estequiometria

1. CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS DE COMBUSTÃO
Nos cálculos estequiométricos é de grande utilidade o emprego de
unidades molares. O mol é a abreviação de molécula-grama (quantidade
em gramas igual a massa molecular da substância considerada) e o Kmol é
a abreviação de molécula-quilograma (quantidade em quilogramas igual a
massa molecular da substância considerada) .
São utilizadas as seguintes considerações: a combustão é completa (não
forma CO) e o nitrogênio não participe da reação.
1 - Cálculo da necessidade teórica de ar
Durante a combustão, a massa de cada elemento permanece a mesma.
Considere inicialmente a reação:
C + O2 CO2
Nesta equação, 1 Kmol de carbono reage com 1 Kmol de oxigênio
formando 1 Kmol de dióxido de carbono, ou então, 12 Kg de carbono
reagem com 32 Kg de oxigênio para formar 44 Kg de dióxido de carbono:
C + O2 CO2
1 Kmol 1 Kmol 1 Kmol
12 Kg 32 Kg 44 Kg
Logo,
1 Kg de C necessita de 2,666 Kg de O2 (32/12)
Para os outros constituintes do combustível, teremos:
H2 + 1/2 O2 H2O
2 Kg 16 Kg 18 Kg
Logo,
1 Kg de H2 necessita de 8 Kg de O2 (16/2)

2. S + O2 SO2
32 Kg 32 Kg 64 Kg
Logo,
1 Kg de S necessita de 1 Kg de O2 (32/32)
Assim, a massa de oxigênio teórica necessária para a combustão completa
do combustível será calculada pela seguinte expressão:
mO2 = 2,66 . (%C) + 8 . (%H) + 1 . (%S) - Kg O2/Kg comb.
onde:
% C = porcentagem de carbono existente na composição do combustível
% H2 = porcentagem de hidrogênio existente na composição do combustível
% S = porcentagem de enxofre existente na composição do combustível
Caso exista O2 na composição do combustível, deveremos descontar essa
quantidade da massa total acima calculada. Assim:
mO2 = 2,66 . (%C) + 8 . (%H) + 1 . (%O2) – 1 (%O2) - Kg O2/Kg com.
onde:
% O2 = porcentagem de oxigênio existente na composição do combustível
Na maioria dos processos de combustão, o oxigênio é fornecido pelo ar
atmosférico. A composição do ar em peso é de aproximadamente 23% de
oxigênio e 77% de nitrogênio.
Logo, a quantidade teórica de ar para a combustão completa será:
mo
ar = 11,5 . (%C) + 34,8 . (%H) + 4,35 . (%S) – 4,35 . (%O2) - Kg ar/Kg comb.

3. Para obter o número de moles (n) estequiométrico do ar de combustão,
basta utilizar a fórmula:
Mol
m
n =
Assim:
nº de moles ar estequiométrico = n O2 + n N2
nº de moles ar estequiométrico = (m O2 / 32) + (m N2 / 28)
Considerando a massa específica do ar, ρ ar = 1,2928 Kg/m3
(isso a P = 1
atm e T = 0º C), teremos que o volume teórico de ar para a combustão
completa será:
Vo
ar = 8,89 . (%C) + 26,9 . (%H) + 3,36 . (%S) - 3,36 . (%O2) - m3
ar/Kg comb.
Como este volume se refere a condições de P = 1atm e T = 0ºC (273 K),
devemos converter o volume para condições de trabalho normais
utilizando a seguinte expressão:
2
2.2
1
1.1
T
VP
T
VP
=
2 - Cálculo da necessidade real de ar
Para conseguirmos uma queima completa do combustível, há necessidade
de se introduzir um excesso de ar. A quantidade de excesso depende de
vários fatores, mas apresentamos a seguir os valores comumente
utilizados para os combustíveis mais comuns:
Combustível Excesso de ar utilizado - α (%)
Lenha 30 - 100
Óleo Combustível 15 - 20
Gás Natural 5 - 10
Logo, a massa e volume reais de ar a serem introduzidas para queima do
combustível será:

4. m ar = m o
ar . α - Kg ar / Kg comb.
V ar = V o
ar . α - m3
ar / Kg comb.
Pode-se também considerar a água presente no ar e para isso devemos
fazer uso de uma carta psicométrica, onde dependendo da umidade
relativa do ar encontraremos a quantidade de água presente no ar:
mtotal ar = mar + (mar . x)
Onde:
x = quantidade de água no ar (Kg água / Kg ar seco) de acordo com a
umidade relativa.
3) Cálculo da quantidade estequiométrica de produtos de combustão
Para se determinar a massa de produtos de combustão formada durante
uma queima completa utilizamos como referência as quantidades
estequiométricas da reação em questão. Assim:
3.1 - Formação de CO2
C + O2 CO2
12 Kg produz 44 Kg
1 Kg produz 3,666 Kg
Logo,
Uma massa qualquer em Kg de C irá produzir uma massa em Kg de CO2
Ex.: um combustível contendo 47% de C em sua composição, produzirá
1,723 Kg de CO2/Kg combustível.
3.2 - Formação de H2O
H2 + ½ O2 H20

5. 2 Kg produz 18 Kg
1 Kg produz 9 Kg
Logo,
Uma massa qualquer em Kg de H2 irá produzir uma massa em Kg de H2O
Ex.: um combustível contendo 6,5% de H2 em sua composição, produzirá
0,585 Kg de H2O/Kg combustível.
Obs.: No cálculo da quantidade total de água nos produtos de combustão
também devemos incluir a umidade do ar e do combustível (sólido) se for o
caso.
3.3 - Formação de SO2
S + O2 SO2
32 Kg produz 64 Kg
1 Kg produz 32 Kg
Logo,
Uma massa qualquer em Kg de S irá produzir uma massa em Kg de SO2
Ex.: um combustível contendo 1% de S em sua composição produzirá
0, 02 Kg de SO2 /Kg combustível.
3.4 - Nitrogênio
O Nitrogênio não participa da reação, logo, a quantidade presente nos
gases de exaustão não irá se alterar em relação a quantidade inicial que
entra para a combustão.
Para calcularmos a sua quantidade basta saber a quantidade
estequiométrica de ar que entra para a combustão e aplicar o percentual
em massa de N2 na composição do ar (77%):
N2 entra = N2 sai = m o
ar . 0,77 (Kg N2)
Para obter o número de moles (n) estequiométrico dos produtos de
combustão (gases secos), basta utilizar a fórmula:

6. MOL
m
n =
nº total moles esteq. prod. Comb. = n C02+ n SO2 + n N2
nº total moles esteq. prod. comb. = (m CO2 / 44) + (m SO2 / 64) + (m N2 / 28)
3.5 - Porcentagem de CO2 estequiométrico (% CO2
*
):
% CO2
*
= nº moles estequiom CO2
nº total moles estequiom. dos produtos combustão
4) Cálculo da Quantidade de Excesso de ar
A maneira mais precisa de se obter a porcentagem de excesso de ar é
através da utilização de aparelhos medidores de gases ou com a medida da
% de CO2 (ou % O2), também obtida com esses aparelhos. Uma fórmula
que pode ser usada é a seguinte:
% EA = } 100
2
1
1
2
*2
×





×−









V
V
medCO
CO
CO2
*
= % de CO2 estequiométrico (ver cálculo anterior)
CO2 med = % de CO2 medido
V1 = nº total moles estequiom. dos produtos de combustão (ver cálculo ant)
V2 = nº moles ar estequiom. (ver cálculo anterior)

7. Para sabermos a quantidade em Kg de excesso de ar (incluindo a
umidade), podemos fazer:
Excesso de ar em Kg = (mar + m ar . x) - (m o
ar + mo
ar . x)
m ar = quantidade total de ar incluindo o excesso
mo
ar = quantidade estequiométrica de ar
x = Kg água/Kg ar seco (da carta psicrométrica de acordo com a umidade
relativa)
5 - Rendimento da combustão
As perdas de energia da combustão podem ser calculadas através da
formula:
Perdas (%) = Total de energia que sai . 100
Total de energia que entra
Logo, a eficiência da combustão será:
Є (%) = 100 – Perdas (%)
5.1 - Energia que entra
Devemos considerar a quantidade de energia do combustível e do ar de
combustão:
 Energia do combustível: Q = (mcomb . Cp . ΔT) + (mcomb.PCS)
Onde:
mcomb = massa do combustível = para efeito de cálculo = 1 Kg
Cp = calor específico médio do combustível – Kcal/KgºC
ΔT = tcomb (temp. combustível na entrada fornalha) – tamb (temp. ambiente)
PCS = poder calorífico superior do combustível – Kcal/kg

8.  Energia do ar: Q = mar . Cp . ΔT
Onde:
mar = massa total de ar (seco) utilizada na combustão
Cp = calor específico médio do ar = 0,2404 Kcal/KgºC
ΔT = tar (temp. ar na entrada fornalha) – tamb (temp. ambiente)
Total da energia que entra = energia do combustível + energia do ar
Obs.: apesar de serem valores pequenos, pode ser calculado um crédito
adicional de energia (que entra) referente a água do ar e no caso de
combustíveis sólidos referente a água existente na composição do
combustível.
5.2) Energia que sai
Considera-se perdas térmicas, as perdas nos gases da chaminé secos (O2,
N2, CO2 e SO2) e úmidos (H2O) e mais as perdas por irradiação e
combustível não queimado.
 Perda de energia nos gases secos: Q = mgás . Cp . ΔT
Onde:
mgás = massa do gás em Kg que sai pela chaminé (O2, N2, CO2 ou SO2)
Cp = calor específico médio do gás (O2, N2, CO2 ou SO2) – Kcal/KgºC
ΔT = tchaminé (temp. gases na chaminé) – tamb (temp. ambiente)
 Perda de energia nos gases úmidos (água de formação):
Q = mágua form . Cp1 . ΔT1 + mágua formL + mágua form . Cp2 . ΔT2
Onde:
mágua form = massa de água de formação em Kg
Cp1 = calor específico médio do vapor d´água = 0,459 Kcal/KgºC
ΔT1 = tchaminé (temp. gases na chaminé) – tcomb (temp. combustível na entrada
fornalha)
L = calor latente de vaporização da água = 540 Kcal/Kg
Cp2 = calor específico da água = 1 Kcal/KgºC
ΔT2 = tcomb (temp. combustível na entrada fornalha) – tamb (temp. ambiente)

9. Obs.: caso tenham sido computados na energia que entra os valores
referentes a água do ar e a existente na composição do combustível, devem
ser calculadas a saída de energia desses itens.
 Perda de energia por irradiação e combustível não queimado: essas
perdas podem ser estimadas em torno de 3 a 5% do total de perdas que
ocorrem nos gases secos e úmidos.
Total da energia que sai = perda gases secos + perdas gases úmidos +
perdas irradiação e combustível não queimado

10. Obs.: caso tenham sido computados na energia que entra os valores
referentes a água do ar e a existente na composição do combustível, devem
ser calculadas a saída de energia desses itens.
 Perda de energia por irradiação e combustível não queimado: essas
perdas podem ser estimadas em torno de 3 a 5% do total de perdas que
ocorrem nos gases secos e úmidos.
Total da energia que sai = perda gases secos + perdas gases úmidos +
perdas irradiação e combustível não queimado