Um carvão coque seco, constituído praticamente de
em peso de carbono e
em peso de cinza, com poder calorífico de
, deve ser usado no aquecimento de um forno. A combustão se dará com
de ar em excesso. O coque é alimentado na temperatura ambiente e o ar será pré-aquecido a 200 ॰C. Desprezando perdas de combustível e supondo combustão completa do carbono, determinar a temperatura teórica de combustão.
Passo 1
Beleza, vamos lá! Você me passou um exercício sobre combustão de carvão coque seco. A gente tem que calcular a temperatura teórica de combustão desse carvão quando ele é queimado com 20% de ar em excesso. Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de termodinâmica e balanço de energia, além de entender um pouquinho sobre combustão química. Vamos dividir isso em passos bem simples para facilitar.
Passo 2
Primeiro, vamos entender a composição do carvão coque seco:
- 90% de carbono ©
- 10% de cinza
Isso significa que para cada 1 kg de carvão, temos 0,9 kg de carbono e 0,1 kg de cinza. A cinza não participa da combustão, então vamos focar no carbono.
Passo 3
Agora, vamos calcular a quantidade de oxigênio necessária para a combustão completa do carbono. A equação química da combustão do carbono é:
Isso mostra que 1 mol de carbono reage com 1 mol de oxigênio para formar dióxido de carbono.
Vamos converter isso para massa:
- Massa molar do C: 12 g/mol
- Massa molar do O₂: 32 g/mol
- Massa molar do CO₂: 44 g/mol
Então, para cada 12 g de C, precisamos de 32 g de O₂.
Passo 4
Calculando para 0,9 kg de carbono:
Agora, vamos considerar o ar. O ar é cerca de 21% de O₂ e 79% de N₂ em volume. Em massa, isso é aproximadamente:
Então, a quantidade de ar necessária para a combustão completa é:
Passo 5
Agora, considerando os 20% de ar em excesso, a quantidade total de ar será:
Passo 6
Vamos fazer o balanço de energia. A energia liberada pela combustão do carbono é dada pelo poder calorífico:
Essa energia vai ser absorvida pelo ar pré-aquecido e pelos produtos da combustão (como o CO₂ e o N₂ que vem do ar).
Passo 7
Precisamos considerar que o ar está pré-aquecido a 200°C. Vamos assumir que a temperatura ambiente é de 25°C. A diferença de temperatura que o ar sofrerá é:
E a energia absorvida pelo ar será:
Assumindo que o calor específico do ar (
) é aproximadamente 1,0 Kcal/kg°C.
Passo 8
Igualando a energia liberada com a energia absorvida:
Resolvendo para
:
Resposta
A temperatura teórica de combustão do carvão coque seco é aproximadamente 501°C.