Cap 14 - Reaes Qumicas - Fundamentos da Combusto - Prof Dr. Ednildo Andrade TorresUniversidade Federal da Bahia Escola Politcnica DEQ/LEN Eng. 324 Termodinmica Aplicada II 1. Combusto 2 - CONCEITOS BSICOS 2. 1 Conceitos Termodinmicos 2.1.1 Calor e Temperatura 2.1.2 Calor Especfico 2.1.3 Calor Sensvel i2.1.4 Calor Latente 2.1.5 Poder Calorfico 6 2.2 Mecanismos de Transferncia de calor 2.1.1 Conduo 2.1.2 Conveco 2.1.3 Radiao 2.3 Propriedades dos Combustveis 3 Classificao dos Combustveis 3. 1 - Classificao 3.2 Caractersticas dos Combustveis Combusto ACombustoconsisteemumareaoqumica entreumcombustveleooxignio,geralmente provenientedoaratmosfrico,equeresultana produodosgasesdeexaustoeliberagrande quantidadedeenergiatrmica.Paraqueocorraa combusto so necessrios trs componentes. Combustvel Comburente Energia de ativao (Ignio) Esses componentes podem ser representado pelo tringulo da combustoCOMBURENTE IGNIO COMBUSTVEL Combustveis Os Combustveis industriais so orgnicos ou minerais em que cuja composio tm elementos que ao se combinarem como o oxignio produzem energia trmica. Esses elementos qumicos que entram na composio qumica dos combustveis so geralmente: carbono, hidrognio, enxofre, nitrognio, oxignio, metais como sdio, potssio, clcio, alumnio, ferro, vandio e umidade. Porm, os principais elementos combustveis so o carbono e o hidrognio, isto os hidrocarbonetos. Classificao dos CombustveisDefine-secomocombustvelasubstncia,naturalou artificial, susceptvel de, ao se combinar quimicamente comoutra,gerarumareaoexotrmicarpida, desprendendocaloreluz.Inmeroselementose compostosqumicospossuemestapropriedade, principalmentequandoareaofeitaentreeleseo oxignio.Nestecaptuloseroestudadososdiversos tiposdecombustveis,suaclassificaoe caractersticas, ressaltando aqueles de principal uso na indstria. Classificao Tipo Exemplo

Slidos

Naturais MadeiraLenha Serragem Cavacos TurfaLinhito Antracito Hulha Artificiais Carvo Vegetal Coque de Carvo Coque de Petrleo Briquetes

Lquidos Naturais Petrleos leos de Xisto

Artificiais Derivados do Petrleo Alcatro lcool

Gasosos Naturais Gs Natural Metano

Artificiais Hidrognio Butano e Propano GLP Gs de Iluminao Gs de Coqueria Gs de Nafta Gs de Gasognio Gs de Alto Forno Coloidais (mistura de combustveis slidos e lquidos) Resduos de Fabricao e de Extrao Combustveis Slidos Naturais Madeira A lenha um dos combustveis mais antigos ainda em uso e at hoje largamente utilizado em alguns pases, inclusive no Brasil. composto principalmente de celulose, resinas, gua e sais minerais.Sua principal utilizao ocorre na sua transformao emcarvo vegetal e na gerao de energia eltrica principalmente nas indstrias de cermica , alimentos e bebidas e papel e celulose.A serragem e os cavacos so resduos das serrarias ou da extrao de madeiras.Sua queima requer grelhas especiais (cascata).Um outro combustvel proveniente da madeira o n de pinho, possuindo um poder calorfico superior ao da lenha normal devido ao seu alto teor de resinas. Carvo mineral Ocarvo,segundosuaformao,podeserclassificadodequatro maneiras distintas: turfa, linhito, antracito e hulha. A turfa uma substncia carbonosa proveniente da carbonizao de plantasepequenasespciesvegetaisemzonaspantanosas.Geralmenteamorfa,tembaixopodercalorficoegrande porcentagem de umidade. O linhito um carvo mineral em formao e o seu aspecto ainda odamadeiranoprocessodecarbonizao,daoseunome.Tem melhor poder calorfico do que a turfa e o seu uso restrito. Carvo Mineral Turfa Oantracitoumcarvoseco,muitofrivelese apresentasobformademoinha,pormtembom podercalorficoeseuusoindustrialbem disseminado.Antes do incremento do uso do leo combustvel, o Brasil importou muito antracito para usoprincipalmenteemfornosdecermicae grelhasautomticasdecaldeiras.usado tambm em forma de briquetes. A hulha o carvo mineral propriamente dito. resultante da carbonizao e fossilizao de imensas florestas que existiram h milnios, durante a consolidao da crosta terrestre. ainda muito usado em alguns pases corno principal combustvel industrial, sendo utilizado na fabricao do coque para fins siderrgicos Coque de Carvo Ocoqueumcombustvelslidoobtidodadestilao seca do carvo mineral em retortas ou coquerias.Tem largoempregonaindstriasiderrgica,edefundio.NoBrasil,aproduodecoquelimita-sesindstrias siderrgicas,queoempregaemconsumoprprio, representando, em 1995, 96% do seu consumo total. Coque de PetrleoO coque de petrleo um produto resultante da quebra de molculas de derivados de petrleo, sendo mais utilizados os leos combustveis residuais.O seu aspecto lembra o coque de carvo.Carvo vegetal Ocarvovegetaloucarvode madeira obtido artificialmente pela carbonizaodemadeiraemfornos especiais.Seumaiorusoindustrial ocorrenassiderrgicas,que consomemcercade82%do consumototal,egasognios.Tem aindalargoempregonouso domstico. Combustvel C H O N S Cinzas Volteis Umidade Lenha Seca Turfa Linhito Antracito Hulha (imp.) Hulha (nac.) Coque de carvo Carvo vegetal 50,2 12,9 19,2 94,0 79,8 47,9 87,0 81,0 6,3

3,0 5,1 43,0

4,2

0,1

3,0 1,9

0,8 1,6

1,2 3,9 0,4 26,1 20,6

7,8 25,5 10,4 4,0

25,4 25,8

23,9 1,5 15,0

34,8 32,8

3,0 1,8 1,1 Composio percentual mdia de alguns combustveis slidos Combustveis Lquidos Naturais Oscombustveislquidosnaturaissoconstitudospelo petrleo e leos de xisto. Petrleo O petrleo, sobre cuja a origem h vrias teorias, extrado de poos mais ou menos profundos.Do petrleo derivam vrios combustveis e produtos qumicos, no sendo usado em seu estado natural, As principais jazidas de petrleo no Brasil, j exploradas,localizam-se nos Estados da Bahia, Sergipe, Alagoas, Rio Grande do Norte, Esprito Santo eRio de Janeiroleo de XistoCombustveis Lquidos ArtificiaisGasolinaNaftas, Querosene, leo Diesel, lcool , leo Combustvel Viscosidade SSF a 50C Tipo A Alto Teor de Enxofre TipoB Baixo Teor de Enxofre 600 900 2.400 10.000 30.000 80.000 300.000 1.000.000 Acima de 1.000.000 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A

1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8B 9B Tipos de leo combustveis no BrasilCaracterstica 1A 2A 7A 1B 2B 3B Densidade(20C) 1,017 1,018 1,031 0,957 0,964 0,983 Ponto de Fulgor(C) 103 121 160 84 86 80 Enxofre (% em peso) 3,8 3,9 4,6 0,8 0,9 1,0 Cinzas (% em peso) 0,04 0,04 --- 0,04 0,04 0,03 Poder Calorfico Superior (kcal/kg) 10.328 10.130 10.025 10.530 10.500 10.443 Viscosidade (SSF) a: 65C 178 278 37.600 180 263

82,2C 73 102 6.110 81 140

100C 135C 30 15 40 --- 10.410 168 37 --- --- 20 105 29 Teor de Metal (ppm) Vandio 172 142 167 34 37 44 Sdio 19 13 9,2 40 41 51 Nquel 47 46 50 38 30 32 Caractersticas tpicas de alguns leos combustveisGs Liquefeito de Petrleo OGLPformandoporhidrocarbonetosque,dependendode sua origem e dos processos de tratamento a que foi submetido, podeapresentarcomposiovarivel.Esteshidrocarbonetos soobtidosnoiniciodadestilaodopetrleo,consistindo basicamente de propano e butano. inodoro e mais pesado que oar.Seuarmazenamentofeitoemtanquesdealtapresso ourefrigerados.Seuusoestdifundidocomocombustvel domstico e nas indstrias como combustvel auxiliar.Para fins deseguranaosgasesliquefeitos,parausodomstico,so odorizados para identificar vazamentos. Gs de Gasognio O gs de gasognio produzido em aparemos especiais (gasognios) pela combusto incompleta do coque ou carvo de madeira, que gera o monxido de carbono. Tambm chamado gs pobre, possui baixo poder calorficoGs de Coqueria Estegsproduzidonasbateriasderetortasondefeitaadestilaosecado carvomineralparaaproduodocoquesiderrgico.Aestasbateriasd-seo nome de coquerias.O gs de coqueria utilizado nas prprias usinas siderrgicas para aquecimento das retortas ou outros fomos da usina e) Gs de alto forno O gs de alto forno produzido no interior dos altos-fomos siderrgicos por meio de reaes entre o oxignio e a umidade do ar soprado, o coque, o minrio de ferro e suas impurezas, o calcrio etc. Ele coletado notopodosaltosfomos,ciclonado, lavado e armazenado em gasmetro, quando no diretamente utilizado.Devido ao alto teor de dixido de carbono e nitrognio, o seu poder calorfico baixo.Pode ser usado em motores dos aquecedores de ar dos prprios altos-fomos.O valor do gs de alto-fomo avaliado pela sua relao CO/CO2. 3.2.7 Combustveis Coloidais Somisturasdecombustveislquidoscomcombustveisslidos.Omais empregado a mistura de leo combustvel residual com finos de carvo de pedra, coque ou carvo vegetal.A maior dificuldade do uso de combustveis deste tipo o seumanuseio,devendoestarsempreemagitao,osencanamentosdevemter quatrovezesodimetrodoqueseriausadoparaocombustvellquidoeoseu bombeamentorequerbombasespeciaisdediafragma.Seuusoestmais condicionado ao aproveitamento de finos de carvo ou coque.

Energticos Massa Poder Calorfico Poder Calorfico Superior (BEN) kcal/kg Petrleo 867 10900 Carvo vapor - 4460 Carvo Metalrgico) - 7700 Lenha 390 3300 390 3300 Cana-de-acar - 1030 leo Diesel 851 10750 leo Combustvel 999 10900 Gasolina 738 11230 GLP 552 11750 Nafta 704 11320 Querosene 787 11090 Gs Canalizado - 4700(3) Gs Coqueria

4500 (3) Coque Carvo Mineral - 7300 Lixvia 2100

3030 Carvo Vegetal 250 6800

lcool Anidro 791 7090 lcool Hidratado 809 6650 Bagao de Cana (2) - 2257 Gs de Refinaria 780 8800 Gs Natural - 9400 (3)

-Poder calorfico - massa especficade alguns combustveisViscosidade kg/m3 Combustveis Os Combustveis industriais so orgnicos ou minerais em que cuja composio tm elementos que ao se combinarem como o oxignio produzem energia trmica. Esses elementos qumicos que entram na composio qumica dos combustveis so geralmente: carbono, hidrognio, enxofre, nitrognio, oxignio, metais como sdio, potssio, clcio, alumnio, ferro, vandio e umidade. Porm, os principais elementos combustveis so o carbono e o hidrognio, isto os hidrocarbonetos. Oenxofretambmumcombustvel,quegerasignificativa quantidade de calor mas, ao reagir com o oxignio produz SO2, e quepodereagircomguapresentenosgaseseformarcido sulfrico, H2SO4.Desses elementos os mais importantes so carbono e hidrognio, oenxofreemboraliberecalorduranteaqueima,considerado umelementoindesejvelnocombustvel,devidoformaode xidodeenxofre,cidossulforosoesulfrico,quealmde provocarem corroso nos equipamentos so fortes poluentes. Osoutroselementos,almdenoliberaremcalor,provocam problemasdepoluio(nitrognioemetais),reduodopoder calorfico (nitrognio, cinzas e umidade) e problemas de corroso paraosequipamentos(cinzas);podemdiminuiraeficinciada queima (a umidade, nitrognio e cinzas). Oscombustveispodemserclassificadosdediversasmaneiras, porm,soapresentadosdeacordocombaseemsuanatureza fsica.

1.1. Comburente Universalmente o comburente utilizado o oxignio presente no ar atmosfrico sendo a fonte natural desse gs. O ar atmosfrico constitudopormuitosgasesmaspodemossimplificar, principalmente,emdoisgasesooxignioeonitrognio.A composio simplifica do ar pode expressa em base volumtrica e em base mssica.

Elementos % Vol. % Massa Relao N2/O2 em Volume Relao N2/O2 em Massa Nitrognio 79 77 3,76 3,35 Oxignio 21 23 - - Energia de Ignio Paraqueexistamasreaesqumicasdecombusto (exotrmicas)elasnecessitamdeumaenergiade ativao. Essa energia fornecida pela fonte de ignio. Devem ser satisfeitas determinadas condies para que ocorra a ignio: Atemperatura deve ser tal que ocorra vaporizao A proporo de mistura ar/gs no deve estar dentro da faixa de inflamabilidade;Combusto 1 Oxidao C + O2CO2+Ah 2- Hidrogaseificao C + 2H2CH4+Ah 3 - Gaseificao C + H2O CO + H2+Ah 4 Metanizao 2H2 + COCH4+ H2O + Ah 5 - 2H2 + O2 H2O + Ah 6 - 2CO + O2 CO2+ Ah 7 S + O2 SO2+ Ah 8 CH4 + 2O2 CO2+ 2H2O + Ah Combusto Elementar com Oxignio CH4 + 2O2 CO2+ 2H2O Utilizando o Ar 21% e 79% portanto 3,76 em Base volumtrica Massa Molecular do Ar 0,21x32+0,79x28=28,97kg/kmol Para cada 1mol de O2 3,76 moles deN2 Na base mssica 23% O2 77% N2 3,34 Equaes Bsicas ) / ( 393522 ( ) 44 ( ) 32 ( ) 12 (2 2kmol kJ g CO g O g C + +) / )( 241826 ( ) 18 (21) 16 (21) 2 (2 2kmol kJ g O H g O g H + +) / )( 285830 ( ) 18 (21) 16 (21) 2 (2 2kmol kJ L g O H g O g H + +) / ( 296842 ( ) 64 ( ) 32 ( ) 32 (2 2kmol kJ g SO g O g S + +) / ( 110522 ( ) 28 ( ) 16 (21) 12 (2kmol kJ g CO g O g C + +2 22 2 222 22 22 22 22 2SO O SO H O HCO O CCO O COCO CO + + + +2 2 2 2 2 452 , 7 2 ) 76 , 3 0 ( 2 N O H CO N CH + + + +2 2 2 2 2)2 4( 76 , 3 )2( ) 76 , 3 ( Nz yx O HyxCO N O A O H Cz y x + + + + +1 kg de Combustvel Gera 3,667kgCO2

ou so necessrios 2,667kg de O2

ou 1,866Nm3 O2 12kgC + 32kgO2 = 44kgCO2 + calor C+2,667.O2 = 3,667CO2 + 8140 kcal/kg Equaes Bsicas CONCEITOS BSICOS Conceitos Termodinmicos Calor e Temperatura Calor EspecficoCalor SensvelCalor Latente Poder Calorfico Opodercalorficorepresentaaquantidadedecalor liberadanacombustodeumquilodeum determinadocombustvel,sendoexpressoemkJ/kg oukcal/kgoukJ/Nm3oukcal/Nm3.Podeser classificado em superior ou inferior. TT Q BC CS CL Noclculodopodercalorficosuperiorinclui-seocalor latentedevaporizaodagua,tantoapresenteno combustvel como a formada no processo de combusto, ouseja,considera-sequeaguapresentenosprodutos da combusto esteja no estado lquido. uma medida do calormximoquesepodeobternacombustodeum determinado combustvel. O poder calorfico inferior calculado desconsiderando-se o calor utilizado na vaporizao da gua, ou seja, considera-se que a gua deixe o processo na forma de vapor.Como a temperatura de sada dos gases gerados no processo da combusto geralmente superior temperatura de vaporizao da gua, esta medida representa de maneira mais realista o calor disponvel aps a combusto.) sec . / () / () / ( sup) / ( inf) 9 ( 24402o kgcomb O kgH l Combustve do umidade de teor ukg kg l Combustve do hidrgnio de teor Hkg kJ erior Calorfico Poder PCskg kJ erior Calorfico Poder PCiu H PCs PCi====+ =O poder calorfico pode ser determinado em laboratrio atravs de um calormetro com temperatura controlada. Neste aparelho, uma determinada quantidade de combustvel queimada em um recipiente envolto por uma quantidade conhecida de gua.Medindo-se a variao da temperatura da gua determina-se o calor absorvida por ela, ou seja, determina-se o calor liberado pelo combustvel. A razo entre calor liberado e massa indica o poder calorfico do combustvel.Mecanismos de Transferncia de calor

Serodescritasaseguirasprincipaisformas pelasquaisocalorpodesertransferido: conduo, conveco e radiao. Na figura so mostradas as principais reas de interesse na combusto foi construda utilizando a velocidade e a espessura caracterstica do volume de controle. Em cada uma das reas a equaes da conservao massa, da energia, do momentum, de estado e de gerao de entropia, so aplicadas, embora, porr causa da escala, as equaes tenham aparncias diferentesOtempocaracterstico(L/V)mostradocomolinhas tracejadaspodesercomparadocomotempodeuma reaoqumica.Sejaotempodestareao,porexemplo, daordemde1/1000segundo,comonocasodeum incndio. A equao de conservao da massa no ter o termo de velocidade de reao.Mas certamente na anlise de um combustor turbo-jato tais termostmqueaparecer.Nocasodeumaexploso,o tempotocurtoqueareaonemprecisaserr considerada na anlise. H limites assim para a equao da energia tambm. O calor conduzido ao longo do eixo do escoamento.Conduo A conduo ocorre pela transferncia de energia causada por colises entre molculas vizinhas de um corpo. Quando uma barra de ferro aquecida em uma ponta, as molculas neste local recebem uma quantidade de calor que aumenta sua energia cintica, aumentando sua temperatura.Estas molculas, ao colidirem com as molculas a seu lado, transferem parte de sua energia cintica, ou seja, transferem calor. Deste modo, o calor propaga-se atravs da barra at que as temperaturas nas duas extremidades sejam iguais

espessura Las temperatur Trea Amaterial do trmica ade condutivid kLT TA k Qcondd=====).( .1 2Conveco A conveco o processo de transferncia de calor que ocorre em fluidos de maneira geral. O princpio da conveco pode ser observado no exemplo a seguir.Quando um recipiente contendo gua no estado lquido aquecido por baixo por uma fonte de calor, a gua que est na parte inferior recebe calor pela conduo atravs da parede deste recipiente. Como os lquidos, de maneira geral, so maus condutores de calor, apenas uma pequena parcela de gua aquecida. Como o lquido da parte inferior recebe a grande parte do calor, ele expande-se, tornando-se menos denso.Desta maneira, esta parcela do lquido desloca-se para a superfcie, causando o movimento da gua ainda fria para o fundo. Este ciclo repete-se e, se a fonte de calor mantiver-seas temperatur Trea Aglobal trmica ade condutivid e coeficient ugT T A ug Qconvec=== = ) .( .1 2 Radiao Radiaooprocessopeloqualocalortransferido atravsdeondaseletromagnticas.Oexemplomais comum a transferncia de calor entre o sol e a terra.Comonoespaonoexisteummeiomaterialpara transportar a energia do sol terra, esta chega atravs deondas,movendo-sevelocidadedaluz.Uma caracterstica interessante deste modo de transmisso queosgasesqueenvolvematerranoso aquecidos. espessura Las temperatur Trea Ate consT T A Qradiac==== =tan) .( .4142ooPropriedades dos Combustveis Aspropriedadesdoscombustveissodeextremaimportnciapara determinar sua correta utilizao. Viscosidade A viscosidade de um lquido a medida da resistncia que este lquido ofereceaoescoamento,sendovarivelemfunodatemperaturaem queobtida.Amedidaqueatemperaturacresce,aviscosidade diminui, tornando-se mais fcil o escoamento do lquido. Uma das medidas mais utilizadas para a caracterizao da viscosidade a Saybolt Universal.Esta unidade indica o tempo, em segundos, que 60 ml de um lquido levam para escoar atravs de um orifcio padro a uma determinada temperatura, mantida constante durante o ensaio.Se oorifciofordotipouniversalaviscosidadechamadaSegundos SayboltUniversal,eseoorifciofordotipoFurol,aviscosidade chamadaSegundosSayboltFurol.OorifcioFuroldezvezesmaior queoUniversal.Astemperaturasmaisutilizadasnestesensaiosso 37,8 C, 50 C a 98,9 C. Ponto de fulgor Opontodefulgorindicaatemperaturanaqualo combustvel,quandoaquecido,emitevapores suficientesparaseiniciaroprocessodecombusto quando na presena de uma chama.Desta maneira, opontodefulgorindicaatemperaturamximaem que o combustvel pode ser manuseado sem haver o perigo de iniciar-se a combusto. Ponto de fluidez Opontodefluidezumaindicaodamenor temperaturaqueumleopodesuportarsemperder acapacidadedeescoaratravsdosdiversos equipamentos, como vlvulas e tubulaes.Calormetro Ponto de nvoa Emumleo,opontodenvoaindicaqualatemperatura, expressa em nmeros inteiros, na qual se inicia a cristalizao ou separao de suas parafinas.Este fato pode ser observado pelo aparecimento de uma nvoa ou turvao no fundo de um tubodeensaio,quandoaamostraresfriadasob determinadas condies. A cristalizao das parafinas podem bloquear filtros, tubulaes e outros equipamentos, restringindo o escoamento do combustvel.A temperatura na qual ocorre esta precipitao depende da origem, tipo, e faixa de destilao do leo.Quanto mais parafinico o leo, mais alto o ponto de nvoa e menos adequado o combustvel para operar em baixas temperaturas.Granulometria A granulometria refere-se s dimenses mdias de cada partcula que compem um combustvel slido.Por exemplo, o carvo ao sair da mina apresenta-se em diversos tamanhos, com dimenses que alcanam em torno de 200x300x900 mm. Para ser comercializado, suas dimenses so reduzidas para tamanhos que variam entre 60 e 80 mm ou 80 e 1 10 mm.Umidade Indica qual a porcentagem de gua contida nos combustveis. umadasprincipaiscaractersticasdeumcarvo.Cada minaapresentaumaumidadequaseconstante,sendoseu valor varivel em funo da procedncia. Friabilidade Caractersticaqueumcarvopossuidesepartircom facilidade em pedaos menores. FIM desta Etapa 4 - COMBUSTO

Acombustoatualmenteoprocessomais empregadonaindstriaparafornecimentode calor,diantedestaimportnciasero apresentados,nestecaptulo,osprincipais conceitos relacionados combusto, assim como algunsdadossobreosprincipaisconceitos utilizados neste processo. Reao de Combusto A combusto um processo qumico exotrmico composto de dois elementos distintos, o combustvel e o comburente. Vrias reaes so caracterizadas como combusto, como por exemplo: a combinao de carbono e outros elementos com oxignio, a combinao do cloro com hidrognio, a do fsforo com iodo.Entretanto, a reao mais largamente utilizada na indstria a que utiliza o oxignio como elemento comburente. Os combustveis so compostos basicamente de carbono e hidrognio, contendo ainda pequenas porcentagens de enxofre e outros elementos.O comburente mais utilizado o ar atmosfrico, pelo fato de ser a fonte mais abundante e barata de oxignio, sendo ainda utilizados o ar atmosfrico enriquecido ou mesmo o oxignio puro.Na maioria das vezes o ar utilizado sem nenhum tratamento especfico, sendo composto principalmente de nitrognio e oxignio, contendo parcelas de dixido de carbono, vapor d'gua e gases raros.Em certas regies pode ainda conter parcelas de xidos de enxofre e nitrognio, oznio e mesmo partculas slidas.A composio mdia do ar seco dada abaixo.Aspectos Qumicos Acombustopodeserclassificadadeduasmaneiras: completaouincompleta,dependendodecomoseda reaoentreocarbonodocombustveleooxignio.Na combustocompletaocorreareaototaldocarbonodo comooxignio,gerandocomoprodutosdesteprocesso dixido de carbono, vapor d'gua, xidos de enxofre e de nitrognio.Naincompleta,partedocarbono,noreage oureageparcialmentecomooxignio,produzindo,alm doscompostosanteriores,monxidodecarbonoe, algumasvezes,fuligem,sehouverfaltaconsidervelde ar.Em alguns casos podem ainda ser encontrados traos docombustvelnosgasesdesadadoprocesso.As principaisreaesentreosconstituintesbsicosdos combustveis e o oxignio so: Combusto Elementar com Ar Estequiomtrica ou Terica CH4 + 2(O2 +3,76N2) CO2+ 2H2O + 2.3,76N2 De forma geral CH4 + 2o(O2 +3,76N2) CO2+ 2H2O + 2. o 3,76N2 + (o-1) O2

o>1 com excesso de ar Completa o=1 Estequiomtrica o110 Mostarda54,9406795,661-15183 Palma56,2390704,5 (37,8C)86192 Canola47,9 - 67,48850 - 406634,53-6,02-6-1-12 - -9166 - 170 Aafro49,8 - 62,239872 - 400604,31-6-6149 - 180 Soja48,7 - 55,93737 - 400803,99 - 4,4-12 - 3-2 --15120 Girassol54 - 5838100 - 384724,39 - 4,790 - 1,5-3 -385 - 110 2 4z yx A + =Peso Emz y xAz y xAl CombustveArVolume Em A AAl CombustveAr....16 . 1228 , 137. 16 . 12) 28 . 76 , 3 32 (...... 76 , 41) 76 , 3 1 (+ +=+ ++==+=A Ayxx) 1 ( 76 , 32100 + + + A A xx) 1 ( 76 , 3100 + + % em Volume Base Seca Base mida % em Volume

CO2

O2

A A xA) 1 ( 76 , 3) 1 ( 100 + + A AyxA) 1 ( 76 , 32) 1 ( 100 + + + interessante notar como as equaes da se comportam para valores extremos de . Quando no existe excesso de ar, ou seja, igual a 1, a percentagem de CO2 mxima e a de O2 nula. Na situao em que o excesso de ar tende para o infinito, a peercentagem mdia de oxignio no ar. Este fato pode ser melhor visualisando na figura 4.1, elaborada para o metano.

EM MASSA (%)

DIESEL *

LEO DE MAMONA *

BIODIESEL DE MAMONA*

BIODIESEL DE MAMONA (DESTILADO)*

GLICERINA DE MAMONA*

TORTA DE MAMONA **

Literatura Biodiesel RME***

Diesel ***

Carbono

66,6560 71,573968,443064,819854,647838,345077,286,6Hidrognio

10,9486 12,130111,928911,.333210,60135,66781213,4Nitrognio

1,70420,50930,04490,32920,35809,9735Enxofre

-----0,9733Oxignio10,80Densidade822830PCi(MJ/L)32,835,5Nmerode Cetano 51-6051Relao C/H 6,15,95,75,75,156,86,46,5Relao C/H*** 6,3 % O2% Co2Excesso de Ar () lEste fato pode ser melhor visualisando na figura 4.1, elaborada para o metano AyCOx A76 , 42) 1%100(2 += ACOx A76 , 41%1002||.|

\| += ) 100 % 76 , 4 (100 )2( %22 =O AAyx A O) 100 % 76 , 4 (100 ) ( %22 =O AA x A OGs Analisado Base Seca Base mida

CO2

O2

Excesso de ar em funo da analise dos gases de exausto1 - Entalpia de Formao

Quanto tratamos com substncias puras, define-s entalpia ZERO para um estado arbitrrio e os demais estados so determinados com relao a base assumida. Quando operamos com reaes qumicas, esse procedimento no se aplica, uma vez que a composio varia durante o processo. Para melhor compreender o procedimento utilizado para reaes qumicas, vejamos o exemplo da reao entre o carbono e o oxignio, em regime permanente:CO2 1 mol C 1 mol O2 1 mol Qvc= - 393.520 kJ/kmol de CO2 ( -94054 kcal/kmol de CO2) reagentes produtos1 bar e 25C A primeira lei da termodinmica para esse processo pode ser escrita como:sada eentrada emoles de nmero nkmol kJ combusto entalpia hh n h n QvcsPseRe = + ] / [. .Assumindoquea entalpiadesubstncias purasformadasporum selementosejaZERO nascondiesde presso(Po)e temperatura(To)iguala 1bare25C, respectivamenteaqual chamaremos de entalpia de formao .ParaoCO2=393.520 kJ/kmol. Ousejapelaequaodoprimeiro princpio temos: kmol kJ h n h n h n QvcCOCOsPseRe/ 393.520 . 0 . .22= + = + = Esta a prpria entalpia de formaode acordo com as condies assumidas para P e T. Porm, se , a entalpia de uma substncia ser determinada por:) , , (,T P To Po h h hof P T A + = ) , , ( T P To Po h A) , , ( T P To Po h ASubstncia Estado [kJ/kmol] C slido 0 H2 gs 0 N2 gs 0 O2 gs 0 CO gs -110.530 CO2 gs 393.520 H2O gs -241.820 H2O lquido -285.830 CH4 gs -74.850 C2H2 gs +226.730 C2H4 gs +52.580 C2H6 gs -84.680 C3H6 gs +20.410 C3H8 gs -103.850 C4H10 gs -126.150 C8H18 gs -208.450 C8H18 lquido -249.950 CH3OH gs -200670 CH3OH lquido -238.660 C2H5OH gs -235.310 C2H5OH lquido -277.690 ofhEntalpia de formao para algumas substnciasPara a determinao do valor depoderemos utilizar duas metodologias, a saber: a) atravs das tabelas de propriedades (mais precisa b)Utilizando a equao dos gases perfeitos = ATCdT T Cp h 250). (Ondeocalorespecficomolarabaixas presses,emfunodatemperatura.Este procedimentopodeserpelasequaesoupelas tabelas. C) Uso dos diagramas generalizados de entalpia dPTvT v dT T Cp hP. [ ). (21210 |||.|

\|cc + = AComo a entalpia uma propriedade, a variao da entalpia entre os estados 1 e 2 pode ser feita atravs do caminho 1 1* 2* 2, onde os estados (*) esto a uma presso suficientemente baixa para que possamos considerar como gs ideal. Teremos esto um processo a P= cte e dois processos a T= cte2* 2 1 1* s T entalpia de dos generaliza diagramas dos h h e h htabelas ou dT T Cp h hh h h h h h hT T To ToTTTo Tcte TT Tcte TTo Tocte PTo TP T|||.|

\||||.|

\|=|||.|

\||||.|

\| +|||.|

\| +|||.|

\| = A = = = * *0* ** * * *,). (Osdiagramasgeneralizadossoapresentadosso apresentados no final da apostila. Lembrando que:

e so presses crticas e temperaturas crticas.

crcrTTT ePPP = =cPcT Temperatura Adiabtica de Chama Considerandomprocessodecombustoondea cmara adiabtica e sem gerar trabalho ou variao deenergiacinticaepotencial.Paraestetipode processo, a energia liberada pelacombustotodaela setransformaemenergiainteraouentalpiados produtos.Atemperaturadosprodutosseralta.Esta temperaturamximadoprocessochamadade Temperatura Adiabtica de Chama. CO2 1 mol C 1 mol O2 1 mol Cmara de Combusto Qualquer efeito que ocorra, tal como transferncia de calor, trabalho, variao de energiacintica ou potencialou combusto incompleta, tende a reduzir a temperatura final dos produtos.Almdessesefeitos,adissociaotambmcontribuipara areduodatemperatura.Aaltastemperaturas,existem reaes de dissociao molecularque so endotrmicas consomemenergia reduzindo com isto a temperatura da chama.Osefeitosdadissociaonoseroconsiderados neste curso. Paracalcularatemperaturaadiabticadechama(Tad) precisamosconheceraentalpiadosprodutosnas condiesdePeTentobvioqueoprocessode determinao da Tad interativo. Ento a primeira lei para processo adiabtico sem a realizao de trabalho dados por: A + == h h h ondeh n h nofsPseRe. .A energia liberada pela combusto transferida para os produtos de combusto.Exemplo:Octana lquida reage com 100% de ar terico, num processo em regime permanente. Os reagentes esto a 25C e 1 bar.7kJ 5.077.809, ) .( 0 , 47 ) .( 9 ) .( 8) ( 0 [ 0 , 47 ] ) ( 820 . 241 .[ 9 ] ) ( 520 . 393 .[ 8 ) (0 ) ( ) 25 ( 0 h) (kJ 250.370,64 ) 0 .( 0 , 47 ) 0 .( 5 , 12 ) ( 1 ) .() ( . ) .(00 , 47 9 8 ) 76 , 3 .( 5 , 122 2 22 2 2218 800-e2 2 2 2 2 18 8= A + A + AA + + A + + A + = A += = A = + + = A +A + = A ++ + + + N O H CON O HPCO s f sNfH CofeofResofPs eofReh h hEntoh h h h h nh e Ch h h nh h n h h nN O H CO N O H CPortanto,aTadencontra-seentre2.300e2400K,interpolando encontramos Tad=2.394K= 2.121C J 5.362.731k ) .( 0 , 47 ) .( 9 ) .( 8676 . 75 ) ( 199 . 98 ) ( 035 . 119 ) (300 . 2 min566.0828kJ ) .( 0 , 47 ) .( 9 ) .( 8320 . 79 ) ( 508 . 103 ) ( 152 . 125 ) (400 . 2 min2 2 22 2 22 2 22 2 2= A + A + A= A = A = A== A + A + A= A = A = A= N O H CON O H CON O H CON O H COh h hh h hK T do Assuh h hh h hK T do AssuEntalpia de Combusto, Energia Interna e Poder CalorficoEntalpia de Combusto

quandoosreagenteseprodutosestonamesma temperatura

RPRPh h h+ =Energia Interna

) ( .reagentes produtos PRPRPRPn n T R h uu u u + =+ =Gases ideais Algumas Relaes Estequiomtrica A/CEst (kgAr/kg.Comb CombustvelA/CEst (kgAr/kgComb leo Comb(1%S)14,3 leo Comb(3%S)13,9 GLP15,5 GN17,2 Lenha seca (BS)6,0 Bagao (BS)5,7 Lenha seca (25% Umid)4,5 Bagao (50% Umid)3 Eficincia tima O2 CO2 Deficincia de Ar Excesso de Ar Comentrios Ar de mais desperdia Calor Ar de menos desperdia Combustvel Combustvel no queimado causa poluio Quanto melhor for o queimador menor ser o excesso de ar Queimadores sem ajuste de O2 necessitam de ar em excesso adicional Eficincia de Combusto em Caldeiras- GN2,0% de O2 e 9,5% de excesso de Ary = -0,63x + 86,3360657075808590100 200 300 400 500Eficiencia%2,0% de O2 e 9,5% Ar3,0% de 02 e 15% de Ar5,0 de O2 e 28,1% de Ar7,0% de O2 e 44,9% de Ar10,0% de O2 e 81,6% de ArLinear (2,0% de O2 e 9,5%Ar)Diagrama de Oswald FIM