AULA 4 - Combustão

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Prof. Robério A. Siqueira
CENTRO UNIVERSITÁRIO JORGE AMADO
CURSO : ENGENHARIA DE PETRÓLEO E GÁS
AULA 3 – COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEIS
PROF. MSc. ROBÉRIO ALVES SIQUEIRA
Prof. Robério A. Siqueira
COMBUSTÃO
É toda substância que, combinada quimicamente com outra, principalmente com o oxigênio, produz uma reação com desprendimento de calor.
Inúmeros elementos e compostos químicos possuem as propriedades de um combustível, mas apenas algumas substâncias são consideradas combustíveis industriais. Normalmente, são compostos de carbono, hidrogênio e outros elementos, que possam ser queimados facilmente com o oxigênio do ar atmosférico, liberando grande quantidade de calor
COMBUSTÍVEL
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COMBUSTÃO
Além dessas propriedades, há a necessidade de outros requisitos para que sejam considerados industrialmente viáveis:
Disponibilidade em grandes quantidades
Baixo custo de operação
Aplicabilidade (obtenção de uma combustão com os recursos existentes)
Razoável poder calorífico
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COMBUSTÃO
Para a combustão industrial, os combustíveis são misturas de componentes que reagem com o O2. Os combustíveis podem ser de obtenção natural ou
derivados dos naturais através de processos de transformação No Brasil, há basicamente 4 tipos de combustíveis industriais:
Óleos (diesel, óleo 4A, óleo 7B, etc.)
Gases (gás natural, GLP, gases de processo)
Biomassa (bagaço de cana, casca de coco, raspas de madeira, torta de mamona)
Carvão mineral
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COMBUSTÃO
Numa refinaria de petróleo ou petroquímica, os principais combustíveis utilizados são os líquidos ou gasosos, e os consumidos em fornos e caldeiras são:
Óleo combustível
Resíduo de vácuo
Resíduo asfáltico
Gás natural
Gás residual da reforma
Gás CO
Óleo diesel (apenas para acender as caldeiras)
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COMBUSTÃO
É essencial conhecer as principais propriedades de um combustível para uma operação satisfatória nos sistemas de geração de vapor;
Combustíveis Líquidos
- viscosidade
- densidade
- ponto de fulgor
- ponto de ignição
- poder calorífico
composição química (teor de S, Va e Na)
Ponto de fulgor
É a menor temperatura na qual um líquido libera vapor em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável.
Ponto de ignição
É a temperatura mínima em que ocorre uma combustão, independente de uma fonte de ignição,quando o simples contato do combustível com o comburente já é suficiente para estabelecer a reação.
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COMBUSTÃO
Combustíveis Gasosos
- poder calorífico
- densidade relativa
- composição química
Viscosidade
É necessário saber a viscosidade do óleo combustível, para se determinar a temperatura ideal de trabalho para o tipo de atomizador empregado na caldeira.
Ponto de fulgor
Dá informações sobre a volatilidade e inflamabilidade do combustível, muito importantes para a avaliação da segurança na sua armazenagem e operação do sistema Permite também detectar contaminação com produtos mais leves.
O ponto de fulgor mínimo, como segurança, para todos os tipos de óleo combustível é de 66oC
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COMBUSTÃO
Poder calorífico
É a quantidade de calor liberado pela queima total de uma unidade de um combustível.
 É uma propriedade importante para quem lida com Combustíveis a água formada na combustão poderá permanecer na forma gasosa (leva à definição de poder calorífico inferior) ou condensada (leva à definição de poder calorífico superior)
Poder calorífico superior (PCS)
A água formada na combustão permanece no estado líquido. Logo, o seu calor latente de vaporização é incluído no calor obtido na combustão.
Poder calorífico inferior (PCI)
A água formada na combustão permanece no estado gasoso. Logo, o seu calor latente de vaporização fica excluído do calor obtido na combustão.
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COMBUSTÃO
PCI x PCS
A eficiência de uma caldeira pode ser calculada em relação ao seu PCS e ao seu PCI. De um modo geral, estabeleceu-se o uso do PCI nos cálculo de combustão e adotou-se o PCS nos balanços térmicos de caldeiras.
Composição química (enxofre)
A presença de enxofre no combustível é responsável por sérios problemas de corrosão nas regiões mais frias da caldeira, pois ele ataca metais e suas ligas na forma de enxofre puro ou na forma de H2S, SO ou SO2, podendo formar ácido sulfúrico ao reagir com vapor d’água
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COMBUSTÃO
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COMBUSTÃO
A ocorrência da reação COMPLETA ou INCOMPLETA, ou seja, a eficiência da combustão, depende de vários fatores:
• Relação entre as massas de combustíveis e comburentes
• Temperatura suficiente para ignição
• Temperatura na qual se processa a reação
• Tempo de permanência do combustível ou tempo necessário para a combustão completar
• Presença ou não de catalisadores
• Turbulência
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COMBUSTÃO
REAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA: quando o oxigênio fornecido ao processo é “teoricamente” necessário e suficiente para oxidar completamente os elementos combustíveis
EXCESSO DE OXIGÊNIO (excesso de ar): quando a quantidade de oxigênio é maior que a “teoricamente”
necessária
FALTA DE OXIGÊNIO (falta de ar): quando a quantidade de oxigênio é menor que a “teoricamente” necessária, situação na qual não se pode realizar a combustão completa dos elementos constituintes do combustível
Ar em excesso é a quantidade de ar em excesso em relação à quantidade teórica. O % em excesso é calculado sempre para a combustão completa, mesmo sendo uma combustão parcial.
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COMBUSTÃO
Gás de chaminé (Fumos) - é a mistura de todos os gases resultantes de processos de combustão, incluindo vapor d’água, que é chamado de base úmida
Ex: CO2, CO, O2, N2, SO2, H2O
Análise de ORSAT ou base seca - é a mistura de todos os gases resultantes da combustão, exceto o vapor d’água
Ex: CO2, CO, O2, N2, SO2
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COMBUSTÃO
Nas refinarias de petróleos e indústrias petroquímicas, os fornos tubulares são incorporados ao processo com a finalidade de fornecer calor, produzido pela queima de combustíveis e transmitindo-o por radiação, convecção e condução ao fluido, que circula numa serpentina de tubos.
Os fornos são equipamentos de grande importância nas plantas de processo, pois a utilização de chama proveniente da queima de combustíveis é ainda a melhor maneira de se aquecer grandes vazões de fluidos a altas temperaturas, ou fornecer calor para reações químicas. No primeiro caso, são denominados simplesmente “fornos” e, no segundo, “fornos reatores”.
Observa-se, ainda, que de toda a energia consumida por uma unidade média, 75 a 80% é obtido por meio de queima de derivados combustíveis nos fornos e caldeiras.
FORNOS
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O forno tubular é um equipamento projetado para transferir um fluxo de calor, de tal forma que se forem mantidas constantes a vazão e a temperatura de entrada, também será constante a temperatura de saída. É necessário gerar no forno, uma quantidade de calor que supra o processo e compense também as perdas. Este calor é gerado pela queima de uma quantidade suficiente de combustíveis através dos maçaricos instalados, normalmente, na base ou nas paredes laterais da câmara de combustão do forno ou zona de radiação. Os tubos são, geralmente, colocados próximo às paredes laterais e ao teto da câmara de combustão, onde o calor é principalmente transferido por radiação são também colocadas em outra região chamada de “câmara ou zona de convecção”, onde o calor é principalmente transferido por convecção.
O ar necessário à combustão pode ser admitido no forno pela depressão (pressão negativa) reinante na câmara de combustão, devido à tiragem feita pela chaminé, ou através e ventiladores de tiragem forçada, quando o forno é dotado de pré-aquecimento de ar. A capacidade ou tamanho de um forno é traduzida pela carga térmica total que deve ser absorvida pelo (s) fluido (s). A grande maioria dos fornos situam-se na faixa de 10 a 350 milhões de Btu/h (2,5 a 90 x 106 kcal/h).
COMBUSTÃO
FORNOS
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CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS FORNOS
Quanto à utilização
Fornos de Aquecimento
Pré-aquecedores de carga de torres fracionadas
Os fornos deste tipo são bastante comuns em unidades de processos. Típicos são os fornos das torres de destilação atmosférica e a vácuo. A carga usualmente líquida é pré-aquecida em trocadores de calor, a fim de se obter o melhor rendimento térmico da unidade, saindo do forno parcialmente vaporizada.
Refervedores de torres fracionadas
O fluido sai do fundo da torre de destilação, circula pelo forno e retorna, à torre, parcialmente vaporizado e ligeiramente aquecido. Refervedores são encontrados em refinarias de petróleo, por exemplo, nas torres de pré-flash.
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CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS FORNOS
Aquecedores de carga de reatores
Os fornos deste tipo têm como objetivo elevar a temperatura da carga ao nível necessário para ocorrer a reação química em um reator a jusante do forno. Neste caso, enquadram-se, por exemplo, os fornos existentes em unidades de reforma catalítica, hidrocraqueamento e planta de produção de estireno. As condições de entrada e saída do forno variam muito, dependendo da aplicação.
A principal classificação dos fornos tubulares é baseada na posição dos tubos na seção de radiação ou na forma da carcaça metálica externa, dando origem a fornos verticais ou horizontais. Os fornos verticais exigem menor área para construção e, em geral, levam a
um menor investimento.
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COMBUSTÃO
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COMBUSTÃO
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REFRATÁRIOS
Têm as seguintes finalidades:
a) Isolar a câmara de combustão dos elementos estruturais;
b) Irradiar o calor não absorvido pelos tubos para dentro da câmara;
c) Evitar perdas de calor para o exterior;
d) Evitar que os gases de combustão, que contêm compostos de enxofre, atinjam as chapas da carcaça metálica onde se condensariam formando ácidos corrosivos. 
Como facilmente pode-se deduzir, os materiais refratários empregados em um forno devem ter:
Capacidade de resistir a altas temperaturas;
b) Resistência mecânica elevada;
c) Resistência a erosão;
d) Resistência a ataques químicos de ácidos, bases, metais, etc., que podem ser encontrados nos gases de combustão de óleos combustíveis.
Os principais tipos de materiais refratários e isolantes são:
– tijolos refratários;
– concretos refratários;
– fibras cerâmicas.
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COMBUSTÃO
Tubos de radiação
Os tubos da seção de radiação são sempre lisos, pois a utilização de tubos aletados em uma seção em que as taxas de calor são muito elevadas provocaria a formação de pontos quentes nos tubos e acarretaria a falha prematura do material. O diâmetro varia de 2" a 8", entretanto 4“ corresponde ao diâmetro nominal que, geralmente, leva à configuração mais econômica. O comprimento usual é de 10 a 20 m para os fornos com tubos horizontais.
Tubos de Convecção
Geralmente são aletados ou pinados, com a finalidade de se aumentar o coeficiente de troca de calor externo aos tubos. No Brasil, devido à utilização de óleos combustíveis pesados, a escolha recai nos tubos pinados, que apresentam menor tendência a reter cinzas em relação aos aletados.
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COMBUSTÃO
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COMBUSTÃO
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COMBUSTÃO
O gás metano é queimado segundo a seguinte reação:
Calcule a quantidade estequiométrica de O2 necessária para realização da combustão do CH4 e qual a quantidade total de ar a ser adicionado para um excesso de 30% de O2?
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COMBUSTÃO
REFERENCIAS
 Apostila curso Petrobras- EQUIPAMENTOS ESTÁTICOS - CARLOS V. REIS, Curitiba, 2002.
 
Notas de aulas dos Profs. Silvio A. B. Vieira de Melo e Fernando L. P. Pessoa.
Eduardo Cao, HEAT TRANSFER IN PROCESS ENGINEERING, McGraw-Hill, 2002