Combusto Capitulo 10

Oscar Saul Hernandez Mendoza Cap.10

Combusto Capitulo 1010.1 Introduo:

O processo de combusto e uma reao qumica de oxidao, exotrmica, muito rpida entre um reagente composto do combustvel, mais o oxidante (oxignio, Ar mido). Em geral os elementos qumicos nos combustveis responsveis pela liberao de calor so carbono, hidrognio e enxofre. O termo combusto completa usado para descrever a reao ideal de combusto, quando todo o combustvel oxidado para dixido de carbono (caso de combusto de combustvel com carbono) ou dixido de enxofre (caso de combusto de enxofre) ou gua (caso de combusto de hidrognio).

Quando a combusto se faz com ar mido o nitrognio que atua normalmente como um gs inerte, no se oxida e sua atuao na combusto e como moderador, absorvendo uma parcela do calor liberado na combusto, causando uma regulagem da temperatura de combusto ,ou temperatura de chama.

Quando o processo de combusto iniciado o oxignio disponvel no ar progressivamente consumido e a quantidade de nitrognio e outros gases ou produtos de combusto incrementam o volume dos gases produzidos.

E possvel calcular a quantidade de oxignio que precisa uma determinada quantidade de combustvel para se oxidar completamente (fazer combusto completa), portanto a quantidade de ar necessrio combusto completa.E tambm e possvel calcular o ar necessrio a combusto se conhecemos a composio mssica ou volumtrica media do ar mido em condies normais.

Normalmente para assegurar combusto completa se fornece ar em excesso da quantidade terica requerida para realizar combusto completa, o oxignio que por alguma causa no seja consumido sair juntos com os produtos de combusto.

Motores de combusto interna utilizam normalmente combustveis lquidos (gasolinas, leo diesel, etc.), turbinas a gs normalmente funcionam com kerozene, os combustveis slidos so usados preferencialmente por caldeiras estacionarias, os combustveis gasosos, so usados atualmente em motores de combusto interna operando com ciclo Otto, sendo tambm usados em pequenas caldeiras para aquecimento de gua.

10.2 Conceito de qumica bsica

Antes de estudarmos a combusto propriamente dita necessrio entender a construo e uso de equaes qumicas e formulas qumicas, portanto definiremos de forma resumida alguns conceitos elementares de elementos qumicos.

10.2.1 tomo

Elemento qumico indivisvel, sendo a partcula menor que forma parte de uma reao qumica e guarda suas propriedades. Somente em reao de fuso nuclear os tomos podem dividir-se e no conservam as suas propriedades originais.

10.2.2 Molculas

Elemento qumico que rara vez so encontradas existindo como simples tomos estveis quimicamente (ex: Oxignio ), os tomos das molculas so mantidos unidos por foras intermoleculares, interatmicas, muito fortes.

O isolamento de uma molcula (Ex: Oxignio) difcil mais no impossvel, agora o isolamento de um tomo uma tarefa bastante difcil e quase impossvel. As molculas de algumas substancias so formadas por tomos de diferentes elementos (Ex: gua ) os tomos de diferentes elementos tem massas diferentes ,e precisamos ter uma idia referencial dos valores destas massas, que so infinitamente pequenas para poder fazer analises quantitativos.

As massas de tomos so definidas relativas as massas de outros tomos. As massas relativas so indicadas pelos seus pesos ou massas atmicas, sendo definidos numa escala de forma que o peso atmico do oxignio seja igual a 16.

E comum obter os pesos ou massa atmicas em livros didticos de termodinmica,observaremos que o hidrognio tem peso atmico igual a 1,008, este elemento foi escolhido como referencia e seu peso ou massa atmica fixado em 1,0

Em formulas qumicas os tomos de um elemento so representados por smbolos o cada molcula expressada em termos destes smbolos (Ex: hidrognio: H, oxignio: O; enxofre: S, etc.) e do numero de tomos que contem cada molcula (ex: molcula do hidrognio: (contem dois tomos): duas molculas de hidrognio: )

A tabela 10.1 mostra algumas molculas bem conhecidas.

Tabela 10.1 Peso molecular e propriedades trmicas de substancias mais

conhecidas

10.3 Combustveis

Os elementos combustveis mais conhecidos e importantes so o carvo (C) e hidrognio (H), sendo que a grande maioria dos combustveis conhecida, contem fraes destes dois combustveis, assim como pequenas quantidades de enxofre (S). E possvel encontrar combustveis que tambm contem oxignio () e elementos neutros como nitrognio e cinza.

O carvo como elemento combustvel mais importante o mais estudado e tem sido dividido em vrios grupos dependendo do analise ultimo de um combustvel, que no mais que uma analise qumica por peso dos elementos que compem o combustvel.

A seguir apresentaremos os combustveis slidos, lquidos e gasosos mais conhecidos, como as suas caractersticas fsicas e composio qumica, e seu poder calorfico inferior mdio. (PCI) que ser definido mais tarde.

10.3.1 Combustveis Fsseis: carvo, lignita, turba, lenha.

Origem: com exceo da lenha, os demais so produtos de carbonizao lenta, sem ar, a alta presso de material de origem vegetal. (Explorao minas caso do carvo e a cu aberto caso lignita).

Combustveis de Transformao: briquetes de carvo ou lignita, Coke, carvo de madeira.

Briquetagem: processo de aglomerao de partculas em pedaos compactos e resistentes, se realiza por compresso, agregando ligas. Cokes: resulta de carbonizao de hulha e carvo antracitico a . Os cokes podem ser de diferentes tipos segundo a temperatura cokes de gs () de destilao, metalrgicos (), semi cokes () de lignita, de petrleo, de destilao(cracking) ,sua diferena e nome vem do processo de carbonizao.

Componentes principais dos carves: carbono, hidrognio, oxignio, enxofre e nitrognio, cinzas, estes trs ltimos em pequenas quantidades.

Carbono aumenta com a idade geolgica (antracita maior teor de carbono)

Oxignio diminui com a idade geolgica.

Tabela 10.2 Classificao e categorias de carvo:

AntraciticosGrosso calibre80/120 mm

Antraciticos levesCalibre mdio50/30 mm

Antraciticos mdios levesNozes15/30 mm

Antraciticos gros Gros6/10 mm

Antraciticos granuladosGrnulos3/6 mm

Tabela 10.3- Composio mdia dos combustveis slidos:

COMBUSTVELCHONSH

20CINZASPODER

CALORIFICO

INFERIOR

PCIVOL. AR

TEORICO

COMB.VOL.

GASES

TEORICOS

SECOSVAPOR

DE AGUACONTEUDO

MAXIMO

CO2 NOS

GASES

%%%%%%%KJ/kgM3/kgM3N/kgM3N/kg%

Carvo puro100338208.99.8-21.0

Carves:

Novos espessos77581135301007.97.70.618.5

Antraciticos85321135314008.58.20.518.8

Coke metalrgico830.50.51159289008.57.50.120.5

Hulha seca584.3101.21.51011229303.02.950.618.2

Lignitas:

Bruta303101150596303.13.00.917.2

Briquetes3551811155192505.65.40.717.2

De madeira seca42537--151146503.83.80.720.4

Tabela 10.4- Massa especfica dos combustveis slidos:

DESIGNACAOMASSA

ESPECFICADESIGNACAOMASSA

ESPECIFICA

Carvo

Bolas

Nossos 30/50

Finos

P740-780

720-750

820-860

700-800Turba (Turfa)

Industrial310-380

Briquetes650-750

Coke

Metalrgico

Siderrgico

P460-500

430-500

700-760

Lignitas

Bruta

50% gua

Briquetes

P

650-780

500-650

700-1000

450-500Madeira

Madeira dura

Madeira mole560

420

Carvo de madeira130-280

10.3.2 Combustveis lquidos:

Origem dos leos minerais: de origem marinho, naphtas (leos puros) obtido atravs de poos (furados) profundos. (USA, URSS, Venezuela, frica do Norte, Ir, Iraque, Romnia, Arbia).

Composio: mistura de hidrocarbonetos () descompostos em processos de destilao (cracking) em leos (ex: leo leve mais conhecido: gasolina , ponto ebulio , composto de parafina e hidrocarbonetos: leos mais conhecidos: gs-oil (diesel) ponto ebulio >,leos lubrificantes.

Origem dos leos Sintticos: obtidos a partir da hulha, lignita, petrleo, a liquefao e gaseificao do carvo so processos importantes caso o preo do petrleo continue a aumentar.

Outros: lcool etlico, benzeno (componente voltil da hulha obtido por desgaseificao nas cokerias).

Origem dos fuel-oils: obtidos da destilao do petrleo. Contedo do Carbono: 84-86% em massa.

Hidrognio: 11-13%. A combusto destes fuel-oils d exclusivamente

Gs carbnico () e gua () em forma de vapor.

Poder calorfico interior (PCI):

40000-43000 KJ/Kg leos minerais

36000-40000 KJ/Kg leos de alcatro.

Tabela 10.5 Caracterstica dos leos minerais para contedo nulo de enxofre:

Massa especifica

Kg/m3C/HPCI KJ/Kg

0,806,043400

8,856,542860

0,907,142200

0,957,741600

1,008,240900

Ponto de inflamao. Ponto no qual o combustvel se inflama:

Gasolina 16 + 10oC

Petrleo 20 + 60oC

Combustvel domestico (BPF) 55 + 140oC

Combustvel pesado 70 + 190oC

10.3.3 Combustvel Gasoso:

Origem: As maiorias so misturas de gases combustveis ou no combustveis (combustveis tipo )

Classificao:

Pela Origem: gases naturais

Gases manufaturados

Pelo poder calorfico:

Gases pobres PCS < 8000 KJ/Kgm3n

Gases da gua PCS = 8000-15000 KJ/m3n

Gases ricos PCS > 20000 KJ/m3n

Pelo mtodo de obteno:

Produtos de degaseificao:

Gs de cokeria:subproduto da fabricao do Coke

Gs de cidade:fabricados artificialmente a partir da hulha, processo anaerbico (sem ar), misturando com derivados do petrleo obtidos por processo de catalisis.

Gases distribudos por longas distancias: obtidos em cokerias

Gases de destilao:produzidos a baixa temperatura (500-700oC) a partir de combustveis slidos.

Gs de gua:

Azul:obtidos por reao do vapor de gua sobre o carvo incandescente de Coke.

Carburado:gs de gua azul, enriquecido por outros gases produtos da decomposio de fuel-oil.

Gs de alto forno:

gs pobre, subproduto da fabricao do ao nos altos fornos.

Gs reformado:obtido pela oxidao transformando um hidrocarboneto (CnHm), numa mistura de H2 e CO a partir do ar,oxignio, vapor de gua e CO2.

Gs de refinaria:contem butano e propano.

Gs natural:gs de minas.

Gs propano (arelhado):mistura de gs natural, propano e ar.

Gs de cidade:obtidos do processo de degaseificao do carvo com obteno do Coke como subproduto ou seja mistura de gs de carvo,gs de gua, gs de gasognio pobre com poder calorfico superior(PCS) da ordem de 180 KJ/m3n. Este gs est sendo substitudo por gases reformados, devido a diminuio do consumo do Coke.

O ndice de wobbe (wo) uma caracterstica fundamental da qualidade de um gs.

dv= massa especifica relativa a massa especifica do ar

O ndice de Wobbe medido em KJ/m3n(metro cbico em condies normais de presso e temperatura), se calcula a partir das teorias de escoamento em orifcios e d uma indicao aproximada sobre o fluxo calrico, temperatura de chama e quantidade de ar primrio necessrio na combusto, e necessrio ter em conta a presso do gs. (Ex: dois gases com o mesmo ndice de Wobbe (Wo) tem as mesmas caractersticas de combusto para serem queimados no mesmo queimador sem modificaes, em caso de presses diferentes se utiliza o Woe.

onde: presso manomtrica do gs.

Quando se deseja substituir um gs 1 por outro gs 2 e obter o mesmo fluxo calrico necessrio verificar:

Dimetro de gigleurs:

Presso do gs:

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

Definio de termos usados:

degaseificao:formao de combustveis gasosos por decomposio qumica de combustveis slidos a alta temperatura de forma anaerbia (sem ar).

Degaseificao abaixo de 600oC (destilao lenta)

Degaseificao acima de 600oC (Cokefao)

Gaseificao: a transformao total de combustvel slido em gasoso, o processo de fabricao e: uma corrente de ar e vapor de gua enviada sobre as camadas do combustvel a gaseificar estando incandescente (Coke, hulha, lignita) isto faz aparecer CO, H2.

Tabela 10.6 Composio de diferentes gases naturais conhecidos:

PAISESCH3C6H6C3H8C4H1CO2N2H2SPCI

(KJ/m3n)

Frana69,63.11.0.0310-15.133200

Holanda

De lier94.26.21.0.050.11.4-37600

Alemanha

Anzing94.22.01.71.11.8--37800

Itlia

Corregio99.6-0.2--0.2-35700

ustria

Marchfe97.00.80.3-0.61.3-36300

URSS

Bakon93.03.3--2.20.5-35500

Arglia

Hassi79.67.42.71.40.25.1-42600

10.4 Equaes de combustoO processo de combusto pode ser descrito do ponto de vista de conservao de massa por uma reao qumica simples. Como normas gerais devemos ter em conta que a massa total de produtos da reao devera ser igual a massa total dos reactantes (combustvel + oxidante), quando analisemos o balano energtico desta reao qumica exotrmica, observaremos que os produtos so de composio qumica diferente aos reatantes e saem da reao qumica a uma temperatura bastante elevada.

A reao qumica numa combusto pode ser expressa da seguinte forma.

Combustvel + oxignio produto + calor

E necessrio ter em conta que cada lado da equao devera ter o mesmo numero de tomos.

Os coeficientes numricos que precedem os smbolos qumicos na reao qumica so chamados de coeficientes estequiomtricos.

Como a reao qumica mostra o numero de molculas de cada reatante e produto, usado o mol que proporcional ao numero de molculas e isto pode proporcionar a composio molar e volumtrica da reao( de acordo a teoria de mistura de gases ideais).

O oxignio que proporciona o processo de oxidao ,normalmente vem do ar mido ambiente, portanto antes de fazer balanos molares necessrio definir a composio molar (mssica) e volumtrica do ar ambiente normal usado em clculos de combusto.

Composio mssica media do ar ambiente:

Oxignio (02)

23,3%

Nitrognio (N2) e outros gases. 76,7%

Composio volumtrica do ar ambiente:

Oxignio (02)

21%

Nitrognio e outros gases (N2)

79%

10.4.1 Combusto completa com Oxignio

Consideremos a equao qumica de combusto do hidrognio

(10.1)

Informaes retiradas da reao 10.1:

a- O hidrognio reaciona com o oxignio e forma parte da gua

b- Duas molculas de hidrognio reacionam para formar junto com uma de oxignio, duas molculas de gua.

Podemos tambm dizer:

Observao: A gua pode aparecer como liquido ou vapor dependendo da temperatura dos produtos.

10.4.2 Composio mssica dos componentes da reao:

Ou:

(10.2)

Ou dividindo por 4:

E interessante notar que para encontrar os coeficientes estequiomtricos, o principio de conservao de massa tem que ser aplicado a nvel atmico, pois os reagentes so transformados em produtos que tem que ter todos os tomos presentes nos reatantes.

Ilustramos a seguir o clculo dos coeficientes estequiomtricos para a reao completa de metano com oxignio.

(10.3)

Onde:

x, y, z: coeficientes estequiomtricos a serem calculados com equaes de balano de tomos:

Balano de massa para a equao 10.3:

(10.4)

Concluso:- Para combusto completa de 16gr de metano (CH4) precisamos 64gr (16x2x2) de oxignio, ou seja, em processo continuo precisamos uma vazo mssica de oxignio quatro veces maior que a de metano (64/16=4).

-Observamos tambm da equao (10.4) que apenas a massa conservada na reao qumica, pois o numero total de mols de reagentes (3) e de produto (3) pode no ser igual.

Exemplo: combusto completa de hidrognio com oxignio puro:

Conservao de massa:

Usando os coeficientes estequiomtricos vemos que:

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

10.5 Combusto com ar

Na grande parte das aplicaes de combusto o oxidante ar atmosfrico, com composio mssica e volumtrica antes definida. Para fins de clculo o ar contem 79/21=3,76 molculas de nitrognio (N2) para cada molcula de oxignio (O2).

De acordo a Joo A. Carvalho, UNESP, Guaratinguet, para aplicaes em propulso ,os oxidantes em geral contem mais oxignio que o ar (Ex: tetroxido de nitrognio (N2O4)) usado em propulso liquida como oxidante de monometil hidrazina (N2H2CH3) em propulso de satlites, ou dimetil hidrazina assimtrica (N2H2(CH3)2), em propulso de foguetes de maior tamanho.

Para o tetroxido de oxignio teremos a seguinte composio mssica:

Oxignio:

Nitrognio:

As quantidades mnimas de oxidante requeridas para a ocorrncia de combusto completa e chamada de quantidade estequiomtrica. Normalmente a quantidade de oxidante oferecida num processo de combusto , em geral maior que a estequiomtrica usando o mesmo exemplo anterior, vamos queimar hidrognio (H2) com ar.

Vamos exemplificar a combusto incompleta do carvo, que ocorre quando a quantidade de ar e inferior a estequiomtrica ou no realizada uma boa queima do carvo (ou outro combustvel).

10.5.1 Combusto completa do Carvo:

Com oxignio puro:

Combusto do carvo com ar:

Analises volumtrico ou balano molar:

Observao: Normalmente o volume do carvo se considera nulo devido a que o volume de um solido e desprezvel comparado com o volume de um gs.

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

Por umidade de massa de combustvel (carbono):

10.5.2 Combusto incompleta do Carbono:

Com oxignio puro:

Com ar:

Balano mssico:

Por unidade de massa de carbono:

Obs:Aparece nos gases produto de combusto CO que um combustvel no queimado por falta de oxignio.

A seguir mostraremos equaes de combusto completa de alguns combustveis mais usados.

Metano: (oxignio puro)

(com ar)

lcool etlico:

(oxignio puro)

(com ar)

Propano:

(oxignio puro)

(com ar)

Octano:

(oxignio puro)

(com ar)

10.6 Relaes ar-combustvel

Geralmente se utilizam trs parmetros para representar a quantidade de ar requerida na combusto de um determinado combustvel.

Razo ar combustvel (AF)

Razo combustvel ar (FA)

Razo de equivalncia ()

Definies:

AF-Razo entre a massa de ar fornecido e massa de combustvel (pode tambm ser relao molar )

FA-Reciproca de AF (base molar )

- Razo entre o numero de tomos de oxignio necessrios para combusto estequiomtrica e o nmero real de tomos de oxignio presentes (Obs: esta definio leva em conta o oxignio presente no combustvel) (combusto pobre); (combusto rica).

(10.3)

(10.4)

onde: massa molecular do combustvel

massa molecular do ar

Para combusto estequiomtrica de metano (CH4); podemos calcular a relao AF em base mssica a titulo de exemplo:

Obs:Veja a equao estequiomtrica com ar do metano acima.

Em base molar a relao ar combustvel estequiomtrica do metano, ser obtida usando a equao 10.3:

Como na pratica impossvel obter combusto completa fornecendo a quantidade de ar estequiomtrico ou terico, sempre fornecido ar em excesso.

A quantidade de ar efetivamente fornecida se pode definir de duas formas:

1- Porcentagem com relao a

2- Porcentagem de excesso de ar.

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

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

Exemplo ilustrativo 10.1- Qual ser a equao qumica de combusto de metano com 150% de excesso de ar.

Exemplo ilustrativo 10.2- Calcular a razo para a combusto de uma mistura de antracita seca que tem a seguinte composio mssica:

Determinar a relao AF para um excesso de 20% de ar.

Determinar a composio volumtrica em base seca e mida dos produtos de combusto.

Vamos apresentar todos os clculos organizados em forma de tabela, mostrando as equaes de combusto de cada um dos componentes para obter combusto completa (estequiomtrica).

CombustvelComposio

mssicaEquaes de

combustoOxignio necessrio por

unidade de massa de comb.Produto por unidade de

massa de comb.

C0.9C+O2=CO212+32=440.9(32/12) = 2.4 kg0.9 (44/12)=3.3 kgCO2

H20.032H2+O2=2H2O

4+32=360.03(32/4) = 0.24 kg0.03 (9/1)= 0.27 kgH2O

O20.025--0.025 (Por ser parte do

combustvel)-

N20.01--0.01 kg N2

S0.005S+O2=SO432+32=640.005 (32/32) = 0.005 kg0.005(64/32)=0.01kgSO2

Cinzas0.03--

Total O2 = 2,62 kg.

Oxignio estequiomtrico necessrio por umidade de massa de combustvel:

Ar terico necessrio por umidade de massa de combustvel:

Obs: O ar tem 23,3% de oxignio em composio mssica.

Nitrognio estequiomtrico (terico) associado com o ar terico necessrio.

Obs: O ar tem 76,7% de nitrognio em composio mssica.

Nitrognio presente nos produtos de combusto

Relao

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

Quantidades de nitrognio e oxignio associados com quantidade de ar real.

Nitrognio nos produtos de combusto:

Excesso de oxignio fornecido:

A seguir mostramos uma tabela com os produtos de combusto, e sua composio mssica e volumtrica em base seca e mida.

ProdutoMassa/kgComb.%massaMassa

molecular

%volume%volume

base seco

CO23.3

44

H2O0.27

18

-

SO40.01

64

O20.52

32

N210.47

28

TOTAL14.47Total mido0.4764

gua0.0150

Total seco0.4614

10.7 Os produtos de combusto

Como a grande maioria de combustveis hoje utilizados so derivados do carvo e os chamados hidrocarbonetos, os gases produtos de combusto, sempre esto compostos dos mesmos gases:

10.7.1 Produtos de combusto completa

(com ar): ;Obs: no deve aparecer oxignio

(com oxignio): ;Obs: no deve aparecer oxignio

10.7.2 Produtos de combusto incompleta

(com ar): ;Obs: a presena de indica tambm excesso de ar

(com oxignio): ;Obs: a presena de indica excesso de oxignio

Obs:Na maioria de reaes de combusto reais, sempre aparecem produtos de combusto completa e incompleta; o somente aparece em caso de usar combustvel com enxofre na sua composio.

10.7.3 Analise de gases produtos de combusto

Os produtos de combusto so principalmente gasosos e normalmente saem da combusto a altas temperaturas. Para analisar os gases necessrio baixar a temperatura (normalmente temperatura ambiente), a temperatura ambiente e quase sempre inferior a temperatura de saturao do vapor de gua presente nos produtos,portanto esta gua se condensa , por esta razo o vapor de gua no se inclui na analise, este tipo de analise chamado de analise em base seca. A analise quase sempre feita em proporo volumtrica.

10.7.3.3 Analise prtico dos produtos de combusto

Existem dois tipos de analise, normalmente realizados em laboratrio.

Usando cromatografo de gases

Usando o mtodo de Orsat.

A figura 10.1 mostra o aparelho tpico para fazer teste usando o mtodo de Orsat.

Figura 10.1 Aparelho de Orsat

Procedimento de Analise

Os produtos a serem analisados se fazem passar atravs das diferentes solues contidas nas garrafas A, B e C.

Cada garrafa contem uma soluo 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 solues; fazemos passar os produtos confinados inicialmente no Orsat, para uma garrafa com soluo de cada vez, observando as diminuies de volume do gs confinado inicialmente.

Para colocar os produtos em contato com as solues (uma garrafa de cada vez), fazemos subir e descer a garrafa niveladora varias vezes, dentro de garrafa niveladora, colocamos gua pura, ou salmoura (podemos usar tambm mercrio), de forma que quando a bureta medidora fique cheia de gs, seja possvel determinar o volume inicial cuidadosamente.

A garrafa A que contem hidrxido de potssio (), absorve , aps por em contato o gs produto de combusto com a garrafa A, medimos novamente o volume de gases remanescente a diferena com o volume inicial ser o carbono () absorvido, de forma semelhante fazemos passar os produtos pelas garrafas B e C que contem acido pirogalico que absorve oxignio e cloruro cuproso respetivamente que absorve monoxido de carbono ().

A analise volumtrica obtida em base seca; o volume de nitrognio se encontra medindo o volume final de gases que permanece na pipeta graduada.

Exemplo Ilustrativo 10.3- Um aparelho de Orsat aplicado aos gases saindo de um motor operando com Benzol. A analise feita pelo Orsat mostra 15% de , no mostra indcios de , supondo que o resto de gases secos contem oxignio e nitrognio, calcular a relao AF, sendo que o combustvel e uma mistura de 90% C e 10% em massa.

Soluo:

Consideramos que temos 1 Kmol de gases secos produtos de combusto

Seja a o numero de Kmoles de

Sejam 0,15 o numero de Kmoles de

Portanto: Os produtos de combusto contem:

- Contedo de carvo por Kmol de gases:

- Contedo de Carvo por kg de combustvel:

- Kmoles de gases por kg de combustvel:

- Massa de nitrognio nos gases:

- Total do oxignio fornecido:

- Oxignio nos gases:

-oxignio associado com gua:

- Oxignio que se associa ao para converter-se em gua:

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

; para combusto completa.

- Para combusto completa; lembramos da combusto de hidrognio.

- Fazendo balano mssico: obtemos os moles de nitrognio nos produtos.

- Massa de nitrognio por umidade de massa de combustvel

- Relao ar-combustvel

Existe outra forma mais pratica de obter AF neste Exerccio.

Continuao da analise usando novo mtodo:

Sabemos que 1kg de combustvel contem 0,9 kg C e 0,1kg H2 podemos dizer:

Por tanto considerando 1 Kmol de gases produtos da combusto podemos escrever a equao de combusto:

Sendo:

X= kg de combustvel por Kmol gases produto.

Y= Kmoles de por Kmol gases.

a= Kmoles de (excesso) por Kmol gases.

b= Kmoles de por Kmol gases.

- Balano de carvo:

0,075x=0,15 x=2,0

- Balano hidrognio:

0,05x=b b=0,1

- Balano do oxignio:

2Y=2*0,15+2a+b Y=0,2+a

- Balano do Nitrognio:

3,76*2*Y=2(0,85-a) (0,2+a)*2*3,76=2(0,85-a)

a=0,0206 ; Y=0,221

- Oxignio fornecido:

- Ar fornecido:

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

Portanto:

Freqentemente as concentraes de CO, NO, particulados e outros poluentes so apresentadas em valores corrigidos para 3% de , em alguns casos 7% utilizado de acordo a Carvalho, J.A (2001); essas concentraes servem para normalizar as taxas de emisso.

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 combusto, enquanto a outra produz 280 p.p.m de NO a 3% de base seca tambm. O termo p.p.m denota partes por milho em base volumtrica (1% corresponde a 10000 p.p.m). Qual unidade produz mais NO por unidade de potencia?

- Equao qumica da combusto de metano:

Obs:O nitrognio entrando nos reatantes serve para calcular o nitrognio que esta saindo, ento sai livre e molculas tambm, portanto da quantidade entrando dever ser deduzida a quantidade presente no que ou .

- Conservao de tomos de :

- Concentrao de : (base seca)

- Concentrao de NO:

- Obteno da concentrao; fazendo regra de trs simples.

Portanto:

Resolvendo o sistema de equaes encontramos:

X=2,139 ; Y=0,1377 ; Z=0,00275

Ento a reao qumica ficar:

Onde o valor de K ser obtido da seguinte forma:

Onde:

Assim:

A concentrao de corrigida para 3% ficar: (base seca)

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 concentraes permite a comparao de unidades de combusto no relativo a gerao de poluentes e evita o uso de diluio dos produtos de combusto com ar para aparentemente diminuir as emisses.

10.8 CONSERVACAO DE ENERGIA

Aplicando o principio de conservao de energia a combusto poderemos calcular a temperatura final dos produtos de combusto.

Para simplificar a apresentao dos conceitos de conservao de energia, analisaremos a reao de combusto de metano com oxignio.

(10.5)

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

Figura 10.2 Caminho de uma reao de combusto

Observamos da figura 10.2 que a entalpia dos reatantes e mais alta que a entalpia dos produtos e portanto a reao qumica e exotrmica (ocorre liberao de calor).

E necessrio esclarecer que entalpia representa a energia do sistema devido ao processo ser isobrico, no caso de reao de combusto, a volume constante a energia ser representada pela energia interna do sistema.

As entalpia e so as entalpias de formao de reatantes e produtos respectivamente. Entalpia de formao representa a energia necessria para formar as molculas dos reatantes e produtos a partir de um estado de referencia que tem energia de formao nula. O estado de referencia e o estado em que uma substancia contem seus tomos no estado encontrado na natureza (Ex: A entalpia de formao do oxignio gasoso e zero a ou seja:

(10.6)

Observamos que a temperatura tem que ser especificada, isto devido a que a entalpia funo de temperatura, normalmente a temperatura de referencia ; assim as entalpias de formao de hidrognio , nitrognio ,a tambm so nulas; para carbono a entalpia de formao nula ocorre na forma de grafite a .

A entalpia de formao do metano diferente de zero porque o gs uma combinao de tomos de hidrognio e carbono. A teremos:

=-74776,02KJ/kg

Os valores das entalpias de formao 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 formao de substancias que participam de uma reao qumica ,pode ser calculada somando a entalpia de formao das substancias, multiplicadas pelo numero de moles de cada componente. No caso de reao qumica dos reagentes da combusto do metano teremos:

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

Portanto:

A diferena entre as entalpias de formao dos reatantes e produtos a entalpia ou calor de combusto, normalmente chamado de poder calorfico do combustvel (PC), observamos que o PC tem tambm temperatura de referencia. Para o exerccio proposto, ou seja a combusto do metano.

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

Ou seja o mesmo valor acima calculado.

O poder calorfico se representa de duas formas em livros de engenharia. Se a ,a gua estiver no estado de vapor nos produtos, se aplica o termo poder calorfico inferior (PCI), se a gua estiver no estado liquido nos produtos, se aplica o termo, poder calorfico superior (PCS); a diferena entre PCI e PCS e o calor latente de vaporizao da gua.

Como em problemas de combusto normalmente a gua encontra-se no estado liquido nos produtos, normalmente se usa o PCI em clculos, envolvendo balano de energia.

A figura 10.2 se refere a reao de combusto com reagentes e produtos a , ou seja o calor de reao foi retirado do sistema; na pratica isto no acontece e portanto normalmente os produtos de combusto esto bastante quentes.

Antes de prosseguir consideramos conveniente explicar que a figura 10.2 mostra a energia de ativao da reao, que a energia que deve ser fornecida aos reagentes atravs de colises entre molculas, para que a reao efetivamente seja iniciada,uma vez ocorre a reao qumica (a reao se acende), a energia liberada e usada para continuar a reao entre as molculas.

Como a entalpia de produtos e reagentes muda com temperatura, para aplicar o principio de conservao da energia melhor observar a evoluo das entalpias num grfico entalpia-temperatura. (veja a figura 10.3).

Usaremos o mesmo exemplo de reao de combusto do metano (), com oxignio. Se a energia total do sistema de combusto conservada durante o processo (combusto adiabtica) ento o estado final dos produtos dever estar no mesmo nvel de entalpia dos reagentes, pelo principio de conservao de energia (1a lei da termodinmica), ou seja o estado final dos produtos (ponto F) estar na reta

Figura 10.3 Variao de entalpia com temperatura de reagentes e produtos

horizontal que passa pelo ponto I da figura 10.3 que o estado inicial dos reagentes ou seja para combusto adiabtica em fluxo estvel.

Ou:

(10.7)

A temperatura ser a temperatura adiabtica de chama (), sendo a temperatura mxima que se pode obter para os produtos de combusto. Como normalmente existem perdas de energia, onde se realiza a combusto (cmara de combusto), ento a entalpia final dos produtos inferior a (Ex: na figura 10.3 o ponto indicativo de temperatura final dos produtos mais realista seria ).

Podemos calcular , aplicando o principio de conservao de energia (equao 10.7) a mistura gasosa que constituem os produtos de combusto.

(10.8)

No caso da combusto estequiomtrica do metano; com oxignio a equao 10.8 se pode aplicar como segue:

(10.9)

Os calores especficos do e podem ser encontrados em livros de termodinmica clssica ou manuais de engenharia tipo: Engineering Handbook : R.H. Perry& C.H. Hilton

A tabela a seguir mostra os calores especficos a presso constante, para reao de combusto com oxignio e os calores de formao de algumas substancias mais

usadas em combusto (informao extrada das apostilas do curso de combusto do Prof. Joo A. Carvalho, UNESP, Guaratinguet, SP,2000, Brasil).

Exemplo Ilustrativo 10.5 (Extrado das apostilas do Prof. Joo A. Carvalho, UNESP, Guaratinguet,2000, Brasil).

Calcular a temperatura adiabtica de chama, como funo do excesso de ar para a combusto de metano com ar, considerar .

Soluo:A reao de combusto do metano com ar, usando excesso de ar () pode ser escrita como segue:

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

Substanciacp(cal/mol K)*Intervalo de Temperatura (K)

CO2 (g)10,34+0,00274 T-195500/T2273-1200

CO (g)6,60+0,00120 T273-2500

H2O (g)8,22+0,00015 T+0,00000134T2300-2500

N2 (g)6,50+0,00100 T300-3000

O2 (g)8,27+0,000258 T-187700/T2300-5000

SO2 (g)7,70+0,00530 T-0,00000083 T2300-2500

HCl (g)6,70+0,00084 T273-2000

Al2O2 (g)22,08+0,008971 T-522500/T2273-1973

Fe2O2 (g)24,72+0,01604 T-423400/T2273-1097

CaCO3 (g)19,68+0,01189 T-307600/T2273-1033

CaSO4 (g)18,52+0,02197 T-156800/T2273-1373

C (s, grafite)2,673+0,002617 T-116900/T2273-1373

H2 (g)6,62+0,00081 T273-2500

CH4 (g)5,34+0,0115 T273-1200

H2S (g)7,20+0,00360 T300-600

He (g)4,97qualquer

F2 (g)6,50=0,00100 T300-300

NH3 (g)6,70+0,00630 T300-800

NO (g)8,05+0,000233 T-156300/T2300-5000

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

SubstanciaPCS(cal/mol)PCS(cal/g)PCI(cal/mol)PCI(cal/g)

Hidrognio,H2(g)68317338875779828670

Carbono,C (s)940527831------------------------

Monx. Carbono, CO (g)676362415------------------------

Metano,CH4 (g)2127981326519175911954

Etano, C2H6 (g)3728201239934126111350

Propano, C3H8 (g)5306051203448852711079

n-Butano, C4H10 (g)5267821194748470410993

n-Butano, C4H10 (l)6879821183763538410932

n-Pentano, C5H12 (g)6828441174963024610844

n-Pentano, C5H12 (l)8451601171578204010840

n-Exano, C6H14 (g)8388001162677568010752

n-Exano, C6H14 (l)10025701163592893010780

n-Heptano, C7H16 (g)9950101154792137010692

n-Heptano, C7H16 (l)116001011577107585010737

n-Octano, C8H18 (g)115127011490106711010650

n-Octano, C8H18 (l)131745011534122277010705

n-Nonano, C9H20 (g)130753011477121285010618

n-Nonano, C9H20 (l)147490011500136970010680

n-Decano, C10H22 (g)146380011414135860010593

n-Decano, C10H22 (l)163234011473151663010660

Benzeno, C6H6 (g)162006011387150435010573

Benzeno, C6H6 (l)789080101027575209698

Tolueno, C7H8 (g)78098099997494209595

Tolueno, C7H8 (l)943580102419015009785

Ciclohexano, C6H12 (g)934500101438924209686

Ciclohexano, C6H12 (l)9447901122788167010477

Etileno, C2H4 (g)9368801113387376010383

Propileno, C3H6 (g)3372741202231619511272

Acetileno, C2H2 (g)4919871169246042810942

Metilacetileno, C3H4 (g)3106151193030009611526

4631091156044207011035

Tabela 10.10 -Calores de formao de algumas substancias a (de R.H. Perry & C.H. Chilton: Chemical Engineers Handbook).

SubstanciaFrmula

cido clordrico anidro (g)HCl-22063

cido fluordrico anidro (g)HF-64200

cido ntrico anidro (l)HNO3-41350

cido ntrico anidro (g)HNO3-31990

cido sulfdrico anidro (g)H2S-4770

gua (l)H2O-68317

gua (g)H2O-57798

lcool etlico (l)C2H5OH-66350

Alumnio (s)Al0

Amnia (g)NH3-10960

Carbono (s,grafite)C0

Carbonato de clcio (s)CaCO3-289500

Dixido de carbono (g)CO2-94052

Dixido de enxofre (g)SO2-70940

Etano (g)C2H4-20236

Flor (g)F20

Hidrazina (l)N2H412060

Hidrognio (g)H20

Hidrxido de clcio (s)Ca(OH)2-235580

Metano (g)CH4-17889

MMH (l)N2H3CH312700

Monxido de carbono (g)CO-26416

xido de alumnio (g)Al2O3-399090

xido de clcio (g)Co-151700

Oxignio (g)O20

Perclorato de amnio (g)NH4ClO4-75230

Perxido de hidrognio (g)H2O2-44750

Sulfato de clcio (s)CaSO4-338730

Sulfato de sdio (s) Na2SO4-330500

Tetrxido de nitrognio (l)N2O4-6800

UDMH (l)N2H2(CH3)212724

onde representa a razo entre as vazes de ar real e a estequiomtrica ou seja o excesso de ar normalizado. A equao de balano de energia ser:

Da equao qumica acima teremos:

Inserindo na equao acima os valores dos calores especficos obtidos da tabela 10.8, abaixo:

Podemos resolver a integral da seguinte forma parcelada:

Assim:

Atribuindo valores a podemos resolver a equao numericamente, como apresentado na tabela a seguir.

02322

102197

202085

301985

401895

501813

601740

701673

801611

Observamos que o excesso de ar ,para a mesma quantidade de calor liberado pelo combustvel (PCI) usado para aquecer, uma quantidade maior de componentes inertes (no reagem), que so e o excesso de ,causando com isto uma diminuio da temperatura de chama .

Bibliografia

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2341

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