CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS DE COMBUSTÃO
Nos cálculos estequiométricos é de grande utilidade o emprego de
unidades molares. ...
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 obter o número de moles (n) estequiométrico do ar de combustão,
basta utilizar a fórmula:
Mol
m
n =
Assim:
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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 ...
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 combus...
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 SO...
Para sabermos a quantidade em Kg de excesso de ar (incluindo a
umidade), podemos fazer:
Excesso de ar em Kg = (mar + m ar ...
 Energia do ar: Q = mar . Cp . ΔT
Onde:
mar = massa total de ar (seco) utilizada na combustão
Cp = calor específico médio...
Obs.: caso tenham sido computados na energia que entra os valores
referentes a água do ar e a existente na composição do c...
Obs.: caso tenham sido computados na energia que entra os valores
referentes a água do ar e a existente na composição do c...
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Cálculos estequiometricos combustão[18033]

  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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

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