MEC417_Produtos de combustao_lista

Prévia do material em texto

A reação do acetileno com o excesso de ar () pode ser dada por:
1 C2H2 + 2,5 O2 + 9,4 N2 → 2 CO2 + H2O + 9,4 N2 + 2,5( - 1) O2
A equação de concentração do O2, em base seca, nos produtos de combustão será:
    %%
,,
,
5100
50911
152
O BS2 


 301,
Ou seja, um excesso de ar de 30%.
Exercício 1)
Uma máquina de solda usa acetileno (C2H2) com excesso de ar. A concentração de 
oxigênio medida pelo aparelho na saída do equipamento foi de 5%, em base seca. 
Calcule o excesso de ar usado.
A reação do GLP com o excesso de ar () pode ser dada por:
[0,5 C3H8 + 0,5 C4H10] + 5,75[O2 + 3,76 N2] → 3,5 CO2 + 4,5 H2O + 21,62 N2 + 
5,75( - 1) O2
A equação de concentração do O2, em base seca, nos produtos de combustão será:
  %%
,,
,
12100
2523727
53
CO BS2 

 151,
Ou seja, um excesso de ar de 15%.
Exercício 2)
Uma caldeira opera com GLP (50%v C3H8 e 50%v C4H10), com excesso de ar. A 
concentração de CO2 medida na chaminé foi de 12%, em base seca. Calcule o 
excesso de ar usado.
A reação do gás de síntese com o excesso de ar () pode ser dada por:
[0,6 CO + 0,4 H2 ] + 0,5[O2 + 3,76 N2] → 0,6 CO2 + 0,4 H2O + 1,88 N2 + 
+ 0,5( - 1) O2
A equação de concentração do CO2, em base seca, nos produtos de combustão será:
  %%
,,
,
15100
10382
60
CO BS2 

 641,
Ou seja, um excesso de ar de 64%.
Exercício 3)
Um forno opera com gás de síntese (60%v monóxido de carbono e 40%v hidrogênio) 
e excesso de ar. A concentração de CO2 medida na saída foi de 15%, em base seca. 
Calcule o excesso de ar usado.
Exercício 4)
Considere um gás de combustão cujas concentrações de NO2 e O2 em base seca 
sejam, respectivamente, 5 ppm e 15%. Determine as concentrações de NO2
corrigidas para 3%, 7% e 12% de O2.
  ppm155
1521
321
NO corrBS2 


,
  ppm575
1521
1221
NO corrBS2 ,, 



  ppm7115
1521
721
NO corrBS2 ,, 



Exercício 5)
Considere um composto com a seguinte composição (CxHySz) que passe por um processo de 
combustão de tal maneira que a composição volumétrica, em base seca, dos produtos de 
combustão seja: 5,3% de CO2, 0,7% de CO, 2,0% de SO2, 3,85% de O2 e 56,4% de N2. 
Determine a composição do combustível e o excesso de ar do processo. 
A reação química será:
CxHySz + a O2 + 3,76a N2  5,3 CO2 + 0,7 CO + 2,0 SO2 + 3,85 O2 + 56,4 N2 + b H2O
Os valores de x, y, z, a e b na reação química são determinados pela conservação de espécies 
atômicas:
N: 7,52a = 112,8  a = 15;
C: x = 5,3 + 0,7  x = 6,0;
S: z = 2,0  z = 2,0;
O: 2a = 10,6 + 0,7 + 4,0 + 7,7 + b  b = 7,0;
H: y = 2b  y = 14,0.
A fórmula do combustível pode ser escrita como C6H14S2. A reação química fica: 
C6H14S2 + 15 O2 + 56,4 N2  5,3 CO2 + 0,7 CO + 2,0 SO2 + 3,85 O2 + 56,4 N2 + 7 H2O
A razão ar/combustível em massa do processo de combustão é:
combkg
arkg
7313
322114126
284563215
AC ,
,




Para determinar o excesso de ar real, primeiramente escreve-se a reação de combustão 
estequiométrica:
C6H14S2 +  O2 + 3,76 N2   CO2 +  H2O +  SO2 + 3,76 N2
Os coeficientes são determinados pela conservação de átomos:
C:  = 6,0   = 6,0;
H: 2 = 14,0   = 7,0;
S:  = 2,0   = 2,0;
O: 2 = 2 +  + 2   = 11,5.
Logo, a reação estequiométrica fica:
C6H14S2 + 11,5 O2 + 43,24 N2  6 CO2 + 7 H2O + 2 SO2 + 43,24 N2
Da qual podemos calcular a razão ar/combustível estequiométrica, em massa:
Finalmente, pode-se calcular o excesso de ar: 
combkg
arkg
5210
322114126
28244332511
AC ,
,,




%,%
,
,,
530100
5210
52107313
ardeExcesso 


C6H14S2 +  O2 + 3,76 N2   CO2 +  H2O +  SO2 + 3,76 N2
Exercício 6)
Considere o processo de combustão de um hidrocarboneto (CxHy) com excesso de ar, de tal 
maneira que a composição volumétrica, em base seca, dos produtos de combustão seja de 
10% de CO2, 1,5% de O2 e 63,92% de N2. Determine a composição do combustível e o 
excesso de ar do processo. 
A reação química será:
CxHy + a O2 + 3,76a N2  10 CO2 + 1,5 O2 + 63,92 N2 + b H2O
Os valores de x, y, z, a e b na reação química são determinados pela conservação de espécies 
atômicas:
N: 7,52a = 127,84  a = 17;
C: x = 10  x = 10;
O: 2a = 20 + 3 + b  b = 11;
H: y = 2b  y = 22.
A fórmula do combustível pode ser escrita como C6H14S2. A reação química fica: 
C10H22 + 17 O2 + 63,92 N2  10 CO2 + 1,5 O2 + 63,92 N2 + 11 H2O
A razão ar/combustível em massa do processo de combustão é:
 
combkg
arkg
4316
1221210
287633217
RACmassa ,
,




Para determinar o excesso de ar real, primeiramente escreve-se a reação de combustão 
estequiométrica:
C10H22 +  O2 + 3,76 N2   CO2 +  H2O + 3,76 N2
Os coeficientes são determinados pela conservação de átomos:
C:  = 10   = 10,0;
H: 2 = 22,0   = 11,0;
O: 2 = 2 +    = 15,5.
Logo, a reação estequiométrica fica:
C10H22 + 15,5 O2 + 58,28 N2  10 CO2 + 11 H2O + 58,28 N2
Da qual podemos calcular a razão ar/combustível estequiométrica, em massa:
Finalmente, pode-se calcular o excesso de ar: 
 
combkg
arkg
9814
1221210
2876332515
AC ,
,,




%,%
,
,,
79100
9814
98144316
ardeExcesso 


C10H22 +  O2 + 3,76 N2   CO2 +  H2O + 3,76 N2
Tabela 4.3: Entalpias de formação de algumas substâncias a 25ºC (Perry & Chilton, 1980). 
Substância Fórmula hf,298 (cal/mol) 
Ácido clorídrico anidro (g) HCl - 22063 
Ácido fluorídrico anidro (g) HF - 64200 
Ácido nítrico anidro (l) HNO3 - 41350 
Ácido nítrico anidro (g) HNO3 - 31990 
Ácido sulfídrico anidro (g) H2S - 4770 
Água (l) H2O - 68317 
Água (g) H2O - 57798 
Álcool etílico (l) C2H5OH - 66350 
Alumínio (s) Al 0 
Amônia (g) NH3 - 10960 
Carbono (s, grafite) C 0 
Carbonato de cálcio (s) CaCO3 - 289500 
Dióxido de carbono (g) CO2 - 94052 
Dióxido de enxofre (g) SO2 - 70940 
Etano (g) C2H4 - 20236 
Flúor (g) F2 0 
Hidrazina (l) N2H4 12060 
Hidrogênio (g) H2 0 
Hidróxido de cálcio (s) Ca(OH)2 - 235580 
Metano (g) CH4 - 17889 
MMH (monometil hidrazina) (l) N2H3CH3 12700 
Monóxido de carbono (g) CO - 26416 
Nitrogênio N2 0 
Óxido de alumínio (s) Al2O3 - 399090 
Óxido de cálcio (s) CaO - 151700 
Oxigênio (g) O2 0 
Perclorato de amônio (s) NH4ClO4 - 75230 
Peróxido de hidrogênio (l) H2O2 - 44750 
Sulfato de cálcio (s) CaSO4 - 338730 
Sulfato de sódio (s) Na2SO4 - 330500 
Tetróxido de nitrogênio (l) N2O4 - 6800 
UDMH (dimetil hidrazina assimétrica) (l) N2H2(CH3)2 12724 
 
Exercício 7) Calcule a entalpia de combustão do etano (C2H6)
A reação estequiométrica do etano com ar é:
C2H6 + 3,5 O2 + 13,16 N2 → 2 CO2 + 3 H2O + 13,16 N2
A entalpia de combustão é dada por:
PRc HHH 
  62R HCdemolcal20236052702202361H /, 
    molcal6482090527577982940521HP /., 
  62c HCdemolcal41218920964820236H .
Exercício 8) Calcule a entalpia de combustão do gás de síntese (30%v CO e 70%v 
H2)
A reação estequiométrica do gás de síntese com ar é:
0,3 CO + 0,7 H2 + 0,5 O2 + 1,88 N2 → 0,3 CO2 + 0,7 H2O + 1,88 N2
A entalpia de combustão é dada por:
PRc HHH 
  molcal8792408810500702641630HR /,,,,, 
    molcal68674088157798709405230HP /,,, 
  molcal4607496867487924Hc /,, 
Tabela 4.1: Calores específicos a pressão constante de algumas substâncias 
(Perry & Chilton, 1980; Sonntag, et al., 2003). 
Substância Cp (cal/mol K)
* Intervalo (K) 
Al2O3 (s) 22,08 + 0.008971 T -522500/T2 273 - 1973 
C (s, grafite) 2,673 + 0,002617 T - 116900/T2 273 – 1373 
C (s, diamante) 2,162 + 0,003059 T - 130300/T2 273 - 1313 
CaCO3 (s) 19,68 + 0,01189 T - 307600/T2 273 - 1033 
CaO (s) 10,00 + 0,00484 T - 108000/T2 273 - 1173 
CaSO4 (s) 18,52 + 0,02197 T - 156800/T2 273 - 1373 
CH4 (g) 5,34 + 0,0115 T 273 - 1200 
CO (g) 6,60 + 0,00120 T 273 - 2500 
CO2 (g) 10,34 + 0,00274 T - 195500/T2 273 - 1200 
CO2 (g) -0,8929 + 0,7297 T1/2 - 9,807x10-3 T + 5,784x10-7 T2 300 - 3500 
F2 (g) 6,50 + 0,00100 T 300 - 3000 
FeO 12,62 + 0,001492 T - 76200/T2 273 - 1173 
Fe2O3 (s) 24,72+ 0,01604 T - 423400/T2 273 - 1097 
H2 (g) 6,62 + 0,00081 T 273 - 2500 
HCl (g) 6,70 + 0,00084 T 273 - 2000 
He (g) 4,97 qualquer 
H2O (g) 8,22 + 0,00015 T + 0,00000134 T2 300 - 2500 
H2S (g) 7,20 + 0,00360 T 300 - 600 
MgCO3 (s) 16,9 290 
MgO (s) 10,86 + 0,001197 T – 208700/T2 273 - 2073 
MgSO4 (s) 26,7 296 - 372 
N2 (g) 6,50 + 0,00100 T 300 - 3000 
NH3 (g) 6,70 + 0,00630 T 300 - 800 
NO (g) 8,05 + 0,000233 T - 156300/T2 300 - 5000 
O2 (g) 8,27 + 0,000258 T - 187700/T2 300 - 5000 
Pb (s) 5.77 + 0,00202 T 273 - 600 
Pb (l) 6,8 600 - 1273 
SO2 (g) 7,70 + 0,00530 T - 0,00000083 T2 300 - 2500 
* entrar com a temperatura em K nas expressões. 
Tabela 4.2: Entalpias de combustão de algumas substâncias (Perry & Chilton, 1980). 
 
Substância PCS(cal/mol) PCS(cal/g) PCI(cal/mol) PCI(cal/g) 
Hidrogênio, H2 (g) 68317 33887 57798 28670 
Carbono, C (s) 94052 7831 ---------- --------- 
Monóx. carbono, CO (g) 67636 2415 ---------- --------- 
Metano, CH4 (g) 212798 13265 191759 11954 
Etano, C2H6 (g) 372820 12399 341261 11350 
Propano, C3H8 (g) 530605 12034 488527 11079 
Propano, C3H8 (l) 526782 11947 484704 10993 
n-Butano, C4H10 (g) 687982 11837 635384 10932 
n-Butano, C4H10 (l) 682844 11749 630246 10844 
n-Pentano, C5H12 (g) 845160 11715 782040 10840 
n-Pentano, C5H12 (l) 838800 11626 775680 10752 
n-Hexano, C6H14 (g) 1002570 11635 928930 10780 
n-Hexano, C6H14 (l) 995010 11547 921370 10692 
n-Heptano, C7H16 (g) 1160010 11577 1075850 10737 
n-Heptano, C7H16 (l) 1151270 11490 1067110 10650 
n-Octano, C8H18 (g) 1317450 11534 1222770 10705 
n-Octano, C8H18 (l) 1307530 11477 1212850 10618 
n-Nonano, C9H20 (g) 1474900 11500 1369700 10680 
n-Nonano, C9H20 (l) 1463800 11414 1358600 10593 
n-Decano, C10H22 (g) 1632340 11473 1516630 10660 
n-Decano, C10H22 (l) 1620060 11387 1504350 10573 
Benzeno, C6H6 (g) 789080 10102 757520 9698 
Benzeno, C6H6 (l) 780980 9999 749420 9595 
Tolueno, C7H8 (g) 943580 10241 901500 9785 
Tolueno, C7H8 (l) 934500 10143 892420 9686 
Ciclohexano, C6H12 (g) 944790 11227 881670 10477 
Ciclohexano, C6H12 (l) 936880 11133 873760 10383 
Etileno, C2H4 (g) 337274 12022 316195 11272 
Propileno, C3H6 (g) 491987 11692 460428 10942 
Acetileno, C2H2 (g) 310615 11930 300096 11526 
Metilacetileno, C3H4 (g) 463109 11560 442070 11035 
 
Exercício 13) Calcule a temperatura de chama adiabática da reação de combustão do 
metano com 30% de excesso de ar. Use o método da equação de calor específico.
A reação de combustão do metano com 30% de excesso de ar pode ser escrita como:
1 CH4 + 2,6 O2 + 9,78 N2 → 1 CO2 + 2 H2O + 9,78 N2 + 0,6 O2
A equação para o balanço de energia com os coeficientes da equação química escrita:
Substituindo os valores de calores específicos da Tabela 4.1 e da entalpia de combustão da 
Tabela 4.2, a equação fica:
  
f
i
22224
T
T
ONOHCOK298CHc dTCp60Cp789Cp2Cp1H ,,,,
 
   
  .dT T187700 T000258,027,860
 T00100,050,6789 T00000134,0 T00015,022,82
T10x784,5T10x807,9T7297,08929,01191759
2
2
T
298
2732/1
f




 
,
,
     
     
   
    
298
1
T
1
187700298T
2
000258,0
298T27,860
298T 
2
00100,0
298T50,6789 
298T 
3
00000134,0
298T 
2
00015,0
298T22,82
T
3
10x784,5
298T
2
10x807,9
298T
23
7297,0
298T8929,0191759
f
22
ff
22
ff
33
f
22
ff
2
7
22
f
3
2323
ff

































,
,
Tf = 1988,7 K ou 1715,5ºC
Primeira tentativa: Tf = 2000 K
Exercício 10) Calcule a temperatura de chama adiabática da reação de combustão do hidrogênio com 5% 
de excesso de ar. Use o método da equação de calor específico.
A reação de combustão do hidrogênio com 5% de excesso de ar pode ser escrita como:
1 H2 + 0,525 O2 + 1,974 N2 → 1 H2O + 1,974 N2 + 0,025 O2
A equação para o balanço de energia com os coeficientes da equação química escrita:
Substituindo os valores de calores específicos da Tabela 4.1 e da entalpia de combustão da Tabela 4.2, a 
equação fica:
  
f
i
2222
T
T
ONOHK298Hc dTCp0250Cp9741Cp1H ,,,,
   
  .dT T187700 T000258,027,80250
 T00100,050,69741 T00000134,0 T00015,022,8157798
2
T
298
2
f

 
,
,
     
   
    
298
1
T
1
187700298T
2
000258,0
298T27,80250
298T 
2
00100,0
298T50,69741 
298T 
3
00000134,0
298T 
2
00015,0
298T22,857798
f
22
ff
22
ff
33
f
22
ff

























,
,
Tf = 2427,1 K ou 2154ºC
Primeira tentativa: Tf = 2000 K
Tabela 4.4: Entalpias de gases ideais a 1 atm (Van Wylen e Sonntag, 1970). 
 
 Hidrogênio (H2) 
hf,298 = 0,00 cal.mol-1 
Oxigênio (O2) 
hf,298 = 0,00 cal.mol-1 
Nitrogênio (N2) 
hf,298 = 0,00 cal.mol-1 
Água (H2O) 
hf,298 = -57798 cal.mol-1 
Dióx. de Carbono (CO2) 
hf,298 = -94052 cal.mol-1 
Mon. de Carbono (CO) 
hf,298 = -26417 cal.mol-1 
T [K] (hf-hf,298) 
(cal.mol-1) 
(hf-hf,298) 
(cal.mol-1) 
(hf-hf,298) 
(cal.mol-1) 
(hf-hf,298) 
(cal.mol-1) 
(hf-hf,298) 
(cal.mol-1) 
(hf-hf,298) 
(cal.mol-1) 
0 
100 
200 
298 
300 
400 
500 
600 
700 
800 
900 
1000 
1100 
1200 
1300 
1400 
1500 
1600 
1700 
1800 
1900 
2000 
2100 
2200 
2300 
2400 
2500 
2600 
2700 
2800 
2900 
3000 
-2024 
-1265 
-662 
0 
13 
707 
1406 
2106 
2808 
3514 
4226 
4944 
5670 
6404 
7148 
7902 
8668 
9446 
10233 
11030 
11836 
12651 
13475 
14307 
15146 
15993 
16848 
17708 
18575 
19448 
20326 
21210 
-2075 
-1362 
-682 
0 
13 
724 
1455 
2210 
2988 
3786 
4600 
5427 
6266 
7114 
7971 
8835 
9706 
10583 
11465 
12354 
13249 
14149 
15054 
15966 
16882 
17804 
18732 
19664 
20602 
21545 
22493 
23446 
-2072 
-1387 
-684 
0 
13 
710 
1413 
2215 
2853 
3596 
4355 
5129 
5917 
6718 
7529 
8350 
9179 
10015 
10858 
11707 
12560 
13418 
14280 
15146 
16015 
16886 
17761 
18638 
19517 
20398 
21280 
22165 
-2367 
-1581 
-784 
0 
15 
825 
1654 
2509 
3390 
4300 
5240 
6209 
7210 
8240 
9298 
10384 
11495 
12630 
13787 
14964 
16160 
17373 
18602 
19846 
21103 
22372 
23653 
24945 
26246 
27556 
28875 
30201 
-2238 
-1471 
-807 
0 
16 
958 
1987 
3087 
4245 
5453 
6702 
7984 
9296 
10632 
11988 
13362 
14750 
16152 
17565 
18987 
20418 
21857 
23303 
24755 
26212 
27674 
29141 
30613 
32088 
33567 
35049 
36535 
-2073 
-1393 
-685 
0 
13 
711 
1417 
2137 
2873 
3627 
4397 
5183 
5983 
6794 
7616 
8446 
9285 
10130 
10980 
11836 
12697 
13561 
14430 
15301 
16175 
17052 
17931 
18813 
19696 
20582 
21469 
22357 
 
Exercício 11) Calcule a temperatura de chama adiabática da reação de combustão do metano com 30% de 
excesso de ar. Use o método da tabela de entalpia.
A reação de combustão do metano com 30% de excesso de ar pode ser escrita como:
1 CH4 + 2,6 O2 + 9,78 N2 → 1 CO2 + 2 H2O + 9,78 N2 + 0,6 O2
As entalpias dos reagentes a 25ºC e dos produtos a Tf, serão, respectivamente:
Os valores de entalpia podem ser encontrados nas tabelas 4.3 e 4.4. Assim:
cal17889007890062178891h789h62h1H 298N298O298CHR 224  ,,,,,, ,,,
f2f2f2f2 TOTNTOHTCOP
h60h789h2h1H ,,,, ,, 
 
f2f2f2f2 TOTNToHTCOPR
h60h789h2h1178890HH ,,,, ,, 
T [K] HR – HP [cal]
1900 8234,8
x 0
2000 -4561,44
x = 1964,35 K ou 1691,2ºC
Exercício 16) Calcule a temperatura de chama adiabática da reação de combustão do hidrogênio com 5% 
de excesso de ar. Use o método da tabela de entalpia.
A reação de combustão do hidrogênio com 5% de excesso de ar pode ser escrita como:
1 H2 + 0,525 O2 + 1,974 N2 → 1 H2O + 1,974 N2 + 0,025 O2
As entalpias dos reagentes a 25ºC e dos produtos a Tf, serão, respectivamente:
Os valores de entalpia podem ser encontrados nas tabelas 4.3 e 4.4. Assim:
cal0097410525001h9741h5250h1H K298NK298OK298HR 222 ,,,, ,,,
f2f2f2 TOTNTOHP
h0250h9741h1H ,,, ,, 
 
f2f2f2 TOTNToHPR
h0250h9741h100HH ,,, ,, 
T [K] HR – HP [cal]
2400 1647,936
x 0
2500 -1383,514
x = 2454,4 K ou 2181,3ºC
Exercício 11)
Determine a entalpia de formação de um combustível, cuja composição elementar mássica é 
75,43% de carbono, 10,10% de hidrogênio, 0,86% de nitrogênio, 5,55% de oxigênio e 8,06% 
de cinzas incombustíveis e o poder calorífico inferior (PCI) igual a 12463 kcal/kg. 
Para 100 g do combustível, a fórmula química é:
C: 75,43/12 = 6,29
H: 10,10/1 = 10,10
N: 0,86/14 = 0,0614
O: 5,55/16 = 0,347
A reação de combustão estequiométrica com oxigênio será:
1 C6,29H10,1N0,0614O0,347 + 8,67 O2 → 6,29 CO2 + 5,05 H2O + 0,0614 NO
A equação da entalpia de combustão é dada por:
combfNOfOHfCOfcomb hh06140h055h296PCI 22 ,,,, ,,, 
combfNOfOHfCOfcomb hh06140h055h296PCI 22 ,,,, ,,, 
      combfh8215790614057798055940522961246300 ,,,,, 
molcal158364h combf /., 