Após um processo de pirólise, a análise do gás de um produto forneceu
de
de
de
de
de
e
de
. Esse gás entrou na câmara de combustão a
e a uma pressão de 35 inHg , foi queimado com 40% de excesso de ar (seco) que estava a
e a uma pressão atmosférica de 29,4 inHg, e 10% de CO permaneceram não queimados. Considerando como base de cálculo 100 lbmol de gás entrando na câmara de combustão e, sabendo que o gás de exaustão (saída de câmara de combustão) estava a 29,4 inHg e
F calcule a razão volumétrica entre o gás de exaustão e o de entrada.
Passo 1
Vamos começar resumindo o que o exercício nos apresenta. Temos um gás resultante de um processo de pirólise com a seguinte composição percentual:
- 6,4% de
- 0,1% de
- 39% de
- 51,8% de
- 0,6% de
- 2,1% de
Esse gás entra na câmara de combustão a uma temperatura de
e pressão de 35 inHg. Ele é queimado com 40% de excesso de ar seco, que está a
e pressão atmosférica de 29,4 inHg. Além disso, 10% de
permanecem não queimados após a combustão.
A base de cálculo é de 100 lbmol de gás entrando na câmara de combustão. Sabemos que o gás de exaustão sai a 29,4 inHg e
F. Nosso objetivo é calcular a razão volumétrica entre o gás de exaustão e o de entrada.
Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de balanceamento de reações químicas, estequiometria de combustão e a Lei dos Gases Ideais para relacionar volumes, temperaturas e pressões.
Passo 2
Primeiro, vamos considerar 100 lbmol de gás de entrada. Isso facilita nossos cálculos, pois trabalharemos com percentuais diretamente como mols. Então, temos:
-
: 6,4 lbmol -
: 0,1 lbmol -
: 39 lbmol -
: 51,8 lbmol -
: 0,6 lbmol -
: 2,1 lbmol
Passo 3
Agora, precisamos determinar quanto ar será fornecido para a combustão. Sabemos que há 40% de excesso de ar. Primeiro, vamos calcular o ar teórico necessário para queimar completamente os componentes combustíveis do gás.
Os componentes combustíveis são:
,
e
.
Para cada uma dessas substâncias, vamos determinar a quantidade de oxigênio necessária para a combustão completa:
- Para
: - Para
: - Para
:
Passo 4
Calculando o oxigênio necessário para cada componente:
-
: 39 lbmol de × 0,5 = 19,5 lbmol de -
: 51,8 lbmol de × 0,5 = 25,9 lbmol de (porque para cada 2 mols de , precisamos de 1 mol de ) -
: 0,6 lbmol de × 2 = 1,2 lbmol de
Total de
teórico necessário: 19,5 + 25,9 + 1,2 = 46,6 lbmol
Com 40% de excesso de ar, o ar fornecido será: 46,6 × 1,4 = 65,24 lbmol de
Passo 5
Sabendo que o ar é composto por aproximadamente 21% de
e 79% de
, vamos calcular a quantidade de ar fornecido.
Mols de ar necessários: 65,24 lbmol de
÷ 0,21 ≈ 310,67 lbmol de ar
Dessa quantidade de ar, a quantidade de
fornecida é: 310,67 × 0,79 ≈ 245,31 lbmol de
Passo 6
Agora, vamos balancear os produtos da combustão. Lembrando que 10% de
permanece não queimado.
Primeiro, calculamos a quantidade de
remanescente:
Agora, ajustamos o
:
Então, o
queimado = 39 - 3,9 = 35,1 lbmol, que será convertido em
.
Portanto, produtos da combustão:
-
de combustão: 35,1 lbmol -
inicial: 6,4 lbmol -
Total
: 6,4 + 35,1 = 41,5 lbmol -
: 51,8 lbmol de produzirão 25,9 lbmol de consumidos, formando 51,8 lbmol de -
: 0,6 lbmol totalmente queimado formam 0,6 lbmol de e 1,2 lbmol de
Total
: 51,8 + 1,2 = 53 lbmol
-
Gases inertes:
do ar fornecido = 245,31 lbmol -
não queimado: 3,9 lbmol -
remanescente: 18,64 lbmol
Passo 7
Agora, vamos compilar todos os produtos da combustão:
-
: 41,5 lbmol -
: 53 lbmol -
: 245,31 lbmol -
não queimado: 3,9 lbmol -
remanescente: 18,64 lbmol
Total de produtos: 41,5 + 53 + 245,31 + 3,9 + 18,64 ≈ 362,35 lbmol
Passo 8
Vamos agora calcular os volumes dos gases de entrada e de exaustão usando a Lei dos Gases Ideais, que relaciona pressão, volume e temperatura:
Onde:
- $ V $ = volume
- $ n $ = mols
- $ R $ = constante dos gases (constante proporcional)
- $ T $ = temperatura absoluta (°R)
- $ P $ = pressão
Para facilitar, podemos calcular a razão volumétrica usando a relação direta entre $ \frac{nT}{P} $.
Primeiro, precisamos converter as temperaturas de Fahrenheit para Rankine (°R):
Entradas:
- Temperatura de entrada: 90°F → 549,67°R
- Pressão de entrada: 35 inHg
Exaustão:
- Temperatura de exaustão: 400°F → 859,67°R
- Pressão de exaustão: 29,4 inHg
Passo 9
Calculando a razão volumétrica:
Onde:
- $ n_{ex} $ = 362,35 lbmol
- $ T_{ex} $ = 859,67°R
- $ P_{ex} $ = 29,4 inHg
- $ n_{in} $ = 100 lbmol
- $ T_{in} $ = 549,67°R
- $ P_{in} $ = 35 inHg
Substituindo:
Calculando passo a passo:
Resposta
A razão volumétrica entre o gás de exaustão e o de entrada é aproximadamente 6,76.