6a-Estequiometria

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ESTEQUIOMETRIA DA 
COMBUSTÃO
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Abril 2012
Introdução
A combustão é uma malha envolvendo reações intermediárias, de interação 
complexa e até hoje não completamente estabelecida. As várias reações 
podem ocorrer simultaneamente e de forma não independente.
Para propósitos práticos, a combustão consiste na reação de oxidação de 
três elementos químicos: carbono, hidrogênio e enxofre; apresentados em 
forma elementar ou de compostos (notadamente de hidrocarbonetos).
Combustão Completa e Incompleta
Combustão completa: quando todos os componentes do combustível, ao 
reagirem com o oxigênio, se oxidam ao máximo; ou seja, quando o 
combustível se queima totalmente. Para se obter uma combustão completa, 
a reação deve-se realizar em um espaço de tempo suficientemente curto, 
com a mistura ar/combustível em um estado de turbulência perfeita e à alta 
temperatura (3T da combustão: Tempo, Temperatura, Turbulência).
Combustão incompleta: quando parte do combustível em reação não se 
oxida ao máximo. Isto ocorre quando há uma falta de oxigênio na reação; 
quando o combustível não se acha completamente misturado com o 
oxigênio, escapando assim parcialmente da reação; quando as temperaturas 
e o volume de câmara de combustão são insuficientes etc.
Durante a combustão incompleta, podem ser formados CO (monóxido de 
carbono), H2 (gás hidrogênio), hidrocarbonetos diversos, ácidos e aldeídos, 
fuligem etc, além de CO2, H2O e SO2. 
Combustão estequiométrica: quando a quantidade de ar utilizada é a 
estritamente necessária para a combustão completa.
Principais Reações de Combustão
C + O2 ---> CO2
1 kmol C 1 kmol O2 1 kmol CO2
12 kg C 32 kg O2 44 kg CO2
12 kg C 22,40 m3 O2 22,40 m3 CO2 (CNTP)
1 kg C 1,866 m3 O2 1,866 m3 CO2 (CNTP)
Esta reação libera 33.700 kJ (8.050 kcal) para cada kg de carbono queimado, 3,4 
vezes maior do que na formação do "CO".
2 H + 1/2 O2 ---> H2O
2 kmol H 1/2 kmol O2 1 kmol H2O
2 kg H 16 kg O2 18 kg H2O
2 kg H 11,20 m3 O2 22,40 m3 H2O (CNTP)
1 kg H 5,60 m3 O2 11,20 m3 H2O (CNTP)
Esta reação libera 142.000 kJ (33.920 kcal) (PCS) ou 119.600 kJ (28.560 kcal) (PCI) 
para cada kg de hidrogênio queimado.
S + O2 ---> SO2
1 kmol S 1 kmol O2 1 kmol SO2
32 kg S 32 kg O2 64 kg SO2
32 kg S 22,40 m3 O2 22,40 m3 SO2 (CNTP)
1 kg S 0,70 m3 O2 0,70 m3 SO2 (CNTP)
Esta reação libera 9.040 kJ (2.160 kcal) para cada kg de enxofre queimado.
Principais Reações de Combustão
2 C + O2 ---> 2 CO
2 kmol C 1 kmol O2 2 kmol CO
24 kg C 32 kg O2 56 kg CO
24 kg C 22,40 m3 O2 44,80 m3 CO (CNTP)
1 kg C 0,933 m3 O2 1,866 m3 CO (CNTP)
Esta reação libera 9.920 kJ (2.370 kcal) para cada kg de carbono queimado.
2 CO + O2 ---> 2 CO2
2 kmol CO 1 kmol O2 2 kmol CO2
56 kg CO 32 kg O2 88 kg CO2
56 kg CO 22,40 m3 O2 44,80 m3 CO2 (CNTP)
1 kg CO 0,40 m3 O2 0,80 m3 CO2 (CNTP)
Esta reação libera 10.170 kJ (2.430 kcal) para cada kg ou 12.630 kJ (3.050 kcal) para 
cada m3 (CNTP) de monóxido carbono queimado. (23780 kJ/kg C ou 5680 kcal/kg C).
CH4 + 2 O2 ---> CO2 + 2 H2O
1 kmol CH4 2 kmol O2 1 kmol CO2 2 kmol H2O
16 kg CH4 64 kg O2 44 kg CO2 36 kg H2O
16 kg CH4 44,80 m3 O2 22,40 m3 CO2 44,80 m3 H2O (CNTP)
1 kg CH4 2,80 m3 O2 1,40 m3 CO2 2,80 m3 H2O (CNTP)
Esta reação libera 56.000 kJ (13.400 kcal) ou 50.480 kJ (12.060 kcal) para cada kg de 
metano queimado, respectivamente em função dos poderes caloríficos superior e 
inferior.
Estequiometria
Tabela 1. Características dos Elementos e Compostos mais Importantes 
para a Combustão.
Composto Peso
Molecular
kg/kmol
Volume Molar
m3/kmol
(CNTP)
Peso
Específico
kg/m3 (CNTP)
AR
C
CH4
CO
CO2
H2
H2O
N2
O2
S
SO2
 28,9635*
12,01115
16,04303
 28,01055
 44,00995
 2,01594
18,01534
28,0134
31,9988
32,064
64,063
22,40
---
22,37
22,40
22,26
22,42
22,40*
22,40
22,39
---
21,89
1,293
---
0,717
1,250
1,977
0,0899
0,804*
1,251
1,429
---
2,927
** VVaalloorr hhiippoottééttiiccoo
Dissociação
A altas temperaturas ocorrem também reações endotérmicas 
chamadas reações de dissociação, tais como:
O2 ---> 2O
N2 ---> 2N
N2 + O2 ---> 2NO
N2 + 2O2 ---> 2NO2
2CO2 ---> 2CO + O2
A intensidade destas reações aumenta com o aumento da 
temperatura, e é determinada por equilíbrio químico. Todas as reações de 
dissociação são indesejáveis, devido à perda de energia associada a elas. 
Entretanto, as reações que produzem os óxidos de nitrogênio (NO e NO2) e 
CO são particularmente indesejáveis, pois estes produtos também são 
grandes poluentes atmosféricos. Apesar das reações de dissociação sempre 
ocorrerem, não serão estudadas neste trabalho.
Fornecimento de Ar
Na prática, o oxigênio necessário para a combustão é obtido do ar 
atmosférico. Assim, durante a combustão, também estão presentes o 
nitrogênio, outros gases e umidade, que não reagem.
O ar é uma mistura de gases, que não estão quimicamente combinados 
entre si. A proporção desses componentes é constante em toda superfície 
da terra. O peso específico do ar atmosférico é 1,2923 kg/m3 (CNTP).
O nitrogênio, o argônio, o CO2, o neônio, o hélio, o criptônio, e o xenônio do 
ar, são assimilados na denominação comum de gases inertes, ou ainda 
englobados no nitrogênio atmosférico, não participando da reação de 
combustão. O nitrogênio atmosférico atua como um diluente dos reagentes, 
absorvendo parte do calor liberado, diminuindo a velocidade da reação, 
abaixando a temperatura máxima da combustão e o rendimento.
Fornecimento de Ar
Tabela 2. Composição do Ar Seco de Referência [1]:
Componente Símbolo Peso
Molecular
Composição
Volumétrica
Composição
Ponderal
Oxigênio
Nitrogênio
Argônio
Gás Carbônico
Outros gases
O2
N2
Ar
CO2
31,9988
28,0134
39,948
44,00995
0,00003
0,20939
0,78101
0,00917
0,00040
0,0000
0,2310
0,7555
0,01325
0,00048
--
O ar atmosférico não é seco. A quantidade de umidade contida no ar varia 
com o local, dia do ano e hora do dia. É normalmente inferior a 2%, podendo 
atingir 5% em climas quentes e úmidos. Valor médio recomendado pela 
(ABMA): 0,010 kg H2O/kg ar seco = 0,0161 m3 H2O/m3 ar seco (CNTP).
Tabela 3. Cálculo da Umidade do Ar.
 Pw - Pressão de Saturação do Vapor de água (Equação de Antoine):
 [0 a 60ºC] --> Log10 pw (mmHg) = 8,10765 - 1750,286 / (235,0 - T(ºC)) *
 [60 a 150ºC]--> Log10 pw (mmHg) = 7,96681 - 1668,21 / (228,0 - T(ºC)) *
 %UR - Umidade Relativa: %UR = 100 (p' / pw)
 H - Umidade Absoluta p' - Pressão parcial do vapor
H = 0,622 p' (Pt - p') (kg H2O / kg ar seco)
H =0,622 pw (%UR/100) / [Pt - pw (%UR/100)] (kg H2O / kg ar seco)
*Dean, J.A. Lange's Handbook of Chemistry, New York, McGraw-Hill, 11ed, p.10-
45, 1973
Quantidade de Ar de Combustão
A quantidade exata de ar necessária para realizar a combustão completa do 
combustível é chamada ar teórico, ar estequiométrico ou Poder Comburente: 
m3/kg de combustível (Varº) ou em kg/kg (Garº).
A massa de oxigênio necessária para assegurar a combustão completa de 1 
kg de combustível:
GO2º = 32/12 C + 32/32 S + 32/4 H - 32/32 O kg O2/kg combustível
GO2º = 32 (C/12 + S/32 + H/4 - O/32) kg O2/kg combustível
onde C, S, H e O são teores ponderais (kg/kg) de cada elemento.
Considerando-se o teor de oxigênio no ar atmosférico (0,231), o ar 
estequiométrico é:
Garº = GO2º = 138,5 (C/12 + S/32 + H/4 - O/32) (kg ar/kg combustível)
0,231
Sendo a densidade do ar seco 1,293 kg/m3 (CNTP), tem-se:
Varº = Garº = 107,1 (C/12 + S/32 + H/4 - O/32) (m3 ar/kg comb) CNTP
1,293
Excesso de Ar
Em condições reais, a quantidade de ar estequiométrica não é suficiente 
para assegurar a combustão completa; uma vez que é muito difícil assegurar 
o suprimento de ar a cada molécula de combustível. Devido ao tempo de 
permanência limitado, em certos pontos da zona de combustão, o ar pode 
ser deficiente, provocando uma combustãoincompleta. Utilizando-se uma 
quantidade de ar superior ao teoricamente necessário, facilita-se a 
combustão, pois é mantido um nível suficiente de oxigênio até o final da 
chama; assegurando uma combustão completa e evitando a formação de 
compostos indesejáveis como o CO.
O excesso é caracterizado pelo coeficiente de excesso de ar (α), que é a 
razão do volume de ar realmente utilizado para a combustão (Var) para o 
volume do ar estequiométrico (Varº). Ele depende das condições do 
processo, sendo determinado experimentalmente.
α = Var = Gar (adm)
Varº Garº
Excesso de Ar
O valor ótimo do coeficiente de excesso de ar depende, entre outros fatores, 
do tipo de combustível, do tipo e forma da fornalha, do modo de queima, da 
eficiência de mistura ar/combustível, das perdas admissíveis, da combustão 
incompleta do combustível etc, variando entre 1,03-1,5.
Na combustão é utilizado somente Varo, sobrando (α - 1).Varo [m3/kg], que 
vai se misturar com os produtos da combustão estequiométrica, aumentando 
o seu volume (Vg):
Vg = Vgo + (α - 1) Varo (m3 ar/kg comb) (CNTP)
Um excesso de ar elevado é indesejável pois o aumento de volume, e 
consequentemente da entalpia dos produtos da combustão, diminui a 
temperatura e comprimento da chama e a transmissão de calor, 
aumentando as perdas de energia pela chaminé. Assim, é necessário 
manter o excesso de ar dentro dos valores mínimos recomendados.
O equilíbrio entre a formação de CO e as perdas térmicas determina o 
excesso de ar ideal.
Excesso de Ar
Tabela 4. Quantidades Usuais de Excesso de Ar.
Combustível Tipo de Fornalha ou Queimador Excesso de Ar
Carvão Pulverizado Fornalhas totalmente irradiadas
Parcialmente irradiadas
com retirada escórias sólidas
1,15-1,20
1,15-1,40
Carvão moído Fornalhas ciclones 1,10-1,15
Carvão Grelhas planas
Grelhas vibradoras refrigerada a água
Grelhas rotativas
Underfeed Stoker
1,30-1,60
1,30-1,60
1,15-1,50
1,20-1,50
Óleo Combustível Atomização mecânica
Atomização c/ ar baixa pressão
Atomização c/ vapor auxiliar
1,20-1,25
1,30-1,40
1,05-1,10
Gás Natural, Refinaria
e Coqueria
Queimador com registro
Queimador multi-combustível
1,05-1,10
1,07-1,12
Gás de alto-forno Queimador de bocal inter-tubo 1,15-1,18
Lenha Grelha plana (tiragem natural)
 (tiragem forçada)
1,40-1,50
1,30-1,35
Bagaço de cana Todas as fornalhas 1,25-1,35
Licor negro Caldeiras de recuperação 1,05-1,07
Lama ácida Pulverização c/ vapor auxiliar 1,10-1,15
Composição dos Produtos da Combustão
Os produtos da combustão completa do combustível consistem de gás 
carbônico (CO2), anidrido sulfídrico (SO2), vapor-d'água (H2O), nitrogênio 
(N2), e oxigênio (O2) do excesso de ar, não utilizado no processo de 
combustão. Essa mistura pode ser expressa em teor volumétrico (%):
CO2 + SO2 + H2O + N2 + O2 = 100 (%)
ou em m3/kg de combustível sólido ou líquido queimado:
Vg = Vco2 + Vso2 + Vh2o + Vn2 + Vo2 (m3/kg) (CNTP)
Na combustão incompleta, além dos produtos acima, os produtos da 
combustão podem conter CO, H2, CH4 e outros gases combustíveis.
Poder Fumígeno (Vgo) é o volume dos produtos resultantes da combustão 
completa do combustível com ar estequiométrico:
Vgº = Vco2 + Vso2 + Vn2º + Vh2oº (m3/kg comb) (CNTP)
Composição dos Produtos da Combustão
Para facilitar os cálculos o volume dos produtos da combustão completa é
convencionalmente dividido em volume do vapor-d'água, dos gases secos 
triatômicos e dos gases biatômicos:
Vg = Vh2o + (Vco2 + Vso2) + (Vn2 + Vo2) (m3/kg comb) (CNTP)
O volume dos gases biatômicos é a soma do volume teórico de nitrogênio, e 
do volume do excesso de ar. O volume teórico de nitrogênio (Vn2º) consiste 
do volume de nitrogênio do ar teórico (0,79 Varº), e do nitrogênio existente 
no combustível. Sendo o seu volume específico 0,8 m3/kg (CNTP) tem-se:
Vn2º = 0,79 Varº + 0,8 N (m3/kg comb) (CNTP)
O excesso de ar (α - 1) Varº é composto de gases biatômicos, que passam 
sem reação para os produtos da combustão. Assim:
(Vn2 + Vo2) = 0,79 Varº + 0,8 N + (α - 1) Varº (m3/kg comb) (CNTP)
Composição dos Produtos da Combustão
O volume do gases triatômicos secos é independente do coeficiente de 
excesso de ar, e por serem medidos simultaneamente nos analisadores por 
absorção (Orsat), é praxe englobá-los num único termo:
(Vco2 + Vso2) = 1,854 C + 0,68 S (m3/kg comb) (CNTP)
Na combustão incompleta do carbono, é formado monóxido de carbono CO. 
O volume do CO formado é calculado de maneira similar ao CO2:
Vco = 1,854 C (m3/kg comb) (CNTP)
Da equação acima verifica-se que os volumes de CO e CO2 são 
determinados pela mesma equação. Assim:
Vco2 + Vco = 1,854 C (m3/kg comb) (CNTP)
Composição dos Produtos da Combustão
O vapor-d'água existente nos produtos da combustão resulta da queima do 
hidrogênio, da evaporação da umidade do combustível e do vapor de água 
contido no ar atmosférico:
Gh2oº = 9H + W + d Garº (kg H2O/kg comb)
onde d é o vapor introduzido com o ar atmosférico (kg vapor/kg ar seco).
Devido à pequena pressão parcial e as altas temperaturas, o vapor presente 
nos produtos da combustão encontra-se superaquecido. Considerando o 
vapor-d'água um gás ideal, seu peso específico é ρ = 18,016/22,4 = 0,804 
kg/m3 (1,243 m3/kg) (CNTP). Em engenharia o volume dos gases são 
sempre referenciados na CNTP, e utilizado nos cálculos, apesar de não 
existir vapor-d'água na CNTP.
Vh2oº = 11,1 H + 1,243 W + 1,243 d Garº (m3/kg comb) (CNTP)
Nas caldeiras onde é utilizado vapor para sopragem de fuligem ou para 
atomização do combustível, este vapor deve ser levado em consideração na 
determinação do volume e peso do fluxo de gases.
Composição dos Produtos da Combustão
O Volume TOTAL (úmidos) dos produtos da combustão, soma de todos os 
volumes dos componentes dos produtos da combustão:
Vg = (Vco2 + Vso2) + Vn2 + Vo2 + Vh20 = Vgº + (α - 1) Varº (m3/kg comb)
Devido à infiltração de ar ao longo do fluxo de gases, o coeficiente de 
excesso de ar deve ser corrigido (Δα), em aproximadamente 0,05-0,1 no 
cálculo do volume final dos produtos da combustão.
A massa total dos produtos da combustão é:
Gg = (1 - A) + 1,293 Varº (kg/kg comb)
Os produtos da combustão contendo vapor de água são chamados produtos 
úmidos, mesmo que este vapor esteja superaquecido. Se o vapor presente 
nos produtos da combustão úmidos for resfriado abaixo da temperatura de 
condensação, o vapor poderá se condensar e os produtos da combustão 
conterão somente CO2, O2 e N2, chamado produtos da combustão secos.
Vgs = Vg - Vh20 = (Vco2 + Vso2) + Vn2º + (α - 1) Varº (m3/kg comb)
Análise dos Produtos da Combustão
O processo da combustão é controlado pela análise dos produtos da 
combustão. Para esta análise se aparelho Orsat. Ele possui três pipetas de 
absorção: 1a) solução aquosa de KOH a 40%, que absorve o CO2 e SO2; 2a) 
solução de KOH em ácido pirogálico (pirogalol), que absorve o oxigênio; 3a) 
uma CuCl2 que absorve o CO. A amostra de gás é resfriada na bureta de 
medição e o vapor de água se condensa. Assim, os cálculos da combustão 
são baseados nos produtos secos da combustão.
Análise dos Produtos da Combustão
O volume dos produtos secos (Vgs) da combustão é calculado por:
Vgs = Vco2 + Vso2 + Vco + Vo2 + Vn2 (m3/kg comb) (CNTP)
CO2 + SO2 + CO + O2 + N2 = 100% (%)
CO2 + SO2 + CO = 100 (Vco2 + Vso2 + Vco) (%)
Vgs
Vgs = 100 (Vco2 + Vso2 + Vco) (m3/kg comb) (CNTP)
CO2 + SO2 + CO
Calculando o valor de (Vco2 + Vso2 + Vco):
Vgs = 1,854 C + 0,68 S (m3/kg comb) (CNTP)
CO2 + SO2 + CO
A massa dos produtos da combustão (secos) :
Ggs = 11 CO2 + 8 O2 + 7 (CO + N2) x C (kg/ kg comb)
3 (CO2 + CO)
onde C é o teor mássico de carbono no combustível (kg/kg comb).
Determinação do Coeficiente de Excesso de Ar
O excesso de ar é um índice de mérito da instalação, sendo somente 
possível seu cálculo a partir da composição e vazão do combustível, e da 
vazão de ar fornecido.
Varº = Var - (α - 1) Varº = N2/79 - O2/21 (m3/kg comb) (CNTP)
α = Var = N2/79 
Varº N2/79 - O2/21
α = 21 (adm)
21 - 79(O2/N2)
N2 = 100 - (CO2 + SO2+ O2) (%)
α = 1 + O2 
CO2 (1+3H/C)
Determinação do Coeficiente de Excesso de Ar
A medida do teor de oxigênio nem sempre é possível. Muitas vezes é mais 
fácil avaliar o excesso de ar a partir da medida do teor dos gases triatômicos
(CO2+SO2), em um aparelho de absorção química (Bacharach, Comfor, 
Dywer ou mesmo o Orsat). Faz-se uso então de uma hipótese implícita: 
numa combustão estequiométrica e completa (sem excesso de ar, α =1, e 
sem a presença de CO), existe um valor máximo do teor de (CO2+SO2) nos 
gases, e esse teor de (CO2+SO2)max é constante para combustíveis 
semelhantes:
(CO2 + SO2)max = (Vco2 + Vso2) = (Vco2 + Vso2 ) (%)
Vgso (Vco2 + Vso2 + Vn2)
(CO2 +SO2)max = 1,854 C + 0,68 S (%)
Vgso
α = 1 + Vgsº (CO2+SO2)max - (CO2+SO2) (adm)
Varº CO2+SO2
Diagramas de Combustão
Os diagramas de combustão são representações gráficas das dos cálculos 
de combustão. São destinados a controlar rapidamente um processo de 
combustão, exprimindo, para um dado combustível, a dependência do 
coeficiente de excesso de ar com a composição dos produtos da combustão. 
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Introdução
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Introdução
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