Enunciado
Termodinâmica - Moran e Shapiro - Princípios de Termodinâmica para Engenharia- Ed: 7º - Capítulo 13.Problemas - Ex. 25
Propano (C3H8) queima completamente com a quantidade de ar teórico a 60°F (15,6°C), 1 atm e 90% de umidade relativa. Determine
(a) a equação de reação balanceada.
(b) a temperatura de ponto de orvalho dos produtos de combustão a 1 atm.
(c) a quantidade de água condensada, em lbmol por lbmol de combustível, se os produtos de combustão forem resfriados a 60°F e a 1 atm.
Passo 1
Saalve, tranquilo?
Vamos resolver juntos mais uma questão de termodinâmica?!
Passo 2
a) escrevendo a combustão da reação completa de C 3 H 8 com a quantidade de ar teórico
C 3 H 8 + α O 2 + 3,76 N 2 → β C O 2 + γ H 2 O + ω N 2
Aplicando o princípio de conservação de massa ao carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, respectivamente
- Carbono C: β = 3
- Hidrogênio H: 2 γ = 8 → γ = 4
- Oxigênio O: 2 α = 2 β + γ → α = 5
- Nitrogênio N: ω = α 3,76 = 18,8
Então a equação química balanceada
C 3 H 8 + α O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + 18,8 N 2
Passo 3
Para uma mistura de ar em 60 ° F, 1 a t m e ϕ = 90 % temos 5 1 + 3,76 = 23,8 l b ⋅ m o l de ar úmido e n v l b ⋅ m o l de vapor de água da equação balanceada
A pressão parcial de vapor de água é dadq por
p v = n v n a + n v p = n v 23,8 + n v 14,696 l b f / i n 2
Passo 4
Obtendo a pressão parcial da Tabela A-2E “Propriedades de Água Saturada (Líquido-Vapor): Tabela de Temperatura” com 60 ° F
p g 60 ° F = 0,2563 l b f / i n 2
A pressão parcial de vapor de água quando umidade relativa é conhecida
p v = ϕ p g 60 ° F
Aqui, ϕ é a umidade relativa
p v = 0,9 0,2563 = 0,23067 l b f / i n 2
Resolvendo para n v
n v = 0,3795 l b ⋅ m o l
Então, a equação química balanceada é
C 3 H 8 + 5 O 2 + 3,76 N 2 + 0,379 H 2 O → 3 C O 2 + 4 , 3795 H 2 O + 18,8 N 2
Passo 5
b) achando a pressão parcial de vapor de água nos produtos
p v = n v 1 n v 1 - n u m i d o p = 4,3795 4,3795 + 3 + 18,8 14,696 = 2,4584 l b f / i n 2
Da Tabela A-3E “Propriedades de Água Saturada (Líquido-Vapor): Tabela de Pressão”, obtemos a temperatura de saturação interpolando os valores entre 2 l b f / i n 2 e 3 l b f / i n 2
T c o n d = 2,4584 - 2 3 - 2 141,43 - 126,04 + 126,04 = 133,094 ° F
Passo 6
c) Como 75 ° F está abaixo do ponto de condensação, a condensação vai ocorrer para o resfriamento
Com 75 ° F, a fase de vapor consiste de n v mols de vapor de água e n ú m i d o = 3 + 18,8 = 21,8 m o l s de produtos úmidos
A pressão parcial do vapor é igual a p g 75 ° F
p g 75 ° F = 75 - 74 76 - 74 0,4446 - 0,4158 + 0,4158 = 0,4302 l b / i n 2
Considerando a relação
p g 75 ° F = n v 2 n v 2 + n ú m i d o p → 0,4302 l b / i n 2 = n v 2 n v 2 + 21,8 14,696 l b f / i n 2
→ n v 2 = 0,6574 l b m o l
A quantidade de ar condensada em l b m o l de combustível consumido
n f = n v 1 - n v 2 = 4,3795 - 0,6574
∴ n f = 3,7221 l b m o l l b m o l d e c o m b u s t í v e l
Resposta
a) C 3 H 8 + 5 O 2 + 3,76 N 2 + 0,379 H 2 O → 3 C O 2 + 4,3795 H 2 O + 18,8 N 2
b) T c o n d = 133,094 ° F
c) n f = 3,7221 l b m o l l b m o l d e c o m b u s t í v e l
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Ver Livro Moran e Shapiro - Princípios de Termodinâmica para EngenhariaVer exercício 2.Problemas - 38Ver exercício 13.Problemas - 27Saalve, tranquilo?
Vamos resolver juntos mais uma questão de termodinâmica?!
É dado que
O propano C 3 H 8 queima com o ar
a) a combustão completa de C 3 H 8 com a quantidade teórica de ar
C 3 H 8 + a O 2 + 3,76 N 2 → b C O 2 + c H 2 O + d N 2
Onde, 3,76 m o l s de N 2 acompanha cada mol de O 2 no ar
Aplicando o princípio de conservação de massa ao carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, respectivamente
- Carbono C: 3 = b
- Hidrogênio H: 8 = 2 c → c = 4
- Oxigênio O 2 : a = b + c / 2 = 5
- Nitrogênio N 2 : d = a 3,76 = 18,8
- Oxigênio O: 6 ⋅ 2 = 6 + 4 + 2 α → α = 1
- Nitrogênio N 2 : β = 6 ⋅ 3,76 = 22,56
- Carbono C: 3 = 0,3 + α → α = 2,7
- Hidrogênio H: 8 = 0,8 + 2 β → β = 3,6
- Oxigênio O 2 : 12 = 2 α + β + 2 γ → γ = 1,5
Então, a equação química balanceada é
C 3 H 8 + 5 O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + 18,8 N 2
Passo 5
b) A combustão completa de C 3 H 8 com 20 % de excesso de ar
C 3 H 8 + 5 1,2 O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + α O 2 + β N 2
Onde, 3,76 m o l s de N 2 acompanha cada mol de O 2 no ar
C 3 H 8 + 6 O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + α O 2 + β N 2
Passo 6
Aplicando o princípio de conservação de massa ao oxigênio e ao nitrogênio respectivamente
Então, a equação química balanceada é
C 3 H 8 + 6 O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + O 2 + 22,56 N 2
Passo 7
c) A combustão completa de C 3 H 8 com 20 % de excesso de ar e 90 % de combustível sendo consumido, logo 10 % de combustível não é queimado
C 3 H 8 + 6 O 2 + 3,76 N 2 → 0,1 C 3 H 8 + α C O 2 + β H 2 O + γ O 2 + 22,56 N 2
Onde, 3,76 m o l s de N 2 acompanha cada mol de O 2 no ar
Passo 8
Aplicando o princípio de conservação de massa ao oxigênio e nitrogênio, respectivamente
Então, a equação química balanceada é
C 3 H 8 + 6 O 2 + 3,76 N 2 → 0,1 C 3 H 8 + 2,7 C O 2 + 3,6 H 2 O + 1,5 O 2 + 22,56 N 2
a) C 3 H 8 + 5 O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + 18,8 N 2
b) C 3 H 8 + 6 O 2 + 3,76 N 2 → 3 C O 2 + 4 H 2 O + O 2 + 22,56 N 2
c) C 3 H 8 + 6 O 2 + 3,76 N 2 → 0,1 C 3 H 8 + 2,7 C O 2 + 3,6 H 2 O + 1,5 O 2 + 22,56 N 2