Poder Calorífico Inferior 2016.1

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
Antônio Rodrigues dos Santos Neto 
Diogo Matheus de Melo Alves Almeida 
Leonardo Azevedo Aroucha Borges 
Matheus de Melo Pereira do Rêgo 
 
 
 
Relatório da prática da bomba calorimétrica e obtenção 
do poder calorífico inferior dos combustíveis 
 
 
 
 
Recife 
Maio de 2016 
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Sumário 
1. Introdução .............................................................................................................. 2 2. Objetivos ................................................................................................................ 3 3. Metodologia ............................................................................................................ 4 3.1. Bomba calorimétrica e características do experimento .............................. 4 3.2. Balança analítica ........................................................................................ 6 3.3. Combustíveis .............................................................................................. 7 4. Análise de resultados ............................................................................................. 9 4.1. Combustível sólido ..................................................................................... 9 4.2. Combustível líquido .................................................................................. 13 5. Cálculo das incertezas ......................................................................................... 20 5.1. Incerteza do PCI da madeira Mororó ....................................................... 20 5.2. Incerteza do PCI do biodiesel de algodão ............................................... 22 6. Cálculo da emissão de poluentes ........................................................................ 24 6.1. Poluentes emitidos pela combustão da madeira Mororó ......................... 25 6.2. Poluentes emitidos pela combustão do biodiesel de algodão ................. 26 7. Conclusão ............................................................................................................ 28 8. Referências bibliográficas .................................................................................... 29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. Introdução Os combustíveis são essenciais nas mais diversas atividades humanas e especialmente nas atividades industriais. Dentre as várias propriedades que essas substâncias possuem, uma das mais importantes é, sem dúvida, o poder calorífico. O poder calorífico de um combustível é uma medida de sua energia interna, através da quantidade de calor liberada durante a sua combustão. Quanto maior o poder calorífico, maior a magnitude desta energia. Há dois tipos de poder calorífico: inferior e superior. O poder calorífico superior (PCS) é calculado a partir do calor produzido por uma quantidade determinada do combustível, em massa ou volume, ao entrar em combustão, com razão de equivalência (߮) maior que 1 (ou seja, com excesso de ar) mais o calor necessário para a condensação do vapor de água que se forma no processo de oxidação [3]. Já o poder calorífico inferior (PCI) contabiliza apenas a parcela da energia térmica liberada e a energia necessária para levar o vapor de água ao estado de ebulição, sem condensar [3]. A determinação dessas propriedades permite conhecer a quantidade exata de energia que certa quantidade dos combustíveis pode liberar, tornando possível compará-los entre si numa mesma base. Isto resulta em projetos mais eficientes e mais baratos nos mais diversos tipos de indústrias e transportes, graças à possibilidade de se obter a mesma quantidade de energia térmica a custos menores e com fontes energéticas de maior disponibilidade. O poder calorífico de um combustível pode ser obtido de várias formas: experimentalmente através da bomba calorimétrica, aplicando-se a primeira lei da termodinâmica à reação química da combustão e também através de fórmulas semi-empíricas. Neste trabalho, serão tratados dois combustíveis, a madeira Mororó e o biodiesel de algodão (B100). Será feito o cálculo dos valores de PCI, tanto analiticamente quanto a partir do PCS experimental, a avaliação os poluentes gerados no processo de combustão e também a análise das incertezas das medidas experimentais. Para a realização do experimento de obtenção do poder calorífico superior utilizando uma bomba calorimétrica, é necessário o cumprimento de normas técnicas. Neste caso, as normas que regulam este experimento são: DIN 51900;,ISO 1928; ASTM D240; ASTM D4809; ASTM D5865; ASTM D1989; ASTM D5468; ASTM E711. 
 
 
 
 
 
 
 
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2. Objetivos 
 
• Descrever o experimento utilizado para determinar o poder calorífico superior de combustíveis, utilizando uma bomba calorimétrica, seguindo as normas citadas anteriormente. 
 
• Para os dois combustíveis utilizados, calcular o poder calorífico inferior a partir do PCS experimental e de suas propriedades. 
 
• Determinar o PCI de cada combustível analiticamente, utilizando a 1º Lei da Termodinâmica e a equação estequiométrica de combustão. 
 
• Avaliar a emissão de poluentes (CO, CO2, NO, NO2) para as duas reações de combustão, considerando 3 condições de quantidade de ar: excesso, falta e estequiometricamente. 
 
• Avaliar e comparar os resultados analíticos com os obtidos no experimento, além dos valores tabelados existentes na literatura. 
 
• Analisar as incertezas inerentes ao experimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. Metodologia 
3.1. Bomba calorimétrica e características do experimento 
O experimento foi realizado na bomba calorimétrica de modelo C2000 Basic, do fabricante IKA® - WERKE, mostrada na figura 1. A bomba possui um vaso de pressão de aço inoxidável. Possui um cadinho suspenso, em que é colocada a amostra de combustível a ser analisada. 
 Figura 1: Bomba calorimétrica C2000. A ignição é feita por meio de eletricidade, propagada através de um fio de algodão de características conhecidas (o fio é fornecido pelo fabricante da bomba calorimétrica, sendo assim, as influências deste estão sendo consideradas no experimento) que provoca a combustão do combustível. Pode ser visto na figura 2. 
 Figura 2: Fio de algodão usado para propagar a ignição até o combustível. No detalhe, o poder calorífico intrínseco a este material. 
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Após inserido o combustível no cadinho, o vaso de pressão é fechado e uma válvula injeta oxigênio pressurizado no seu interior (a 30 bar). O interior da bomba calorimétrica é preenchido por uma quantidade conhecida de água a certa temperatura, e, com o auxílio de um agitador, esta é mantida homogênea entre todos os componentes que estão dentro do calorímetro. 
 Figura 3: Cadinho com uma pequena quantia de madeira Mororó, prestes a ser submetido ao experimento. Logo após, os contatos elétricos são acionados e provocam a ignição do fio de algodão, fazendo iniciar a queima do combustível. A partir daí todo o calor liberado pela combustão dentro do cadinho é transferido para a água, elevando sua temperatura. Essas reações são isovolumétricas, de modo que o calor transferido equivale à variação de energia interna. A água continua sendo aquecida até que a reação de combustão seja finalizada, e ao longo desta, uma interface gráfica associada à bomba calorimétrica desenha um gráfico mostrando a variação da temperatura ao longo do tempo de combustão. O calor de combustão é determinado a partir da capacidade calorífica da bomba calorimétrica “Ccal”, do calor específico da água, de sua massa e da variação da temperatura desta no interior da bomba. Esse calor dividido por uma unidade de massa de combustível (kg) determinará o poder calorífico superior, que é objetivo do experimento. 
 Figura 4: Tela da bomba calorimétrica, mostrando o gráfico Txt (Temperatura por tempo) e o valor experimental do podercalorífico superior (H), para a madeira Mororó. 
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O equipamento é calibrado utilizando pastilhas de ácido benzoico, com poder calorífico superior conhecido de 20 J/g. A partir da diferença entre o valor fornecido pela bomba e este valor de referência pode-se determinar os ajustes de calibração necessários. A massa de combustível recomendada fica no intervalo de 0,4 a 1g, de modo a evitar danos ao equipamento. 
3.2. Balança analítica 
Para a medição das massas tanto do combustível quanto das cinzas após a combustão, foi utilizada a balança analítica OHAUS Adventurer™, de modelo AR2140, e pode ser vista na figura 5. 
 Figura 5: Balança analítica OHAUS Adventurer AR2140. É uma balança ideal para uso laboratorial, que além de boa precisão possui proteção em vidro contra perturbações do ambiente, como ventos, por exemplo. Possui ainda indicadores de erro e de estabilidade, mostrados no display. Algumas das especificações relevantes desta balança estão mostradas abaixo: • Capacidade: 210 g • Resolução: 0,1 mg • Tempo de estabilização: 4 segundos • Repetibilidade: 0,1mg Nos processos de medição da massa, as balanças foram inicialmente taradas com o cadinho de maneira cuidadosa, depois o combustível foi posto dentro deste e novamente colocado na balança, aguardando o tempo de estabilização. 
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3.3. Combustíveis 
 Foram selecionados dois combustíveis para a realização do experimento, sendo um sólido e um líquido, para que fosse possível ter uma noção da diferença entre poder calorífico que cada tipo de combustível pode apresentar. Esses tipos de combustíveis diferem basicamente no valor dos seus poderes caloríficos (em geral, os combustíveis líquidos têm poder calorífico mais alto), e nas propriedades que os caracterizam. 
3.3.1. Combustível sólido 
O combustível sólido selecionado foi a madeira Mororó, de nome científico Bauhinia cheilantha, nativa do Nordeste brasileiro, predominante na vegetação da Caatinga. Trata-se, portanto, de um combustível sólido natural. 
 
Figura 6: Briquete de madeira Mororó. 
Para esse combustível, foi utilizada a seguinte composição química (em base seca): 
• Carbono (C): 45,67% 
• Hidrogênio (H): 8,7% 
• Oxigênio (O): 44,77% 
• Nitrogênio (N): 0,83% 
• Enxofre (S): 0,03% 
Esta composição será utilizada para montar a reação de combustão da madeira Mororó, para então determinar o PCI deste combustível. 
 
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3.3.2. Combustível líquido 
 O combustível líquido selecionado foi o biodiesel de algodão “B100” (100% de biodiesel, sem diesel de petróleo na composição). O biodiesel é um combustível similar ao diesel de petróleo, que teoricamente pode ser obtido a partir de qualquer óleo animal ou vegetal, porém na prática é produzido a partir de óleo de origem vegetal, já que este possui uma maior abundância na natureza. 
 Para uso em motores de combustão interna, recomenda-se a associação desse biodiesel com o diesel de petróleo, já que o biodiesel possui uma baixa fluidez que atrapalha no escoamento do combustível pelo motor, do tanque de armazenamento até os cilindros de combustão. 
 Porém, neste caso, foi selecionado para realizar o experimento o biodiesel puro, sem associação com diesel de petróleo. 
 
 
Figura 7: Biodiesel de algodão (B100). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4. Análise de resultados 
4.1. Combustível sólido Como foi relatado antes, a composição química elementar encontrada na literatura para a madeira Mororó foi, em massa (%), a seguinte: • Carbono (%C): 45,67% • Hidrogênio (%H): 8,7% • Oxigênio (%O): 44,77% • Nitrogênio (%N): 0,83% • Enxofre (%S): 0,03% • (%C + %H + %O + %N + %S): 100% Nota-se que a composição acima está oferecida em base seca, isto é, desconsiderou-se o teor de umidade presente no combustível. No entanto, deve-se estimar que a amostra da madeira Mororó utilizada no experimento possui um teor de umidade igual a 6,7%, sendo que esta percentagem deve ser considerada na determinação analítica e experimental do poder calorífico inferior do combustível em questão. Além disso, aferiram-se através da balança analítica que a massa de cinzas presente em 0,3946 gramas de combustível sólido (madeira Mororó) é igual 0,081 gramas, o que representa uma proporção de cinzas de aproximadamente 20,527%. Obviamente, esta quantidade de cinzas também deve ser considerada no cálculo analítico e experimental do poder calorífico inferior do Mororó. Sendo assim, deve-se fazer uma normalização para que (%Carbono + %Hidrogênio + %Oxigênio + %Nitrogênio + %Enxofre + %Umidade + %Cinzas) = 100%. Percebe-se, então, que a real percentagem em massa dos elementos químicos presentes no combustível deverá ser (%Carbono + %Hidrogênio + %Oxigênio + %Nitrogênio + %Enxofre) = (100 – 6,7 – 20,527) %. (%Carbono + %Hidrogênio + %Oxigênio + %Nitrogênio + %Enxofre) = 72,773%. Pode-se efetuar uma normalização através de uma regra de três simples; por exemplo, para o problema em questão têm-se Teor Percentual do Elemento Químico desconsiderando Umidade e Cinzas (X0) 100% Teor Percentual do Elemento Químico considerando Umidade e Cinzas (X) 72,773% 
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 Portanto, obtêm-se a subsequente expressão geral que determina o teor percentual de um determinado elemento químico presente na composição da madeira Mororó considerando-se os teores de umidade e cinzas; logo: 
X = ൬ X଴100൰ . 72,773 (%) (1) Por exemplo, para o Carbono X0 = 45,67% e, de acordo com a equação (1), X = 33,2354%. Repetindo este procedimento para os demais elementos químicos obtêm-se a composição química elementar (em massa) normalizada para a madeira Mororó. Esta composição será, portanto, a seguinte: • Carbono (%C): 33,2354% • Hidrogênio (%H): 6,3312% • Oxigênio (%O): 32,5804% • Nitrogênio (%N): 0,6040% • Enxofre (%S): 0,0218% • %Umidade: 6,7% •%Cinzas: 20,5271% • (%C + %H + %O + %N + %S + %Umidade + %Cinzas): 100% A partir da composição elementar do combustível é possível obter a reação química de combustão. Entretanto, é necessário primeiramente calcular o número de Kmols de cada elemento químico existente na composição em questão, dividindo-se a massa de cada elemento pela massa molar correspondente. Para efeito de simplificação, elaborou-se a subsequente tabela: Elemento Químico/Cinzas Carbono (C) Hidrogênio (H2) Oxigênio (O2) Nitrogênio (N2) Enxofre (S) Umidade (H2O) Cinzas Teor Percentual Presente no Combustível 
33,2354 (%) 6,3312 (%) 32,5804 (%) 0,6040 (%) 0.0218 (%) 6,7 (%) 20,5271 (%) 
Para 100 Kg de Combustível 
33,2354 Kg 6,3312 Kg 32,5804 Kg 0,6040 Kg 0.0218 Kg 6,7 Kg 20,5271 Kg 
Massa Molar 12 Kg/Kmol 2 Kg/Kmol 32 Kg/Kmol 28 Kg/Kmol 32 Kg/Kmol 18 Kg/Kmol _ Número de Kmols 2,77 Kmols 3,1656 Kmols 1,018 Kmols 0,0216 Kmol 0,0006813 Kmol 0,3722 Kmol _ Tabela 1: Cálculo do número de Kmols de cada elemento presente no combustível. Desprezando o enxofre (S) por ter uma proporção na composição do combustível desprezível (0,0218%) e consequentemente um número de Kmol relativamente pequeno (0,0006813 Kmol), a reação química de combustão para a madeira Mororó é: 2,77C + 3,1656H2 + 1,018O2 + 0,0216N2 + 0,3722H2O + a (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2. 
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 4.1.1. Cálculo do PCI a partir do resultado experimental Fazendo o balanceamento para determinar os coeficientes acima, obtemos: c = número de Kmols de água formada = 3,5378 Kmol Multiplicando esse valor pela massa molar da água = 18 kg/Kmol, obtém-se a massa de água formada: Mag = 3,5378 x 18 = 63,6804 kg E já obtido a massa de combustível considerada para o cálculo de tais coeficientes: Mcomb = 100 kg Obtém-se a relação: MHଶ0Mcomb = 0,636804 O poder calorífico de um determinado combustível pode ser obtido de forma experimental através da seguinte equação: 
PCI = PCS − ൬ mୌమ୓mୡ୭୫ୠ୳ୱ୲í୴ୣ୪൰ H୤୥ (2) A reação é realizada a uma pressão de 30 bar, o valor do calor latente de vaporização da água pode ser obtido por tabelas (foi utilizadoa literatura do autor Çengel). Desta forma Hfg = 1795,7 KJ/Kg. O poder calorífico superior (PCS) foi determinado experimentalmente como explicado anteriormente e vale PCS = 17530 KJ/Kg. Daí: PCI = 17530 − (0,636804)x1795,7 
۾۱۷ = ૚૟૜ૡ૟, ૝ૢ ۹۸۹܏ 4.1.2. Cálculo Analítico do Poder Calorífico Inferior O poder calorífico inferior pode ser calculado analiticamente pela divisão do calor liberado na reação de combustão e a massa de combustível utilizada para a realização desta combustão. O calor liberado pode ser determinado através da 1ª Lei da Termodinâmica, sendo que este calor liberado pode ser encontrado usando a expressão: 
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Q = b൫h୤ େ୓మ൯ + c൫h୤ ୌమ୓൯ + d൫h୤ ୒మ൯ − 2,77(h୤ େ) − 3,1656൫h୤ ୌమ൯ − 1,1018൫h୤ ୓మ൯− 0,0216൫h୤ ୒మ൯ − 0,3722൫h୤ ୌమ୓൯ − a൫h୤ ୓మ൯ − 3,76a൫h୤ ୒మ൯ (3) Onde: Q: calor liberado na queima do combustível, no caso, madeira Mororó; a, b, c e d: coeficientes da equação química; h୤ େ୓మ: entalpia de formação do CO2; h୤ ୌమ୓: entalpia de formação da H2O; h୤ ୒మ: entalpia de formação do N2; h୤ େ: entalpia de formação do C; h୤ ୌమ: entalpia de formação do H2; h୤ ୓మ: entalpia de formação do O2. A entalpia de formação de um determinado elemento químico ou substância pode ser calculada utilizando a seguinte expressão: h୤ = h୤଴ + ∆h (4) O primeiro termo do lado direito da equação (4), h୤଴, representa a entalpia de formação em condições padrão (25 ºC e 1 atm) e o segundo termo do mesmo lado da equação, ∆h, caracteriza a diferença entre a entalpia em qualquer estado dado e a entalpia em condições padrão, isto é, 25 ºC e 1 atm. Para realização do cálculo do calor liberado na combustão, serão consideradas as entalpias em condições padrão, o que implica que as diferenças de entalpia (∆h) são iguais à zero. Sendo assim, de acordo com a equação (4), as entalpias de formação resumem-se em: h୤ = h୤଴ (5) As entalpias de formação em condições padrão (h୤଴) podem ser obtidas na literatura disponível, sendo que para as substâncias envolvidas na composição do combustível sólido (madeira Mororó) são iguais a: 
h୤ େ୓మ = −393522 KJKmol ; 
h୤ ୌమ୓ = −241826 KJKmol ; h୤ ୒మ = h୤ େ = h୤ ୌమ = h୤ ୓మ = 0. Por conseguinte, de acordo com a equação (3), o calor liberado pode ser determinado por meio da expressão: Q = b൫h୤ େ୓మ൯ + c൫h୤ ୌమ୓൯ − 0,3722൫h୤ ୌమ୓൯ 
Q = b ቀ−393522 ୏୎୏୫୭୪ቁ + c ቀ−241826 ୏୎୏୫୭୪ቁ − 0,3722 ቀ−241826 ୏୎୏୫୭୪ቁ (6) 
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 Resta determinar os coeficientes ‘b’ e ‘c’; fazendo um balanceamento de espécies químicas, têm-se: Para o carbono (C): b = 2,77 Kmols; Para o hidrogênio (H2): c = 3,1656 + 0,3722 = 3,5378 Kmols. Substituindo os valores numéricos de ‘b’ e ‘c’ na equação (6), obtêm-se o calor liberado na combustão da madeira Mororó como sendo: 
Q = b ൬−393522 KJKmol൰ + c ൬−241826
KJ
Kmol൰ − (0,3722 Koml) ൬−241826
KJ
Kmol൰ 
Q = (2,77 Kmol) ൬−393522 KJKmol൰ + (3,5378 Kmol) ൬−241826
KJ
Kmol൰
− (0,3722 Kmol) ൬−241826 KJKmol൰ Q = −1855580,326 KJ Deve-se observar que este calor é liberado na combustão de 100 kg de madeira Mororó, já que os cálculos dos números de Kmols das substâncias que estão presentes na composição do combustível foram realizados supondo-se 100 Kg de combustível (Tabela 1). Portanto, o poder calorífico inferior (PCI) do Mororó será: 
PCI = −QMassa de Combustível 
PCI = 1855580,326 KJ100 Kg 
۾۱۷ = ૚ૡ૞૞૞, ૡ૙૜૛૟ ۹۸۹܏ Vale ressaltar que o valor obtido para o PCI da Madeira Mororó de forma analítica difere do PCI obtido de forma experimental. Isso se deve ao fato de que a composição química elementar encontrada na literatura não é igual à composição química elementar da Madeira Mororó usada no experimento. 4.2. Combustível líquido 4.2.1. Cálculo Experimental do Poder Calorífico Inferior O poder calorífico de um determinado combustível pode ser obtido de forma experimental através da seguinte equação: 
PCI = PCS − ൬ mୌమ୓mୡ୭୫ୠ୳ୱ୲í୴ୣ୪൰ H୤୥(10) 
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Onde: PCI: Poder Calorífico Inferior obtido através do Poder Calorífico Superior experimental; PCS: Poder Calorífico Superior obtido experimentalmente, sendo igual a 39835 ୏୎୏୥; mୌమ୓: Massa de água na forma de vapor após a combustão; mୡ୭୫ୠ୳ୱ୲í୴ୣ୪: Massa de combustível usada para a realização da combustão; H୤୥: Calor de vaporização da água. Como já descrita, a equação química que representa a combustão do Biodiesel de Algodão (B100) para 100 kg de combustível (mୡ୭୫ୠ୳ୱ୲í୴ୣ = 100 Kg) é: 6,2426C + 5,8163H2 + 0,3577O2 + 0,1111 H2O + a (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2. Os coeficientes ‘a’, ‘b’, ‘c’ e ‘d’ podem ser determinados através de um balanceamento de espécies químicas; sendo assim: Para o Carbono (C): b = 6,2426 Kmols; Para o Hidrogênio (H2): c = 5,8163 + 0,1111 = 5,92741 Kmols; Para o Oxigênio (O2): a = 6,2426 – 0,3577 = 5,8849 Kmols; ` Para o Nitrogênio (N2): d = (3,76).(5,8849) = 22,123 Kmols. Logo, esta equação química pode ser reescrita como sendo: 6,2426C + 5,8163H2 + 0,3577O2 + 0,1111 H2O + 5,8849 (O2 + 3,76N2) 6,2426 CO2 + 5,92741 H2O + 22,123 N2. Evidentemente, a massa de água presente nos produtos da reação química, poder ser calculada multiplicando-se 5,92741 Kmols pela massa molar da molécula H2O; assim sendo: 
mୌమ୓ = (5,92741 Kmol)(18 KJKmol) mୌమ୓ = 106,6934 Kg O experimento foi realizado sob uma pressão de oxigênio igual a 30 bar. Nesta pressão, o calor de vaporização da água é, segundo a literatura, H୤୥ = 1795,7 ୏୎୏୥ ୢୣ ୌమ୓; portanto, o poder calorífico inferior do Biodiesel de Algodão (B100) obtido através do Poder Calorífico Superior experimental é, de acordo com a equação (10): 
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PCI = PCS − ൬ mୌమ୓mୡ୭୫ୠ୳ୱ୲í୴ୣ୪൰ H୤୥ 
PCI = 39835 − ൬106,6934100 ൰ (1795,7) 
۾۱۷ = ૜ૠૢ૚ , ૚૚ ۹۸۹܏ 
 4.2.2. Cálculo Analítico do Poder Calorífico Inferior do Biodiesel de Algodão (B100) Pode-se calcular analiticamente o poder calorífico inferior do Biodiesel de Algodão (B100) determinando, inicialmente, o calor que é liberado na combustão do B100 aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica e, a partir deste calor liberado, obter o poder calorífico inferior do Biodiesel de Algodão. No entanto, deve-se determinar, previamente, a fórmula química do B100 fazendo-se uso da Tabela 2, que determina a composição em massa de cada ácido graxo existente no combustível: 
 Tabela 2: Composição em massa do biodiesel de algodão. A fórmula química do Biodiesel de Algodão pode ser expressa como sendo C୶H୷O୸, onde os índices ‘x’, ‘y’ e ‘z’ podem ser determinados a partir da Tabela 2. Para 100 Kg de combustível, tem-se que: 
1) x = ቀ ଵ,ହଶଶ଼ቁ (14) + ቀଶଵ,଺ଶହ଺ቁ (16) + ቀ ଶଶହସቁ (16) + ቀ ଵ,ହଶ଼ସቁ (18) + ቀଶ଻,ହଶ଼ଶቁ (18) + ቀସହ,ଽଶ଼଴ቁ (18) =6,37 
2) y = ቀ ଵ,ହଶଶ଼ቁ (28) + ቀଶଵ,଺ଶହ଺ቁ (32) + ቀ ଶଶହସቁ (30) + ቀ ଵ,ହଶ଼ସቁ (36) + ቀଶ଻,ହଶ଼ଶቁ (34) + ቀସହ,ଽଶ଼଴ቁ (32) =11,87 
3) z = ቀ ଵ,ହଶଶ଼ቁ (2) + ቀଶଵ,଺ଶହ଺ቁ (2) + ቀ ଶଶହସቁ (2) + ቀ ଵ,ହଶ଼ସቁ (2) + ቀଶ଻,ହଶ଼ଶቁ (2) +ቀସହ,ଽଶ଼଴ቁ (2) = 0,73 Sendo assim, a fórmula química do B100 é C଺,ଷ଻Hଵଵ,଼଻O଴,଻ଷ, sendo que sua massa molar (M୆ଵ଴଴) será: 
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M୆ଵ଴଴ = (6,37) ൬12 KgKmol൰ + (11,87) ൬1
Kg
Kmol൰ + (0,73) ൬16
Kg
Kmol൰ ≅ 100
Kg
Kmol Os teores de Carbono, Hidrogênio e Oxigênio presentes no B100 podem ser obtidos da seguinte forma: 
Teor de Carbono = ൬ 12100൰ (6,37) = 0,7644 
Teor de Hidrogênio = ൬ 1100൰ (11,87) = 0,1187 
Teor de Oxigênio = ൬ 16100൰ (0,73) = 0,1168 Portanto, a Composição Química Elementar em Massa (%) do Biodiesel de Algodão é: • Carbono (%C): 76,44% • Hidrogênio (%H): 11,87% • Oxigênio (%O): 11,68% • (%C + %H + %O): 100% Nota-se, que composição química elementar encontrada está em base seca, ou seja, desconsiderou-se a umidade presente no B100. Entretanto, deve-se considerar que o teor de umidade é, em média, igual a 2%, sendo que esse valor percentual deve ser considerado no cálculo analítico e experimental do poder calorífico inferior do Biodiesel de Algodão. Logo, é necessário fazer uma normalização para que (%C + %H + %O + %Umidade) = 100%. Percebe-se, então, que a real porcentagem em massa dos elementosquímicos presentes no combustível deverá ser (%C + %H + %O) = (100 - %Umidade) % (%C + %H + %O) = (100 - 2) % (%C + %H + %O) = 98% Pode-se fazer esta normalização por meio de uma regra de três simples, ou seja, para o problema em questão, tem-se que: Teor Percentual do Elemento Químico desconsiderando Umidade (P0) 100% Teor Percentual do Elemento Químico considerando Umidade (P) 98% 
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Portanto, obtêm-se a subsequente expressão geral que determina o teor percentual de um determinado elemento químico presente na composição do B100 considerando-se o teor de umidade; logo: 
P = ൬ P100൰ . 98(%) (7) Por exemplo, para o Carbono P0 = 76,44% e, de acordo com a equação (7), P = 74,9112%. Repetindo este procedimento para os demais elementos químicos obtêm-se a composição química elementar (em massa %) normalizada para o Biodiesel de Algodão. Esta composição será, portanto, a seguinte: • Carbono (%C): 74,9112% • Hidrogênio (%H): 11,6326% • Oxigênio (%O): 11,4464% • (%C + %H + %O + %Umidade): 100% A partir da composição química elementar do combustível é possível obter a reação química de combustão. Porém, é necessário calcular o número de Kmols de cada elemento químico existente na composição em questão, dividindo-se a massa de cada elemento pela massa molar correspondente. Para simplificar, elaborou-se a subsequente tabela: Elemento Químico Carbono (C) Hidrogênio (H2) Oxigênio (O2) Umidade (H2O) Teor Percentual Presente no Combustível 
74,9112 (%) 11,6326 (%) 11,4464 (%) 2,0 (%) 
Para 100 Kg de Combustível 
74,9112 Kg 11,6326 Kg 11,4464 Kg 2,0 Kg 
Massa Molar 12 Kg/Kmol 2 Kg/Kmol 32 Kg/Kmol 18 Kg/Kmol Número de Kmols 6,2426 Kmols 5,8163 Kmols 0,3577 Kmols 0,1111 Kmol Tabela 3: Cálculo do numero de Kmols de cada elemento presente no combustível. Assim sendo, a reação química de combustão para o Biodiesel de Algodão (B100) é escrita como sendo: 6,2426C + 5,8163H2 + 0,3577O2 + 0,1111 H2O + a (O2 + 3,76N2) b CO2 + c H2O + d N2. O calor liberado na combustão de 100 Kg de B100 pode ser obtido aplicando a 1ª Lei da Termodinâmica; por conseguinte, para a equação química descrita, este calor pode ser expresso por: 
18 
Q = b൫h୤ େ୓మ൯ + c൫h୤ ୌమ୓൯ + d൫h୤ ୒మ൯ − 6,2426(h୤ େ) − 5,8163൫h୤ ୌమ൯ − 0,3577൫h୤ ୓మ൯− 0,1111൫h୤ ୌమ୓൯ − a൫h୤ ୓మ൯ − 3,76a൫h୤ ୒మ൯ (8) Onde: Q: calor liberado na queima de 100 Kg de Biodiesel de Algodão; a, b, c e d: coeficientes da equação química; h୤ େ୓మ: entalpia de formação do CO2; h୤ ୌమ୓: entalpia de formação da H2O; h୤ େ: entalpia de formação do C; h୤ ୌమ: entalpia de formação do H2; h୤ ୒మ: entalpia de formação do N2; h୤ ୓మ: entalpia de formação do O2. Como já mencionado, a entalpia de formação é definida por h୤ = h୤଴ + ∆h, sendo que, em condições padrão (25 ºC e 1 atm), ∆h = 0, e portanto h୤ = h୤଴. Para realização do cálculo do poder calorífico inferior do Biodiesel de Algodão, serão consideradas as entalpias em condições padrão, onde os valores para h୤଴ são, de acordo com a literatura, iguais a: 
h୤ େ୓మ = −393522 KJKmol ; 
h୤ ୌమ୓ = −241826 KJKmol ; h୤ ୒మ = h୤ େ = h୤ ୌమ = h୤ ୓మ = 0. Substituindo estes valores na equação (8), obtêm-se uma nova expressão que permite calcular o calor liberado na combustão de 100 Kg de B100; Portanto: 
Q = b ൬−393522 KJKmol൰ + c ൬−241826
KJ
Kmol൰ − 0,1111 ൬−241826
KJ
Kmol൰ (9) Para determinar os coeficientes ‘b’ e ‘c’, basta fazer um balanceamento de espécies químicas; sendo assim: Considerando o carbono (C): b = 6,2426 Kmols; Considerando o hidrogênio (H2): c = 5,8163 + 0,1111 = 5,92741 Kmols. Logo, de acordo com a equação (9): 
Q = b ൬−393522 KJKmol൰ + c ൬−241826
KJ
Kmol൰ − (0,1111 Kmol) ൬−241826
KJ
Kmol൰ 
Q = (6,2426 Kmol) ൬−393522 KJKmol൰ + (5,92741 Kmol) ൬−241826
KJ
Kmol൰
− (0,1111 Kmol) ൬−241826 KJKmol൰ 
19 
Q = −3863133 KJ Porém, este valor do calor liberado é válido para 100 Kg de Biodiesel de Algodão (B100); então, para se obtiver o poder calorífico inferior (PCI) basta dividir Q (calor liberado) por 100 Kg e inverter o sinal, isto é: 
PCI = −Q100 ൬
KJ
Kg൰ 
PCI = −3863133100 ൬
KJ
Kg൰ 
۾۱۷ = ૜ૡ૟૜૚, ૜૜ ۹۸۹܏ 
20 
5. Cálculo das incertezas 
O PCI experimental é determinado pela seguinte equação: 
ܲܥܫ = ܲܥܵ − ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ ܪ௙௚ Como os valores de ݉á௚௨௔, ݉௖௢௠௕ e ܲܥܵ são obtidos experimentalmente, e o ܲܥܫ = ݂(݉á௚௨௔, ݉௖௢௠௕ , ܲܥܵ), sua incerteza é dada pela combinação entre as incertezas padrão (ݑ௜) das três entradas medidas. A incerteza combinada (ݑ௖) é dada pela seguinte fórmula: 
ݑ௖ଶ(ݕ) = ෍ ൬ ݀ݕ݀ݔ௜൰
ଶ ∙ ݑ௜ଶ(ݔ௜) 
 Por fim, a partir da incerteza combinada, pode-se obter a incerteza expandida, que leva em consideração o nível de confiança que deseja-se obter. A incerteza expandida do PCI neste caso é dada por: 
 
ܷ(ܲܥܫ) = ܭ ∙ ݑ௖(ܲܥܫ) 
 
 O fator K é função do nível de confiança e do número de graus de liberdade. Pode-se considerar que o número de graus de liberdade é infinito, dada a quantidade de fatores imprevisíveis que podem influenciar no resultado de cada medida. Para um intervalo de confiança de 99% e infinitos graus de liberdade, tem-se K = 3, que será o fator de abrangência adotado. 
 
5.1. Incerteza do PCI da madeira Mororó 
 
ܲܥܫ = ܲܥܵ − ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ ܪ௙௚ 
 
A partir da equação será determinada a incerteza padrão de cada termo da equação. Tem-se a seguinte expressão para a incerteza combinada do PCI: 
 
 
21 
ݑ௖(ܲܥܫ) = ඪ൬߲ܲܥܫ߲ܲܥܵ൰
ଶ ݑଶ(ܲܥܵ) + ൮ ߲ܲܥܫ߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ
൲
ଶ
ݑଶ ൬݉á௚௨௔݉௖௢௠௕൰ 
Para este cálculo, deverá ser determinada a incerteza padrão da razão entre as massas de água e combustível, que depende da incerteza de cada medida, dada pela resolução da balança analítica. 
 
ݑ௖ ൬݉á௚௨௔݉௖௢௠௕൰ = ඪ൮
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉á௚௨௔ ൲
ଶ
ݑଶ൫݉á௚௨௔൯ + ൮߲ ቀ
݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉௖௢௠௕ ൲
ଶ
ݑଶ(݉௖௢௠௕) 
 
Termo Valor 
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉á௚௨௔ = 
1
݉௖௢௠௕ 2,5342 
ݑ൫݉á௚௨௔൯ 0,0001 
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉á௚௨௔ = 
−݉á௚௨௔(݉௖௢௠௕)ଶ −1,6139 
ݑ(݉௖௢௠௕) 0,0001 
Tabela 5: Termos do cálculo de incerteza da razão entre as massas 
Desses dados obtém-se ݑ ቀ௠á೒ೠೌ௠೎೚೘್ቁ = 3,00 × 10ିସ. Conforme a resolução da bomba calorimétrica ݑ(ܲܥܵ) = 1. Derivando a expressão do PCI em relação à razão de massas tem-se que: 
 
߲ܲܥܫ
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ
= ܪ௙௚ = 1795,7 
 
Logo, como డ௉஼ூడ௉஼ௌ = 1, chega-se a ݑ௖(ܲܥܫ) = 1,1362. Para o fator de abrangência já discutido de K = 3, tem-se a incerteza expandida calculada como ܷ =ܭ ∙ ݑ௖ = 3 ∙ 1,1362 = 3,4086 ≅ 4. O arredondamento foi feito para manter um único algarismo significativo e aumentar a margem de segurança. 
22 
Portanto, o valor do PCI do Mororó é expresso como: 
 
ܲܥܫ௠௢௥ = (18555 ± 4)ܬ/݃௠௢௥ 
 
5.2. Incerteza do PCI do Biodiesel de algodão (B100) 
 
Com todo o procedimento de cálculo analítico já explicitado para o Mororó, será aplicado o raciocínio análogo para o biodiesel de algodão (B100). Tem-se: 
ݑ௖(ܲܥܫ) = ඪ൬߲ܲܥܫ߲ܲܥܵ൰
ଶ ݑଶ(ܲܥܵ) + ൮ ߲ܲܥܫ߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ
൲
ଶ
ݑଶ ൬݉á௚௨௔݉௖௢௠௕൰ 
 
 Novamente, será determinada a incerteza da razão entre a massa de água e combustível. 
 
ݑ௖ ൬݉á௚௨௔݉௖௢௠௕൰ = ඪ൮
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉á௚௨௔ ൲
ଶ
ݑଶ൫݉á௚௨௔൯ + ൮߲ ቀ
݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉௖௢௠௕ ൲
ଶ
ݑଶ(݉௖௢௠௕) 
 
Termo Valor 
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉á௚௨௔ = 
1
݉௖௢௠௕ 2,0829 
ݑ൫݉á௚௨௔൯ 0,0001 
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ߲݉á௚௨௔ = 
−݉á௚௨௔(݉௖௢௠௕)ଶ −2,2161 
ݑ(݉௖௢௠௕) 0,0001 
Tabela 6: Termos do cálculo de incerteza da razão entre as massas 
Daí, obtém-se que ݑ ቀ௠á೒ೠೌ௠೎೚೘್ቁ = 3,04 × 10ିସ. Já se sabe que ݑ(ܲܥܵ) = 1. Novamente, derivando a expressão do PCI em relação à razão de massas tem-se: 
23 
߲ܲܥܫ
߲ ቀ݉á௚௨௔݉௖௢௠௕ቁ
= ܪ௙௚ = 1795,7 
Logo, como డ௉஼ூడ௉஼ௌ = 1 chega-se a ݑ௖(ܲܥܫ) = 1,1394. Para o fator K = 3, calcula-se a incerteza expandida ܷ = ܭ ∙ ݑ௖ = 3 ∙ 1,1394 = 3,4182 ≅ 4. O arredondamento foi feito para manter um único algarismo significativo e aumentar a margem de segurança. 
Portanto, o valor do PCI do B100 é expresso como:ܲܥܫ஻ଵ଴଴ = (38631 ± 4)ܬ/݃஻ଵ଴଴ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
24 
6. Cálculo da emissão de poluentes 
Poluentes atmosféricos são as substâncias que quando em contato com o ar, produzem mudanças físico-químicas na atmosfera, afetando a qualidade da vida dos seres vivos de maneira negativa. As reações de combustão têm como característica a produção desse material tóxico e novico ao meio ambiente, em especial os óxidos de nitrogênio e de enxofre (NO, NO2, SO e SO2), além do CO2, que agrega muitas polêmicas à sua nocividade. 
Os óxidos de enxofre e de nitrogênio são alguns dos poluentes do ar mais perigosos, pois interferem no aquecimento do planeta e ainda atua na produção de chuva ácida. Ambos são os principais responsáveis pela chuva ácida, que influencia diretamente no ecossistema em que essa massa d’água precipita. 
O CO2 é o principal gás causador do efeito estufa, responsável pelo aquecimento da terra. Isso ocorre porque o acúmulo desses gases na atmosfera impede que a radiação térmica que incide na terra, emitida pelo sol, retorne ao espaço. Esses gases têm característica de não serem transparentes à radiação térmica e por isso, retém essa energia no planeta. 
Tendo isso em vista, este tópico tem como objetivo calcular, por meio de um software específico (Turn), a emissão de poluentes devido às reações de combustão (neste caso, será analisada somente a emissão dos óxidos de nitrogênio e carbono, já que os combustíveis experimentados não possuem enxofre em sua composição, muito menos o ar em que estes são queimados, impedindo assim que o produto da reação contenha algum derivado de enxofre). 
Um ponto importante e que influencia diretamente a emissão destes poluentes é a relação ar/combustível que participa da combustão. A quantidade de ar altera o número de moléculas de O2 e N2 que são obtidas no produto da reação, alterando assim o impacto que essa combustão causará ao meio ambiente. 
Sendo assim, para ambos os combustíveis utilizados, será calculada a emissão de poluentes para um valor de temperatura e pressão selecionado pela equipe. Além disso, serão testados para diversas relações ar/combustível, para que possam ser observadas as alterações. 
A temperatura e a pressão escolhidas para o cálculo foram: 
• T = 1600 Kelvin 
• P = 105 Pascal 
Para as relações ar/combustível, foram escolhidas três situações: 
• Excesso de ar: φ= 1.2 
• Equilíbrio: φ= 1.0 
• Falta de ar: φ= 0.8 
 
25 
O coeficiente φ é definido pela razão entre relação ar/combustível estequiométrico e a relação ar/combustível real do processo de combustão. 
6.1. Madeira Mororó 
 Para a madeira Mororó, baseado na composição atômica do combustível, calculada no tópico 4, tem-se, tendo em vista que o software Turn só admite uma composição molecular com até 1 casa decimal: •C = 2.8 átomos •H = 6.3 átomos •O = 2 átomos Para essa parte do experimento, está sendo considerado que o combustível está reagindo com ar (composto basicamente por O2 e N2, na proporção 1/3,76). Utilizando essa composição como sendo a molécula equivalente do combustível, e associando-a com os valores de T, P e φ, pode-se obter diretamente pelo uso do software os seguintes dados, em fração molar do produto da combustão: a) Falta de ar 
 Figura 8: Resultados obtidos para falta de ar na combustão do Mororó. Sendo assim, os poluentes de interesse são, em fração molar, para 1 mol de combustível: •CO: 0.001294% •NO: 0.082258% •CO2: 12.602533% •NO2: 0% b) Equilíbrio de ar (razão estequiométrica) 
 Figura 9: Resultados obtidos para equilíbrio de ar/combustível na combustão do Mororó. Sendo assim, a composição molar é a seguinte: •CO: 0.021431% •NO: 0.005940% •CO2: 15.285972% 
26 
•NO2: 0% c) Excesso de ar 
 Figura 10: Resultados obtidos para excesso de ar na combustão do Mororó. Sendo assim, a composição molar é a seguinte: •CO: 4.707109% •NO: 0.000022% •CO2: 12.566435% •NO2: 0% 6.2. Biodiesel de algodão Para o biodiesel de algodão, sob as mesmas condições de temperatura e pressão, e para os 3 casos de relação ar/combustível (φ), temos, baseado na composição abaixo, os seguintes resultados: •C = 6.2 átomos •H = 11.6 átomos •O = 0.7 átomos a) Falta de ar 
 Figura 11: Resultados obtidos para a combustão com falta de ar do biodiesel. Sendo assim, a composição molar é a seguinte: •CO: 0.001118% •NO: 0.087401% •CO2: 11.229282% •NO2: 0% b) Equilíbrio de ar 
27 
 Figura 12: Resultados obtidos para a combustão com equilíbrio estequiométrico do biodiesel. Sendo assim, a composição molar é a seguinte: •CO: 0.019785% •NO: 0.006028% •CO2: 13.807190% •NO2: 0% c) Excesso de ar 
 Figura 13: Resultados obtidos para a combustão com excesso de ar do biodiesel. Sendo assim, a composição molar é a seguinte: •CO: 5.276658% •NO: 0.000017% •CO2: 10.483244% •NO2: 0% 
28 
7. Conclusão A obtenção do poder calorífico por meio do uso de bomba calorimétrica é uma prática que promove resultados significantes. Isso ocorre, pois, o poder calorífico é uma grandeza de suma importância quando se pretende avaliar os custos de combustível de um processo industrial ou mesmo para um uso em menor escala. Obviamente, outros parâmetros são avaliados quando se pretende selecionar um combustível para utilizar na queima de algum processo, como numa caldeira que fornece vapor à uma turbina. Dentre esses parâmetros, tem-se a facilidade de transporte e armazenar, custo e a abundância na natureza. Por isso em alguns casos são selecionados combustíveis com baixo poder calorífico para realizar estes processos, sendo que existem em abundância e a logística associada ao seu transporte e armazenamento o torna mais barato, num balanço geral. Porém, quando estes parâmetros são menos importantes, o combustível com maior poder calorífico vai trazer mais benefícios ao processo. A partir do poder calorífico superior, pôde-se determinar, para ambos os combustíveis avaliados neste relatório, o valor do PCI experimental, e posteriormente compará-lo com o PCI analítico, calculado fazendo uso da termodinâmica e da reação química associada a esta combustão. Tendo em vista que o poder calorífico superior obtido por meio do experimento fornece um resultado confiável, pode-se justificar a pequena diferença entre o valor analítico e o valor experimental do PCI com diversas causas. Dentre estas, a de maior significância diz respeito à composição do combustível encontrada na literatura. Em especial a madeira Mororó, por ser um combustível sólido e que está mais susceptível a alterações na sua composição, tendo em vista que a madeira encontrada em diferentes regiões pode ter diferentes composições. Pode-se destacar que, a obtenção da composição deste combustível não foi objetivo desta pesquisa, e, portanto, esta foi obtida por outros meios (artigos científicos externos). Dessa forma, os resultados encontrados ao longo da pesquisa se mostraram satisfatórios, pois se aproximaram bastante dos valores experimentais esperados. Além disso, pôde-se avaliar a emissão de poluentes que a queima desses combustíveis causa, um dado de importância quando se pretende selecionar um combustível para o uso industrial, tendo em vista que as empresas têm uma espécie de acordo ambiental a cumprir, quando se trata de poluição que esta gera e dos impacto ambientais que esta causa nos seus arredores. 
29 
8. Referências bibliográficas [1] VAN WYLEN, G.J. & SONNATAG, R.E. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. São Paulo, Ed. Blücher, 4ª Ed. [2] GARCIA, R. Combustíveis e Combustão Industrial. Rio de Janeiro, Ed. Interciência, 2002. [3] Poder Calorífico de Combustíveis. Mundo Educação BOL. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/poder-calorifico-combustiveis.htm>. Acesso em: 28 mai. 2016. [4] Catálogo Calorímetro C 2000. Disponível em: <http://www.ika.com/owa/ika/catalog.product_detail?iProduct=8801800&iProductgroup=&iSubgroup=&iCS=1>.Acesso em: 29 mai. 2016. [5] Balança Analítica Adventurer. PH Cientifica, equipamentos para laboratório. Disponível em: <http://www.phcientifica.com.br/analitica-adventurer-ohaus-210g-00001g>. Acesso em: 29 mai. 2016