Combustão Capitulo 10 - LEST · Web view10.1 Introdução: O processo de combustão e uma reação...

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10

Combustão Capitulo 10

10.1 Introdução:

O processo de combustão e uma reação química de oxidação, exotérmica, muito rápida entre um reagente composto do combustível, mais o oxidante (oxigênio, Ar úmido). Em geral os elementos químicos nos combustíveis responsáveis pela liberação de calor são carbono, hidrogênio e enxofre. O termo combustão completa é usado para descrever a reação ideal de combustão, quando todo o combustível é oxidado para dióxido de carbono (caso de combustão de combustível com carbono) ou dióxido de enxofre (caso de combustão de enxofre) ou água (caso de combustão de hidrogênio).Quando a combustão se faz com ar úmido o nitrogênio que atua normalmente como um gás inerte, não se oxida e sua atuação na combustão e como moderador, absorvendo uma parcela do calor liberado na combustão, causando uma regulagem da temperatura de combustão ,ou temperatura de chama.Quando o processo de combustão é iniciado o oxigênio disponível no ar é progressivamente consumido e a quantidade de nitrogênio e outros gases ou produtos de combustão incrementam o volume dos gases produzidos.E possível calcular a quantidade de oxigênio que precisa uma determinada quantidade de combustível para se oxidar completamente (fazer combustão completa), portanto a quantidade de ar necessário à combustão completa.E também e possível calcular o ar necessário a combustão se conhecemos a composição mássica ou volumétrica media do ar úmido em condições normais.Normalmente para assegurar combustão completa se fornece ar em excesso da quantidade teórica requerida para realizar combustão completa, o oxigênio que por alguma causa não seja consumido sairá juntos com os produtos de combustão.Motores de combustão interna utilizam normalmente combustíveis líquidos (gasolinas, óleo diesel, etc.), turbinas a gás normalmente funcionam com kerozene, os combustíveis sólidos são usados preferencialmente por caldeiras estacionarias, os combustíveis gasosos, são usados atualmente em motores de combustão interna operando com ciclo Otto, sendo também usados em pequenas caldeiras para aquecimento de água.

10.2 Conceito de química básica

Antes de estudarmos a combustão propriamente dita é necessário entender a construção e uso de equações químicas e formulas químicas, portanto

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10definiremos de forma resumida alguns conceitos elementares de elementos químicos.

10.2.1 Átomo

Elemento químico indivisível, sendo a partícula menor que forma parte de uma reação química e guarda suas propriedades. Somente em reação de fusão nuclear os átomos podem dividir-se e não conservam as suas propriedades originais.

10.2.2 Moléculas

Elemento químico que rara vez são encontradas existindo como simples átomos estáveis quimicamente (ex: Oxigênio ), os átomos das moléculas são mantidos unidos por forças intermoleculares, interatómicas, muito fortes.O isolamento de uma molécula (Ex: Oxigênio) é difícil mais não impossível, agora o isolamento de um átomo é uma tarefa bastante difícil e quase impossível. As moléculas de algumas substancias são formadas por átomos de diferentes elementos (Ex: Água ) os átomos de diferentes elementos tem massas diferentes ,e precisamos ter uma idéia referencial dos valores destas massas, que são infinitamente pequenas para poder fazer analises quantitativos.As massas de átomos são definidas relativas as massas de outros átomos. As massas relativas são indicadas pelos seus pesos ou massas atômicas, sendo definidos numa escala de forma que o peso atômico do oxigênio seja igual a 16.E comum obter os pesos ou massa atômicas em livros didáticos de termodinâmica,observaremos que o hidrogênio tem peso atômico igual a 1,008, este elemento foi escolhido como referencia e seu peso ou massa atômica fixado em 1,0Em formulas químicas os átomos de um elemento são representados por símbolos o cada molécula é expressada em termos destes símbolos (Ex: hidrogênio: H, oxigênio: O; enxofre: S, etc.) e do numero de átomos que contem cada molécula (ex: molécula do hidrogênio: (contem dois átomos): duas moléculas de hidrogênio: )A tabela 10.1 mostra algumas moléculas bem conhecidas.

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Tabela 10.1 Peso molecular e propriedades térmicas de substancias mais conhecidas

10.3 Combustíveis

Os elementos combustíveis mais conhecidos e importantes são o carvão (C) e hidrogênio (H), sendo que a grande maioria dos combustíveis conhecida, contem frações destes dois combustíveis, assim como pequenas quantidades de enxofre (S). E possível encontrar combustíveis que também contem oxigênio ( ) e elementos neutros como nitrogênio e cinza.O carvão como elemento combustível mais importante é o mais estudado e tem sido dividido em vários grupos dependendo do “analise ultimo” de um combustível, que não é mais que uma analise química por peso dos elementos que compõem o combustível.A seguir apresentaremos os combustíveis sólidos, líquidos e gasosos mais conhecidos, como as suas características físicas e composição química, e seu poder calorífico inferior médio. (PCI) que será definido mais tarde.

10.3.1 Combustíveis Fósseis: carvão, lignita, turba, lenha.

Origem: com exceção da lenha, os demais são produtos de carbonização lenta, sem ar, a alta pressão de material de origem vegetal. (Exploração minas caso do carvão e a céu aberto caso lignita).

Combustíveis de Transformação: briquetes de carvão ou lignita, Coke, carvão de madeira.

Briquetagem: processo de aglomeração de partículas em pedaços compactos e resistentes, se realiza por compressão, agregando ligas. Cokes: resulta de carbonização de hulha e carvão antracitico a . Os cokes podem ser de diferentes tipos segundo a temperatura – cokes de gás ( ) de destilação, metalúrgicos ( ), semi – cokes ( ) de lignita, de petróleo, de destilação(cracking) ,sua diferença e nome vem do processo de carbonização.

Componentes principais dos carvões: carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio, cinzas, estes três últimos em pequenas quantidades.- Carbono aumenta com a idade geológica (antracita maior teor de carbono)- Oxigênio diminui com a idade geológica.

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Tabela 10.2 Classificação e categorias de carvão:

Antraciticos Grosso calibre 80/120 mmAntraciticos leves Calibre médio 50/30 mmAntraciticos médios leves

Nozes 15/30 mm

Antraciticos grãos Grãos 6/10 mmAntraciticos granulados Grânulos 3/6 mm

Tabela 10.3- Composição média dos combustíveis sólidos:

COMBUSTÍVEL C H O N S H20

CINZAS

PODERCALORIFICO

INFERIORPCI

VOL. ARTEORICO

COMB.

VOL.GASES

TEORICOSSECOS

VAPORDE AGUA

CONTEUDOMAXIMOCO2 NOSGASES

% % % % % % % KJ/kg M3/kg M3N/kg M3N/kg %

Carvão puro 100 33820 8.9 9.8 - 21.0

Carvões:

Novos espessos 77 5 8 1 1 3 5 30100 7.9 7.7 0.6 18.5

Antraciticos 85 3 2 1 1 3 5 31400 8.5 8.2 0.5 18.8

Coke metalúrgico 83 0.5 0.5 1 1 5 9 28900 8.5 7.5 0.1 20.5

Hulha seca 58 4.3 10 1.2 1.5 10 11 22930 3.0 2.95 0.6 18.2

Lignitas:

Bruta 30 3 10 1 1 50 5 9630 3.1 3.0 0.9 17.2

Briquetes 35 5 18 1 1 15 5 19250 5.6 5.4 0.7 17.2

De madeira seca 42 5 37 - - 15 1 14650 3.8 3.8 0.7 20.4

Tabela 10.4- Massa específica dos combustíveis sólidos:

DESIGNACAO MASSAESPECÍFICA

DESIGNACAO MASSAESPECIFICA

Carvão Bolas Nossos 30/50 Finos Pó

740-780720-750820-860700-800

Turba (Turfa)Industrial

310-380

Briquetes 650-750Coke Metalúrgico Siderúrgico Pó

460-500430-500700-760

Lignitas Bruta 50% água Briquetes

650-780500-650700-1000

Madeira Madeira dura Madeira mole

560420

Carvão de madeira 130-280

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10 Pó 450-500

10.3.2 Combustíveis líquidos:

Origem dos óleos minerais: de origem marinho, naphtas (óleos puros) obtido através de poços (furados) profundos. (USA, URSS, Venezuela, África do Norte, Irã, Iraque, Romênia, Arábia). Composição: mistura de hidrocarbonetos ( ) descompostos em processos de destilação (cracking) em óleos (ex: óleo leve mais conhecido: gasolina , ponto ebulição , composto de parafina e hidrocarbonetos: óleos mais conhecidos: gás-oil (diesel) ponto ebulição > ,óleos lubrificantes.

Origem dos Óleos Sintéticos: obtidos a partir da hulha, lignita, petróleo, a liquefação e gaseificação do carvão são processos importantes caso o preço do petróleo continue a aumentar.

Outros: álcool etílico, benzeno (componente volátil da hulha obtido por desgaseificação nas cokerias).

Origem dos fuel-oils: obtidos da destilação do petróleo. Conteúdo do Carbono: 84-86% em massa.

Hidrogênio: 11-13%. A combustão destes fuel-oils dá exclusivamenteGás carbônico ( ) e água ( ) em forma de vapor.

Poder calorífico interior (PCI):40000-43000 KJ/Kg óleos minerais36000-40000 KJ/Kg óleos de alcatrão.

Tabela 10.5 Característica dos óleos minerais para conteúdo nulo de enxofre:

Massa especificaKg/m3

C/H PCI KJ/Kg

0,80 6,0 434008,85 6,5 428600,90 7,1 422000,95 7,7 416001,00 8,2 40900

Ponto de inflamação. Ponto no qual o combustível se inflama:Gasolina 16 + 10oC

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Petróleo 20 + 60oCCombustível domestico (BPF) 55 + 140oC

Combustível pesado 70 + 190oC

10.3.3 Combustível Gasoso:Origem: As maiorias são misturas de gases combustíveis ou não combustíveis (combustíveis tipo )Classificação:Pela Origem: gases naturais Gases manufaturados

Pelo poder calorífico:Gases pobres PCS < 8000 KJ/Kgm3nGases da água PCS = 8000-15000 KJ/m3nGases ricos PCS > 20000 KJ/m3n

Pelo método de obtenção:

Produtos de degaseificação:Gás de cokeria: subproduto da fabricação do CokeGás de cidade: fabricados artificialmente a partir da hulha, processo

anaeróbico (sem ar), misturando com derivados do petróleo obtidos por processo de catalisis.

Gases distribuídos por longas distancias: obtidos em cokerias

Gases de destilação: produzidos a baixa temperatura (500-700oC) a partir de combustíveis sólidos.

Gás de água:Azul: obtidos por reação do vapor de água sobre o carvão

incandescente de Coke.Carburado: gás de água azul, enriquecido por outros gases

produtos da decomposição de fuel-oil.

Gás de alto forno: gás pobre, subproduto da fabricação do aço nos altos fornos.

Gás reformado: obtido pela oxidação transformando um hidrocarboneto (CnHm), numa mistura de H2 e CO a partir do ar,oxigênio, vapor de água e CO2.

Gás de refinaria: contem butano e propano.

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Gás natural: gás de minas.

Gás propano (arelhado): mistura de gás natural, propano e ar.

Gás de cidade: obtidos do processo de degaseificação do carvão com obtenção do Coke como subproduto ou seja mistura de gás de carvão,gás de água, gás de gasogênio pobre com poder calorífico superior(PCS) da ordem de 180 KJ/m3n. Este gás está sendo substituído por gases reformados, devido a diminuição do consumo do Coke.

O índice de wobbe (wo) é uma característica fundamental da qualidade de um gás.

dv= massa especifica relativa a massa especifica do ar

O índice de Wobbe medido em KJ/m3n( metro cúbico em condições normais de pressão e temperatura), se calcula a partir das teorias de escoamento em orifícios e dá uma indicação aproximada sobre o fluxo calórico, temperatura de chama e quantidade de ar primário necessário na combustão, e necessário ter em conta a pressão do gás. (Ex: dois gases com o mesmo índice de Wobbe (Wo) tem as mesmas características de combustão para serem queimados no mesmo queimador sem modificações, em caso de pressões diferentes se utiliza o Woe.

onde: pressão manométrica do gás.Quando se deseja substituir um gás 1 por outro gás 2 e obter o mesmo fluxo calórico é necessário verificar:

Diâmetro de gigleurs:

Pressão do gás:

Exemplo: um gás de cidade tem = 25000; p1= 800 N/m2; D1= 2mm e desejamos substituir por gás natural com 42000, deveremos ter:

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Definição de termos usados:

degaseificação: formação de combustíveis gasosos por decomposição química de combustíveis sólidos a alta temperatura de forma anaeróbia (sem ar).Degaseificação abaixo de 600oC (destilação lenta)Degaseificação acima de 600oC (Cokefação)

Gaseificação: é a transformação total de combustível sólido em gasoso, o processo de fabricação e: uma corrente de ar e vapor de água é enviada sobre as camadas do combustível a gaseificar estando incandescente (Coke, hulha, lignita) isto faz aparecer CO, H2.

Tabela 10.6 Composição de diferentes gases naturais conhecidos:

PAISES CH3 C6H6 C3H8 C4H1 CO2 N2 H2SPCI

(KJ/m3n)França 69,6 3.1 1.0 .03 10 - 15.1 33200

HolandaDe lier

94.2 6.2 1.0 .05 0.1 1.4 - 37600

AlemanhaAnzing

94.2 2.0 1.7 1.1 1.8 - - 37800

ItáliaCorregio

99.6 - 0.2 - - 0.2 - 35700

ÁustriaMarchfe

97.0 0.8 0.3 - 0.6 1.3 - 36300

URSSBakon

93.0 3.3 - - 2.2 0.5 - 35500

ArgéliaHassi

79.6 7.4 2.7 1.4 0.2 5.1 - 42600

10.4 Equações de combustão

O processo de combustão pode ser descrito do ponto de vista de conservação de massa por uma reação química simples. Como normas gerais devemos ter em conta que a massa total de produtos da reação devera ser igual a massa total dos reactantes (combustível + oxidante), quando analisemos o balanço energético desta reação

339

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10química exotérmica, observaremos que os produtos são de composição química diferente aos reatantes e saem da reação química a uma temperatura bastante elevada.A reação química numa combustão pode ser expressa da seguinte forma.

Combustível + oxigênio produto + calor

E necessário ter em conta que cada lado da equação devera ter o mesmo numero de átomos.Os coeficientes numéricos que precedem os símbolos químicos na reação química são chamados de coeficientes estequiométricos.Como a reação química mostra o numero de moléculas de cada reatante e produto, é usado o “mol” que é proporcional ao numero de moléculas e isto pode proporcionar a composição molar e volumétrica da reação( de acordo a teoria de mistura de gases ideais).O oxigênio que proporciona o processo de oxidação ,normalmente vem do ar úmido ambiente, portanto antes de fazer balanços molares é necessário definir a composição molar (mássica) e volumétrica do ar ambiente normal usado em cálculos de combustão.

Composição mássica media do ar ambiente:

Oxigênio (02) 23,3%Nitrogênio (N2) e outros gases. 76,7%

Composição volumétrica do ar ambiente:

Oxigênio (02) 21%Nitrogênio e outros gases (N2) 79%

10.4.1 Combustão completa com Oxigênio

Consideremos a equação química de combustão do hidrogênio

(10.1)

Informações retiradas da reação 10.1:

a- O hidrogênio reaciona com o oxigênio e forma parte da águab- Duas moléculas de hidrogênio reacionam para formar junto com uma de

oxigênio, duas moléculas de água.

Podemos também dizer:

340


Observação: A água pode aparecer como liquido ou vapor dependendo da temperatura dos produtos.

10.4.2 Composição mássica dos componentes da reação:

Ou: (10.2)

Ou dividindo por 4:

E interessante notar que para encontrar os coeficientes estequiométricos, o principio de conservação de massa tem que ser aplicado a nível atômico, pois os reagentes são transformados em produtos que tem que ter todos os átomos presentes nos reatantes.Ilustramos a seguir o cálculo dos coeficientes estequiométricos para a reação completa de metano com oxigênio.

(10.3)Onde:

x, y, z: coeficientes estequiométricos a serem calculados com equações de balanço de átomos:

Balanço de massa para a equação 10.3:

(10.4)

Conclusão:- Para combustão completa de 16gr de metano (CH4) precisamos 64gr (16x2x2) de oxigênio, ou seja, em processo continuo precisamos uma vazão mássica de oxigênio quatro veces maior que a de metano (64/16=4).

-Observamos também da equação (10.4) que apenas a massa é conservada na reação química, pois o numero total de mols de reagentes (3) e de produto (3) pode não ser igual.

341

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Exemplo: combustão completa de hidrogênio com oxigênio puro:

Conservação de massa:

Usando os coeficientes estequiométricos vemos que:

Observação:No caso do metano, foi fortuito que os moles de reagentes e produtos fossem iguais.

10.5 Combustão com ar

Na grande parte das aplicações de combustão o oxidante é ar atmosférico, com composição mássica e volumétrica antes definida. Para fins de cálculo o ar contem 79/21=3,76 moléculas de nitrogênio (N2) para cada molécula de oxigênio (O2).De acordo a João A. Carvalho, UNESP, Guaratinguetá, para aplicações em propulsão ,os oxidantes em geral contem mais oxigênio que o ar (Ex: tetroxido de nitrogênio (N2O4)) é usado em propulsão liquida como oxidante de monometil hidrazina (N2H2CH3) em propulsão de satélites, ou dimetil hidrazina assimétrica (N2H2(CH3)2), em propulsão de foguetes de maior tamanho.Para o tetroxido de oxigênio teremos a seguinte composição mássica:

Oxigênio:

Nitrogênio:

As quantidades mínimas de oxidante requeridas para a ocorrência de combustão completa e chamada de quantidade estequiométrica. Normalmente a quantidade de oxidante oferecida num processo de combustão é, em geral maior que a estequiométrica usando o mesmo exemplo anterior, vamos queimar hidrogênio (H2) com ar.

Vamos exemplificar a combustão incompleta do carvão, que ocorre quando a quantidade de ar e inferior a estequiométrica ou não é realizada uma boa queima do carvão (ou outro combustível).

10.5.1 Combustão completa do Carvão:

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- Com oxigênio puro:

- Combustão do carvão com ar:

Analises volumétrico ou balanço molar:

Observação: Normalmente o volume do carvão se considera nulo devido a que o volume de um solido e desprezível comparado com o volume de um gás.

Analises de balanço de massa(por unidade de massa):

Por umidade de massa de combustível (carbono):

10.5.2 Combustão incompleta do Carbono:

Com oxigênio puro:

Com ar:

Balanço mássico:

Por unidade de massa de carbono:

Obs:Aparece nos gases produto de combustão CO que é um combustível não queimado por falta de oxigênio.A seguir mostraremos equações de combustão completa de alguns combustíveis mais usados.

Metano: (oxigênio puro) (com ar)

343

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Álcool etílico:

(oxigênio puro) (com ar)

Propano: (oxigênio puro) (com ar)

Octano: (oxigênio puro) (com ar)

10.6 Relações ar-combustível

Geralmente se utilizam três parâmetros para representar a quantidade de ar requerida na combustão de um determinado combustível.

Razão ar combustível (AF) Razão combustível ar (FA) Razão de equivalência ( )

Definições:

AF- Razão entre a massa de ar fornecido e massa de combustível (pode também ser relação molar )

FA- Reciproca de AF (base molar )- Razão entre o numero de átomos de oxigênio necessários para combustão

estequiométrica e o número real de átomos de oxigênio presentes (Obs: esta definição leva em conta o oxigênio presente no combustível) (combustão pobre); (combustão rica).

(10.3)

(10.4)

onde: massa molecular do combustível massa molecular do arPara combustão estequiométrica de metano (CH4); podemos calcular a relação AF em base mássica a titulo de exemplo:

344


Obs:Veja a equação estequiométrica com ar do metano acima.

Em base molar a relação ar combustível estequiométrica do metano, será obtida usando a equação 10.3:

Como na pratica é impossível obter combustão completa fornecendo a quantidade de ar estequiométrico ou teórico, sempre é fornecido ar em excesso.A quantidade de ar efetivamente fornecida se pode definir de duas formas:

1- Porcentagem com relação a 2- Porcentagem de excesso de ar.

1- seja o caso de entender quanto ar é fornecido se definimos que uma combustão se realiza com 150% de ar estequiométrico ( ). Isto representa 1,5 veces a quantidade de ar estequiométrica ( ).

2- No caso de definir em forma de excesso de ar ( ) poderíamos dizer:

Exemplo ilustrativo 10.1- Qual será a equação química de combustão de metano com 150% de excesso de ar.

Exemplo ilustrativo 10.2- Calcular a razão para a combustão de uma mistura de antracita seca que tem a seguinte composição mássica:

Determinar a relação AF para um excesso de 20% de ar.Determinar a composição volumétrica em base seca e úmida dos produtos de combustão.Vamos apresentar todos os cálculos organizados em forma de tabela, mostrando as equações de combustão de cada um dos componentes para obter combustão completa (estequiométrica).

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Combustível Composiçãomássica

Equações decombustão

Oxigênio necessário por unidade de massa de comb.

Produto por unidade de massa de comb.

C 0.9 C+O2=CO2

12+32=44 0.9(32/12) = 2.4 kg 0.9 (44/12)=3.3 kgCO2

H2 0.03 2H2+O2=2H2O4+32=36 0.03(32/4) = 0.24 kg 0.03 (9/1)= 0.27 kgH2O

O2 0.025 --0.025 (Por ser parte do

combustível)

-

N2 0.01 - - 0.01 kg N2

S 0.005 S+O2=SO4

32+32=64 0.005 (32/32) = 0.005 kg 0.005(64/32)=0.01kgSO2

Cinzas 0.03 - -Total O2 = 2,62 kg.

Oxigênio estequiométrico necessário por umidade de massa de combustível:

Ar teórico necessário por umidade de massa de combustível:

Obs: O ar tem 23,3% de oxigênio em composição mássica.

Nitrogênio estequiométrico (teórico) associado com o ar teórico necessário.

Obs: O ar tem 76,7% de nitrogênio em composição mássica.

Nitrogênio presente nos produtos de combustão

Relação

Para o caso de fornecer 20% de ar em excesso ( ):

Quantidades de nitrogênio e oxigênio associados com quantidade de ar real.

Nitrogênio nos produtos de combustão:

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Excesso de oxigênio fornecido:

A seguir mostramos uma tabela com os produtos de combustão, e sua composição mássica e volumétrica em base seca e úmida.

Produto Massa/kgComb. %massa Massamolecular %volume %volume

base seco

CO2 3.3 44

H2O 0.27 18 -

SO4 0.01 64

O2 0.52 32

N2 10.47 28

TOTAL 14.47Total úmido 0.4764

Água 0.0150Total seco 0.4614

10.7 Os produtos de combustão

Como a grande maioria de combustíveis hoje utilizados são derivados do carvão e os chamados hidrocarbonetos, os gases produtos de combustão, sempre estão compostos dos mesmos gases:

10.7.1 Produtos de combustão completa

(com ar): ;Obs: não deve aparecer oxigênio(com oxigênio): ;Obs: não deve aparecer oxigênio 10.7.2 Produtos de combustão incompleta

(com ar): ;Obs: a presença de indica também excesso de ar(com oxigênio): ;Obs: a presença de indica excesso de oxigênioObs: Na maioria de reações de combustão reais, sempre aparecem produtos de

combustão completa e incompleta; o somente aparece em caso de usar combustível com enxofre na sua composição.

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.1010.7.3 Analise de gases produtos de combustão

Os produtos de combustão são principalmente gasosos e normalmente saem da combustão a altas temperaturas. Para analisar os gases é necessário baixar a temperatura (normalmente temperatura ambiente), a temperatura ambiente e quase sempre inferior a temperatura de saturação do vapor de água presente nos produtos,portanto esta água se condensa , por esta razão o vapor de água não se inclui na analise, este tipo de analise é chamado de “analise em base seca”. A analise quase sempre é feita em proporção volumétrica.

10.7.3.3 Analise prático dos produtos de combustão

Existem dois tipos de analise, normalmente realizados em laboratório.- Usando cromatografo de gases- Usando o método de Orsat.

A figura 10.1 mostra o aparelho típico para fazer teste usando o método de Orsat.

Figura 10.1 Aparelho de OrsatProcedimento de AnaliseOs produtos a serem analisados se fazem passar através das diferentes soluções contidas nas garrafas A, B e C.Cada garrafa contem uma solução que absorve um determinado componente. O procedimento consiste em medir o volume usando a pipeta graduada antes de por em contato os gases produtos com as soluções; fazemos passar os produtos confinados inicialmente no Orsat, para uma garrafa com solução de cada vez, observando as diminuições de volume do gás confinado inicialmente.Para colocar os produtos em contato com as soluções (uma garrafa de cada vez), fazemos subir e descer a garrafa niveladora varias vezes, dentro de garrafa niveladora, colocamos água pura, ou salmoura (podemos usar também

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10mercúrio), de forma que quando a bureta medidora fique cheia de gás, seja possível determinar o volume inicial cuidadosamente.A garrafa A que contem hidróxido de potássio ( ), absorve , após por em contato o gás produto de combustão com a garrafa A, medimos novamente o volume de gases remanescente a diferença com o volume inicial será o carbono ( ) absorvido, de forma semelhante fazemos passar os produtos pelas garrafas B e C que contem acido pirogalico que absorve oxigênio e cloruro cuproso respetivamente que absorve monoxido de carbono ( ).A analise volumétrica obtida é em base seca; o volume de nitrogênio se encontra medindo o volume final de gases que permanece na pipeta graduada.

Exemplo Ilustrativo 10.3- Um aparelho de Orsat é aplicado aos gases saindo de um motor operando com Benzol. A analise feita pelo Orsat mostra 15% de

, não mostra indícios de , supondo que o resto de gases secos contem oxigênio e nitrogênio, calcular a relação AF, sendo que o combustível e uma mistura de 90% C e 10% em massa.

Solução:Consideramos que temos 1 Kmol de gases secos produtos de combustão

- Seja “a” o numero de Kmoles de - Sejam 0,15 o numero de Kmoles de

Portanto: Os produtos de combustão contem:

- Conteúdo de carvão por Kmol de gases:

- Conteúdo de Carvão por kg de combustível:

- Kmoles de gases por kg de combustível:

- Massa de nitrogênio nos gases:

- Total do oxigênio fornecido:

- Oxigênio nos gases:

-oxigênio associado com água:

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- Oxigênio que se associa ao para converter-se em água:

- 0,1 kg de (10%) no combustível requer:

; para combustão completa.- Para combustão completa; lembramos da combustão de hidrogênio.

- Fazendo balanço mássico: obtemos os moles de nitrogênio nos produtos.

- Massa de nitrogênio por umidade de massa de combustível

- Relação ar-combustível

Existe outra forma mais pratica de obter AF neste Exercício.

Continuação da analise usando novo método:Sabemos que 1kg de combustível contem 0,9 kg C e 0,1kg H2 podemos dizer:

Por tanto considerando 1 Kmol de gases produtos da combustão podemos escrever a equação de combustão:

Sendo:X= kg de combustível por Kmol gases produto.Y= Kmoles de por Kmol gases.

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Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10a= Kmoles de (excesso) por Kmol gases.b= Kmoles de por Kmol gases.

- Balanço de carvão:0,075x=0,15 x=2,0

- Balanço hidrogênio:0,05x=b b=0,1

- Balanço do oxigênio: 2Y=2*0,15+2a+b Y=0,2+a

- Balanço do Nitrogênio:3,76*2*Y=2(0,85-a) (0,2+a)*2*3,76=2(0,85-a)

a=0,0206 ; Y=0,221

- Oxigênio fornecido:

- Ar fornecido:

- Como sabemos que x=2, a quantidade de Kmoles de combustível por Kmol de gases e 2kg.Portanto:

Freqüentemente as concentrações de CO, NO, particulados e outros poluentes são apresentadas em valores corrigidos para 3% de , em alguns casos 7% é utilizado de acordo a Carvalho, J.A (2001); essas concentrações servem para normalizar as taxas de emissão.

Exemplo ilustrativo 10.4: Consideremos duas unidades diferentes queimando metano ( ). Uma unidade produz 300 p.p.m de NO a 1,5% de , base seca, nos produtos de combustão, enquanto a outra produz 280 p.p.m de NO a 3% de

base seca também. O termo p.p.m denota partes por milhão em base volumétrica (1% corresponde a 10000 p.p.m). Qual unidade produz mais NO por unidade de potencia?- Equação química da combustão de metano:

351


Obs: O nitrogênio entrando nos reatantes serve para calcular o nitrogênio que esta saindo, então sai livre e moléculas também, portanto da quantidade entrando deverá ser deduzida a quantidade

presente no que é ou .

- Conservação de átomos de :

- Concentração de : (base seca)

- Concentração de NO:- Obtenção da concentração; fazendo regra de três simples.

Portanto:

Resolvendo o sistema de equações encontramos:X=2,139 ; Y=0,1377 ; Z=0,00275

Então a reação química ficará:

Onde o valor de K será obtido da seguinte forma:

Onde:

Assim:

A concentração de corrigida para 3% ficará: (base seca)

352


Observamos que 300 p.p.ma 1,5% de corresponde 276 p.p.m a 3% de e a primeira unidade produz menos que a segunda, por unidade de potencia.Este procedimento para corrigir concentrações permite a comparação de unidades de combustão no relativo a geração de poluentes e evita o uso de diluição dos produtos de combustão com ar para aparentemente diminuir as emissões.

10.8 CONSERVACAO DE ENERGIA

Aplicando o principio de conservação de energia a combustão poderemos calcular a temperatura final dos produtos de combustão.Para simplificar a apresentação dos conceitos de conservação de energia, analisaremos a reação de combustão de metano com oxigênio.

(10.5)

Vamos representar esta reação num esquema que será o caminho percorrido pela reação, mostrado na figura 10.2.

Figura 10.2 Caminho de uma reação de combustão

Observamos da figura 10.2 que a entalpia dos reatantes e mais alta que a entalpia dos produtos e portanto a reação química e exotérmica (ocorre liberação de calor).

E necessário esclarecer que entalpia representa a energia do sistema devido ao processo ser isobárico, no caso de reação de combustão, a volume constante a energia será representada pela energia interna do sistema.

353


As entalpia e são as entalpias de formação de reatantes e produtos respectivamente. Entalpia de formação representa a energia necessária para formar as moléculas dos reatantes e produtos a partir de um estado de referencia que tem energia de formação nula. O estado de referencia e o estado em que uma substancia contem seus átomos no estado encontrado na natureza (Ex: A entalpia de formação do oxigênio gasoso e zero a ou seja:

(10.6)

Observamos que a temperatura tem que ser especificada, isto é devido a que a entalpia é função de temperatura, normalmente a temperatura de referencia é ; assim as entalpias de formação de hidrogênio , nitrogênio ,a também são nulas; para carbono a entalpia de formação nula ocorre na forma de grafite a

.A entalpia de formação do metano é diferente de zero porque o gás é uma combinação de átomos de hidrogênio e carbono. A teremos:

=-74776,02KJ/kg

Os valores das entalpias de formação das substancias mais comuns encontram-se tabelados em manuais de engenharia (Ex: Chemical Engineering hanbook, R.H. Perry & C.H. Chilton, Mc Graw Hill books, 5th Edition, 1973).A entalpia de formação de substancias que participam de uma reação química ,pode ser calculada somando a entalpia de formação das substancias, multiplicadas pelo numero de moles de cada componente. No caso de reação química dos reagentes da combustão do metano teremos:

Da mesma forma podemos calcular a entalpia de formação dos produtos assim:

Portanto:

A diferença entre as entalpias de formação dos reatantes e produtos é a entalpia ou calor de combustão, normalmente chamado de poder calorífico do combustível (PC),

354

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10observamos que o PC tem também temperatura de referencia. Para o exercício proposto, ou seja a combustão do metano.

Se comparamos o valor obtido, com o encontrado em tabelas de combustão do metano com oxigênio, podemos observar que:

Ou seja o mesmo valor acima calculado.

O poder calorífico se representa de duas formas em livros de engenharia. Se a ,a água estiver no estado de vapor nos produtos, se aplica o termo poder calorífico inferior (PCI), se a água estiver no estado liquido nos produtos, se aplica o termo, poder calorífico superior (PCS); a diferença entre PCI e PCS e o calor latente de vaporização da água.Como em problemas de combustão normalmente a água encontra-se no estado liquido nos produtos, normalmente se usa o PCI em cálculos, envolvendo balanço de energia.A figura 10.2 se refere a reação de combustão com reagentes e produtos a , ou seja o calor de reação foi retirado do sistema; na pratica isto não acontece e portanto normalmente os produtos de combustão estão bastante quentes.Antes de prosseguir consideramos conveniente explicar que a figura 10.2 mostra a energia de ativação da reação, que é a energia que deve ser fornecida aos reagentes através de colisões entre moléculas, para que a reação efetivamente seja iniciada,uma vez ocorre a reação química (a reação se acende), a energia é liberada e usada para continuar a reação entre as moléculas.Como a entalpia de produtos e reagentes muda com temperatura, para aplicar o principio de conservação da energia é melhor observar a evolução das entalpias num gráfico entalpia-temperatura. (veja a figura 10.3).Usaremos o mesmo exemplo de reação de combustão do metano ( ), com oxigênio. Se a energia total do sistema de combustão é conservada durante o processo (combustão adiabática) então o estado final dos produtos deverá estar no mesmo nível de entalpia dos reagentes, pelo principio de conservação de energia (1a lei da termodinâmica), ou seja o estado final dos produtos (ponto F) estará na reta

355


Figura 10.3 Variação de entalpia com temperatura de reagentes e produtos

horizontal que passa pelo ponto I da figura 10.3 que é o estado inicial dos reagentes ou seja para combustão adiabática em fluxo estável.

Ou:

(10.7)

A temperatura será a temperatura adiabática de chama ( ), sendo a temperatura máxima que se pode obter para os produtos de combustão. Como normalmente existem perdas de energia, onde se realiza a combustão (câmara de combustão), então a entalpia final dos produtos é inferior a (Ex: na figura 10.3 o ponto indicativo de temperatura final dos produtos mais realista seria ).Podemos calcular , aplicando o principio de conservação de energia (equação 10.7) a mistura gasosa que constituem os produtos de combustão.

(10.8)

No caso da combustão estequiométrica do metano; com oxigênio a equação 10.8 se pode aplicar como segue:

(10.9)

Os calores específicos do e podem ser encontrados em livros de termodinâmica clássica ou manuais de engenharia tipo: “Engineering Handbook : R.H. Perry& C.H. Hilton”A tabela a seguir mostra os calores específicos a pressão constante, para reação de combustão com oxigênio e os calores de formação de algumas substancias mais

356


usadas em combustão (informação extraída das apostilas do curso de combustão do Prof. João A. Carvalho, UNESP, Guaratinguetá, SP,2000, Brasil).

Exemplo Ilustrativo 10.5 (Extraído das apostilas do Prof. João A. Carvalho, UNESP, Guaratinguetá,2000, Brasil).Calcular a temperatura adiabática de chama, como função do excesso de ar para a combustão de metano com ar, considerar .Solução:A reação de combustão do metano com ar, usando excesso de ar ( ) pode ser escrita como segue:

Tabela 10.8- Calores específicos a pressão constante de algumas substancias (de R.H. Perry & C.H. Chilton: Chemical Engineers’ Handbook).

Substancia cp(cal/mol K)* Intervalo de Temperatura (K)CO2 (g) 10,34+0,00274 T-195500/T2 273-1200CO (g) 6,60+0,00120 T 273-2500H2O (g) 8,22+0,00015 T+0,00000134T2 300-2500N2 (g) 6,50+0,00100 T 300-3000O2 (g) 8,27+0,000258 T-187700/T2 300-5000SO2 (g) 7,70+0,00530 T-0,00000083 T2 300-2500HCl (g) 6,70+0,00084 T 273-2000Al2O2 (g) 22,08+0,008971 T-522500/T2 273-1973Fe2O2 (g) 24,72+0,01604 T-423400/T2 273-1097CaCO3 (g) 19,68+0,01189 T-307600/T2 273-1033CaSO4 (g) 18,52+0,02197 T-156800/T2 273-1373C (s, grafite) 2,673+0,002617 T-116900/T2 273-1373H2 (g) 6,62+0,00081 T 273-2500CH4 (g) 5,34+0,0115 T 273-1200H2S (g) 7,20+0,00360 T 300-600He (g) 4,97 qualquerF2 (g) 6,50=0,00100 T 300-300NH3 (g) 6,70+0,00630 T 300-800NO (g) 8,05+0,000233 T-156300/T2 300-5000

357


Tabela 10.9- Calores de combustão de algumas substancias (de R.H. Perry & C.H. Chilton: Chemical Engineers’ Handbook).

Substancia PCS(cal/mol) PCS(cal/g) PCI(cal/mol) PCI(cal/g)Hidrogênio,H2(g) 68317 33887 57798 28670Carbono,C (s) 94052 7831 ------------- -----------Monóx. Carbono, CO (g) 67636 2415 ------------- -----------Metano,CH4 (g) 212798 13265 191759 11954Etano, C2H6 (g) 372820 12399 341261 11350Propano, C3H8 (g) 530605 12034 488527 11079n-Butano, C4H10 (g) 526782 11947 484704 10993n-Butano, C4H10 (l) 687982 11837 635384 10932n-Pentano, C5H12 (g) 682844 11749 630246 10844n-Pentano, C5H12 (l) 845160 11715 782040 10840n-Exano, C6H14 (g) 838800 11626 775680 10752n-Exano, C6H14 (l) 1002570 11635 928930 10780n-Heptano, C7H16 (g) 995010 11547 921370 10692n-Heptano, C7H16 (l) 1160010 11577 1075850 10737n-Octano, C8H18 (g) 1151270 11490 1067110 10650n-Octano, C8H18 (l) 1317450 11534 1222770 10705n-Nonano, C9H20 (g) 1307530 11477 1212850 10618n-Nonano, C9H20 (l) 1474900 11500 1369700 10680n-Decano, C10H22 (g) 1463800 11414 1358600 10593n-Decano, C10H22 (l) 1632340 11473 1516630 10660Benzeno, C6H6 (g) 1620060 11387 1504350 10573Benzeno, C6H6 (l) 789080 10102 757520 9698Tolueno, C7H8 (g) 780980 9999 749420 9595Tolueno, C7H8 (l) 943580 10241 901500 9785Ciclohexano, C6H12 (g) 934500 10143 892420 9686Ciclohexano, C6H12 (l) 944790 11227 881670 10477Etileno, C2H4 (g) 936880 11133 873760 10383Propileno, C3H6 (g) 337274 12022 316195 11272Acetileno, C2H2 (g) 491987 11692 460428 10942Metilacetileno, C3H4 (g) 310615 11930 300096 11526

463109 11560 442070 11035

358

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Tabela 10.10 -Calores de formação de algumas substancias a (de R.H. Perry & C.H. Chilton: Chemical Engineers’ Handbook).

onde representa a razão entre as vazões de ar real e a estequiométrica ou seja o excesso de ar normalizado. A equação de balanço de energia será:

Substancia FórmulaÁcido clorídrico anidro (g) HCl -22063Ácido fluorídrico anidro (g) HF -64200Ácido nítrico anidro (l) HNO3 -41350Ácido nítrico anidro (g) HNO3 -31990Ácido sulfídrico anidro (g) H2S -4770Água (l) H2O -68317Água (g) H2O -57798Álcool etílico (l) C2H5OH -66350Alumínio (s) Al 0Amônia (g) NH3 -10960Carbono (s,grafite) C 0Carbonato de cálcio (s) CaCO3 -289500Dióxido de carbono (g) CO2 -94052Dióxido de enxofre (g) SO2 -70940Etano (g) C2H4 -20236Flúor (g) F2 0Hidrazina (l) N2H4 12060Hidrogênio (g) H2 0Hidróxido de cálcio (s) Ca(OH)2 -235580Metano (g) CH4 -17889MMH (l) N2H3CH3 12700Monóxido de carbono (g) CO -26416Óxido de alumínio (g) Al2O3 -399090Óxido de cálcio (g) Cão -151700Oxigênio (g) O2 0Perclorato de amônio (g) NH4ClO4 -75230Peróxido de hidrogênio (g) H2O2 -44750Sulfato de cálcio (s) CaSO4 -338730Sulfato de sódio (s) Na2SO4 -330500Tetróxido de nitrogênio (l) N2O4 -6800

UDMH (l) N2H2(CH3

)212724

359


Da equação química acima teremos:

Inserindo na equação acima os valores dos calores específicos obtidos da tabela 10.8, abaixo:

Podemos resolver a integral da seguinte forma parcelada:

Assim:

360

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10Atribuindo valores a podemos resolver a equação numericamente, como apresentado na tabela a seguir.

0 232210 219720 208530 198540 189550 181360 174070 167380 1611

Observamos que o excesso de ar ,para a mesma quantidade de calor liberado pelo combustível (PCI) é usado para aquecer, uma quantidade maior de componentes inertes (não reagem), que são e o excesso de ,causando com isto uma diminuição da temperatura de chama .

Bibliografia

Gill,W.;Carvalho, J.A.Jr.; Bastos Netto, D., Termodinâmica de combustão , Publicação interna, INPE-4244-RPI/175, 1987.

Goodger, E.M., Combustion Calculations, The MacMillan Press Ltd., 1979.Gordon S.; McBride, B.J., Computer program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions, Rocket Performance, Incident and Reflected Shocks, and Chapman-Jouguet Detonations, Report, NASA-SP-273, 1971.

Perry R.E.; Chilton, C.H.,eds., Chemical Engineering Handbook, 5th. Edition, McGraw-Hill Book Company,1973.

Moran M.J.; Shapiro, H.N., Fundamentals of Engineering Thermmodynamics, 2nd. Edition, John Wiley & Sons, Inc.,1992.

Sthrelow,R.A., fundamentals of Combustion, Robert Krieger Publishing Company, Huntington, New York,1979.

Van Wylen, G.J.; Sonntag, R.E.,Fundamentos da Termodinâmica clássica, Editora Edgard Blucher Ltda, 1970.

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