CombustãoReação química rápida entre um oxidante (oxigênio) e um combustível
Processo de combustão:      Neste processo a energia química armazenada no combustível é transformadaem energia térmica co...
Composição elementar de combustíveis líquidos: Composição     Óleo A          Óleo C        Óleo D       Óleo E Óleo Diese...
Combustão Incompleta      A combustão incompleta ocorre quando o elemento combustível não écompletamente oxidado no proces...
Limites de inflamabilidade (limite de explosividade)   A combustão auto-sustentada só é possível quando a porcentagem em v...
Em pressões inferiores a atmosférica a tendência geral é de contração da faixa      de inflamabilidade, com elevação do li...
A temperatura de ignição é um importante parâmetro de medida da tendência de umobjeto quente provocar a ignição de uma mis...
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Definição: A composição ou análise gravimétrica de um combustível é dada emfunção da relação de massas ( φ ).Definição: de...
Equação química da combustão      O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes de umcombustível e pode ser...
A quantidade em massa dos produtos da combustão pode ser obtida de maneirasemelhante;    C        +       O2        →     ...
admitindo um volume molar médio para os gases de 22,4 Nm3.                             C H S              3             ...
Para um Hidrocarboneto genérico CmHn:     CmHn         +     m+(n/4) O2 →                   m CO2                +        ...
Relações simplificadas para determinar a quantidade de ar necessário equantidade de gases dos produtos da combustão:Valore...
Reação de combustão estequiométrica:Representa uma reação de combustão com a quantidade de oxigênio (Ar) estritamenteneces...
Exemplo: Análise com os produtos da combustãoConsidere que após a queima de metano com ar, uma análise molar em base seca ...
Primeira lei da termodinâmica aplicada a reações de CombustãoUm balanço de energia num processo de combustão permite deter...
Referindo o calor de combustão à massa do combustível, temos o poder calorífico domesmo                                   ...
Quando a composição elementar do combustível é conhecida, o poder calorífico podeser determinado de modo aproximado pelas ...
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  1. 1. CombustãoReação química rápida entre um oxidante (oxigênio) e um combustível
  2. 2. Processo de combustão: Neste processo a energia química armazenada no combustível é transformadaem energia térmica contida nos gases da combustão (gases em altas temperaturas).Outras formas de energia em pequenas quantidades são também liberadas durante acombustão; Energia eletromagnética: luz Energia elétrica: íons e elétrons livres Energia mecânica: barulhoA composição química de combustíveis convencionais é basicamente formada porcarbono e hidrogênio, e outros componentes como enxofre, nitrogênio, monóxido decarbono, oxigênio, etc. Composição elementar do bagaço de cana (% de massa): diversos autores. elemento [1] [2] [3] [4] [5] [6] média Carbono 47,0 46,5 44,0 47,0 47,5 47,9 46,7 Hidrogênio 6,5 6,5 6,0 6,05 6,1 6,7 6,3 Oxigênio 45,0 46,0 48,0 44,0 44,4 45,4 45,5 Cinzas 1,5 1,0 2,0 2,5 2,0 --- 1,8 Fonte: Combustíveis e combustão industrial, R. Garcia, Ed. InterciênciaLenha seca: composição em massa (%) Composição Cedro Cipreste Pinho Carvalho Eucalipto Carbono 48,8 54,98 52,55 49,49 49,7 Hidrogênio 6,37 6,54 6,08 6,62 42,3 Oxigênio 44,46 38,08 41,25 43,74 5,8 Enxofre ----- ----- ----- ----- 1,4 Nitrogênio ----- ----- ----- ----- 0,1 Cinzas 0,37 0,40 0,12 0,15 0,8 Fonte: Combustíveis e combustão industrial, R. Garcia, Ed. InterciênciaGás Pobre (obtido por gaseificação): Composição volumétrica dos Gás de carvão vegetal (a) Gás de madeira (b) gases secos (%)Dióxido de Carbono (CO2) 7,9 8,5Oxigênio (O2) 0,3 0,3Monóxido de Carbono (CO) 29,7 28,1Metano (CH4) 0,5 0,8Hidrogênio (H2) 13,8 13,6Nitrogênio (N2) 47,8 48,6PCS [kJ/kg] 5690 5610PCI [kJ/kg] 5400 5320(a) Valores médios obtidos em ensaios realizados em gaseificador instalado no IPT. O gaseificadoré do tipo leito fixo descendente com fluxo em contracorrente, tendo ar e vapor d’água como agentegaseificantes.(b) Valores médios obtidos em ensaios realizados pelo IPT, em gaseificador instalado em indústriaparticular. O gaseificador é do tipo leito fixo descendente, com fluxos em contracorrentes, tendo are vapor d’água como agentes gaseificantes.Fonte: Apostila: Máquinas Térmicas I, Princípios da Combustão, Luiz Carlos Martinelli Jr. -Unijui
  3. 3. Composição elementar de combustíveis líquidos: Composição Óleo A Óleo C Óleo D Óleo E Óleo Diesel Querosene % (BPF) (OC-4) (BTE)Carbono 84,8 85,4 87,4 85,6 86,0 85,6Hidrogênio 11,1 12,3 11,8 10,4 13,1 14,3Enxofre 4,0 2,3 0,7 4,0 0,9 0,1H2O traços traços Traços ------ ------ ------Cinzas traços ------ traços ------ ------ ------Fonte: Máquinas Térmicas I, Princípios da Combustão, Luiz Carlos Martinelli Jr. -UnijuiProdutos da Combustão: Os produtos da combustão são formados principalmentepor; Dióxido de carbono - CO2 Água no estado de vapor - H2O Monóxido de carbono - CO Dióxido de enxofre - SO2 Cinzas Traços de combustível não queimado Nitrogênio (combustão com ar ou nitrogênio presente no combustível) Etc.Combustão completa: Na combustão completa todo o carbono e hidrogênio presente no combustívelsão transformados em dióxido de carbono (CO2) e água (H2O) respectivamente. Para que isto ocorra o oxigênio (ar) deve ser fornecido em excesso O excesso de ar (oxigênio) é expresso como uma porcentagem do ar (oxigênio) requerido para oxidar (queimar) completamente o combustível. Para maximizar a eficiência da combustão, um baixo excesso de ar é necessário.Combustão Estequiométrica: Na combustão estequiométrica o combustível reage exatamente com aquantidade de Ar (oxigênio) necessária para queimar todo o combustível (condiçõesideais) Verifica-se ausência de CO nos produtos de combustão Verifica-se ausência de oxigênio ou ar nos produtos de combustão A porcentagem de CO2 contido nos produtos é a máxima possível e é conhecida como; CO2 estequiométrico; CO2 máximo ou máxima porcentagem teórica de CO2. Combustão estequiométrica é difícil de ocorrer na prática devido a misturas ar- combustível imperfeitas e taxas de reação finita. Por ordem econômica, a maioria dos equipamentos opera com excesso de ar para garantir a combustão completa. Isto assegura que não há desperdício de combustível e que a combustão será completa.
  4. 4. Combustão Incompleta A combustão incompleta ocorre quando o elemento combustível não écompletamente oxidado no processo de combustão. Quando isto ocorre verifica-se apresença de monóxido de carbono nos produtos da combustão. Combustãoincompleta usa o combustível de forma ineficiente, pode ser perigoso por causa daprodução de monóxido de carbono e contribui para a poluição ambiental.As condições que favorecem combustão incompleta são; Insuficiente mistura ar-combustível (causando localmente zonas de misturas ricas e misturas pobres) Fornecimento insuficiente de ar à chama (fornecimento de menor quantidade de oxigênio do que requerido). Tempo insuficiente de permanência dos reactantes na chama (impedindo completar a reação de combustão) Chama entrando em contato com uma superfície fria (extinção da reação de combustão) Temperatura de chama muito baixa (reação de combustão lenta)Reação de combustão A reação de oxigênio com o combustível ocorre de acordo com princípiosfísicos básicos;Conservação da massa: a massa de cada elemento nos produtos da combustão deveser igual à massa dos elementos antes da reação.Lei da combinação de massas: componentes químicos são formados por combinaçãode elementos em relacionamento estável de massas.Conservação de energia: um balanço de energia permite conhecer a energia liberadapela reação.Oxidante O oxigênio para a reação de combustão é obtido normalmente do ar. O Ar ébasicamente uma mistura de oxigênio, nitrogênio, pequenas quantidades de vapor deágua, dióxido de carbono e outros gases inertes (argônio, etc). Para efeitos práticos deanalise de uma reação de combustão é adotado que o ar seco possui a seguintecomposição Composição do ar atmosférico Volume [%] Massa [%] Oxigênio 20,95 23,15 Nitrogênio e outros gases inertes 79,05 76,85Para efeito de cálculo considera-se que o nitrogênio é inerte durante a combustãoembora se saiba que pequenas quantidades de oxido de nitrogênio podem serformados. N 2 + O 2 → 2 NO
  5. 5. Limites de inflamabilidade (limite de explosividade) A combustão auto-sustentada só é possível quando a porcentagem em volume decombustível e ar na mistura, em condições de temperatura e pressão padrão, estádentro de certos limites; Limite inferior de inflamabilidade: mínima concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou oxigênio. Limite superior de inflamabilidade: máxima concentração de gás ou de vapor combustível em ar ou oxigênio. A combustão não ocorrerá se a mistura ar-combustível estiver muito pobre, abaixo do limite inferior de inflamabilidade, ou muito rica, acima do limite superior. De um modo geral, os limites de inflamabilidade são determinados a 20 oC e 100 kPa. Limites de Inflamabilidade (concentração de gás em ar ou oxigênio) Em ar Em oxigênio Inferior (%) Superior (%) Inferior (%) Superior (%) Metano 5,0 15,0 5,0 60,0 Etano 3,0 12,4 3,0 66,0 Eteno (etileno) 2,7 36,0 2,9 80,0 Propano 2,8 9,5 2,3 45,0 Butano 1,8 8,4 1,8 40,0 Propeno (propileno) 2,0 11,1 2,1 52,8 Monóxido de carbono 12,0 75,0 ------ ----- Hidrogênio 4,0 75,0 4,0 94,0 Acetileno 2,2 80 / 85 2,8 93,0 Gás natural 3,1 19,6 ----- -----Efeito da pressão e temperatura da mistura: O aumento da temperatura da mistura ar-combustível amplia os limites de inflamabilidade; o limite inferior decresce e o limite superior aumenta. Quando a temperatura é aumenta em níveis altos, é atingida a temperatura de auto-ignição, ocorrendo a combustão espontânea.
  6. 6. Em pressões inferiores a atmosférica a tendência geral é de contração da faixa de inflamabilidade, com elevação do limite inferior e redução do limite superior. Em pressões superiores à atmosférica o limite inferior tende a permanecer estável enquanto o limite superior apresenta um crescimentoTemperatura de Ignição ou de Inflamação É a menor temperatura na qual o calor é gerado pela combustão em velocidadesuperior ao calor dissipado para a vizinhança, dando à mistura condições de se auto-propagar. Abaixo desta temperatura a combustão da mistura ar gás só ocorrerá continuamente mediante o fornecimento ininterrupto de calor externo.A temperatura de ignição não é uma propriedade fixa de um gás pois varia de formasignificativa com parâmetros como;• composição do gás combustível • excesso de ar• taxa de diluição do gás na mistura • velocidade da mistura ar gás• concentração de oxigênio no ar de combustão • pressão da mistura
  7. 7. A temperatura de ignição é um importante parâmetro de medida da tendência de umobjeto quente provocar a ignição de uma mistura e, portanto, base técnica paraconsiderações de segurança.A temperatura de ignição de muitas substâncias combustíveis se reduz com oaumento da pressão, o que representa um importante fator para a operação dosmotores alternativos e turbinas a gás; Temperatura de Ignição de Vários Gases em Ar e em Oxigênio Temperatura de Ignição do Metano para Várias Concentrações da Mistura Ar-Gás e concentração de Oxigênio do Ar
  8. 8. Temperatura de Ignição com Relação à Proporção de Etano no Gás Natural1Temperatura de Ignição com Relação à Proporção do Gás Combustível na Mistura Ar Gás* Gás Natural - 88,7% de Metano, 7,4% de Etano, 1,4% de Propano e 1% de ButanoCálculo de reações de combustão A determinação da quantidade de oxigênio (ar) necessário para a combustão e a quantidade de gases de escape são dados importantes e freqüentemente necessários para dimensionamento de sistemas de combustão e cálculo da eficiência. Outras informações como excesso de ar, CO2 teórico (máximo) também são informações importantes para estimar a eficiência dos sistemas de combustão (queimadores, câmaras de combustão, etc.) Freqüentemente os cálculos de combustão são simplificados usando a massa molecular [kg/kmol]; [g/g mol]; [lbm/lbm mol]. A massa relativa molecular de um composto é igual à soma das massas atômicas dos elementos do composto. Substância Massa molecular [kg/kmol] Nitrogênio (N2) 28,016 Carbono (C) 12,01 Hidrogênio (H2) 2,016 Oxigênio (O2) 32,0 Enxofre (S) 32,06 Monóxido de carbono (CO) 28,01 Dioxido de carbono (CO2) 44,01 Metano (CH4) 16,04 Vapor de água (H2O) 18,016Definição: A relação de massa de um componente i de uma mistura é a razão em kgde massa do componente e a massa total da mistura mi φi = m total
  9. 9. Definição: A composição ou análise gravimétrica de um combustível é dada emfunção da relação de massas ( φ ).Definição: denomina-se relação molar ou fração molar à relação entre o número dekmol do componente i ( n i )e o número de kmol total da mistura ( n total ) n ψi = i n totalPara gases a proporção molar coincide com a proporção volumétrica:Mistura gasosa a P, T num recipiente de volume V PV = n R T Viproporção volumétrica: Vtotal Vi n RT P n = i i = i Vtotal Pi n total RT n totalExemplo: Um gás possui a seguinte composição molar:10% CO 45% H2 35% CH4 4% C2H42% O2 2% N2 2% CO2Determinar a composição gravimétrica do gás.Fração molar:ψ CO = 0,1 ψ H 2 = 0,45 ψ CH 4 = 0,35 ψ C2H 4 = 0,04ψ O2 = 0,02 ψ N 2 = 0,02 ψ CO2 = 0,02Massas moleculares [kg/kmol]:M CO = 28,01 M H 2 = 2,016 M CH 4 = 16,04 M C2H 4 = 28,052M O2 = 32,0 M N 2 = 28,016 M CO2 = 44,01 M total = ∑ M i ψ i = 12,52 (kg kmol)A massa de um elemento i da mistura pode ser obtido da relação, m i = n i M i mi niMi Miφi = = = ψi m total n total M total M totalComposição gravimétrica [%]:φ CO = 0,224 φ H 2 = 0,072 φ CH 4 = 0,448 φ C2H 4 = 0,0896φ O2 = 0,0511 φ N 2 = 0,0447 φ CO2 = 0,0703
  10. 10. Equação química da combustão O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes de umcombustível e pode ser representado por uma equação química. Esta equação químicadeve satisfazer a lei de conservação de massa, e portanto a massa de cada elementodeve permanecer constante durante a reação.Os três principais elementos presentes na composição de um combustível são: ocarbono (C); o Hidrogênio (H2) e o enxofre (S).As equações de reação para cada um destes elementos considerando queimacompleta, pode ser escrita como segue: 1C + O 2 → CO 2 H 2 + O 2 → H 2O S + O 2 → SO 2 2para cada uma dessas reações, que representa a oxidação completa do elemento,podemos calcular o oxigênio necessário para isso. C + O2 → CO2 Massa de oxigênio 12 kg de 32 kg de 44 kg de dióxido de 32 m O 2 ( C) = C = 2,667C Carbono Oxigênio carbono 12Identicamente; H2 + 1/2 O2 → H2O Massa de oxigênio 2 kg de 16 kg de 18 kg de vapor de 16 m O2 (H 2 ) = H = 8HHidrogênio Oxigênio água 2 S + O2 → SO2 Massa de oxigênio 32 kg de 32 kg de 64 kg de dióxido de 32 m O2 (S) = S = 1,0 S Enxofre Oxigênio Enxofre 32A massa total de oxigênio necessário admitindo que o combustível possua certaquantidade de oxigênio na sua composição; 32 16 32 C 1 O S m O2 = C + H + S − O = 32  +  H −  +  12 2 32 12 4  8  32  100Da composição de Oxigênio no ar: 23,15% em massa ⇒ m ar = m O2 23,15 C 1 O S  m ar = 138,23 +  H −  +  12 4  8  32 A quantidade de ar em volume; (Densidade do ar: ρ = 1,29 kg m 3 ) C 1 O S  ∀ ar = 106,9  +  H −  +  12 4  8  32 
  11. 11. A quantidade em massa dos produtos da combustão pode ser obtida de maneirasemelhante; C + O2 → CO2 Massa de CO2 12 kg de 32 kg de 44 kg de dióxido de 44 m CO 2 (C) = C = 3,67C Carbono Oxigênio carbono 12 H2 + 1/2 O2 → H2O Massa de vapor de água 2 kg de 16 kg de 18 kg de vapor de 18 m H 2O ( H 2 ) = H = 9HHidrogênio Oxigênio água 2 S + O2 → SO2 Massa de SO2 32 kg de 32 kg de 64 kg de dióxido de 64 m SO 2 (S) = S = 2S Enxofre Oxigênio Enxofre 32Massa total de gases: m g = 3,67C + 9H + 2S kg de gás kg de combustível C(teor de carbono); H(teor de Hidrogênio) e S(teor de enxofre) em kg/kg combustível.Massa dos produtos para combustão com ar:Se o processo de combustão for realizado com ar haverá presença de nitrogênio nosprodutos da combustão: Admitindo que o nitrogênio se comporte como um gás inerte Para uma composição em massa de ar de 23,15% de oxigênio e 76,85% de nitrogênio.A massa de nitrogênio nos produtos da combustão será m N 2 = 0,769 m arA massa de gás, acrescido o nitrogênio será, m g = 3,76C + 9H + 2S + 0,769m arou  C 1 O  S  m g = 3,67C + 9H + 2S + 0,769 138,23 +  H −  +    12 4  8  32  Simplificando; m g = 12,52C + 35,58H + 5,32S − 3,32O kg de gás kg de combustívelSe for incluído a presença de outros gases inertes eventualmente presentes nacomposição do combustível (por exemplo o nitrogênio), a umidade contida nocombustível ( w → umidade absoluta ) e a umidade contida no ar de combustão( φ → umidade relativa ); m g = 12,52C + 35,58H + 5,32S − 3,32O + N + w + m ar φ kg de gás kg de combustível
  12. 12. admitindo um volume molar médio para os gases de 22,4 Nm3. C H S  3 ∀ g = 22,4  + +  + 0,79∀ ar Nm de gás 12 2 32  kg de combustívelO procedimento adotado aqui para deduzir algumas relações simples e diretas paradeterminar a quantidade de ar e produtos da combustão, é bastante usual paracombustíveis sólidos e líquidos. No caso de combustíveis gasosos pode serrealizada uma analise semelhante, apenas considerando a composição molar do gás,constituído basicamente por CO, H2, e hidrocarbonetos do tipo CmHn.Para o monóxido de carbono: CO + ½ O2 → 1 CO2 1 Nm3 0,5 Nm3 1 Nm3 volume de oxigênio Volume de CO2 0,5 3 Nm O 2 1,0 Nm 3 CO 2 VO2 = CO = 0,5CO VCO2 = C = 1,0CO 1,0 Nm 3 comb. 1,0 Nm 3 comb.Para o hidrogênio: H2 + 1/2 O2 → 1 H2O 1 Nm3 0,5 Nm3 1 Nm3 volume de oxigênio volume de vapor de água 0,5 1 VO2 (H 2 ) = H 2 = 0,5H 2 VH 2O ( H 2 ) = H 2 = 1,0H 2 1,0 1Para o Metano: CH4 + 2 O2 → 1 CO2 + 2 H2 O 1 Nm3 2,0 Nm3 1 Nm3 2 Nm3 volume de oxigênio Volume de CO2 Volume de H2O 2,0 1,0 2,0 VO 2 = CH 4 = 2,0 CH 4 VCO 2 = CH 4 = 1,0 CH 4 VH 2O = CH 4 = 2,0 CH 4 1,0 1,0 1,0Para o Eteno (Etileno): C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2 O 1 Nm3 3,0 Nm3 2 Nm3 2 Nm3 volume de oxigênio Volume de CO2 Volume de H2O 3,0 2,0 2,0VO 2 = C 2 H 4 = 3,0 C 2 H 4 VCO2 = C 2 H 4 = 2,0 C 2 H 4 VH 2O = C 2 H 4 = 2,0 C 2 H 4 1,0 1,0 1,0Para o Propano: C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2 O 1 Nm3 2,0 Nm3 1 Nm3 2 Nm3 volume de oxigênio Volume de CO2 Volume de H2O 5,0 3,0 4,0VO 2 = C 3 H 8 = 5,0 C 3 H 8 VCO 2 = C 3 H 8 = 3,0 C 3 H 8 VH 2O = C 3 H 8 = 4,0 C 3 H 8 1,0 1,0 1,0
  13. 13. Para um Hidrocarboneto genérico CmHn: CmHn + m+(n/4) O2 → m CO2 + n/2 H2O 1 Nm3 m+(n/4) Nm3 m Nm3 n/2 Nm3 volume de oxigênio Volume de CO2 Volume de H2O n VCO 2 = m C m H n n VO2 = (m + ) C m H n VH 2O = CmH n 4 2O volume total de oxigênio necessário para uma combustão estequiométrica de umgás constituído basicamente por CO, H2, e hidrocarbonetos do tipo CmHn, pode serescrita como segue;  n 3 ∀ O2 = 0,5 CO + 0,5 H 2 + 2 CH 4 + 3 C 2 H 4 + 5 C 3 H 8 +  m +  C m H n + L ; Nm O 2  4 Nm 3 comb.ou  n  3 ∀ O2 = 0,5 (CO + H 2 ) + ∑  m i + i  C mi H n i , Nm O 2 i  4 Nm 3 comb.Similarmente, o volume total dos gases da combustão será;∀ g = 1CO + 1CH 4 + 2C 2 H 4 + 3C 3 H 8 + mC m H n + 1H 2 + 2CH 4 + 2C 2 H 4 + 4C 3 H 8 + n C m H n 14444444 244444444 14444444 2444442 44 4 3 4 4 3 CO 2 dioxido de carbono formado H 2O vapor de água formadoou ∀g = 1CO + ∑ m i C mi H n i + 1H 2 + ∑ 2i C mi H n i n Nm 3 gases i2 1444 444 3 144i 2444 4 3 Nm 3 comb. CO 2 dioxido de carbono formado H 2O vapor de água formadoSe a reação for realizada com ar (20,95% de O2 e 79,05% de N2); ∀ ar = 100 ∀ 20,95 O 2  n  3 ∀ ar = 2,39 (CO + H 2 ) + 4,77 ∑  m i + i  C mi H n i , Nm ar i  4 Nm 3 comb.Incluindo nos gases a parcela de nitrogênio contido no ar e que será igual a 0,79∀ ar ; ∀g = 1CO + ∑ m i C mi H n i + 1H 2 + ∑ 2i C mi H n i + 0,79∀ ar n Nm 3 ar 123 4 4 i2 1444 444 3 144i 2444 4 3 nitrogênio Nm 3 comb. CO 2 dioxido de carbono formado H 2O vapor de água formado do arincluindo a presença de outros gases inertes que eventualmente possam fazer parte dacomposição do combustível ou do ar de combustão (teor de CO2, teor de umidade nocombustível – H2O, teor de nitrogênio no combustível, etc). 1CO + ∑ m i C mi H n i + 1H 2 + ∑ 2i C mi H n i + 0,79∀ ar + H 2 O + { + CO 2 + L n∀g = { N2 i2 1444 444 3 144 i 2444 4 3 vapor nitrog. CO 2 (dioxido de carbono formado) vapor de água formado de água no comb.
  14. 14. Relações simplificadas para determinar a quantidade de ar necessário equantidade de gases dos produtos da combustão:Valores aproximados para a quantidade de ar de combustão e quantidade de gases nosprodutos da combustão podem ser obtidos a partir de relações empíricas ou equaçõesdeduzidas para determinados tipos de combustíveis como foi realizado acima.Este procedimento pode ser justificado se a composição do combustível fordesconhecida ou simplesmente queremos conhecer estes valores de formaaproximada e rápida sem necessidade de realizar o equacionamento químico para areação de combustãoCombustíveis sólidos e líquidos:Formulas práticas de Rosin e Fehling são baseadas no poder calorífico inferior docombustível; Poder calorífico dado em (kcal/kg)Combustíveis sólidos: 1,01PCI Nm3 de ar 0,89PCI Nm3 de gásVar = + 0,5 kg de comb. Vgu = + 1,65 kg de comb. 1000 1000Combustíveis líquidos: 0,85PCI Nm3 de ar 1,11PCI Nm3 de gásVar = +2 kg de comb. Vgu = kg de comb. 1000 1000Combustíveis gasosos:Var = 2,38(CO + H 2 ) + 9,52CH 4 + 11,89C 2 H 2 + 14,28C 2 H 4 + 3,57C 6 H 6 − 4,76O 2 Nm3 de ar Nm3 de comb.Formulas práticas de Rosin e Fehling em função do poder calorífico inferior docombustível (kcal/Nm3)PCI > 3000 kcal/Nm3 1,09PCI Nm3 de ar 1,14PCI Nm3 de gásVar = − 0,25 Vgu = + 0,25 1000 Nm3 de comb. 1000 Nm3 de comb.PCI < 3000 kcal/Nm3 0,895 PCI Nm3 de ar 0,725 PCI Nm3 de gásVar = Vgu = +1 1000 Nm3 de comb. 1000 Nm3 de comb.
  15. 15. Reação de combustão estequiométrica:Representa uma reação de combustão com a quantidade de oxigênio (Ar) estritamentenecessário para queimar completamente o combustível.Exemplo: Queima de metano com arVamos realizar a reação de combustão considerando a queima de um mol de metano CH 4 + a (O 2 + 3,76 N 2 ) → bCO 2 + cH 2 O + dN 2Os coeficientes a,b,c,d devem ser determinados do balanço de massa da equação dacombustão;Fazendo um balanço de massa de cada elemento; Carbono: b = 1  a=2 Oxigênio: 2a = 2b + c  b =1  Hidrogênio: 2c = 4  c=2 Nitrogênio: 3,76a = d  d = 7,52 CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) → 1CO 2 + 2H 2 O + 7,52 N 2Relação ar combustível (AC):Base molar: n ar 2(1 + 3,76 ) mol de ar mol de arAC molar = = ⇒ AC molar = 9,52 n comb. 1 mol de comb mol de combBase em massa: m ar n ar M ar 28,84 kg de ar kg de arAC massa = = = 9,52 ⇒ AC massa = 17,16 m comb. n comb. M comb 16 kg de comb kg de combou m ar 2(32 + 3,76 × 28) kg de ar kg de arAC massa = = ⇒ AC massa = 17,16 m comb. 16 kg de comb kg de combPonto de orvalho dos produtos da combustão:Para determinar o ponto de orvalho devemos conhecer; A pressão parcial do vapor de água (Pv) A fração molar (ψ) do vapor de água nos produtos da combustão A pressão dos gasesAdmitindo que a pressão dos gases é 1 atm. (1 bar; 105 Pa) n H 2O n H 2O 2 mol de H 2 O ψ H 2O = = = ⇒ ψ H 2O = 0,19 n gases n CO2 + n H 2O + n N 2 10,52 mol de gás Pv = Pψ H 2O = 10 5 × 0,19 ⇒ Pv = 19 kPaDe uma tabela de vapor saturado (água saturada) T (oC) P(kPa) 55 15,758 Torvalho = 58,9 o C 60 19,941
  16. 16. Exemplo: Análise com os produtos da combustãoConsidere que após a queima de metano com ar, uma análise molar em base seca dosprodutos de combustão fornece as seguintes informações; 9,7% CO2; 0,5% CO; 2,95% O2; 68,85% N2.Determinar:(a) a relação ar combustível; (b) o coeficiente de excesso de ar; (c) a temperatura deorvalho para uma pressão dos gases igual a 1 atm.Inicialmente vamos escrever a equação da combustão; a CH 4 + b (O 2 + 3,76 N 2 ) → 9,7 CO 2 + 0,5CO + 2,95 O 2 + 86,85 N 2 + c H 2 O Carbono: a = 9,7 + 0,5 a = 10,2  Oxigênio: 2b = 2 × 9,7 + 0,5 + 2 × 2,95 + c  b = 23,1  c = 20,4 Hidrogênio: 4a = 2c  Nitrogênio: 3,76b = 86,85  10,2 CH 4 + 23,1 (O 2 + 3,76 N 2 ) → 9,7 CO 2 + 0,5CO + 2,95 O 2 + 86,85 N 2 + 20,4 H 2 O(a) Relação ar combustível (AC): 23,1(1 + 3,76 ) kmol de arAC molar = = 10,78 ; 10,2 kmol de comb 23,1 (32 + 3,76 × 28) kg de arAC massa = = 19,43 10,2 × 16 kg de combDe uma análise estequiométrica da reação;CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) → 1CO 2 + 2H 2 O + 7,52 N 2 kmol de ar kg de arAC molar = 9,52 ; AC massa = 17,16 kmol de comb kg de comb(b) Coeficiente de excesso de ar: AC real 19,43% ar = = = 1,132 ⇒ 13,2 de excesso de ar. AC teórico 17,16(c) Temperatura de orvalho: n H 2O 20,4 mol de H 2 O ψ H 2O = == ⇒ ψ H 2O = 0,169 n gases 100 + 20,4 mol de gás Pv = Pψ H 2O = 10 5 × 0,169 ⇒ Pv = 16,9 kPada tabela de vapor saturado ⇒ Torvalho = 56,4 o C .
  17. 17. Primeira lei da termodinâmica aplicada a reações de CombustãoUm balanço de energia num processo de combustão permite determinar a quantidadede energia liberada pela reação de combustãoAplicando a primeira lei da termodinâmica ao sistema formado pela câmara decombustão e desprezando as variações de energia cinética e potencial, U 2 − U1 = Q1−2 − W1−2Sabemos que o processo de combustão pode ser realizado a volume ou pressãoconstante.Processo a volume constante:Admitindo que o volume permaneça constante durante a reação de combustão, nãorealizando o sistema trabalho, então o calor produzido na reação ( Q v = −Q1−2 ) será ; Q v → calor de combustão ou reação a V e T constantes Q v = U1 − U 2 U1 → energia interna dos reagentes a V e T constantes U 2 → energia interna dos produtos a V e T constantesO calor de combustão a volume constante pode ser determinado numa bombacalorimétrica.Neste equipamento é realizado a combustão e medido o calor desprendido pelosprodutos da combustão para retornarem as condições iniciais. A bomba calorimétrica é constituída basicamente de três partes: 1) uma bomba, contendo o oxigênio e o combustível e onde a reação é realizada. 2) um recipiente contendo uma quantidade bem determinada de água e onde são imersos a bomba, o termômetro e um dispositivo agitador 3) uma camisa isolante que evita a perda de energia para o meio ambiente
  18. 18. Referindo o calor de combustão à massa do combustível, temos o poder calorífico domesmo U1 − U 2 PC v = = u1 − u 2 m combProcesso a pressão constante:Do balanço de energia na câmara de combustão, identicamente ao caso de combustãoa volume constante, temos; U 2 − U1 = Q1−2 − W1−2Caso a pressão seja mantida constante durante a reação de combustão, o trabalhorealizado é; 2 W1−2 = ∫ PdV = P(V2 − V1 ) = P2 V2 − P1V1 1e o calor de combustão ( Q p = −Q1−2 ) pode ser escrito Q p = (U1 + P1V1 ) − (U 2 + P2 V2 ) = H1 − H 2Q p → calor de combustão ou reação a P e T constantesH 1 → Entalpia dos reagentes a P e T constantesH 2 → Entalpia dos produtos a P e T constantesReferindo o calor de combustão à massa do combustível, temos o poder calorífico domesmo a pressão constante. H1 − H 2 PC p = = h1 − h 2 m comb Pela condição de que os produtos da combustão são resfriados até as condições iniciais e sendo a entalpia e a energia interna funções de estado, conclui-se que o calor de combustão ou poder calorífico é uma propriedade do combustível. Na chamada condição normal a água presente nos gases da combustão encontra-se na fase líquida (o vapor de água condensa nesse processo) Em situações práticas, entretanto, os gases deixam a câmara de combustão acima da temperatura de saturação e, portanto, a água se apresenta na forma gasosa.Em função destas condições pode-se definir um poder calorífico superior e outroinferior.Poder calorífico superior (PCS):É obtido na condição em que a água encontra-se totalmente na fase líquida.Corresponde ao valor obtido na bomba calorimétrica.Poder calorífico inferior (PCI):Representa o valor medido com a água na condição de vapor. Corresponde ao valorusado nos cálculos para análise de sistemas de combustão.
  19. 19. Quando a composição elementar do combustível é conhecida, o poder calorífico podeser determinado de modo aproximado pelas seguintes relações.Combustíveis sólidos e líquidos: (sendo conhecida a composição gravimétrica)  O  Esta relação fornece bons resultadosPCI = 8100 C + 28700  H 2 − 2  + 2210 S − 600 H 2 O  8  para combustíveis sólidos. O erro é de 2% PCI em kcal/kg comb.PCI = 8100 C + 30000 H 2 − 2600 (S + O 2 ) Vale para combustíveis líquidos O erro é da ordem de 4% PCI em kcal/kg comb.PCS = 7278 + 3111 Usada para óleos combustíveis; o erro é de 2% d d é a densidade do combustível a 15 oC PCS em kcal/kg comb.Combustíveis gasosos: (sendo conhecida a composição volumétrica)PCS = 3050 CO + 3070H 2 + 9500 CH 4 + 13950 C 2 H 2 + 15000 C 2 H 4 PCS em kcal/Nm3 combPCI = 3050 CO + 2850H 2 + 8530 CH 4 + 13500 C 2 H 2 + 14050 C 2 H 4 PCI em kcal/Nm3 comb

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