PQI-2321 Tópicos de Química para
Engenharia Ambiental I
Combustão Aula 01
Prof. Moisés Teles
Departamento de Engenharia Química
Escola Politécnica da USP
Motivação: combustão e Engenharia Ambiental
Geração de Energia (indústria, transportes, serviços etc)
Combustão de líquidos: gasolina, diesel, álcool, óleo BPF etc.
Combustão de Sólidos: carvão, madeira, resíduos agrícolas etc.
Combustão de Gases: gás natural, butano, propano etc.
Problemas ambientais associados a emissões: NOx, SOx, CO, CO2, particulados,
hidrocarbonetos não queimados (formaldeído, PAHs...)
Impactos na qualidade do ar, saúde humana e mudanças climáticas.
Incineração de Resíduos
Resíduos tóxicos/patogênicos (resíduos hospitalares, industriais etc).
Gases + cinzas + calor (eletricidade).
Formação de dioxinas.
Segurança
Incêndios, explosões industriais, controle e segurança para prevenção de detonações
explosivas.
Impactos ambientais associados ao processo de combustão
Emissão Fonte Efeito
CO2 Combustão completa de combustíveis Aquecimento global
CO
Combustão incompleta de
combustíveis
SMOG
SO2
Combustão do enxofre presente em
combustíveis
SMOG, chuva ácida
NOx Subproduto de vários processos de
combustão chuva ácida
VOC’s Vazamento e evaporação de
combustíveis líquidos SMOG
CH4 Vazamento de tanques de gaz,
tubulações em sistemas de transporte.
Aquecimento global
H2O
Combustão do hidrogênio presente
em combustíveis
Névoa localizada
Particulados
Carbono e hidrocarbonetos não
queimados/parcialmente queimados.
Cinzas e sujeiras em combustíveis.
SMOG
Elementos-traço Impurezas no combustível Cancerígenos
Compostos
halogenados
Compostos no combustível/gases
contendo cloro, fluor, bromo ou iodo. Cancerígenos
Fonte: Environmental impacts of combustion, Government of Canada.
http://www.nrcan.gc.ca/energy/publications/efficiency/industrial/cipec/6695
Motivação: combustão e Engenharia Ambiental
Controlar a Temperatura e Composição dos
produtos da combustão.
Controlar a taxa de produção de gases de
efeito estufa, como CO2, usando combustíveis
não fósseis.
Combustão de combustíveis fósseis, produção
de cimento e queima de gases.
- Grande parcela das emissões globais de
CO2.
2008:
http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/global.html
Motivação: combustão e Engenharia Ambiental
Emissão de gases do efeito estufa
Emissão de gases do efeito estufa
Um dos maiores problemas ambientais do
século está relacionado ao
processo de combustão.
Motivação: combustão e Engenharia Ambiental
Fonte: International Energy Agency. CO2 Emissions from Fuel Combustion.
2014 Edition.
Fonte: United States Environmental Protection Agency
Motivação: combustão e Engenharia Ambiental
Emissão de gases do efeito estufa
2013
Usinas termelétricas
Gases
Princípios básicos
Processo de Combustão
Forno,
fornalha,
reator de
combustão
Combustível
Ar
C, H, O, S
21 % mol O2
79 % mol N2
Gases
CO2, CO, O2, N2, SO2, H2O...
Calor
Resíduos
(cinzas)
Em base seca (quando
não se considera a água):
Análise de Orsat.
Ar seco (composição molar média):
N2...............................78,03 %
O2...............................20,99 %
Ar................................0,94 %
CO2............................0,03 %
H2, He, Ne, KR, Xe.....0,01 %
Simplificação:
79 % N2 + 21 % O2
3,76 mol N2/mol O2
33,3 % mol CO2 + 33,3 % mol N2 + 33,3 % H2O
50 % mol CO2 + 50 % mol N2
Utilidade: medições de composição (base seca), vazões (base úmida).
conversões
Princípios básicos
Base seca Vs base úmida
Massa molar média: 29 g/mol
Reações químicas
Combustão completa
C + O2 CO2
C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O
CS2 + 3 O2 CO2 + 2 SO2
Combustão parcial ou incompleta
C + 0.5 O2 CO
C3H8 + 7/2 O2 3 CO + 4 H2O
Altas temperaturas ( > 1800 °C): N2 do ar pode reagir para formar NO.
Fonte de O2: ar
Fonte de C: grande discussão ambiental
Ar teórico e Ar em Excesso
Oxigênio teórico
Quantidade estequiométrica necessária para combustão completa (todo C a CO2 e
todo H a H2O).
Ar teórico: quantidade de ar que contém o oxigênio teórico.
Ar em excesso: quantidade em que o ar alimentado ao reator excede o ar teórico.
(moles de ar teórico)
Ar em Excesso (%): (moles de ar fornecido) - (moles de ar teórico)
X 100 %
Por que utilizar ar (oxigênio) em excesso?
Ar teórico e Ar em Excesso
222224
424wSOOH
yxCOO
wzyxSOHC wzyx
Oxigênio teórico ou estequiométrico
Combustão completa
Para a combustão completa de 1 mol de metano:
- Quantos moles de oxigênio são necessários ?
- Qual a massa de ar necessária ? (ar: 1 mol de O2 + 3,76 mol de N2)
Razão de equivalência = relação combustível – ar real / relação combustível – ar
estequiométrico
Para razão < 1, os produtos da combustão para combustíveis sem enxofre são normalmente:
- CO2, H2O, N2, O2, pequenas quantidades de CO e hidrocarbonetos não queimados.
Controle de combustão em
caldeiras: ar primário, secundário,
terciário.
Ar teórico e Ar em Excesso
Quais os inconvenientes de se operar um processo de
combustão com uma razão ar/combustível muito baixa ou muito
alta?
Exercícios
Ex 1: Um processo de combustão é conduzido com 30 % de excesso de oxigênio.
Qual o excesso de ar utilizado?
Resp.: 30%
% de ar em excesso = 100 x ar em excesso = 100 x excesso de O2 / 0,21
ar requerido O2 requerido / 0,21
No cálculo do oxigênio em excesso, leva-se em conta a eventual presença de O2 no
combustível e combustão completa do mesmo.
Ex 2: Um gás contendo 80 % mol de etano e 20 % mol de O2 é queimado em um motor
com 200 % de excesso de ar. 80 % do etano se transformam em CO2, 10 % se
transformam em CO e 10 % não queimam. Qual a quantidade (mol) de oxigênio a ser
fornecida por 100 mol de gas?
Resp.: 780 mol
Resolvido em sala
Exercícios
Ex 3: Um determinado carvão possui a seguinte análise elementar: C: 71,2 %, H: 4,8 %, S:
4,3 %, O: 9,5 %, cinzas: 10,2 %.
Qual a quantidade (em mol) de ar teórico necessário para a combustão desse carvão?
Resp.: 33,19 mol
Ex 4: 100 mol/h de butano (C4H10) e 500 mol/h de ar são fornecidos a um reator de
combustão. Calcule a percentagem de ar em excesso.
Resp.: 61,6 %
Da lista de exercícios
Da lista de exercícios
Exercícios
Ex 5: Butano é queimado com ar. Não há formação de monóxido de carbono nos produtos da
combustão.
a) Através da análise dos graus de liberdade, mostre que se a percentagem de ar em excesso
e a percentagem de conversão do butano forem conhecidas, a composição dos gases de
combustão pode ser determinada.
b) Calcule a composição molar do produto gasoso de combustão se ar for fornecido em
quantidade teórica com 100 % de conversão do butano.
Resolvido em sala
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