combustão 2 signed

Combustveis e combusto

1 Qumica Geral - 2014 - 1 semestre Cristiano P. nobre

Bibliografia:

Hilsdorf, J.W.; Barros, N.D.; Tassinari, C.A.; Cosla,

I. Qumica Tecnolgica. So Paulo: Pioneira

Thomson Learning, 2004.

Garcia, R. Combustveis e combusto industrial,

Rio de Janeiro: Intercincia, 2002.

2 Qumica Geral - 2014 - 1 semestre

Combustveis

So materiais carbonceos comumente

disponveis e que podem ser queimados

facilmente ao ar atmosfrico com

desprendimento de grande quantidade de calor

controlvel sem esforo. Os combustveis

importantes so compostos de carbono.


Combustveis

Os elementos qumicos que entram na composio

da maioria dos combustveis so: carbono,

hidrognio, oxignio, nitrognio e enxofre.

A qualidade do combustvel dada pelos elementos

carbono (C) e hidrognio (H)


Combustveis

O enxofre e o nitrognio no so desejveis. Por

qu???


Combustveis

Para que um material possa ser considerado

industrialmente combustvel so necessrios osseguintes requisitos tcnicos e econmicos:

1- facilidade de uso;

2- no formao, durante a combusto, de substncias

txicas ou corrosivas

3- obteno fcil

4- baixo custo de produo;

5- segurana no armazenamento e no transporte


Comburente

A combusto uma reao de xido-reduo, sendo

o combustvel o redutor e o oxignio, o oxidante. A

oxidao do redutor, ou combustvel, d-se custa

do oxidante ou oxignio. A substncia custa da

qual se d a combusto, que normalmente o

oxignio, denomina-se comburente.


Comburente

o elemento ativador do fogo, que se combina com

os vapores inflamveis dos combustveis, dando vida

s chamas e possibilitando a expanso do fogo.

A fonte de oxignio o ar atmosfrico


Comburente


Combusto


Gases residuais ou fumos

Os elementos qumicos componentes dos

combustveis ao reagirem com o oxignio

produzem substncias gasosas, como CO2, SO2,

CO (em alguns casos), que se desprendem

juntamente com o H2O em forma de vapor.

Essas substncias compreendem os gasesresiduais da combusto ou fumos.


Cinzas

Cinzas so os resduos slidos da combusto deum combustvel slido.

As cinzas so formadas pelo resduo inorgnicoque permanece aps a combusto do carvo

mineral e no apresentam a mesma composio

qumica da matria original


Combusto


Combustvel

todo material que queima. So slidos,

lquidos e gasosos, sendo que os slidos e

os lquidos se transformam primeiramente

em gs pelo calor e depois inflamam.

Comburente (Oxignio)

o elemento ativador do fogo, que se combina

com os vapores inflamveis dos combustveis,

dando vida s chamas e possibilitando a

expanso do fogo.


Calor

uma forma de energia. o elemento que

d incio ao fogo, ele que faz o fogo se

propagar. Pode ser uma fasca, uma chama

ou at um super aquecimento em mquinas

e aparelhos energizados.

Reao em Cadeia

Os combustveis, aps iniciarem a

combusto, geram mais calor. Esse calor

provocar o desprendimento de mais gases

ou vapores combustveis, desenvolvendo

uma transformao em cadeia ou reao

em cadeia, que, em resumo, o produto de

uma transformao gerando outra

transformao.


Classificao dos combustveis

O estado fsico do combustvel determina o mtodo

de utilizao e o tipo de equipamento necessrio

combusto, os combustveis classificam-se

primordialmente em trs grupos: slidos, lquidos

e gasosos


Classificao dos combustveis

17 Qumica Geral - 2014 - 1 semestre CPN

O processo de combusto

De modo geral, a reao de combusto se d emfase gasosa.

O combustvel lquido evaporado previamente ea reao de combusto se efetua entre o vapor dolquido e o oxignio, intimamente misturados.

Os combustveis slidos so de combusto umtanto mais difcil, pois a reao se d na interfaceslido-gs, devendo haver a difuso do oxignioatravs dos gases que envolvem o slido (CO2 eoutros gases) para atingir a superfcie do slido emcombusto.


Reaes mais importantes no processo da

combusto


Tipos de combusto

Dependendo das quantidades proporcionais de

combustvel e de oxignio (comburente) pode haver

combustes:

1 incompletas;

2 teoricamente completas;

3 praticamente completas.


Tipos de combusto

A combusto denominada incompleta aquela que se realizacom insuficincia de oxignio, ou seja, com uma quantidade de

oxignio inferior quantidade estequiomtrica para oxidar

completamente a matria combustvel.

Na combusto incompleta aparece nos gases residuais (fumos)

grande quantidade de produtos no completamente oxidados, tal

como CO, e muitas vezes matria combustvel no queimada

(oxidada), tal como hidrocarbonetos.


Tipos de combusto

A combusto denominada teoricamente completaquando se realiza com a quantidade estequiomtrica de

oxignio para oxidar completamente a matria

combustvel.

Na combusto teoricamente completa no haver

oxignio nos fumos, pois toda a quantidade

introduzida na realizao da combusto ser

utilizada e poder aparecer uma pequena quantidade

de CO22 Qumica Geral - 2014 - 1 semestre

Tipos de combusto

A combusto ser praticamente completa quandose realiza com uma quantidade de oxignio maior

do que a estequiometricamente necessria para

oxidar completamente a matria combustvel.

Na combusto praticamente completa haver

sempre uma quantidade maior ou menor de oxignio

nos fumos, dependendo do combustvel queimado.


Oxignio terico

Para que se possam efetuar os clculos

estequiomtricos em uma combusto, nos quais se

aplicam os princpios do balano material, ou seja, oprincpio da conservao de massa no sistema, torna-se necessrio definir a expresso oxignio terico.

O2 terico = O2 para combusto completa O2 docombustvel


Oxignio terico

O oxignio para combusto completa corresponde

quantidade de oxignio necessria para oxidar

completamente a matria combustvel, ou seja, no caso de

carbono e hidrognio, para passar todo o carbono a CO2 e todo o

hidrognio a H2O. Se houver enxofre (S), este deve passar a SO2.


Oxignio terico

Da quantidade de oxignio para combusto completa deve-se

subtrair a quantidade de oxignio do combustvel, ou seja, se

o combustvel contiver oxignio em sua composio, este dever

ser considerado como j tendo reagido com o hidrognio

existente no combustvel.


Oxignio terico


Oxignio terico

Portanto, no caso da combusto incompleta (no havendo

oxignio suficiente para oxidar completamente todo o carbono e

todo o hidrognio), o oxignio disponvel queimar todo o

hidrognio, passar todo o C a CO, e uma parte do CO

formado ser oxidado a CO2 pelo oxignio ainda restante. Na

prtica da combusto no interessante, portanto, ter-se uma

combusto incompleta, pois haveria perda de combustvel (na

forma de CO).


Ar terico

Denomina-se ar terico a quantidade de ar que contenha a

quantidade de oxignio terico. Sabendo-se que a

porcentagem de oxignio no ar de 21% em volume ou em moles,

a quantidade de ar terico pode ser determinada

pela proporo:


Ar em excesso

Quantidade de ar real = Quantidade de ar terico +

Quantidade de ar em excesso.

A necessidade da quantidade de ar extra ou em excesso deve-se a

dois fatores:

1 a dificuldade de obter um contato ntimo entre o ar e os gases

combustveis ou partculas finamente divididas de combustvel na

cmara de combusto;

2 as reaes de combusto realizam-se em fase gasosa, e so

reaes de equilbrio qumico.


Ar em excesso

Para que haja eficincia mxima de combusto essencial que se use

uma porcentagem correta de ar em excesso.

Se for usado muito ar em excesso, haver diminuio da eficincia,

pois o ar extra se aquecer custa do calor da combusto; esse calor se

perder como calor sensvel nos gases residuais.

Se for usada uma baixa quantidade de ar em excesso, a combusto

poder no ser completa e os gases residuais podero levar calor

latentena forma de gases combustveis no queimados, tais como CO,

hidrognio e metano


Ar em excesso

Entretanto, as perdas por excesso de ar aumentamem propores muito menor que as perdas com

combustvel no queimado.

Pode-se estimar a porcentagem tima de ar em excessodentro de uma faixa, de acordo com o estado fsico do

combustvel, da seguinte maneira:

combustveis gasosos 5 a 30% de ar em excesso;

combustveis lquidos 20 a 40% de ar em excesso;

combustveis slidos 30 a 100% de ar em excesso


Clculos estequiomtricos da combusto

Por meio de balanos de materiais podem ser

determinadas as quantidades de combustveis, de ar,

de fumos e de resduos (cinzas).Para efetuar o calculo:

1 - Escolher um sistema que, em geral, o local em

que se realiza a combusto;

2 - Adotar uma base de clculo;

3 - Estabelecer balanos materiais em nmero

suficiente para a determinao necessria.



Sendo as combustes normalmente efetuados sob

presses prximas da presso atmosfrica, pode-se considerar

que os gases envolvidos na operao comportam-se como gases

perfeitos.

Geralmente, os clculos estequiomtricos da combusto

correspondem a:

1- Clculo da qualidade de ar teoricamente necessrio e de ar real

para a combusto completa do combustvel;

2- Clculo da composio e do volume dos fumos da combusto;



Unidades Molares

Mol = molcula grama

Kmol = molcula quilograma

O mol corresponde a quantidade em gramas igual a massa

molecular da substancia qumica pura considerada, ou sua

massa atmica. Considerando a reao de combusto completa

do carbono



Critrios de Clculos

COMBUSTVEIS GASOSOS

A estequiometria em volume mais adequada para clculos de combusto

quando tanto os reagentes como os produtos sejam gasosos. importante

considerar que as propores volumtricas dadas pelos coeficiente da reao

de combusto somente sero vlidas para volumes nas mesmas condies

de presso e temperatura.

A transformao de qualquer dos volumes considerados pode ser efetuada para

outras condies de presso e temperatura pela equao de estado de gases

perfeitos, ou seja:

P1V1 = P2V2T1 T2



Exemplo

Na combusto do gs propano (C3H8) tm-se as propores

molares de reao dadas pela seguinte equao qumica:

C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O(vapor)

1mol 5 moles 3 moles 4 moles

As propores molares de 1:5 -- 3:4

independem das condies de presso e temperatura, pois

utiliza-se uma unidade qumica (mol) que est

relacionada com massa:



massa (gramas)

Nmero de moles =

massa molecular



Isso no pode ser aplicado quando se consideram

propores volumtricas. Utilizando-se propores

volumtricas, tem-se:

C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2Ovapor

1 litro 5 litros 3 litros 4 litros

Isso a t C e a P mm Hg.

Neste caso, as propores 1:5 --- 3:4 somente podem

ser consideradas para condies iguais de presso e

temperatura de todos os gases (ou vapor de gua) e a condio

considerada (ou adotada) deve ser mencionada.



Prosseguindo no clculo, pode-se, em seguida, transformar o

volume de oxignio (ou de ar) para condies reais de presso e

temperatura, e o volume de fumos para as condies reais de

presso e temperatura, pela expresso de transformao de estado

de gases perfeitos:



Clculo da quantidade de ar teoricamente

necessrio e de ar real para a combusto completa

de combustveis.

Exemplo 1:

1) O gs liquefeito de petrleo (GLP) apresenta 50% em volume de gs

propano (C3H8) e 50% de gs butano (C4H10). Considerando que a

combusto seja completa, calcular o volume de ar terico necessrio

para a combusto de 1 litro de GLP a 27C e 700 mm Hg.



C3H8 .50% VC3H8 = 0,5 L

C4H10 ..50% VC4H10 = 0,5 L

Quantidades volumtricas de cada componente em 1 L de GLP

(1) C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O

0,5 L 5 x 0,5L

(2) C4H10 + 6,5 O2 4 CO2 + 5 H2O

0,5 L 6,5 x 0,5L


V(O2 terico) = V(O2 para combusto completa) V(O2 do combustvel)

V(O2 terico) = V(O2 para C3H8) + V(O2 para C4H10)

V(O2 terico) = (5 x 0,5L) +(6,5 x 0,5L)

V(O2 terico) = 2,5 + 3,25 = 5,75 L

Ou seja:

V(O2 terico) = 5,75 L / L de C3H8 e C4H10

O volume de Ar teoricamente necessrio ser:

V (Ar terico) = 5,75/0,21

V (Ar terico) = 27,38 L de Ar a 27 0C e 700 mm Hg



Exemplo 2:

Um combustvel lquido constitudo por carbono e

hidrognio deve ser queimado com 20% de ar em

excesso. A composio em peso do combustvel a

seguinte:

Carbono .. 80% (em peso)

Hidrognio .20% (em peso)

Determinar o volume, a 27 0C e 700 mm Hg, de ar

real a ser utilizado na combusto completa de 1 kg

do lquido combustvel.44 Qumica Geral - 2014 - 1 semestre


Exemplo 3:

Consideremos um carvo mineral cuja composio qumica, em

porcentagem de peso, a seguinte:

Determinar a quantidade volumtrica de ar real necessria para a

combusto de 1,0 kg desse carvo mineral, considerando 50%

excesso de ar, em condies de 27 0C e 700 mm Hg.

Componente % peso

Carbono 74,0

Hidrognio 5,0

Oxignio 5,0

Nitrognio 1,0

Enxofre 1,0

Umidade 9,0

Cinzas 5,0

Total 100,0


Componente massa n/massa atmica N (moles)

Carbono 740 g 740/12 61,66

Hidrognio 50 g 50/2 25,00

Oxignio 50 g 50/32 1,56

Nitrognio 10 g 10/28 0,36

Enxofre 10 g 10/32 0,31

Umidade 90 g 90/18 5,00

Cinzas 50 g

Total 1000 g

Considerando base de clculo igual a 1,0 kg de carvo.


Estudo Trmico da Combusto

Ponto de Ignio:

a temperatura necessria para inflamar a

mistura ar/combustvel, sem fonte externa de

calor. Se a temperatura ultrapassa o ponto de

ignio, o combustvel entra em combusto

espontnea


Estudo trmico da combusto: Poder

calorfico

O poder calorfico de qualquer substncia uma

medida do calor que pode ser obtido pela queima

dessa substncia. definido como a quantidade de

calor desprendida na sua queima completa,

estequiometricamente

definido como a quantidade de calor desprendida

na sua queima completa, estequiometricamente


Estudo trmico da combusto: Poder calorfico

Poder calorfico superior ou bruto (PCS): Inclui o calor

libertado pela condensao de toda a quantidade de gua

presentes nos produtos da combusto.

Considera que toda a gua nos fumos esteja no estado

lquido

Poder calorfico inferior ou lquido (PCI): obtido deduzindo

do poder calorfico superior o calor latente libertado pela

condensao e resfriamento de toda gua presente nos

produtos da combusto (fumos), incluindo a gua

previamente presente no combustvel com umidade.

Considera que toda gua nos fumos esteja no estado vapor


Estudo trmico da combusto:Poder calorfico

O poder calorfico determinado em laboratrio

atravs de uma bomba calorimtrica. O valor obtido

sempre o poder calorfico superior. Assim, o poder

calorfico inferior pode ser calculado.

PCI = PCS entalpia de vaporizao da gua


Estudo trmico da combusto

Poder calorfico

Normalmente o PCI mais utilizado, uma vez que

na maioria dos processos industriais os gases de

combusto so liberados a temperaturas altas,

onde a gua encontra-se na fase gasosa.

Unidades:



Gasolina 9600 Kcal/kg

Etanol 6100 kcal/kg

Maior consumo de combustvel quando

comparados com derivados de petrleo


Tipos de combustveis: Combustveis slidos

Os combustveis slidos classificam-se, como j

visto, em naturais ou primrios (encontram-se na

natureza) e preparados ou derivados, ou ainda,

secundrios (aqueles que sofreram transformao

ou elaborao por parte do homem).



primrios

Combustvel slido natural lenha

Baixa rentabilidade trmica devido a elevada

porcentagem de gua em sua composio (15% de

umidade, quando seca)

Mais importante como fonte de celulose do que

como combustvel

PCI = de 3200 a 3500 kcal/kg

PCS = de 3800 a 4500 kcal/kg



Mineral carves fsseis

O carvo mineral brasileiro utilizado principalmente na

produo de energia termoeltrica e na indstria cimenteira.

Devido ao seu alto teor de cinzas e enxofre, no muito

utilizado industrialmente, a no ser nas localidades prximas a

minas produtoras.



Bagao de cana

o combustvel das usinas de acar e lcool e utilizado

localmente, logo aps a moagem da cana.

As modernas usinas no consomem todo o bagao produzido

e o excedente pode ser fornecido a terceiros, "in natura" ou

seco e enfardado.

O bagao queimado diretamente com 50% de umidade,

como vem da colheita. A composio elementar muito

semelhante a lenha e suas propriedades podem ser tomadas

como similares, exceto claro, quanto a sua forma fsica.


Tipos de combustveis: Combustveis lquidos

Os combustveis lquidos so amplamente utilizados na indstria

pelas facilidades de armazenamento, operao e transporte, e os

derivados de petrleo praticamente esto presentes na maioria

das aplicaes.

Podem ser classificados nos seguintes grupos:

Petrleo e seus derivados

Derivados do alcatro de hulha ou do linhito

Destilados dos xistos betuminosos

Hidrocarbonetos sintticos

lcool etlico



Qumica Geral - 2014 - 1 semestre60

Podem ser classificados nos seguintes grupos:

Petrleo e seus derivados

Derivados do alcatro de hulha ou do linhito

Destilados dos xistos betuminosos

Hidrocarbonetos sintticos

lcool etlico

Hulha ou carvo

betuminoso

O lignito ou linhito um

tipo de carvo com elevado

teor de carbono na sua

constituio (65 a 75%).


Xisto betuminoso

uma rocha

sedimentar com leo na

sua constituio. Quando

essa rocha aquecida, o

leo (betume) se separa e

adquire caractersticas

semelhantes s do

Petrleo.


Xisto betuminoso



Derivados de Petrleo

O petrleo uma mistura de hidrocarbonetos que

apresenta composio varivel e dependente de

fatores geolgicos tais como localizao da jazida,

idade, profundidade, etc.


Os principais elementos que constituem o petrleo so apresentados no

quadro abaixo, com sua correspondente faixa de variao da

composio:



Combustveis lquidos: gasolina, querosene e

leo diesel



leo Combustvel

O leo combustvel a frao mais importante para os

sistemas de aquecimento industrial, devido a seu baixo

preo. Apesar de no incio da utilizao do petrleo,

fraes mais leves tais como o diesel e o querosene

terem sido utilizadas, atualmente, tais derivados so

reservados a utilizaes com maior exigncia de

qualidade de combustvel, como os motores de

combusto interna (ciclos Diesel e turbinas de aviao).



A tendncia atual adequar o perfil de refino a maior

produo de diesel e consequentemente, o leo combustvel

utilizado pela indstria tem sua densidade e viscosidades

aumentadas, alm do maior teor de enxofre.

A especificao bsica para os leos combustveis so a

viscosidade, o ponto de fluidez e o teor de enxofre. A

viscosidade determinada em aparelhos que se baseiam no

tempo de escoamento de um dado volume de leo a uma

temperatura constante.



O teor de enxofre uma caracterstica importantssima para

especificao e utilizao de leos combustveis. Como

explicado, o enxofre ocasiona a formao de SO2 e SO3, o

qual em reao com a gua dos produtos de combusto dever

formar cido sulfrico.

A formao e condensao de cido sulfrico depende do teor

de SO2, e consequentemente do teor de enxofre no leo, e da

presso parcial do vapor de gua nos gases de combusto.


Combustveis lquidos: Octanagem


Gasolina Premium gasolina com octanagem mnimade 91, que a exemplo da gasolina regular aditivada,

pode ser comercializada com cores diferenciadas, de

acordo com cada companhia distribuidora.



O que diferencia a Premium das gasolinas

tradicionalmente comercializadas no Brasil a

sua maior octanagem e o seu menor teor de

enxofre.



Tipos de combustveis: Combustveis Gasosos

Os combustveis gasosos tem aumentado sua

aplicabilidade na indstria nacional, respondendo a

demanda por fontes de energia mais limpas e eficientes.

A limitao de seu crescimento est na disponibilidade e

distncia dos centros consumidores pela sua maior

dificuldade de transportes.



Vantagens:

Maior facilidade na reao de combusto, que sempre se

processa na fase gasosa;

Maior facilidade de regular a entrada de ar;

Maior extenso da chama, alcanando maiores pores no

forno;

Maior facilidade de transporte do combustvel;

Maior facilidade de pr-aquecimento do combustvel;

Ausncia de cinzas



Gs Liquefeito de Petrleo

A aplicao industrial de GLP tem sido feita em processos em

que a limpeza fundamental, tais como em fornos

alimentcios, metalurgia e cermica fina. O GLP uma

mistura de fraes leves de petrleo na faixa de 3 e 4

carbonos na cadeia. Para efeitos prticos de combusto pode

ser considerado como uma mistura em partes iguais de

propano e butano.



Gs Natural

A explorao do gs natural pode ser feita atravs da produo do

gs associado" a um poo de petrleo, com fraes de gs leves que

justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias produtoras de gs

natural.

Sempre h produo de gases associados a explorao do petrleo.

Quando a produo de gs pequena, ou o centro consumidor est

muito distante, o gs queimado localmente em chamas abertas na

atmosfera (conhecidas como flare).

Gs natural basicamente metano, com algumas parcelas leves de

etano e propano.



Gases manufaturados

Gases so fabricados a partir de diversos combustveis

como carvo mineral, nafta e lenha.

A composio varia principalmente em relao ao processo

de fabricao e sntese e em relao a matria prima.


Qumica Geral - 2014 - 1 semestre79

FIM

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