Gás natural com a seguinte composição volumétrica:
e
, é queimado com suprimento de ar restrito, produzindo um gás de combustão com a seguinte composição:
,
e
. Calcular: a) a quantidade de fuligem © produzida por kgmol de gás natural queimado; e (b) a quantidade de ar alimentada, expressa como uma percentagem da quantidade requerida (estequiométrica).
Passo 1
Bom, vamos começar entendendo o que o exercício está pedindo. Temos um gás natural com uma composição específica que está sendo queimado com uma quantidade restrita de ar. Após a queima, conhecemos a composição dos gases de combustão produzidos. Precisamos calcular:
a) A quantidade de fuligem © produzida por kgmol de gás natural queimado.
b) A quantidade de ar alimentada, expressa como uma percentagem da quantidade requerida estequiométrica.
Para resolver isso, vamos usar conceitos de estequiometria de combustão, que nos ajudam a balancear reações químicas e calcular quantidades de reagentes e produtos.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar a composição do gás natural fornecido:
- Metano (
): 78% - Etano (
): 14% - Dióxido de carbono (
): 1% - Nitrogênio (
): 7%
Como estamos trabalhando com mols, podemos considerar que temos 1 kgmol de gás natural com essas porcentagens. Isso significa que:
-
: 0,78 kgmol -
: 0,14 kgmol -
: 0,01 kgmol -
: 0,07 kgmol
Passo 3
Agora, vamos escrever a equação geral da combustão para cada componente do gás natural. A combustão completa de hidrocarbonetos gera dióxido de carbono (
) e água (
). No entanto, como há restrição de ar, também podemos formar monóxido de carbono (
) e fuligem ©.
Vamos considerar a combustão de cada componente:
Para o Metano (
):
Para o Etano (
):
Além disso, devemos considerar o
e
já presentes no gás natural que serão liberados nos produtos de combustão.
Passo 4
Vamos balancear as reações de combustão para cada componente.
Combustão do Metano (
):
Combustão do Etano (
):
Como estamos em condições de ar restrito, a combustão não é completa, resultando na formação de
e possivelmente fuligem ©.
Passo 5
Vamos agora analisar os produtos de combustão fornecidos:
- Água (
): 21,60% - Monóxido de carbono (
): 9,07% - Dióxido de carbono (
): 2,38% - Nitrogênio (
): 66,95%
Sabendo que a soma dessas porcentagens deve ser 100%, podemos usar essas informações para determinar a quantidade de ar fornecida e a produção de fuligem.
Passo 6
Para encontrar a quantidade de fuligem produzida, precisamos balancear o carbono. Todo carbono não convertido em
ou
forma fuligem ©.
Primeiro, calculamos o total de carbono nos reagentes:
- Metano: 0,78 kgmol
1 C/mol = 0,78 mol C - Etano: 0,14 kgmol
2 C/mol = 0,28 mol C - Total: 0,78 + 0,28 = 1,06 mol C
Agora, calculamos o carbono nos produtos:
- Dióxido de carbono: 0,01 kgmol
1 C/mol = 0,01 mol C - Monóxido de carbono: 0,09,07 kgmol
1 C/mol = 0,0907 mol C
Fuligem ©:
Passo 7
Para calcular a quantidade de ar fornecida em relação à estequiométrica, usamos a relação:
Inicialmente, determinamos o ar estequiométrico necessário para a combustão completa dos reagentes, considerando que o nitrogênio no ar não reage.
Passo 8
O ar é composto por aproximadamente 21% de oxigênio (
) e 79% de nitrogênio (
). Portanto, para cada mol de
, temos 3,76 moles de
.
Calculamos o oxigênio estequiométrico necessário:
- Metano: 0,78 kgmol
2 = 1,56 kgmol - Etano: 0,14 kgmol
3,5 = 0,49 kgmol - Total
necessário: 1,56 + 0,49 = 2,05 kgmol
Então, o ar estequiométrico necessário é:
Passo 9
A quantidade de ar fornecida pode ser determinada a partir do nitrogênio nos produtos de combustão.
Sabemos que:
No produto, temos 0,07 kgmol de
no gás natural +
proveniente do ar.
Dado que a composição dos produtos de combustão tem 66,95% de
, podemos relacionar isso para encontrar o ar fornecido.
Passo 10
Finalmente, calculamos a porcentagem de ar fornecida em relação ao estequiométrico:
Após os cálculos, obteremos a resposta para a quantidade de ar alimentada em relação ao necessário estequiometricamente.
Resposta
a) A quantidade de fuligem produzida por kgmol de gás natural queimado é aproximadamente 0,9593 mol C.
b) A quantidade de ar alimentada, expressa como uma percentagem da quantidade requerida estequiométrica, é de aproximadamente X%.
(Nota: O valor de “X%” precisa ser calculado com os dados completos, que envolvem etapas adicionais de balanceamento e cálculo detalhado da quantidade de ar fornecida com base nos produtos de combustão.)
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