4. Balanço de Massa Combustão

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Balanço de Massa
com reação química –
Processos de Combustão
Operações Unitárias I
Combustão
• A combustão é um processo industrial em que um 
combustível, normalmente um derivado de petróleo, 
é queimado com um comburente, normalmente ar 
(em excesso em relação ao combustível), geando 
uma mistura gasosa conhecida como gás de 
combustão ou gás de chaminé (pois é eliminado 
pelas chaminés). 
• O combustível industrial é normalmente formado por 
uma mistura de hidrocarbonetos, uma vez que são 
oriundos do petróleo, com possíveis contaminações 
de derivados sulfurados.
Combustão
• Independentemente de possíveis mecanismos de 
reação, pode-se escrever as equações a seguir:
C + O2 → CO2
4H + O2 → 2 H2O
S + O2 → SO2
Combustão
• Assim, o gás de combustão será constituído 
normalmente de CO2 e H2O (produtos das reações), 
O2 (reagente em excesso), N2 (inerte proveniente do 
ar). 
• O CO poderá aparecer nos gases de combustão, se a 
combustão ocorrer com baixo excesso de ar 
(combustão incompleta). 
• Quando o combustível é contaminado com 
compostos sulfurados, os gases de combustão 
conterão também SO2.
Combustão
Combustíveis principais: 
• Carvão: C, S, etc.
• Óleo combustível: hidrocarbonetos pesados, S
• Gases combustíveis: 
– gás natural: principalmente CH4
– GLP (gás liquefeito de petróleo) - gás de cozinha (propano 
e butano).
Combustão
• Se houver a formação de CO2, a partir de um 
hidrocarboneto (CxHy) dizemos combustão (oxidação) 
completa. Se CO for formado, dizemos combustão 
parcial ou incompleta do hidrocarboneto.
– C3H8 + 3,5 O2 → 3 CO + 4 H2O combustão parcial 
(incompleta) do propano.
– C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O combustão completa do 
propano.
– CS2 + 3 O2 → CO2 + 2 SO2 combustão completa do carbono.
Combustão
• Por razões econômicas óbvias, o ar é fonte de 
oxigênio. 
• Sua composição molar é de 79% de N2 e 21% de O2. 
• A composição mássica é de 23,2% de O2 e 76,8% de 
N2. 
• O peso molecular médio do ar é 28,84 u.m.a.
Combustão
• O gás de combustão é normalmente analisado em 
equipamentos industriais, como os fornos de 
processos e as caldeiras (para geração de vapor 
d´água), para o controle do processo de combustão. 
• Esta análise normalmente é feita em um 
equipamento conhecido como aparelho de Orsat. 
• Como o gás de combustão é previamente resfriado 
até a temperatura ambiente, para permitir a 
condensação da maior parte do vapor d´água, a 
análise é dita ser em base seca (dry-basis).
Aparelho de Orsat
Combustão
Gases da Chaminé 
(base úmida)
CO2
CO
O2
N2
SO2
H2O
Análise de 
Orsat ou 
base seca
Combustão
• Composição em base úmida (wet-basis) é usada para 
indicar as frações molares de um gás contendo água. 
• Composição em base seca, significa que a fração 
molar do mesmo gás é sem água. Exemplo: 33,3% CO 
molar, 33,3% N2 e 33,3% H2O (base úmida). 50% CO, 
50% N2 (base seca). 
• Para se saber a composição em base úmida, basta 
conhecer a composição em base seca e a umidade da 
mistura em que está sendo analisada (medida 
normalmente através de um outro equipamento 
chamado psicrômetro).
Exercício 1
Os fumos de combustão de um processo fornecem a seguinte 
composição molar: 60,0% N2; 15,0% CO2; 10,0% O2 e o restante 
de água. Calcular a composição molar em base seca.
Exercício 2
Uma análise de Orsat (técnica comum para analisar os gases de 
combustão) fornece a seguinte composição em base seca: N2 = 
65,0%; CO2 = 14,0%; CO = 11,0% e restante O2. Um medidor de 
umidade indica que a fração molar de água nos gases é de 0,07. 
Calcule a composição do ar em base úmida.
Ar teórico e ar em excesso
• Se dois reagentes participarem de uma reação e um 
é consideravelmente mais caro que o outro, uma 
prática habitual é alimentarmos o mais barato em 
excesso com relação ao outro.
• Nos processos de combustão, o reagente mais barato 
é o ar, daí decorre em preferencialmente sempre se 
trabalhar com ar como reagente em excesso.
Definições Importantes
• O2 teórico (ou O2 estequiométrico): os mol ou vazão 
molar de O2 necessários para a combustão completa 
(assumindo-se que todo C se converta a CO2 e todo H se 
converta a H2O).
• Ar teórico (ou ar estequiométrico): a quantidade de 
ar que contém o oxigênio teórico.
• Excesso de O2: quantidade de O2 em excesso em 
relação a quantidade necessária para a combustão 
completa.
• Excesso de ar: a quantidade de ar alimentado que 
excede a quantidade teórica.
Definições Importantes
• Excesso de ar: a quantidade de ar alimentado que excede 
a quantidade teórica (ar teórico). O excesso de ar é, 
normalmente, expresso em fração:
• Conhecendo-se a estequiometria de reação completa, 
determina-se o O2 teórico.
• Se 50% de excesso de ar for alimentado no reator, então 
(mol ar) alimentado = 1,5 (mol ar) teórico.
100%
lim





 

teórico
teóricoentaçãoa
arn
arnarn
ardeexcesso
100%
2
2lim2





 

teórico
teóricoentaçãoa
On
OnOn
ardeexcesso
Definições Importantes
• O2 real: quantidade total de O2 usada na combustão, 
que é igual à soma do O2 teórico e do O2 em excesso.
• Ar real: quantidade total de ar usada na combustão, 
que é igual à soma do ar teórico e do ar em excesso.
Em um problema de combustão em que a análise dos 
gases de combustão é usada em base seca:
Combustão Análise Orsat
Ar
Combustível Gás de 
chaminé
Água
Gás de combustão 
seco
Exercício 3
100 mol/h de butano (C4H10) e 5000 mol/h de ar são alimentados 
a um reator de combustão. Calcular a porcentagem de ar em 
excesso.
C4H10 + 13/2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O
Exercício 4
Suponha que você está queimando gás natural (100% de CH4) 
em um aquecedor doméstico com 130% de ar em excesso. Qual 
a composição do gás de chaminé?
Exercício 5
Um óleo combustível obtido a partir de um petróleo contendo elevado 
teor de enxofre é queimado em um forno industrial, usando excesso 
de ar de 30%. 
A análise elementar do óleo combustível indicou: C = 85,5%; H = 9,7%; 
S = 4,8%. 
Calcule a composição do gás de chaminé (GC) e do gás seco (G), 
considerando a combustão completa do óleo combustível.
G
Gás de 
combustão seco
Exercício 6
De um forno queimando gás combustível resultou a seguinte análise 
de Orsat dos gases de combustão: CO2 = 7,53%; O2 = 7,53%; CO = 0%. 
Calcule:
a. a fração de excesso de ar (EA)
b. a composição do gás de chaminé
Exercício 7
Um óleo combustível é queimado em um forno, gerando um gás de 
combustão com a seguinte análise de Orsat: CO2 = 13,2%; O2 = 3,6%; 
CO = 0,4%. Calcule:
a. a fração de excesso de ar (EA) R: 18,28%
b. As razões mássicas: ar de combustão /óleo combustível e gás de
chaminé /óleo combustível R: A/F = 16,44 ; GC/F = 17,44.
c. A análise elementar do óleo R: C = 89,07%; H = 10,93%