H27年 大気特論 問3 問題と解説

メタンとプロパンの2種類の燃料を完全燃焼させている燃焼炉で、メタン、プロパン及び燃焼用空気の供給量がそれぞれ、7m³_N/h、3m³_N/h、159m³_N/hのとき、乾き燃焼ガス中の酸素濃度(%)はおよそいくらか。

1. 2.0
2. 2.5
3. 3.0
4. 3.5
5. 4.0

 

 

 

 

 

　解 説　　　　

まず、メタンとプロパンの燃焼の化学反応式は以下の通りです。

問題文の数値はいずれも単位が[m³_N/h]になっていますが、気体の体積は[mol]に比例するので、化学反応式の中では[mol]と同様の取り扱いが可能です。

つまり、メタンが7のとき、消費する酸素は14で、生成する二酸化炭素は7となります。同様に、プロパンが3なので、消費する酸素は15で、生成する二酸化炭素は9となります。以上を合わせると、メタンとプロパンを燃焼させると、酸素が29減り、二酸化炭素が16生まれたことになります。

ここで、最初の酸素の量を確認しておくと、空気量が159であるため、

となり、これが最初にあった酸素量となります。また、

なので、これが窒素(空気の酸素以外の成分)の量になります。よって、反応後のガス成分とその量は以下の通りとなります。ちなみに、問題文に「乾き燃焼ガス」とあるので、生成した水蒸気については無視します。

• CH₄：0(完全燃焼で消費)
• C₃H₈：0(完全燃焼で消費)
• O₂：4.4(最初に33.4あって、燃焼で29使った)
• N₂：125.6(最初に125.6あって、反応には関与しない)
• CO₂：16(燃焼にて生成)

よって、上記の合計値146のうちの酸素4.4の割合を求めれば良いので、

という計算により、答えが出せます。