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Combustão
A combustão é uma reação química. Genericamente, a combustão pode ser representada de acordo com o seguinte esquema:
                                                        condições  
Combustível       +      Comburente           →                    Fumos    +     Cinza      +    Calor
                                                        adequadas
Quimicamente, a combustão é uma reação de oxidação a alta temperatura, e assim sendo, necessita de uma "energia de ativação", obtida
conceito químico de combustão
Toda combustão é uma reação de oxidação-redução (transferência de elétrons).
Combustível
De modo geral, combustível é qualquer substância capaz de produzir de maneira fácil e econômica, energia térmica por reação química ou nuclear. Geralmente são materiais carbonáceos que reagem facilmente com o oxigênio do ar, produzindo calor em grande quantidade, e que atendem aos seguintes pré-requisitos:
- abundância na natureza e baixo custo;
- facilidade de obtenção e utilização;
- facilidade e segurança no transporte e armazenamento;
- queimar facilmente ao ar, por meio de processo seguro e controlável,   
 gerando apreciável quantidade de calor;
- não formar substâncias tóxicas ou corrosivas.
Os combustíveis classificam-se em sólidos, líquidos e gasosos. Em cada caso, subdividem-se em naturais ou primários (utilizados na forma em que são encontrados) e em secundários ou preparados. A seguir, alguns exemplos:
sólidos
 - naturais: carvões fósseis (turfa, linhito, hulha, antracito), madeira, lenha;  preparados: coque, carvão vegetal, resíduos industriais.
líquidos
- naturais: petróleo crú, gasolina natural;  preparados: álcool, querosene, óleo diesel, gasolina.
gasosos
- naturais: gás natura;. preparados: GLP, gás de água, gás de alto forno, hidrocarbonetos gasosos obtidos por processos de craqueamento de derivados de petróleo.
Comburente
Embora outras substâncias possam atuar como comburente, recebendo e fixando os elétrons cedidos pelo combustível, industrialmente, quase que na totalidade dos casos, o comburente é o oxigênio e sua fonte, normalmente, o ar atmosférico.
Para efeito de cálculos práticos de combustão, considera-se a composição volumétrica ou em mols do ar seco como:
oxigênio (O2)    21%                e               nitrogênio (N2)    79%
A  massa molar média do ar seco será:          =     0,21 x 32   +   0,79 x 28       =     28,84 g/mol
A composição em massa de ar atmosférico seco pode ser considerada, para cálculos estequiométricos, como:
oxigênio     -    23,2%               e              nitrogênio   -   76,8%
RELAÇÕES DECORRENTES DA COMPOSIÇÃO DO AR (válidas em quantidade de matéria ou em volumes.
  
 n AR =   n O2 / 0,21                  n AR =   n N2 / 0,79            V AR =   V O2 / 0,21                   VAR =   V N2 / 0,79
 Gases Residuais ou Fumos
As substâncias gasosas produzidas pela reação dos elementos químicos constituintes do combustível com o oxigênio, constituem os fumos da combustão, sendo estes, o veículo de transporte da maior parte do calor gerado na combustão.
CO2, SO2, CO, O2, N2 e vapor de água são os componentes normalmente presentes nos fumos.
A fumaça normalmente vista nas chaminés, é uma mistura dos fumos com neblinas e poeiras.
As neblinas são constituídas por partículas de líquidos em suspensão (água ou hidrocarbonetos pesados condensados pelo resfriamento dos gases).
As poeiras são formadas por partículas sólidas em suspensão (cinzas ou partículas sólidas do combustível arrastadas pelos gases).
calor sensível dos fumos
Chamamos de calor sensível dos fumos, a quantidade de calor que os mesmos possuem pelo fato de estarem aquecidos. Parte deste calor pode ser transferida para aquecer qualquer fonte fria, como uma caldeira. Trata-se portanto de calor útil.
calor latente dos fumos
Chama-se calor latente dos fumos a quantidade adicional de calor que poderia ser obtida, caso os mesmos fossem submetidos a uma combustão complementar, na qual as substâncias combustíveis presentes na massa gasosa (como CO e hidrocarbonetos sem queimar), sofressem oxidação produzindo calor.
Cinza
É o resíduo sólido da combustão de um combustível sólido. As cinzas de um carvão podem ser intrínsecas ou acidentais.
Não existe uma composição padrão para as cinzas de um carvão, pois a composição varia de local para local de onde o carvão é extraído.
Um aspecto importante das cinzas é a sua fusibilidade. Cinzas com alto ponto de fusão (acima de 1.400 °C) servem para proteger as barras da grelha do superaquecimento, prolongando a vida útil do material.
Cinzas com baixo ponto de fusão (abaixo de 1.200 °C formam aglomerados e em casos extremos, podem fundir-se totalmente e combinar-se com o material da grelha.
Carvões de boa qualidade apresentam teor de cinzas que varia de 7 a 12% em massa.
EXEMPLOS DE CÁ;CULO
1) Calcule:
a) o volume de ar que contém 228 litros de oxigênio;
b) o número de mol de nitrogênio contido em 6.200 mol de ar;
c) o volume de nitrogênio contido no ar que contém 840 litros de oxigênio;
d) a massa de oxigênio contida em 1.442 g de ar ;
e) a massa de ar que contém 1.150,24 g de nitrogênio;
a) para calcular o volume de ar solicitado, podemos a aplicar a relação V AR =   V O2 / 0,21                   
V AR   =   228 / 0,21   =    1.085,7 litros
b) para calcular o número de mol de nitrogênio solicitado, podemos a aplicar a relação nAR =   nN2 / 0,79 de onde               
nN2  =   6.200  x  0,79 = 4.898 mol
c) para calcular o volume de nitrogênio solicitado, podemos a aplicar a relação V AR =   V O2 / 0,21                   
V AR   =   840 / 0,21  =    4.000 litros
A seguir calcula-se a o volume de nitrogênio solicitado pela relação: V AR =   V N2 / 0,79 de onde
V N2  =   4.000  x  0,79 = 3.160 litros
d) Dividindo-se a massa de ar dada pela massa molar do ar (28,84 g/mol) tem-se o número de mol de ar.
n AR   =   1442 / 28,84  =   50 mol
A partir da relação nAR =   nO2 / 0,21 tem=se                   
n O2   =    0,21 x 50   = 10,5 mol
A massa de oxigênio é obtida multiplicando o valor obtido pela massa molar do oxigênio (32 g/mol)
m O2   =   10,5 x 32   =   336 g
e)  Dividindo-se a massa de nitrogênio dada pela sua massa molar (28 g/mol) tem-se o número de mol de nitrogênio.
n N2     =    1.150,24  / 28   =   41,08 mol
A partir da relação  n AR =   n N2 / 0,79 chega-se a          
nAR  =    41,08 / 0,79   =   52 mol
    
A massa de ar é obtida multiplicando o valor obtido pela massa molar do ar (28,84 g/mol)
mAR  =   52 x 28,84  = 1.499,68 g
Calcule as massas aproximadas de O2  e  N2 contidas em 1.000 g de ar.
O número de mol de ar (quantidade de matéria) será obtido dividindo-se a massa de ar pela massa molar do ar (28,84 g/mol) assim:
n AR = 1000 / 28,84  =  34,67 mol
Da quantidade obtida, como foi visto, 21% refere-se a O2 e 79% a N2.
n O2  = 0,21 x 34,67 = 7,28 mol
n N2  =  0,79 x 34,67 = 27,39 mol
multiplicando as quantidade de matéria obtidas pelas respectivas massas molares, tem-se as massas solicitadas.
m O2 = 7,28 x 32  =   232,86 g
m N2 = 27,39 x 28 =  766,92 9
ESTERQUIOMETRIA DA COMBUSTÃO E TIPOS DE COMBUSTÃO
composição dos combustíveis
Os elementos químicos normalmente presentes nos combustíveis são: carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e com menor freqüência o fósforo.
elementos essenciais ( C e H )
Os elementos essenciais têm presença muito freqüente na composição dos combustíveis, sendo que normalmente, predominam quantitativamente, respondendo pela geração de calor e pela função redutora.
carbono
C (GRAFITE)     +     O2                      →                   CO2       +      94 kcal
Havendo falta de oxigênio para a reação com o carbono, além da reação de combustão acima, ocorrerá parcialmente, a seguinte reação endotérmica:
C(GRAFITE)     +     CO2               →           2 CO      -     40,8 kcal.
Das duas reações anteriores obtém-se a reação de queima incompleta do carbono:
 C(GRAFITE)     +     ½ O2               →CO        +    26,6 kcal.
A reação é altamente desvantajosa, pois além do fato do monóxido de carbono (CO) ser tóxico, perde-se calor latente (combustível sem queimar), pois o CO é um combustível.
Se houver alimentação adicional de O2 no processo, ocorrerá a queima do CO, de acordo com a reação:
CO         +        ½ O2                →              CO2      +     69,9 kcal   
hidrogênio
H2 (GÁS)     +     ½ O2                →                 H2O (VAPOR)       +       57,8 kcal
H2  (GÁS)    +     ½ O2                →                  H2 O (LÍQUIDO)    +       68,3 kcal
elementos secundários (O, N, S, P)
oxigênio
A presença de oxigênio nos combustíveis acarreta sistematicamente, uma redução na capacidade de geração de calor dos mesmos. Combustíveis oxigenados geram, em princípio, menores quantidades de calor.                 
Tal fato permite concluir que é indesejável e desvantajosa a presença desse elemento na constituição do combustível.
Os exemplos a seguir mostram a redução na geração de calor.
C         +           O2               →              CO2         +       94 kcal
CO       +       ½ O2               →              CO2         +       69,9 kcal
CH4      +     2   O2                →             CO2          +     2 H2O    +   200 kcal
CH4O   +      3/2 O2               →             CO2          +     2 H2O    +   160 kcal
interpretação
Aceita-se como explicação que o oxigênio existente no combustível, acarreta uma prévia e parcial oxidação dos elementos essenciais.
convenção
Admite-se que o oxigênio presente em um combustível, anule por oxidação parcial, preferencialmente o hidrogênio em lugar do carbono. Assim, deve-se subtrair da quantidade total de hidrogênio a parcela já queimada.
Chamando de:
HT  (hidrogênio total) a quantidade total de hidrogênio presente no combustível;
HC (hidrogênio combinado) a parcela oxidada pelo oxigênio do combustível; e
HL (hidrogênio livre) a quantidade de hidrogênio útil para o processo de combustão.
A quantidade total de hidrogênio de um combustível pode ser representada por:
HT    =    HC    +    HL
O cálculo das quantidades de hidrogênio livre e combinado num combustível são feitos com base na fórmula e na reação de formação da água, que é o produto formado na oxidação do hidrogênio.
em massa:
Pela reação           H2         +       ½ O2                →                   H2O
pode ser verificado que 2g de hidrogênio combinam-se com 16g de oxigênio. Desta forma, sendo:
mO2      a massa de oxigênio presente no combustível;
                   m H2L    =    m H2T   –  m O2 / 8
mH2C a massa de hidrogênio combinado;
mH2L  a massa de hidrogênio livre (ou útil para o processo);
mH2T    a massa de hidrogênio total,
podem ser deduzidas as seguintes relações:
nitrogênio
O nitrogênio apresenta grande inércia química, caracterizada por uma baixa tendência de combinação, inclusive nos processos usuais de combustão.
Sendo o Poder Calorífico de um combustível, como será visto adiante, a relação entre a quantidade de calor gerado e a unidade de massa (ou de volume) do combustível queimada, conclui-se que a presença deste elemento, que contribui apenas para o aumento da massa (ou de volume), é desvantajosa, pois acarreta uma diminuição do Poder Calorífico do combustível.
enxofre
Durante uma combustão, o enxofre presente em um combustível se oxida de acordo com as reações:
     S     +        O2              →                SO2    +    72 kcal    
     S     +   3/2 O2             →                 SO3    +    105,5 kcal O
Então, sob o aspecto energético, não há dúvida que a presença de enxofre apresenta interesse, porém, paralelamente, há um aspecto altamente negativo que anula esta vantagem, tornando a presença desse elemento inconveniente. São os produtos da sua oxidação.
Tanto o SO2 como o SO3 são substâncias extremamente tóxicas e corrosivas, constituindo-se em poderosos agentes poluentes.
fósforo
O fósforo presente no combustível se oxida de acordo com a reação:
P4     +      5 O2                →             P4O10     +     360 kcal
O produto formado em contato com a umidade do ar externo forma o ácido fosfórico (H3PO4) que sendo corrosivo, torna indesejável a presença de fósforo no combustível.
Tipos de Combustão
incompletas: quando a quantidade de oxigênio alimentada é menor que quantidade estequiometricamente necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível, aparece nos fumos grandes quantidades de frações sem queimar, como o CO (e hidrocarbonetos em algumas situações). Não há presença de oxigênio.
teoricamente completas (ou estequiométricas): quando a alimentação de oxigênio é feita com a quantidade estequiometricamente necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível verifica-se a presença de pequena quantidade de CO nos fumos e quantidade desprezível (ou nula) de oxigênio.
completas: quando se alimenta uma quantidade de oxigênio maior que a quantidade estequiométrica necessária para oxidar totalmente todas as frações do combustível haverá a presença de oxigênio nos fumos, em maior ou menor quantidade (dependendo do combustível queimado e do excesso empregado) e quantidade desprezível (ou nula) de CO.
Razões do Uso de Excesso de Comburente em Processos de Combustão
a) Contato combustível – comburente À medida que se aumenta a quantidade de moléculas de O2, aumenta a probabilidade de choque com as moléculas do combustível (ou com suas partículas finamente divididas) ecresce a taxa de conversão dos reagentes em produtos da reação.
b) Deslocamento do equilíbrio químico das reações.
As reações de combustão ocorrem em fase gasosa, e são reações de equilíbrio químico (reversíveis).Com o aumento da concentração de oxigênio no sistema, evitamos o deslocamento do equilíbrio no sentido da reformação dos reagentes.
A porcentagem de ar em excesso é expressa em relação à quantidade teórica, estequiometricamente calculada.
Trata-se de uma parcela a ser alimentada além da quantidade teórica (ou estequiométrica).
Ordem de Grandeza do Excesso de Comburente
Levando-se em conta somente o estado físico do combustível, o excesso recomendado varia conforme segue:
combustíveis gasosos :    5   a    30%   de ar em excesso;
combustíveis líquidos   : 20   a    40%   de ar em excesso; 
combustíveis sólidos    : 30   a   100% de ar em excesso.
Roteiro para a Solução de Exercícios
A) adotar uma base de cálculo quando não for especificada.
Como regra geral, adota-se para combustíveis sólidos e líquidos, 1000 g de combustível.
Para combustíveis gasosos, pode-se adotar 100 mols do combustível ou 1 m3 de gás a CNTP;
B) escrever as reações de combustão completa das espécies químicas e/ou frações combustíveis;
Importante: nas reações de combustão completa,
- todo o carbono é oxidado a CO2;
- todo o hidrogênio é oxidado a H2O;
- o enxofre presente é oxidado a SO2;
- se houver CO, será oxidado a CO2;
- a combustão completa de hidrocarbonetos, álcoois, cetonas etc. produz CO2 e H2O.
C) como base na estequiometria das reações e da quantidade de matéria de cada espécie / fração combustível, determinar a quantidade de matéria de oxigênio teórico para o processo, lembrando que:
O2 TEÓRICO-   O2 DO COMBUSTÍVEL =   O2 PARA COMBUSTÃO COMPLETA  
                                                                        DE TODO O COMBUSTÍVEL
D) com base na informação do problema, calcular a quantidade de matéria de oxigênio em excesso e a quantidade real.
Lembrar que a quantidade de matéria de oxigênio em excesso é uma porcentagem da quantidade teórica, e que a quantidade real é a soma da quantidade de matéria teórica com a quantidade de matéria em excesso;
E) para encontrar as correspondentes quantidades de ar (em quantidade de matéria ou volume), basta dividir as quantidades de O2 encontradas, por 0,21;
n AR    =  n O2 / 0,21  
F) se ocorrer queima incompleta, re-escrever as reações de combustão, de acordo com os dados fornecidos;
G) desenhar um fluxograma do processo, marcandoas correntes de entrada  (ar e combustível) e as de saída (fumos e resíduo);
H) com base nos produtos das reações, composição do ar e do combustível, especificar os componentes de cada corrente;
I) encontrar as quantidades de matéria de cada componente dos fumos, com base nas respectivas equações de combustão e a composição do combustível e do comburente.
Lembrar que, nas combustões completas, a quantidade de matéria de O2 nos fumos coincide com a quantidade de matéria de O2 em excesso.
Nas incompletas, a quantidade de matéria de O2 nos fumos deve ser obtida por meio da expressão:
O2 NOS FUMOS     =    O2 ALIMENTADO    –    O2 CONSUMIDO NAS REAÇÕES
 EXEMPLOS DE CÁLCULO
1) - Um carvão mineral apresenta a seguinte composição em 1000 gramas:
carbono    hidrogênio    oxigênio    nitrogênio    enxofre    umidade    Cinza
   600            70               56             112            48            45           64
Considerando a queima de 1 kg desse combustível com 80% de ar em excesso, calcular:
a) volume de ar real necessário, captado a 20 °C e 720 mmHg;
b) o volume de fumos liberados a 157 °C e 850 mmHg;
c) massa de água do combustível;
d) a massa capaz de gerar calor; e
e) as massas existentes nos fumos de: água combinada, água formada, água total, dióxido de carbono.
A) Base de Cálculo: 1000 g de combustível.
A composição do combustível em 1.000g é:
Elemento                   massa                                  quantidade de matéria
carbono             =       600 g                600/12    =      50      mols   
hidrogênio          =       70 g                   70/2      =      35      mols
oxigênio            =       56 g                  56/32      =     1,75    mols
nitrogênio          =       112 g                112/28     =        4       mols
enxofre              =       48 g                  48/32     =       1,5     mols
umidade            =       45 g                  45/18      =         2,5     mols
Cinza                 =       48 g    
B) Reações de Combustão (cálculo da quantidade de matéria de O2 teórico)
            C          +          O2                   –>                  CO2
        50 mols             50 mols                                   50 mols
           H2          +        ½ O2                 –>                 H2O
         35mols            17,5 mols                                35 mols
           
              S       +          O2                    –>                  SO2
         1,5 mols          1,5 mols                                   1,5 mols
C) quantidade de matéria de O2 teórico
n O2  PARA O CARBONO        =    50   mols
n O2 PARA O HIDROGÊNIO   =    17,5 mols
n O2 PARA O ENXOFRE         =    1,5  mols
n O2 DO COMBUSTÍVEL        =    1,75 mols
n O2 TEÓRICO   =    50 + 17,5 + 1,5 - 1,75 =    67,25 mols
D) quantidades de matéria de O2 em excesso e real
n O2 EXCESSO  =   0,8 x 67,25       =     53,8  mols
n O2 REAL        =   67,25   + 53,8    =   121,05 mols 
E) quantidade de matéria de ar real
n AR REAL =    121,05 / 0,21 =   576,43 mols
sendo: n O2    = 121,05 mols       e         n N2    =   576,43 x 0,79   =   455,38 mols
O volume de ar a ser captado a 20 °C e 720 mm Hg será:
V AR     =   (576 x 62,3 x 293) / 720    =    14.614 L ( a )
I) quantidades de matéria dos componentes dos fumos
n CO2  =  n C   =    50      mols    
n SO2 =   nS   =    1,5      mols    
n H2O    =    n H2 + n H2O(UMIDADE)     =    35 + 2,5     = 37,5 mols    
n N2        =    n N2 (COMBUSTÍVEL) + n N2 (AR)    =     4  + 455,38    =     459,38 mols
n O       =    n O2(EXCESSO)     =    53,8 mols    
n FUMOS=    50 + 1,5 + 37,5 + 459,38 + 53,8   = 602,18 mols    
Cálculo do volume de fumos
V    =    n R T / P
V    =    (602,18 x 62,3 x 430) / 850   =  18.978,6 L
Cálculo das massas solicitadas
massa de água combinada
A água combinada provém do hidrogênio combinado. Assim:
n H2O COMBINADA    =    n H2 COMBINADO = 2 n O2   DO COMBUSTÍVEL
n H2O COMBINADA    =    2 x 1,75   =   3,5 mols
lembrando que: massa = n Massa Molar
tem-se: m H2O COMBINADA = 3,5 x 18 = 63 g
massa de água formada
A água formada provém do hidrogênio livre
n H2O FORMADA    =    nH2 LIVRE   =   nH2 TOTAL  - 2 nO2 COMBUSTÍVEL
n H2O FORMADA    =    35 - 2 x 1,75   =   31, 5 mols                  
m H2O FORMADA   =    31,5 x 18   =   567 g
massa de água total
A água total provém do hidrogênio total e da umidade do combustível. Na composição do combustível tem-se 45g de umidade. Assim:
m H2O FUMOS    =     n H2O x 18 + m UMIDADE  =   35 x 18   +   45    =   675g
massa de dióxido de carbono
m CO2       =   n CO2 FUMOS x 44   =   50 x   44     =    2.200 g
massa de água do combustível
A massa de água do combustível é a soma da massa de água combinada e da massa de umidade do combustível. Assim:
m H2O COMBUSTÍVEL  =   m H2O COMBINADA  +   m UMIDADE   =    63   +   45    =   108 g
massa do combustível capaz de gerar calor
A massa do combustível capaz de gerar calor é a soma da massa de carbono, com a massa de hidrogênio livre mais a massa de enxofre.
m CAPAZ DE GERAR CALOR = m C + m H2 LIVRE  +   m S  
m CAPAZ DE GERAR CALOR  = 600 + ( 70-56 / 8  ) + 48 = 711 g 
2) – Um veículo movido a etanol percorre 9 km/litro de combustível. Sendo conhecida a fórmula molecular do etanol C2 H5OH, determinar :
a) a quantidade molar de ar necessária para queimar totalmente 1 litro de etanol com 20% de ar em excesso.
b) a quantidade molar de oxigênio subtraído ao ambiente por quilômetro rodado.
c) qual a quantidade de matéria de CO2 formada por quilômetro rodado ?
d) a massa de H2O formada por litro de combustível.
Dado: densidade do etanol = 0,782 g/mL
A) Base de cálculo: 1 L de etanol ( = 1000 mL )
Sendo:   d = m / V   a massa pode ser calculada por:
m   =   d V    ou    m = 1000 x 0,782   =   782 g de etanol
a quantidade de matéria será:
n    = 782 / 46     =   17 mols de etanol
B) Reação de Combustão
C2H5OH  +        3 O2             –>       2 CO2    +    3 H2O
 1 mol              3 mols                       2 mols        3 mols
 17 mols         51 mols                      34 mols       51 mols
C) n O2 TEÓRICO    =    51 mols    
D) n O2 EXCESSO   =    0,2 x 51    =    10,2 mols
n O2 REAL   =    51 + 10,2    =    61,2 mols
E) n AR REAL  =  61,2 / 0,21  =  291,43 mols
quantidade de matéria de ar necessária   =   291,43 mols (a)
b) Para cálculo da massa de oxigênio subtraído do ambiente, deve-se levar em conta que o oxigênio captado em excesso é devolvido ao ambiente junto com os fumos da combustão. Assim, a quantidade subtraída é somente o número de mols de oxigênio teórico.
Para 1 litro de combustível foi calculado o total de oxigênio teórico de 51 mols.
Como o veículo percorre 9 km por litro, o número de mols de oxigênio por quilômetro será:
n O2 SUBTRAÍDO POR QUILÔMETRO   = 51 / 9      =   5,67 mols
c) Pela reação de combustão constata-se que para cada litro de etanol queimado (17 mols) formam-se 34 mols de CO2. Considerando a quilometragem percorrida por litro (9 km), o número de mols de CO2 por quilômetro rodado será:
n CO2 POR QUILÔMETRO RODADO   = 34 / 9    =    3,78 mols
d) Pela reação de combustão constata-se que para cada litro de etanol queimado (17 mols) formam-se 51 mols de H2O. Assim:
m H2O FORMADA   =   51 x 18   =   918g
3) Considere a queima de 1 m3 de gás metano (CH4) captado a 880 mmHg e 27 °C com 20% de ar em excesso. Calcule a quantidade de ar necessária, sendo o ar captado nas mesmas condições. Calcule o volume de fumos, sabendo que os mesmos são liberados a 127 °C e 1015 mmHg.
Nota: Nas situações em que tanto os reagentes como os produtos de uma reação são gasosos, podemos utilizar a proporção volumétrica dada pelos coeficientes da(s) reação(es) química(s) balanceada(s), desde que todos os volumes envolvidos sejam considerados nas mesmas condições de pressão e temperatura.
A) Base de Cálculo: 1 m3 metano a 27 °C e 880 mmHg
B) Reação de Combustão
 CH4    +     2 O2–>            CO2    +    2 H2O           
1 vol           2 vol                         1 vol          2 vol
1000 L        2.000 L                    1.200 L       2.000 L   
C) V O2 TEÓRICO      =   2.000 L
D) V O2 EXCESSO.     =    0,2 x 2000     =    400 L
     V O2 REAL           =    2.000 + 400   = 2.400 L
E) Volume de ar   a   27 °C   e 880 mmHg
VAR    =   2.400 / 0,21   =   11.428,6 L
I) volumes dos componentes dos fumos
VCO2   =    2.000 L (conforme reação química )
VH2O   =     2.000 L (conforme reação química)
VN2      =    9.428,6 L
VO2    =        400 L
V FUMOS   a  880 mmHg   e   27°C
V FUMOS     =    2.000 + 2.000 + 9.428,6 + 400   =   13.828,6 L 
Cálculo do volume de fumos nas condições solicitadas (127 °C e 1015 mmHg)
P1V1 / T1 = P2V2 / T2 
considerando para índice 1 as condições da base de cálculo, e para índice 2 as condições de liberação dos fumos, tem-se:
880 x 13.826,6 / 300   =   1015 x Vfumos / 400
de onde se obtém       V FUMOS   = 15.983,4 L
4) Um carvão mineral apresenta a seguinte composição em porcentagem em massa:
carbono    hidrogênio    oxigênio    Cinza
 69,6%        18%          8,96%      3,44%
Deve ser queimado com 70% de ar em excesso. Considerando a queima de 1 kg do carvão pede-se:
a) a quantidade de matéria de ar real necessário;
b) a quantidade de matéria de cada componente dos fumos; e
c) a quantidade de matéria total dos fumos.
A) Base de Cálculo: 1 kg do carvão
tem-se:
carbono             =     696 g    –>    n C        =    696 / 12            =    58  mols    
hidrogênio          =    180  g    –>   nH2           =    180/2                =    90    mols    
oxigênio             =     89,6 g    –>  nO2         =    89,6 / 32           =    2,8   mols    
cinza                   =     34,4 g    
B) Reações de Combustão
     C        +              O2             –>                   CO2
  58 mols              58 mols                              58 mols
     H2       +          ½ O2             –>                   H2O
 90 mols              45 mols                               90 mols
C) n O2 TEÓRICO      =    (58 + 45 - 2,8)    =     100,2 mols
D) n O2 EXCESSO       =    0,7 x 100,2         =     70,14 mols
   
n LO2 REAL                =   100,2 + 70,14      =   170,34 mols
E) n AR REAL             =   170,34 / 0,21 =    811,14 mols    (a)
I) quantidades em mols dos componentes dos fumos (b)
n CO2     =    n C   =    58 mols    
n H2O    =    n H2  =   90 mols
n O2  =  n O2 EXCESSO   =   70,14 mols
n N2  =  n N2 DO AR    =   640,80 mols
n FUMOS   =58 + 90 + 70,14 + 640,80   =   858,94 mols
5.Resolver o problema n° 4 supondo que 90% do carbono se oxide a CO2 e o restante a CO, mantendo a porcentagem de ar em excesso empregado.
Observação: como para o cálculo do número de mols de oxigênio teórico devemos impor combustão total de todo o combustível. Assim, permanecem inalterados os valores encontrados nos itens C, D e do roteiro e o item a do problema tem a mesma resposta.
E) n AR REAL   =   811,14 mols     
F) Devem ser re-escritas as reações de combustão, de acordo com as novas condições.
0,9 x 58    =    52,2 mols de carbono oxidam-se a CO2;
0,1 x 58    =     5,8 mols de carbono oxidam-se a CO.    
As reações de combustão passam a a ser:
        C       +     O2                                    –>                        CO2                            (I)
   52,2 mols    52,2 mols                         52,2 mols
        C       +      ½ O2                            –>                        CO               (II)
     5,8 mols     2,9 mols                         5,8 mols
        H2       +     ½ O2                             –>                        H2O              (III)
    90 mols         45 mols                                                   90 mols  
I) quantidades de matéria dos componentes dos fumos   (b)
n CO2   =  52,2 mols (de acordo com a reação I)
n CO   =    5,8 mols (de acordo com a reação II)
nH2O   =    90 mols (de acordo com a reação III)
n N2    =    n N2 DO AR    =    640,80 mols
n O2     =    n O2 ALIMENTADO- n O2 CONSUMIDO NAS REAÇÕES
n O2     =     (170,34 + 2,8) - (52,2 + 2,9 + 45)   =   73,04 mols
n FUMOS      =    52,2  + 5.8 + 90 + 73,04 + 640,80   = 861,84 mols
6) São analisadas as condições de funcionamento de 3 veículos conforme segue:
O primeiro movido a gasolina composição média C6 H12, densidade 0,756 g/ml. Para cada litro do combustível injeta-se na câmara de combustão 9500 litros de ar medidos em CNTP
O segundo movido a etanol (C2 H5OH) densidade = 0,782 g/mL. Para cada litro de combustível injeta-se na câmara de combustão 7100 litros de ar medidos nas CNTP.
O terceiro movido a Gás Natural Veicular (GNV) de composição: metano (CH4) = 89%; etano (C2H6) = 7%; propano (C2H6) = 2% outros gases não combustíveis 2%. Para cada 10 litros do combustível, injeta-se na câmara de combustão 180 litros de ar medidos nas mesmas condições de medida do combustível.
Pergunta-se:
a) Que tipo de combustão é prevista em cada caso?
b) Ocorre perda de potência devido a perda de calor em algum caso?
c) Qual a composição prevista para os fumos em cada caso?
No primeiro veículo (movido a gasolina) tem-se:
Base de cálculo: 1 L de gasolina ( = 1000 mL )
Sendo:   d = m / V   a massa pode ser calculada por:
m   =   d V    ou    m = 1000 x 0,756   =   756 g de gasolina
a quantidade de matéria será:
n    =   756 / 84   =   9 mols de gasolina
Reação de Combustão
C6H12        +       9 O2          ®       6 CO2   +    6 H2O
 1 mol              9 mols                    6 mols        6 mols
 9 mols            81 mols                   54 mols       54 mols
n O2 TEÓRICO   =  81 mols
n AR TEÓRICO   = 81 / 0,21 = 385,71 mols
VOLUME DE AR TEÓRICO EM CNTP = 385,71 x 22,4 = 8.640 L
VOLUME DE AR REAL ALIMENTADO EM CNTP = 9.500 L
Porcentagem de ar em excesso aplicada = (9500 – 8640) x100/ 8640 = 10%
Sendo a gasolina um combustível líquido a porcentagem de ar em excesso adequada deve estar entre 20 e 40%. Assim o valor encontrado esta abaixo do mínimo de 20%. Pode-se prever assim, uma combustão incompleta. Os gases conterão CO2, H2O, N2 e CO em grande quantidade acarretando perda de calor latente, já que parte do combustível não será queimada, implicando em perda de potência do motor.
No segundo veículo (movido a etanol) tem-se:
Base de cálculo: 1 L de etanol ( = 1000 mL )
Sendo:   d =    a massa pode ser calculada por:
m   =   d V    ou    m = 1000 x 0,782   =   782 g de etanol
a quantidade de matéria será:
n    = 782 / 46   =   17 mols de etanol
Reação de Combustão
C2H5OH  +       3 O2           –>       2 CO2    +    3 H2O
 1 mol              3 mols                    2 mols        3 mols
 17 mols         51 mols                   34 mols       51 mols
n O2 TEÓRICO   =    51 mols    
n AR TEÓRICO   = 51/0,21 = 242,86 mols
VOLUME DE AR TEÓRICO EM CNTP = 242,86 x 22,4 = 5.440 L
VOLUME DE AR REAL ALIMENTADO EM CNTP = 7.100 L
Porcentagem de ar em excesso aplicada = (7100 – 5440)x100/5440 = 30,5%
Sendo o etanol um combustível líquido a porcentagem de ar em excesso adequada deve estar entre 20 e 40%. Assim o valor encontrado esta dentro da faixa. Pode-se prever assim, uma combustão completa. Os gases conterão CO2, H2O, N2, O2 e CO em quantidade desprezível. Não haverá perda de calor ou de potência devido ao processo de combustão.
No terceiro veículo (movido a GNV) tem-se:
Base de cálculo: 10 L de GNV.
De acordo com a composição fornecida tem-se:
Metano = 8,9 litros; Etano = 0,7 litros e propano 0,2 litros
Reações de Combustão
Nota: Nas situações em que tanto os reagentes como os produtos de uma reação são gasosos, podemos utilizar a proporção volumétrica dada pelos coeficientes da(s) reação(es) química(s) balanceada(s), desde que todos os volumes envolvidos sejam considerados nas mesmas condições de pressão e temperatura.
Para o metano
CH4     +      2 O2          –>            CO2   +    2 H2O
1 vol2 vol                         1 vol          2 vol
 8,9 L          19,8 L                        8,9 L         19,8 L    
Para o etano
C2H6      +     3,5 O2       –>            2 CO2   +    3 H2O
1 vol              3,5 vol                      2 vol           3 vol
 0,7 L             2,45 L                       1,4 L           2,1 L   
Para o propano
C3H8     +      5 O2        –>            3 CO2   +    4 H2O
1 vol             5 vol                        3 vol            4 vol
0,2 L             1 L                           0,6 L            0,8  L          
VOLUME DE O2 TEÓRICO  =  19,8 + 2,45 +  1 = 23,25 L 
VOLUME DE AR TEÓRICO   = 23,25/0,21 = 110,7 L
VOLUME DE AR REAL ALIMENTADO = 180 L
Porcentagem de ar em excesso aplicada = (180 – 110,7)x100/110,7 = 62,6%
Sendo o combustível gasoso, a porcentagem de ar em excesso adequada deve estar entre 5 e 30%. Assim o valor encontrado está muito acima da faixa. Pode-se prever assim, uma combustão completa. Os gases conterão CO2, H2O, N2, O2 e CO em quantidade desprezível. Ocorrerá perda de calor sensível devido ao excesso exagerado de ar que reduz a temperatura da câmara de combustão acarretando mau funcionamento do motor e perda de potência .
7) Suponha que no exercício 5, o primeiro veículo percorra 8,5 km e libere 22,8 g de CO por litro de gasolina. Em que países o veículo poderá circular sem infringir a legislação?
É dada a tabela a seguir:
Limites de Emissões Automotivas
Países
(veículos a gasolina)
emissão em gramas por quilômetro rodado
             CO                          CxHy                           NOx
USA        2,0                          0,25                            0,60
Brasil       2,0                           0,3                             0,60
(veículos a álcool e  gasolina)
Japão       2,7                           0,39                            0,48
Austrália  18,6                          1,75                             1,7
 Cálculo da massa de CO liberada por km
Massa = 22,8 / 8,5   = 2,68 g/km
Desta forma o veículo só poderá circular no Japão e na Austrália.
Análise Imediata de Carvão Mineral
Objetivo: Determinação das porcentagens dos grupos de substâncias que compõem o carvão:
Umidade, Matéria Volátil, Cinza, Carbono Fixo, Enxofre
umidade: (U) : São duas frações: Umidade livre ou superficial e Umidade de equilíbrio, intrínseca ou inerente.
Uma amostra de carvão de massa conhecida é colocada em estufa a 105ºC pó 1h30min.
cálculo de umidade de equilíbrio
%U = 100 x (massa da amostra – massa da amostra seca) / massa da amostra 
: 
 matéria volátil (MV)
Parcela de substâncias que escapam do cadinho fechado durante o aquecimento da amostra a 900 ºC.
 
cálculo da porcentagem de matéria volátil (MVT). 
% MVT  = 100 x (massa da amostra –massa de resíduo da queima da MV) / massa de amostra                          
Para obter o valor da % Matéria Volátil propriamente dita (MVpd) subtrai-se da  % MVT a % de umidade que foi calculada anteriormente:
                                                  % MVpd = % MVT  –  % U
cinza (Z)
É o produto final residual mineral da queima total do carvão. A cinza é derivada de matéria mineral no carvão, porém, não existe no carvão na mesma forma em que é pesada na experiência.
 
cálculo de cinza  
                                %Z = 100 x massa de cinza / massa da amostra
carbono fixo
Dá-se o nome de “carbono fixo” ao conjunto de substâncias combustíveis que não se desprendem quando o carvão é aquecido fora do contato do ar na determinação da matéria volátil.
cálculo da porcentagem de carbono fixo              % CF = 100 (%U + %MVp.d + %Z)
Se o carvão contiver mais que 2% de enxofre normalmente proveniente de pirita de ferro FeS2 (que se transforma pela calcinação em Fe2O3) deve-se corrigir o valor da porcentagem de cinza encontrada da seguinte forma:
% cinza = %Z – 0,625 x %S
Portanto, a Ï neste caso será:              Ï 100 – (%U + %MVp.d + %Z + 0,625 x %S)
 
Apresentação dos resultados da análise imediata de um carvão mineral em outras bases
análise imediata na “base seca”
A partir dos dados de uma análise na “base úmida” pode-se determinar uma análise imediata a “base seca”, multiplicando cada valor calculado( MV, Ï, %Z) da análise imediata na base úmida pelo fator:
análise imediata na “base seca e sem cinza”
Pelo mesmo raciocínio do cálculo da análise imediata na “base seca” pode-se transformar os valores de uma análise imediata na “base úmida” para análise imediata na “base seca e sem cinza”. Basta multiplicar o valor de %MV e o valor do Ï pelo fator:
EXEMPLO DE CÁLCULO
1) A Análise Imediata de um carvão mineral, foi realizada em laboratório utilizando-se uma única amostra do carvão, contida em um cadinho.     As massas obtidas foram as seguintes:
Cadinho com a amostra inicial...................................................    20,960 g
Cadinho com a amostra após 1,5h em estufa a105°C..................    20,858 g
Cadinho com o resíduo após queima da matéria volátil................    20,619 g
Cadinho com o resíduo após queima total em mufla a 950°C........   19,813 g
Cadinho utilizado na experiência...............................................    19,720 g
Pede-se:
a)   os resultados da análise na base úmida
b)   os resultados da análise na base seca;
c)   os resultados da análise na base seca e sem cinza.
Inicialmente deve-se descontar das massas dadas a massa do cadinho utilizado para efetuar os cálculos usando somente as massas da amostra usada em cada etapa do ensaio
amostra inicial...................................................    1,240 g
amostra após 1,5h em estufa a105°C..................    1,138 g
resíduo após queima da matéria volátil................    0,899 g
resíduo após queima total em mufla a 950°C........    0,093 g
    
a) Na base úmida
% U         =    100 x  (1,240 – 1,138) / 1,240  =    8,2 %
% MVpd   =   100 x  (1,138 – 0,899) / 1,240   =   19,3 %
 
 % Z           =    100 x 0,093/ 1,240   =   7,5 % 
CF = 100 – (8,2 + 19,3 + 7,5)   =   65 %
 
b) Na base seca
MV’   =    19,3   x  100 / (100 – 8,2)   =      21,0 %
Z’       =       7,5   x  100 / (100 – 8,2)   =        8,2 %
CF’     =    100 – (21,0 + 8,2)   =     70,8 %
c) Na base seca e sem cinza
MV”    =   19,3    x  100 / (100 – 8,2 – 7,5)     =    22,9 %
CF”    =   100    –   MV”   =   77,1 %
 
Poder de Coqueificação de Carvões (teste do “número de inchamento”)
Visa classificar o carvão quanto ao se “poder de coqueificação” e obter indicações sobre o melhor uso do carvão ensaiado.
Para tanto, a amostra de carvão é fortemente aquecida em cadinho fechado até desprendimento total da matéria volátil.Após resfriamento da amostra, retira-se do cadinho o “botão de coque” formado (se o carvão for coqueificável) e compara-se com uma tabela que fornece o número de inchamento, a partir do qual se obtêm sua classificação e as indicações de uso mais adequado 
Poder Calorífico de Carvões
Fornece o rendimento energético do mesmo, ou seja, a quantidade de calor que será obtida na queima completa da unidade de massa (ou de volume) do combustível. 
 
cálculo pela fórmula de Gouthal
O cálculo é estimativo. Trata-se de uma fórmula empírica que utiliza os resultados da análise imediata do carvão. 
                                                                        PCS = 82 (CF) + A(MV)
Onde CF e MV são, respectivamente, a porcentagem de carbono fixoe a porcentagem de matéria-volátil propriamente dita ambas  na base úmida. A unidade do valor encontrado é kcal/kg. 
O fator “A” é determinado na Tabela a seguir e depende da porcentagem de matéria volátil propriamente dita calculada na base seca e sem cinza (MV”). Se o valor de MV” não constar da tabela, o valor de A deve ser obtido por interpolação.
	MV”
	A
	MV”
	A
	MV”
	A
	MV”
	A
	MV”
	A
	1 a 4
	100
	12
	124
	20
	109
	28
	100
	36
	91
	5
	145
	13
	122
	21
	108
	29
	99
	37
	88
	6
	142
	14
	120
	22
	107
	30
	98
	3885
	7
	139
	15
	117
	23
	105
	31
	97
	39
	82
	8
	136
	16
	115
	24
	104
	32
	97
	40
	80
	9
	133
	17
	113
	25
	103
	33
	96
	41
	77
	10
	130
	18
	112
	26
	102
	34
	95
	-
	-
	11
	127
	19
	110
	27
	101
	35
	94
	-
	-
 
cálculo pela fórmula de Dulong
Permite calcular, de forma estimativa, o Poder Calorífico Superior (PCS) e o Poder Calorífico Inferior (PCI) de carvões minerais, conhecendo-se a composição porcentual em massa dos mesmos.
Os valores do PCS e do PCI são encontrados em kcal/kg
 
PCS   =   81,4 (C) + 345 (H - 0/8) + 25 (S)
 
PCI    =   81,4 (C) + 290 (H - 0/8) + 25 (S)   − 6 (H2O)
 
onde C, H, O, S são as porcentagens em massa dos respectivos componentes.
 
O termo (H2O) é a soma das porcentagens em massa de água combinada e umidade existentes no combustível.
 
fórmulas de Dulong com coeficientes desenvolvidos
Os valores do PCS e do PCI são obtidos em kcal/kg.
 
PCS   =   8.070 (C) + 34.550 (H - 0/8) + 2.248 (S)
 
PCI    =   8.070 (C) + 29.000 (H - 0/8) + 2.248 (S) − 600 (H2O)        
onde C, H, O, S são as frações em massa (%P/100) dos respectivos componentes do carvão
O termo (H2O) é a soma das frações em massa de água combinada e umidade existentes no combustível.
 
Pode-se notar que nas fórmulas de Dulong para cálculo do PCI, os termos      6 (H2O) e 600 (H2O) são negativos. Isto se deve ao fato de os mesmos representarem a quantidade de calor perdida para evaporar a água do combustível. (umidade mais água combinada).
 
 
EXEMPLOS DE CÁLCULO
2) Um carvão mineral apresentou a seguinte análise imediata:
Umidade = 8,0 % ; Matéria Volátil Propriamente Dita = 32,3 % ; Carbono Fixo = 51,5 % ; Cinza = 8,2 %. Faça um cálculo estimativo do poder calorífico do combustível pela fórmula de Gouthal.
A fórmula de Gouthal é: PCS = 82 (CF) + A(MV)
Nessa fórmula CF e MV significam respectivamente a porcentagem de Carbono Fixo e a porcentagem de Matéria Volátil Propriamente Dita do combustível (ambas na base úmida).
 
A é obtido na tabela da página 27 a partir da Matéria Volátil Propriamente Dita calculada na base seca e sem cinza, pela fórmula a seguir:
 
            %MV (base seca e sem cinza) = %MV (base úmida) x 
 
 
%MV (base seca e sem cinza) = 32,3 x   = 38,5 %
 
 
Na tabela dada,  nota-se que aos valores imediatamente anterior e posterior a 38,5, correspondem valores de A respectivamente iguais a 85 e 82.
Ou seja, cada vez que MV” cresce de uma unidade, o valor de A decresce 3 vezes mais. Então, como MV” cresceu de 0,5, o valor de A decrescerá de 1,5 (3 vezes mais). Desta forma o valor de A a ser usado é 85 - 1,5 = 83,5.
O cálculo do PCS será:
 
PCS = 82 x 51,5 + 83,5 x 32,3 = 6.920 kcal/kg
 
3)  Um carvão mineral apresentou a seguinte composição em 1000 gramas:
	carbono
	=
	 678 g
	hidrogênio
	=
	   42 g
	enxofre                
	=
	   38 g
	água combinada
	=
	   88 g
	umidade
	=
	   96 g
	cinza
	=
	   58 g
 
Calcular o PCS e o PCI desse carvão pelas fórmulas de Dulong.
 
a) pelas fórmulas da porcentagem em massa
PCS   =   81,4 (C) + 345 (H - 0/8) + 25 (S)
 
PCI    =   81,4 (C) + 290 (H - 0/8) + 25 (S)   − 6 (H2O)
 
 
4) Devem ser consideradas as porcentagens em massa dos componentes
 
	elemento
	 
	massa
	%massa
	carbono
	=
	 678 g
	 67,8 %
	hidrogênio
	=
	   42 g
	    4,2 %
	oxigênio
	=
	   70 g
	    7,0 %
	enxofre                
	=
	   26 g
	    2,6 %
	água combinada
	=
	   90 g
	    9,0 %
	umidade
	=
	   46 g
	    4,6 %
	cinza
	=
	   48 g
	    4,8%
 
PCS   =   81,4 x (67,8) + 345 x (4,2- 7 / 8) + 25 x (2,6)   =   6.731 kcl/kg
 
 
PCI    =   81,4 x (67,8) + 290 x  (4,2 - 7 / 8) + 25 x  (2,6)   − 6 x (13,6) = 6.467 kcal/kg
 
 
a) pelas fórmulas com coeficientes desenvolvidos
 
PCS   =   8.070 (C) + 34.550 (H - 0/8) + 2.248 (S)
 
PCI    =   8.070 (C) + 29.000 (H - 0/8) + 2.248 (S) − 600 (H2O)        
 
 
Devem ser consideradas as frações em massa dos componentes (%P/100)
 
	elemento
	 
	massa
	fração em massa
	carbono
	=
	 678 g
	0,678
	hidrogênio
	=
	   42 g
	0,042
	oxigênio
	=
	   70 g
	0,070
	enxofre                
	=
	   26 g
	0,026
	água combinada
	=
	   90 g
	0,090
	umidade
	=
	   46 g
	0,046
	cinza
	=
	   48 g
	0,048
 
 
PCS = 8070 x (0,678) + 34550 x (0,042 – 0,070 / 8) + 2248 x (0,026)  =  6.679 kcal/kg
 
PCI = 8070 x 0,678 + 29000 x (0,042–0,070 / 8) +2 248 x 0,026 – 600 x 0,136  =  6412 kcal/kg