Enunciado

Um carvão de Utah (Estados Unidos), cuja análise final (em massa) corresponde a 61,40% de C, 5,79% de H 2 , 25,31% de O 2 , 1,09% de N 2 , 1,41% de S e 5,00% de cinzas (não combustíveis),

é queimado com 25% de excesso de ar em uma caldeira industrial. Considerando uma combustão completa e sabendo que a pressão na chaminé da caldeira é de 1 atm, calcule a temperatura mínima (em °C) dos produtos de combustão antes do processo de formação da água líquida na chaminé.

Passo 1

Entendendo o problema:

O carvão é queimado com 20 % de excesso de ar. A combustão é completa e os produtos de combustão contém C O 2 , CO, H 2 O, S O 2 e N 2 . Os gases são ideais.

Considerando as porcentagens em massa dos constituintes dos combustíveis (carvão) dadas no enunciado, e as massas molares dos elementos obtidos na tabela A-1 do livro, é possível calcular o número de mols de cada constituinte:

  • N c = m c M c = 61,40   K g 12   K g / m o l = 5,117   k m o l
  • N H 2 = m H 2 M H 2 =   5,79   k g 12   K g / k m o l = 2,895   k m o l
  • N O 2 =   m O 2 M O 2 =   25,31   K g 32   K g / k m o l = 0,7909   k m o l
  • N N 2 = m N 2 M N 2 =   1,09   K g 28   K g / k m o l = 0,03893   k m o l
  • N S = m S M s =   1,41   K g 32   K g / k m o l = 0,04406   k m o l

O número de mols total da mistura é então:

N m = 5,117 + 2,895 + 0,7909 + 0,03893 + 0,04406 = 8,586   k m o l

As frações molares de cada constituinte são obtidas da razão do número de mols do constituinte pelo número de mols total. Assim:

  • Y c = 0,5758
  • Y H 2 = 0,3258
  • Y O 2 = 0,0890
  • Y N 2 = 0,00438
  • Y S = 0,00496

A equação de combustão torna-se:

0,5758 C + 0,3258 H 2 + 0,0890 O 2 + 0,00496 S O 2 + 0,00496 S + 1,25 a O 2 + 3,76   N 2   → 0,5758   C O 2 + 0,3258 H 2 O + 0,00496 S O 2 + 0,25 a O 2 + 1,25 a   .   3,76   N 2

Passo 2

Obtendo o coeficiente a:

Pelo balanço de massa O 2 :

0,0890 + 1,25 a = 0,5758 + 0,5   .   0,3258 + 0,00456 + 0,25 a

a = 0,6547

Passo 3

Calculando a temperatura da combustão:

A temperatura pedida no problema é a temperatura de saturação do vapor d’água presente nos produtos de combustão. Sua pressão parcial é dada por:

P v = N v N p r o d =   0,3258   k m o l 0,5758 + 0,3258 + 0,00496 + 0,1637 + 3,071 k m o l     .     ( 101,3   K P a ) = 7,96   K p a

Consultando a tabela A-5

Para P=7,96 KPa a temperatura de saturação é T = 41,3   ℃

Resposta

Resposta: 41,3 °C

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