平成29年度 問28 化学プロセス
ある燃料油の組成は炭素 90 wt%、水素 10 wt% である。この燃料油に理論空気量の 1.5 倍の空気を供給し完全燃焼させたとき、水蒸気を除く燃焼ガス中の窒素濃度に最も近い値はどれか。燃焼ガスは 0 ℃、100 kPa の条件下にあり、反応は次式による。
$$\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2}$$$$\mathrm{H} + \tfrac{1}{4}\,\mathrm{O_2} \rightarrow \tfrac{1}{2}\,\mathrm{H_2O}$$ただし、空気中の酸素濃度、窒素濃度はそれぞれ 21.0 vol%、79.0 vol% とし、各元素の原子量は、H = 1、C = 12、O = 16 とする。
①
79%
②
80%
③
81%
④
82%
⑤
83%
正答
④ 82%
燃料油が 100 g あるとして考えます。炭素 90 g、水素 10 g が含まれています。炭素の物質量は \(90/12 = 7.5\) mol、水素の物質量は \(10/1 = 10\) mol です。
燃焼に必要な酸素の量は \(7.5\times 1 + 10\times(1/4) = 10\) mol です。理論空気量は \(10\times 100/21 = 47.6\) mol、その 1.5 倍の \(71.4\) mol の空気を供給しています。
窒素：\(71.4\times 0.79 = 56.4\) mol
二酸化炭素：\(7.5\) mol
過剰に供給された酸素：\((71.4 - 47.6)\times 0.21 = 5.0\) mol
燃焼ガス量は \(56.4 + 7.5 + 5.0 = 68.9\) mol となり、そのうち窒素の割合は \(56.4/68.9\times 100 = 82\%\) です。