ESTUDO_DA_COMBUSTAO-1 (Prof Lourdes)

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UNIVERSIDADE GAMA FILHO 
Pró-Reitoria de Ciências Exatas e Tecnologia - Química 
Curso de Engenharia 
 
 
 
QUÍMICA TECNOLÓGICA 
 
QUI 109 
 
ESTUDO DA COMBUSTÃO 
 
 
Elaborada por: 
Maria de Lourdes Martins Magalhães 
Rosângela Amado de Souza 
 
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ÍNDICE 
 
 
TÍTULO Pág. 
01. INTRODUÇÃO 03 
02. CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS COMBUSTÍVEIS 06 
03. CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO EM COMBUSTÃO 06 
04. ESTUDO TÉRMICO DA COMBUSTÃO 10 
05. PODER CALORÍFICO 10 
06. EXERCÍCIOS SOBRE CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO 
 DA COMBUSTÃO 
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07. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 14 
 
 
 
 
 
 
 
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1 – INTRODUÇÃO 
As três principais fontes de energia são: 
– Forças da natureza, como a gravidade em quedas d`água. 
– Combustíveis (sólidos, líquidos e gasosos) 
– Energia atômica nas reações nucleares. 
 
Atualmente, os combustíveis são a mais importante fonte pelos seguintes 
fatores: 
- Facilidade de uso. 
- Não formação, durante a combustão, de substâncias tóxicas ou corrosivas. 
- Obtenção fácil. 
- Baixo custo de produção. 
- Segurança no armazenamento e no transporte. 
 
1.1 - COMBUSTÍVEL 
Qualquer substância que reaja quimicamente com desprendimento de calor 
pode ser considerada combustível para determinados fins, mas os combustíveis 
considerados importantes industrialmente são mais restritos. São os materiais 
carbonáceos que queimam com o ar atmosférico, liberando grande quantidade de 
calor. Os mais importantes são os compostos de carbono que sofrem a seguinte 
reação de combustão. 
 
 
C + O2 → CO2 + Energia 
 Combustível 
 
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Os elementos químicos que em geral são encontrados nos combustíveis 
são C, H, N, S, mas a qualidade do combustível é dada pelo teor de C e H, os 
outros são indesejáveis e diminuem a qualidade do combustível. 
 
Ex.: C + O2 → CO2 + Energia 
 S + O2 → SO2 + ½ O2 → SO3 + H2O → H2SO4 
 Chuva ácida 
 
1.2 - COMBURENTE 
A combustão é uma reação de oxi-redução, sendo o combustível o “redutor” 
e o oxigênio o “oxidante”. A oxidação do redutor, ou combustível dá-se à custa do 
oxidante ou oxigênio, que se chama comburente e cuja fonte é o ar atmosférico. 
Redutor → Se oxida → Perde e- 
 Oxidante → Se reduz → Ganha e- 
 
 
COMPOSIÇÃO VOLUMÉTRICA OU MOLAR DE AO ATMOSFÉRICO SECO 
O oxigênio é o comburente por excelência, sendo naturalmente encontrado 
no ar atmosférico na seguinte proporção: 
O2 → 21% (32g) 
N2 → 78% (28g) 
CO2 e Gases raros → 1% 
 
- A fração “N2” abrange todos os gases raros e o CO2. 
- Para fins de cálculos estequiométricos de combustão consideramos o 
peso molecular (N2 + Gases raros) = 28 
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Então, nos cálculos de combustão podemos considerar que em 100 litros 
de ar atmosférico seco haja 21L de O2 e 79L de N2, ou ainda, em 100 mol de ar 
existam 21 mol de O2 e 79 mol de N2. 
 
1.3 - GASES RESIDUAIS OU FUMOS 
São as substâncias gasosas formadas quando os outros elementos 
químicos presentes nos combustíveis reagem com o oxigênio e que se 
desprendem juntamente com a água. 
Ex.: S + O2 → SO2 
 C + ½ O2 → CO 
 
Esses gases residuais apresentam normalmente altas temperaturas 
dispondo, portanto, de uma quantidade de calor ainda utilizável denominada “calor 
sensível” dos fumos. Nesses fumos pode ainda haver substâncias combustíveis 
como o CO e H2 não queimados. 
 
1.4 - CINZAS 
São resíduos sólidos da queima de um combustível sólido. As cinzas de um 
carvão mineral, por exemplo, são formados por resíduos inorgânicos que 
permanecem após a combustão e não apresentam a mesma composição da 
matéria original. As cinzas não são combustíveis. 
 
1.5 - CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS 
O estado físico do combustível determina o método de utilização e o tipo de 
equipamento necessário à combustão. 
 
 
 
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2 - CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS COMBUSTÍVEIS 
 
 
 
 
SÓLIDOS 
Combustíveis Primários 
 (Naturais) 
 
Carvão mineral (Turfa, linhito, hulha, 
antracito) madeira. 
Combustíveis Secundários 
 (Preparados ou derivados) 
Coque, carvão vegetal, coque de petróleo, 
resíduos industriais, combustíveis sólidos de 
foguetes( tioálcool, hidrazina, nitrocelulose) 
 
 
 
LÍQUIDOS 
Combustíveis Primários 
 
Petróleo cru, gasolina natural 
Combustíveis Secundários 
 
Gasolina, querosene, óleo diesel, 
hidrocarbonetos da pirólise da hulha e do 
xisto betuminoso, alcoóis 
 
 
 
GASOSOS 
Combustíveis Primários 
 
Gás Natural 
Combustíveis Secundários 
 
Gás da hulha, gás pobre, gás de água, gás 
misto, gases de refinação do petróleo. 
 
 
 
 
3 - CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO EM COMBUSTÃO 
 
3.1 – Reações mais importantes no processo da combustão: 
 
C + O2 → CO2 + 94,03 Kcal/mol 
H2 + ½O2 → H2O(vapor) + 57,80 Kcal/mol 
H2 + ½O2 → H2O(líquido) + 68,32 Kcal/mol 
 
 
 
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3.2 - Tipos de combustão: 
Dependendo das quantidades proporcionais de combustíveis e de oxigênio 
(comburente) pode haver combustões: 
a) Incompletas 
É aquela que se realiza com uma quantidade de oxigênio inferior à 
quantidade estequiométrica para oxidar completamente a matéria combustível. 
Aparece nos gases residuais (fumos) grande quantidade de produtos não 
completamente oxidados (CO) e muitas vezes matéria combustível não queimada 
(hidrocarbonetos). Não haverá oxigênio nos fumos. 
 
b) Teoricamente Completa 
Quando se realiza com quantidade estequiométrica de oxigênio para oxidar 
completamente a matéria combustível. Não haverá oxigênio nos fumos e poderá 
aparecer uma pequena quantidade de CO. 
 
c) Praticamente Incompleta 
 Quando se realiza com uma quantidade de oxigênio maior do que a 
estequiometricamente necessária para oxidar completamente a matéria 
combustível. Haverá sempre uma quantidade maior ou menor de oxigênio os 
fumos, dependendo do combustível queimado. 
 
3.3 – Volume de Oxigênio Teórico 
 
O2 Teórico = O2 para combustão completa - O2 do combustível 
 
O2 para combustão completa → Corresponde à quantidade de oxigênio 
necessária para oxidar completamente a matéria combustível, mesmo na 
combustão incompleta. 
 
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3.4 - Volume de Ar Teórico 
É a quantidade de ar que contenha a quantidade de “oxigênio teórico”. 
Como a porcentagem de O2 no ar é 21% em volume ou em mols, podemos dizer 
que: 
100 litros (ou mol) de ar → 21 litros (ou mol) de O2 
Volume (ou mol) de ar teórico → Volume (ou mol) de O2 teórico 
Portanto: 
V(ar teórico) = V(O2 teórico) ou n(ar teórico) = nO2 teórico 
 0,21 0,21 
 
3.5 - Ar em excesso 
 
Uma combustão completa não pode ser obtida na prática a menos que se use 
uma quantidade de ar maior do que a teoricamente necessária. Denomina-se “ar 
realmente usado” ou “ar real” a quantidade de ar realmente efetivamente 
empregada na combustão, que apresenta uma quantidade teórica e que é 
denominada de “excesso de ar”. 
 
Quantidade de ar real = Quantidade de ar teórico + Quantidade de ar em excesso 
 
 As causas para haver uma quantidade de ar em excesso são várias, mas 
podemos destacar o fato das reações de combustão serem exotérmicas e o 
aumento de temperatura deslocar o equilíbrio para a esquerda. A fim de evitar 
este deslocamento deve-se aumentar a concentração de O2. 
 
 Exo 
Ex.: C + ½O2 ↔ CO2 ∆H = - 
 Endo 
 
 
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A quantidade de ar em excesso é expressa em porcentagem. Assim, 
quando se diz que uma combustão deve se realizar com um excesso e ar de 30%, 
significa que além da quantidade de ar teóricodeve ser adicionado mais 30% 
desta quantidade. 
Ar Real = Ar Teórico + Ar Em excesso 
O2 Real = O2 Teórico + O2 Em excesso 
N2 Real = N2 Teórico + N2 Em excesso 
 
Considerando 30% de ar em excesso, teremos: 
 
Ar em excesso = 30% (Ar Teórico) 
 
Logo: Ar Real = Ar Teórico + 0,3 (Ar Teórico) 
 O2 Real = O2 Teórico + 0,3 (O2 Teórico) 
 
Para diferentes combustíveis o padrão em excesso é: 
Gasoso - 5 a 30% em excesso de ar 
Líquido - 20 a 40% em excesso de ar 
Sólido - 30 a 100% em excesso de ar 
 
 
 
 
 
 
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4 - ESTUDO TÉRMICO DA COMBUSTÃO 
 
4.1 – Os principais objetivos de combustíveis carbonáceos são: 
a) Geração de vapor d’água 
b) Aquecimento de fornos e espaços 
c) Produção de trabalho por meio de motor de combustão interna e turbina a 
gás 
 
4.2 – Quantidade máxima de calor útil 
a) A combustão do combustível deve ser completa 
b) Utilizar uma quantidade mínima de ar em excesso 
 
 
Combustível sólido < líquido < gasoso 
 
 
 
5 - PODER CALORÍFICO 
 
É a medida de calor que pode ser obtida pela queima dessa substância. 
 
5.1 - Poder calorífico superior ou bruto 
É a quantidade de calor liberado pela unidade de massa de um 
combustível, quando queimado completamente, em uma dada temperatura, sendo 
os produtos da combustão (CO2 , H2O , etc.) resfriados até a temperatura inicial da 
mistura combustível. 
 
 
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5.2 - Poder calorífico inferior ou líquido 
É obtido deduzindo-se do poder calorífico superior (PCS) o calor latente 
libertado pela condensação e resfriamento de toda a água presente nos produtos 
de combustão (fumos), incluindo a água previamente presente na combustão com 
umidade. 
 
RESUMO: 
PCS: Quando se considera que toda a água nos fumos esteja no estado líquido. 
PCI: Quando se considera que toda a água nos fumos esteja no estado de vapor. 
 
5.3 - Unidades do Poder Calorífico: 
a) Combustíveis sólidos ou líquidos: Kcal/Kg 
b) Combustíveis gasosos: Kcal/m3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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EXERCÍCIOS SOBRE CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRIDO DA COMBUSTÃO 
 
1 – Determine o poder calorífico inferior (PCI) de uma mistura gasosa de 60% em 
volume de propano (C3H8) e 40% em volume de n-butano (C4H10) a partir dos 
valores de combustão seguintes: 
C3H8 = +488,53 Kcal/mol C4H10 = +635,38 Kcal/mol 
 
2 – Determine o poder calorífico inferior de uma mistura gasosa de 70% em 
volume de etano (C2H6) e 30% de propano (C3H8). A partir dos valores de 
combustão: 
C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3H2O + 341,26 
C3H8 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5H2O + 488,53 
 
3 – Um combustível gasoso apresenta metade de sua composição de metano 
(CH4) e a outra metade de etano (C2H6). Calcule o seu PCI. 
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O ∆H = -212,8 
C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3H2O ∆H = -341,26 
 
4 – Um GLP possui a seguinte composição volumétrica: 25% de propano e 65% 
de n-butano. Estimar o PCI desse GLP, sendo dados: 
Propano C3H8 Gás 488,50 Kcal/mol 
Butano C4H10 Gás 635,38 Kcal/mol 
 
 
5 – O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano 
(C3H8) e 50% em volume de gás n-butano (C4H10). Considerando que a 
combustão seja completa, calcule o volume de ar teórico necessário para a 
combustão de 1,0 litro de GLP a CNTP. 
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6 – Uma mistura gasosa combustível é formada por 80% de gás butano (C4H10) e 
20% de gás metano (CH4). Considerando a mistura a CNTP, sendo uma 
combustão completa, calcule o volume de ar teórico necessário para a combustão. 
 
7 – Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em 
volume: 
CH4: 40% C2H6: 30% CO: 20% CO2: 10% 
Considerando a combustão completa de 1,0 litro a CNTP com 10% de ar em 
excesso, determine o volume de ar real para a combustão dessa mistura. 
 
8 – Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em 
volume: 
CH4: 60% C2H6: 30% O2: 10% 
Considerando a combustão completa com 15% de ar em excesso, determine o 
volume de ar real, a CNTP, para a combustão de 1 m3 dessa mistura gasosa. 
 
9 – Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser 
queimado com 20% de ar em excesso. A composição em peso do combustível é a 
seguinte: Carbono: 80% e Hidrogênio: 20%. Determine o volume, a CNTP, de ar 
real a ser utilizado na combustão completa de 1 Kg de líquido combustível. 
C -12 H - 1 
 
10 – O álcool etílico (C2H5OH) apresenta a seguinte composição em peso: 
Carbono: 52,2% Hidrogênio: 13% Oxigênio: 34,8% 
Considerando a combustão completa, calcule: 
a)A quantidade de ar real utilizada na combustão de 1,0Kg de álcool etílico, 
sabendo que a combustão se dará a CNTP com 20% de ar em excesso. 
b) A quantidade de matéria de oxigênio teórico. 
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FONTES BIBLIOGRÁFICAS 
 
1 - RUSSEL, J.B., Química Geral, Vol. 1, São Paulo, Ed. Makron Books, 2ªed., 
 1994. 
2 - KOTZ, J.C., Química Geral e Reações Químicas, Vol.1, São Paulo, Ed. 
 Thomson, 5ª Ed., 2007. 
3 - GARCIA, R., Combustão e Combustíveis Industriais, Rio de Janeiro, Ed. 
 Interciência, 2002. 
4 - CARVALHO, J.A.; MCQUAY, M.Q., Princípios de Combustão Aplicada, São 
 Paulo, Ed.UFSC, 2007