustível.

Complete as três análises no quadro que se segue e fazer uma estimativa da %H pela fórmula de Seyler.

Elemento % Elemento % Elemento % Fórmula de Seyler

C 78 CF 65 C 78 %H = 1,72 + 2,43 . Log(MV)

H 6 U 4 U 4 MV : sem água e sem cinza

O 7 MV 27 H2O combinada 3,88 MV = (MVx100)/(MV+CF)

N 3 Z 4 H livre(combustível) 5,12

S 2 - - N+S 5

Z 4 - - Z 4

Análises com base no combustível base seca ao ar.

a-) Oxigênio na análise elementar = 100 - (78+6+3+2+4) = 7 %

b-) Teor de Cinzas = Z = 4% em todas as análises

Matéria Volátil = 100 - (65+4+4) = 27%

c-) Na análise elementar modificada, C, U, N+S e Z são os mesmos valores da análise elementar e imediata.

O hidrogênio da análise elementar representa : hidrogênio combinado com oxigênio do combustível + hidrogênio livre

O oxigênio encontrado na análise elementar encontra-se combinado com hidrogênio

H-l i vre = 6 - (7 x (2/16)) = 5,12 %

A água combinada é obtida por diferença = 100 - (78+4+5,12+5+4) = 3,88 %

d-) MV´ = 27/(27+65) = 29,4 % em base seca e sem cinzas.

%H = 1,72 + 2,43 log 29,4 = 5,4 % , 10% inferior ao valor da análise elementar.

Análise Elementar Análise Imediata Análise Elem. Modificada

EXEMPLO - 10 - Um motor de automóvel está sendo alimentado com alcool metílico puro, utilizando-se 10% de ar em excesso relativamente

ao teórico. Realizada a queima completa do combustível, uma amostra de gases de combustão é removida do cano de escape

e cuidadosamente analisada num aparelho de ORSAT.

Que análise de ORSAT esperamos obter ? Determine o ar em excesso empregado e o tipo de combustível.

1-) Equações do sistema :

CH3OH + 1,5 O2 -----> CO2 + 2 H2O

2-) Cálculos Estequiométricos


CH3OH 1 1,5 1 2

O2 excesso - 0,15 0,15

N2 6,21 6,21

Total 7,21 1,65 1 0,15 2 6,21

Total

Análise do ORSAT (sem a indicação do teor de água)

Componente kmol %

CO2 1 13,59

O2 0,15 2,04

N2 6,21 84,37

Total 7,36 100

3-) Determine o excesso de ar e o combustível utilizado caso conhecessemos somente a análise de ORSAT.

C + O2 -----> CO2


C 13,59 13,59 13,59 2 H ----> H2

O2 excesso - 2,04 2,04

H2 y y/2 y

N2 84,37 -

Total 100+y 15,63 +y/2

Total

Oxigenio alimentado na combustão = 84,37 x (21/79) = 22,43 kmol

Oxigênio utilizado na formação de água = 22,43 - 15,63 = 6,8 kmol

Hidrogênio utilizado na formação da água = 2 x 6,8 = 13,6 kmol

Água formada = 2 x 6,8 = 13,6 kmol

Excesso de ar = (2,04/(22,43-2,02)) x 100 = 10 %

Formula do Combustível = [H]/[C] = 27,18/13,59 = 2 -----> (CH2)n Composição em Massa

C ----> 1 x 12 = 12 85,70%

CH2OH ? CH3-CHOH ? H ----> 2 x 1 = 2 14,30%

8,86 9,36

Reagentes Produtos

Reagentes Produtos

EXEMPLO - 11 - Um combustível seco, sem nitrogênio, é queimado num forno, de modo a produzir fumos que , cuidadosamente analisados num

aparelho de ORSAT , revelam conter 11% de CO2, 3% de CO, 6% de O2 e 80% de N2.

Calcular a porcentagem de ar em excesso empregado na combustão.

1-) Equações do sistema

C + O2 ----> CO2

C + 0,5 O2 ----> CO

H2 + 0,5 O2 ----> H2O

2-) Cálculos Estequiométricos

Comp kmol O2(kmol) CO2 CO O2 H2O N2

C 14 12,5 11 3

H y y/2 y

O2 excesso - 6 6

N2 80 - 80

Total 94 + y 18,5 + y/2 11 3 6 y 80

Total

O nitrogênio analisado nos fumos, corresponde ao total de ar (O2 + N2) adicionado no forno.

Oxigênio total adicionado ao forno = 80 x (21/79) = 21,27 kmol

Oxigênio utilizado na combustão do C = 12,5 kmol

Oxigênio utilizado formado na água = 21,27 - 12,5 - 6 = 2,77 kmol

Oxigênio teórico utilizado na combustão = 15,27 kmol

Ar total utilizado na combustão = 21,27 / 0,21 = 101,29 kmol

Ar teórico necessário na combustão = 15,27 / 0,21 = 72,71 kmol

Agua formada na combustão = 2 x 2,77 = 5,54 kmol

Hidrogênio utilizado na combustão = 2 x 2,77 = 5,54 kmol

Ar em excesso na combustão = (101,29 - 72,71) x 100 / 72,71 = 39,31 % de ar em excesso

Relação [H]/[C] = 5,54/14 = 0,3957 (CH0,4)n (C2,5H)n (C5H2)n

Reagentes

112,5 + 1,5 y

Produtos

100 + Y

EXEMPLO - 12 - Um motor de automóvel, trabalhando a pressão atmosférica, utiliza gasolina que contém 88% de carbono e 12 % de hidrogênio nem peso

a-) Calcular a análise de ORSAT dos gases de escape, a massa de ar seco requerida por quilo de combustível, o volume de ar a 20 C e o volume

de gases de escape a 600 C. Considere combustão completa com o ar seco teoricamente necessario.

b-) Repetir os cálculos para combustão realizada com 90% do ar teórico, em condições tais que o oxigênio seja completamente consumido e

que a relação molar (CO/H2) nos gases de combustão seja igual a 2.

a-) Equações do sistema : Base de cálculo : 100 kg de combustível

C + O2 ----> CO2 C = 88/12 = 7,33 kmol

H2 + 0,5 O2 --> H2O H = 12/2 = 6 kmol

Cálculos Estequiométricos :


C 7,33 7,33 7,33 - - - -

H 6,00 3,00 - - - 6,00 -

O2 excesso 0,00 0,00 - - 0,00 - -

N2 38,86 - 38,86

Total 52,19 10,33 7,33 0,00 0,00 6,00 38,86

Total

N2 utilizado na combustão teorica completa = 10,33 x (79/21) = 38,86 kmol

Ar necessário = 10,33 + 38,86 = 49,19 kmol

Ar seco necessário = 10,33 kmol-O2 x 32 kg-O2/kmol-O2 + 38,86 kmol-N2 x 28 kg-N2/kmol-N2 = 330,56 + 1.088,08 = 1.418,64 kg-ar.seco

kg-Ar-Seco / Kg-Combustível = 1418,64 / 100 = 14,2

Volume de Ar a 20 C (760 . 1101,9)/(R . 273) = (760 . Var)/(R . 293)

CNTP ----> 49,19 kmol x 22,4 = 1.101,9 Nm3 Var = 1.182,6 m3 a 1 atm e 20 C

Var / kg-Combustível = 11,83 m3/kg

Volume de Fumos a 600 C (760 . 1169,1)/(R. 273) = (760 . Vfumos)/(R . 873)

Fumos produzidos = 52,19 kmol Vfumos = 3.738,6 m3 a 1 atm e 600 C

CNTP -----> 52,19 kmol x 22,4 = 1.169,1 Nm3 Vfumos/kg-Combustível = 37,39 m3/kg

Análise do ORSAT (sem a indicação do teor de água)

Componente kmol %

CO2 7,33 15,9

O2 0 0

N2 38,86 84,1

Total 46,19 100

b-) Equações do sistema : Base de cálculo : 100 kg de combustível CO/H2 = 2 ----> CO = 2 H2

C + O2 ----> CO2 C = 88/12 = 7,33 kmol

H2 + 0,5 O2 --> H2O H = 12/2 = 6 kmol


Comp kmol O2(kmol) CO2 CO H2 O2 H2O N2

C 7,33 6,645 5,96 1,37 - - -

H2 6,00 2,655 - - 0,69 - 5,31 -

O2 excesso 0,00 0,000 - - 0,00 - -

N2 34,97 - 34,97

Total 48,30 9,30 5,96 1,37 0,69 0,00 5,31 34,97

Total

CO formado = x x1+x2 = 6

O2 alimentado = 9,30 = (O2 do CO2) + (O2 do CO) + (O2 da H2O)

= 9,30 = (7,33 - x ) + x/2 + (O2 da H2O)

(O2 da H2O) = 1,97 + x/2

(H2 da H2O) = 2 (O2 da H2O) = 3,94 + x

57,60

Produtos

48,30

Reagentes Produtos

62,52 52,19

Reagentes

EXEMPLO - 13 - Calcular as perdas de energia pelos gases de combustão de um forno alimentado com carvão encerrando 80% de carbono e cujo poder

calorífero inferior é igual a 7900 kcal/kg, sabendo que os mesmos saem pela chaminé a 700 C, com a seguinte composição : CO2 = 10% , CO = 2%

N2 = 80% , O2 = 3% e H2O = 5%.

Dê suas recomendações sobre as possibilidades de reduzir as perdas.

Dados : Alimentação com Carvão com 80% de Carbono, PCI = 7900 kcal/kg

Composto % 1,0 kmol

CO2 10 0,10

CO 2 0,02

N2 80 0,80

O2 3 0,03

H2O 5 0,05

a-) Equações do sistema :

C + O2 ----> CO2 CO + 0,5 O2 ----> CO2 DH = - 67,9 kcal/mol

C + 0,5 O2 ----> CO

H2 + 0,5 O2 ----> H2O



C 0,120 0,110 0,100 0,020

H 0,050 0,025 0,050

O2 excesso 0,030 0,030

N2 0,800 - 0,800

Total 0,970 0,165 0,100 0,020 0,030 0,050 0,800

Total

Quantidade de C queimado = 0,12 kmol x 12 kg/kmol = 1,44 kg

Quantidade de Carvão queimado = 1,44 kg / 0,80 = 1,80 kg

Energia liberada na combustão = 1,80 kg x 7900 kcal/kg = 14220 kcal

Entalpia de aquecimento dos gases :

DHp = (0,1 x 11,35 + 0,02 x 7,35 + 0,8 x 7,28 + 0,03 x 7,70 + 0,05 x 8,76) . (700 - 18) = 5300 kcal

Entalpia de combustão do CO não-queimado

DHco = 0,02 kmol x 67,9 kcal/mol x 1000 mol/kmol = 1358 kcal

Entalpia total dos gases (fumos) = 5300 + 1358 = 6658 kcal

Perda total de energia pela chaminé = 6658 x 100 / 14220 = 47 %

Recomendações para reduzir perdas :

-Deve-se alimentar mais ar de combustão, de modo a reduzir a quantidade de CO presente nos fumos reduziondo a perda em 20%

-Com a entalpia dos fumos pode-se pré-aquecer o ar alimentado ou produzir vapor.

8,76

Gases de Saída da Combustão 700 C

Entalpia,ref.18C - kcal/kmol . C

11,35

7,35

7,28

7,7

Reagentes Produtos

1,135 1,000

EXEMPLO - 14 - Um forno experimental queima metano com a quantidade teórica de ar, no entanto, devido problemas de construção a reação de combustão

não se completa integralmente. Dez por cento do carbono queimado formam CO, o restante passando a CO2. Não se forma fuligem e alcatrão.

O metano é alimentado a 25 C e o ar, com 30% de umidade, é preaquecido a 80 C. Os fumos saem do forno a 450 C.

Calcular a porcentagem do metano alimentado que é realmente alimentado no forno.

Dados :

Pressão barométrica : 700 mmHg , Pressão de Vapor da àgua a 80 C : 355 mmHg

Base de Cálculo : 1 kmol de CH4 alimentado , Seja x a fração de metano que realmente se queima no forno.

a-) Equações do sistema :

CH4 + 2 O2 ------> CO2 + 2 H2O

CH4 + 1,5 O2 ------> CO + 2 H2O


Comp kmol CO2 CO O2 H2O N2

CH4 x 0,9 x 0,1 x 2 - O2comb 2 x

N2 O2 .79/21 . O2 . 79/21

Total

Total

O2 teórico = 2 kmol Ar = 9,52 kmol Metano não queimado = (1-x)

N2 = 2 . 79/21 = 7,52 kmol

H2O alimentada com o ar = 9,52 kmol . (0,3 . 355)/(700 - (0,3 . 355)) = 1,71 kmol

Fumos produzidos = ( CH4 + CO2 + CO + H2O + N2 + O2 ) = (1-x) + (0,9x) + (0,1x) + (1,71+2x) + 7,52 + (2 - 2.(0,9x) - 1,5.(0,1x))

Fumos produzidos = (1-x) + (0,9x) + (0,1x) + (1,71+2x) + 7,52 + (2-1,95x)

Balanço de Energia : ΔH = Σ Hp + Σ Hp-vap + Σ ΔH18 - Σ Hr = 0

Σ Hp ---> Somatória da entalpias dos componentes dos fumos em relação a variação do calor sensível a 450 C

Σ Hp = * (1-x).11,21 + (0,9x).10,66 + (0,1x).7,16 + 7,52 . 7,12 + (2-1,95x). 7,46 + (1,71+2x). 8,42 + . (450 - 18) = ( 40.634 + 598 x ) kcal

Σ Hp-vap ---> 584 kcal/kg ou 584 . 18 = 10.510 kcal/kmol é a entalpia de vaporização da água a 18C

--->No balanço deve entrar, pois é energia requerida para evaporar água (calor latente) contida no ar e formada na combustão

Σ Hp-vap = (1,71 + 2x) . 584 . 18 = ( 17.976 + 21.024 x ) kcal

Σ ΔH18 ---> - 212.798 kcal/kmol é a entalpia padrão de combustão do metano e -67.636 kcal/kmol é a entalpia de passagem do CO a CO2.

Σ ΔH18 = ( - 212798 . x ) - ( 67636 . 0,1 x ) = ( - 206034 x ) kcal

- Σ Hr ---> Somatória das entalpias dos reagentes : ar , água no ar e metano em relação a variação do calor sensível

- Σ Hr = 9,52 (6,955) . (80-18) + 1,71 . (10.510 + 8,03 (80-18)) + 1,0 (8,62) . (25-18) = 23.010 kcal

Σ Hp + Σ Hp-vap + Σ ΔH18 - Σ Hr = 0

40634 + 598x + 17976 + 21024x - 206014x - 23010 = 0

35600 = 184392x -----> x = 0,1931

Portanto, apenas 19,3 % do metano alimentado realmente chegam a queimar.

Reagentes Produtos

O2(kmol)

(2.(0,9x) + 1,5.(0,1x)

-

cálculos estequiométricos_balanço material_combustão

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