Lista P2B PROCESSOS

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Fundamentos de Processos I – P2 Aula B – 2° Sem 2017 
Prof.: Gustavo 
 
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COMBUSTÃO E ANÁLISE DE ORSAT 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EQUAÇÕES DE ESTADO 
 Clapeyron Virial truncada 2º termo SRK 
 
 
 van der Waals 
 
 
 Carta de compressibilidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para H2 e He 
 
Excesso de ar 
 
Combustíveis Comburentes 
Queima completa Queima incompleta 
Oxigênio teórico 
Oxigênio real 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Análise de Orsat: É uma análise realizada nos gases efluentes da câmara de 
combustão expressa sempre em BASE SECA, ou seja, desconsiderando a água. 
Excesso de ar 
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COMBUSTÃO E ANÁLISE DE ORSAT 
1. (P2-2°sem2015) O bagaço de cana, que representa 25 % em massa de cana de açúcar apresenta a seguinte composição 
mássica: 50% água, 24% carbono, 22% oxigênio e 4% hidrogênio. Supondo que 80% do bagaço produzido é queimado e 
restante perdido na fornalha da caldeira e que 2% do carbono queimado transforma-se em CO e restante em CO2, calcule por 
tonelada de cana de açúcar moída: 
a) A quantidade alimentada de ar supondo 40% de excesso. Resp.: 38,542 kmol 
b) A composição dos fumos em base úmida. Resp.: 8,25 % CO2, 0,17 % CO, 7,39 % O2, 20,11 % H2O e 64,09 % N2. 
 
2. No processo Deacon para fabricação de cloro, ácido clorídrico e oxigênio reagem para formar gás cloro e água. Alimenta-
se ao reator 100 mol de ácido e ar o suficiente para fornecer 35 % de excesso de oxigênio, e a conversão do ácido clorídrico 
é de 85 %. Calcule as frações molares dos componentes na corrente de produto. Resp.: 6,26 % HCl, 5,22 % O2. 53,02 % N2, 
17,75 % Cl2 e 17,75 % H2O 
 
3. Um forno deve ser projetado para queimar coque à razão de 200 kg/h, empregando-se 30 % de ar em excesso. O coque 
queimado é composto por 89,1 % de carbono e restante cinzas. A eficiência da grelha é tal que 90 % do coque alimentado é 
queimado. Admitindo que 97 % do carbono queimado seja oxidado a gás carbônico, o restante formando monóxido de 
carbono, calcule: 
a) A composição volumétrica dos fumos que saem da chaminé. Resp.: 14,06 % CO2, 0,43 % CO, 6,67 % O2 e 78,83 % N2. 
b) A vazão volumétrica para qual a chaminé deverá ser projetada sabendo que a temperatura na base da chaminé é de 
260°C e que a pressão absoluta nesse ponto é de 743 mmHg. Resp.: 71,225 m³/min 
 
4. Um gás contendo 80 % em massa de propano e 15 % em massa de butano e o resto água. 
a) Calcule a composição molar deste gás em base seca. Resp.: 87,5 % C3H8 e 12,5 % C4H10 
b) Calcule a composição molar deste gás em base úmida. Resp.: 77,2 % C3H8, 11 % C4H10 e 11,8 % H2O 
c) Se 100 kg/h deste combustível são queimados com 30 % de ar em excesso, qual é a vazão de ar de alimentação 
necessária? Resp.: 66,693 kmol/h 
 
5. O produto gasoso da reação de combustão de um combustível sólido (constituído de C, H e S) tem a seguinte composição 
molar em base seca: 72 % CO2, 2,57 CO, 0,0592 % SO2 e 25,4 % O2. Oxigênio puro é fornecido à fornalha em 20 % de 
excesso do ar necessário para queimar completamente o combustível. Não há oxigênio no combustível. Calcule a 
composição do combustível. Resp.: 28,86 % C, 71,12 % H e 0,023 % S 
 
6. Um carvão que contém 90 % de carbono e restante cinzas é queimado com 50 % de ar em excesso havendo 
transformação de 15 % do carbono total alimentado em monóxido de carbono durante a combustão. Perde-se 10 % no 
resíduo da combustão e o restante passa a gás carbônico. Para 1 kg de carvão alimentado pede-se: 
a) O resíduo sólido da combustão. Resp.: 190 g 
b) A composição dos gases residuais. Resp.: 10,39% CO2, 2,08% CO, 78,18% N2 e 9,35% O2 
c) O ar alimentado. Resp.: 535,714 mol 
 
7. Os fumos provenientes da queima de um combustível contendo carbono e hidrogênio em um forno foram analisados num 
aparelho de Orsat revelando conter 11,3 % CO2, 1,2 % CO, 7,7 % O2 e 79,8 % N2. Calcule a fração de ar em excesso. Resp.: 
50,29 % 
 
8. Um óleo combustível obtido a partir do petróleo contendo elevado teor de enxofre é queimado em um forno industrial 
usando 30 % em excesso de ar. A análise elementar do combustível indicou 85,5 % C, 9,7 % H e 4,8 % S (% em massa). 
Calcule a composição do gás de chaminé em base seca e em base úmida. Resp.: Base seca: 12,39 % CO2, 0,26 % SO2, 5,05 
% O2 e 82,30 % N2; Base úmida: 11,43 % CO2, 0,24 % SO2, 4,66 % O2, 75,96 % N2 e 7,71 % H2O. 
 
9. Um gás natural composto de 90 % molar de metano e restante etano é queimado em um forno com ar enriquecido com 
oxigênio. A análise de Orsat do gás de combustão acusou 22,2 % CO2 e 4,4 % O2. Calcule: 
a) A composição do ar enriquecido. Resp.: 39,43 % O2 e 60,57 % N2 
b) A fração de excesso do ar utilizado. Resp.: 10,14 % 
 
10. Um processo de produção de cloro promove a oxidação de cloreto de hidrogênio com ar. O gás efluente do reator tem a 
seguinte composição: 16,44% HCl, 12,5% Cl2, 12,5% H2O e 7,36% O2. Calcule: 
a) A conversão de HCl. Resp.: 60,33 % 
b) A conversão de O2. Resp.: 45,92 % 
c) A fração de oxigênio em excesso. Resp.: 31,37% 
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11. Dióxido de enxofre reage com oxigênio puro para formar trióxido de enxofre. Usa-se 100% de excesso 
de oxigênio e a conversão da reação é de 60%. Calcule: 
a) A composição do produto. Resp.: 23,53% SO2, 41,18% O2 e 35,29% SO3. 
b) A pressão parcial de SO2, O2 e SO3 no produto efluente dado que a pressão total do sistema é de 300 kPa. Resp.: 70,59 
kPa, 123,53 kPa e 105,88 kPa. 
 
12. Um gás combustível composto de 90% molar de metano, 8% etano e restante sulfeto de hidrogênio é queimado 
completamente com 15% de excesso de ar. Calcule: 
a) A composição do gás de combustão em base seca. Resp.: 10,1% CO2, 0,2% SO2, 3% O2 e 86,7% N2. 
b) A razão mássica ar/gás combustível. Resp.: 19,064 g/g 
 
13. Um óleo combustível é queimado em um forno, gerando um gás de combustão com a seguinte análise de Orsat: 13,2 
%CO2, 3,6 % O2 e 0,4 % CO. Calcule: 
a) A fração em excesso de ar. Resp.: 18,3 % 
b) A razão mássica ar de combustão/óleo combustível. Resp.: 16,5 kg/kg 
c) A razão mássica gás de chaminé/óleo combustível. Resp.: 17,5 kg/kg 
d) A análise elementar do óleo. Resp.: 89 % C e11 % H 
 
14. Um combustível gasoso composto de metano e hidrogênio é queimado com excesso de ar, gerando um gás de 
combustão com a seguinte análise de Orsat: 7,5% CO2, 7% O2. Calcule: 
a) A composiçãodo gás combustível. Resp.: 83,7% metano e 16,3% hidrogênio 
b) A fração de ar em excesso. Resp.: 44,51% 
 
15. Um combustível composto de etano e metano em proporções desconhecidas é queimado em uma fornalha com ar 
enriquecido em oxigênio de modo a corresponder a 50% molar de sua corrente. O gás de combustão acusou a seguinte 
análise de Orsat: 25% CO2, 15% O2. Calcule: 
a) A composição do combustível. Resp.: 66,7% metano e 33,3% etano 
b) A razão em quantidade de matéria ar rico/combustível. Resp.: 8 mol/mol 
 
16. Em um dado forno queima-se óleo e gás combustível. A análise de Orsat dos gases de combustão acusou 9,2% CO2 e 
6,1% O2. Calcule: 
a) Fração de excesso de ar. Resp.: 37,2 % 
b) A razão mássica H/C. Resp.: 0,261 g/g 
c) A razão mássica ar/combustível. Resp.: 22,2 g/g 
 
17. Um forno usa como combustível um gás contendo metano, etano e hidrogênio. A análise de Orsat dos gases de 
combustão acusou 9,6% CO2, 5,2% O2. Calcule: 
a) A fração de excesso de ar. Resp.: 29,8% 
b) A razão mássica ar/gás combustível. Resp.: 21,2 g/g 
c) A composição do gás combustível sabendo que o teor de H2 é de 5%. Resp.: 62,48% C2H6, 32,52% CH4 e 5% H2. 
 
SISTEMAS MONOFÁSICOS – EQUAÇÕES DE ESTADO DE GASES 
18. (P2-2°sem2015) Calcule a pressão total dos gases na câmara de combustão de volume 2,27 m³ e temperatura 76,7 K 
quando são injetados 20 kmol de oxigênio e 1875 L de hidrogênio a pressão de 418 atm e -207°C, sabendo que para o 
hidrogênio e o oxigênio, as temperaturas críticas são, respectivamente, 33,3 K e 154,4 K, e que as pressões críticas são, 
respectivamente, 12,8 atm e 49,7 atm. Resp.: 779 atm 
 
19. Use a equação de estado dos gases ideais para estimar o volume molar e a massa específica do ar a 40°C e 3 atm 
medidos num manômetro. Resp.: 6,42 L/mol e 4,49 kg/m³ 
 
20. Um mol de vapor de cloreto de metila está contido em um recipiente a 100°C e pressão absoluta de 10 atm. Use a 
equação de estado dos gases ideais para estimar o volume do sistema. Resp.: 3,06 L 
 
21. Uma mistura de gases ideais contém 35 % He, 20 % CH4 e restante N2 em volume, a 2 atm absoluta e 90°C. Calcule: 
a) A pressão parcial de cada componente. Resp.: 0,7 atm, 0,4 atm e 0,9 atm 
b) A fração mássica de metano. Resp.: 0,186 
c) A massa específica do gás. Resp.: 1,16 kg/m³ 
 
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22. A vazão volumétrica medida de etano (temperatura crítica no valor de 305,3 K, pressão crítica de 48,2 
atm e fator acêntrico de 0,098) a 10 atm absoluta e 35°C é 1000 L/h. Usando um valor estimado do segundo coeficiente do 
virial na equação do virial truncada, calcule: 
a) O volume molar do sistema. Resp.: 2,337 L/mol 
b) O fator de compressibilidade. Resp.: 0,925 
c) A vazão mássica de etano. Resp.: 12,84 kg/h 
 
23. A equação de estado de van der Waals será usada para estimar o volume molar específico de ar a valores especificados 
de temperatura e pressão. As constantes de van der Waals para o ar são a= 1,33 atm.L²/mol² e b=0,0366 L/mol. 
a) Escreva a função. Resp.: 
b) Determine o valor do volume molar segundo a equação de van der Waals para uma temperatura de 223 K e 50 atm 
absoluta. Resp.: 0,330 L/mol. 
 
24. Um tanque de 5 m³ é carregado com 75 kg de gás propano a 25°C. Use a equação de estado SRK para estimar a 
pressão no tanque sendo que o propano apresenta temperatura crítica no valor de 369,9 K, pressão crítica de 42 atm e fator 
acêntrico de 0,152. Resp.: 7,28 atm. 
 
25. Uma corrente de oxigênio a -65°C e 8,3 atm flui com uma vazão de 250 kg/h. Use a equação de estado SRK para estimar 
a vazão volumétrica dessa corrente, sendo que o oxigênio apresenta temperatura crítica no valor de 154,4 K, pressão crítica 
no valor de 49,7 atm e fator acêntrico de 0,021. Resp.: 15,70 L/h 
 
26. Use a carta generalizada de compressibilidade para estimar o fator de compressibilidade para os seguintes sistemas 
abaixo. 
a) Nitrogênio a 40°C e 40 MPa com temperatura crítica de 126,2 K e pressão crítica de 33,5 atm. Resp.: 1,2 
b) Hélio a -200°C e 350 atm com temperatura crítica de 5,26 K e pressão crítica de 2,26 atm. Resp.: 1,6 
 
27. Uma mistura contendo 3 % He, 40 % Ar e 57 % C2H6 (% molar) estão a 298 K e 120 atm. Calcular o fator de 
compressibilidade z e o volume molar dessa mistura sabendo que as propriedades pressão e temperatura crítica de cada 
substância são, respectivamente, 2,24 atm e 5,2 K, 48 atm e 150,7 K e 50,5 atm e 283 K. Resp.: 0,7 e 138,2 cm³/mol 
 
28. Uma corrente de processo escoando a 35 kmol/h contém 15% molar de hidrogênio e o resto de buteno. A pressão 
absoluta da corrente é 10 atm, a temperatura é 50°C e a velocidade é 150m/min. Determine o diâmetro da tubulação que 
transporta essa corrente sabendo que para o hidrogênio e o buteno, as temperaturas críticas são, respectivamente, 33,3 K e 
419,6 K, e que as pressões críticas são, respectivamente, 12,8 atm e 39,7 atm. Resp.: 10,62 cm 
 
29. Calcular o fator de compressibilidade do CO2 a 450 psia e 149°C dado que a pressão crítica é 72,9 atm e a temperatura 
crítica é 304,2 K. Resp.: 0,95 
 
30. Calcular a densidade da mistura de um gás que contém 32,1 % CH4, 41,2 % 
C2H6, 17,5 % C3H8 e 9,2 % N2 (% molar) a 500 psig e 250 °F. Resp.: 2,013 lb/ft³ 
 
 
31. Uma mistura de 75% molar de hidrogênio e restante nitrogênio está contida em um tanque a 800 atm e -70°C. Estime o 
valor do volume específico molar. Resp.: 0,03 L/mol. 
 
32. Calcular a vazão volumétrica de N2 em ft³/min 
quando o compressor de N2 transporta 150 SCFM 
(Standard Cubic Feet per Minute). O gás é aquecido no 
trocador T-01 e atinge as condições de 150°F e 580 
psia no ponto 2 onde o fator de compressibilidade é 
1,02. Resp.: 4,81ft³/min 
 
33. Um certo gás tem um peso molecular de 30,0, uma temperatura crítica de 310 K e uma pressão crítica de 4,5 MPa. 
Calcule a massa específica em kg/m3 deste gás a 465 K e 9,0 MPa se o gás obedecer à lei dos estados correspondentes. 
Resp.: 83,1 kg/m³ 
 
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34. Um gás é composto de 20,0% molar CH4, 30,0% C2H6 e 50,0% C2H4. Dez quilogramas deste gás devem 
ser comprimidos até uma pressão de 200 bar a 90°C. Estime o volume final do gás sabendo que as pressões e temperaturas 
críticas são respectivamente 45,8, 48,2 e 50,5 atm e 190,7, 305,4 e 283,1 K. Resp.: 0,041 L 
 
35. Um cilindro de 30 litros é esvaziado e preenchido com 5,00 kg de um gás contendo 10,0% molar N2O e o resto N2 A 
temperatura do gás é 24°C. Use a carta de compressibilidade para resolver os seguintes problemas. 
a) Qual é a pressão relativa (atm) do cilindro depois que é enchido com o gás? Resp.: 132 atm 
b) Acontece um incêndio na planta onde fica o cilindro e a válvula do mesmo estoura quando a pressão relativa atinge 273 
atm. Qual era a temperatura do gás (°C) no instante imediatamente anterior à ruptura? Resp.: 245°C 
DADOS: Temperatura crítica e pressão crítica para o N2 e N2O iguais a, respectivamente, 126,2 e 309,5 K e 33,5 e 71,7 atm 
 
36. Um produto gasoso de uma planta de gaseificação de carvão consiste em 60,0% molar CO e o resto H2. Este gás sai da 
planta a 150°C e 2000 psia. O gás é expandido através de uma turbina e o gás de saída vai para o queimador de uma 
caldeira a 100°C e 1 atm, com uma vazão de 15.000 ft3/min. Estime a vazão de entrada na turbina em ft3/min usando a regra 
de Kay, dado que para H2 e CO as temperaturas e pressões críticas são, respectivamente,33,3 e 133 K e 12,8 e 34,5 atm. 
Resp.: 126 ft³/min 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS 
FELDER, Richard W.; ROUSSEAU, Ronald W.. PRINCÍPIOS ELEMENTARES DOS PROCESSOS QUÍMICOS. 3ª edição. 
Rio de Janeiro: LTC, 2012. 
 
TURTON, R et al.. ANALYSIS, SYNTHESIS AND DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES. 4ª ed. New Jersey: Prentice Hall, 
2012 
 
Notas de aula do Prof. Ms. Paulo Roberto Canton. 
 
 
 
 
 
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