3ª Lista de Exercícios Corrosão e Combustão

Prévia do material em texto

ESCOLA POLITÉCNICA DA USP 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
PQI 3120 – QUÍMICA TECNOLÓGICA 
 
3ª. Lista de exercícios – 2016 
 
CORROSÃO 
1) Defina corrosão, densidade de corrente de corrosão, potencial de corrosão. 
Corrosão: interação indesejável entre metal e meio que leva ao seu desgaste ou falha 
em serviço. O mecanismo mais frequente é o eletroquímico. 
Densidade de corrente de corrosão – medida da velocidade de corrosão de um metal 
obtida experimentalmente a partir de técnicas eletroquímicas. Define o estado 
estacionário do metal num meio corrosivo onde o metal se encontra polarizado 
anodicamente e onde a velocidade do processo anódico (oxidação do metal) se iguala 
à velocidade de redução de uma espécie do meio, que sustenta a pilha de corrosão. Seu 
valor depende da resistividade do meio e quanto maior esta for, menor será seu valor. 
O potencial de corrosão é o equipotencial que se estabelece no estado estacionário, 
onde as áreas anódicas e catódicas da superficie do metal se encontram 
curtocircuitadas (no mesmo potencial) e onde se estabelece a densidade de corrente de 
corrosão.sua medida é feita em circuito aberto, sem qualquer interferência externa,m 
uma vez que o processo de corrosão é fenômeno espontâneo. 
 
 
2) Como é possível se avaliar a velocidade de corrosão de um certo metal? 
A velocidade de corrosão de um metal pode ser avaliada de diferentes formas: por 
técnicas gravimétricas (medida da perda de massa de corpos de prova de área exposta 
e tempo de contato conhecidos), eletroquímicas (a partir de curvas de polarização do 
metal –Tafel ) ou analíticas(análise dos íons metálicos liberados no meio agressivo). 
 
3) Explique, com base na microestrutura dos metais, como ocorre a corrosão dos metais e 
o mecanismo eletroquímico. 
Na superfície dos metais há várias fontes de heterogeneidades presentes na 
microestrutura do metal como contornos de grão, fases secundárias, inclusões, 
escórias, pontos de concetraçã ode tensões, etc. que justificam as áreas anódicas 
(heterogeneidades menos nobres que a matriz dos grãos) ou catódicas 
(heterogeneidades) que se estabelecem na ocorrência do mecanismo eletroquímico de 
corrosão. 
 
4) O que é potencial misto? Explique porque, em sistemas reais, o potencial desenvolvido 
na interface do metal com a solução não é o potencial de equilíbrio. 
Potencial misto é o próprio potencial de corrosão como definido acima.É dito misto 
porque representa o equipotencial que se estabelece por conta do curtocircuitamento 
de áreas anódicas e catódicas da superfície do metal e seu valor mais constante se 
estabelece no estado estacionário. 
 
5) Para os metais e meios agressivos abaixo relacionados, responder, justificando, em 
qual ou quais deles ocorrerá a corrosão do componente metálico quando imerso 
nesses meios. a) Aço imerso em solução de HCl de pH = 4,0, desaerado, com [Fe+2] = 
2,0M; b) cobre imerso em meio de HCl, pH = 4,0, desaerado.c) cobre imerso em meio 
de HCl, pH = 4,0, desaerado, contendo [Fe+3] = 1,0.10–2M. Dados: E0Fe+2/Fe = –0,44V; 
E0Cu+2/Cu = 0,337V; E0Fe+3/Fe+2 = 0,771V; [Cu+2] = 10–6M. 
Resposta: é preciso calcular a fem das diferentes e possíveis pilhas de corrosão que 
podem se estabelecer em cada caso. 
a) Aço imerso em solução de HCl de pH = 4,0, desaerado, com [Fe+2] = 2,0M 
Reação catódica: 
2H2eH2 

 
Eeq = – 0,059.pH 
Eeq = – 0,059.4,0 
Eaerado = Ecátodo = 0,24V 
 
Reação anódica: 
  2eFeFe 2
 
Eânodo = 
  20 Felog
1
0,0592
E
 
Eânodo = 
 2log
1
0,0592
0,44- 
 
Eânodo = -0,V 
Tendência à corrosão = fem pilha corrosão = Ecátodo - Eânodo 
Tendência à corrosão = 0,24 – (-0,) = +0,8252V foi obtido um valor maior do que zero para 
a tendência a corrosão, pode-se dizer que o material irá corroer, porém não se pode 
afirmar nada sobre a velocidade com que o material irá corroer. Pois a tendência à 
corrosão está relacionada à termodinâmica do processo, ao passo que a velocidade de 
corrosão diz respeito à cinética do processo. 
 
 
6) Num estudo de avaliação da agressividade de um certo meio para aço carbono, 
encontraram-se os seguintes valores: Densidade de corrente de corrosão= 5.10-
6A/cm2; potencial de corrosão de -460mVxECS. Pergunta-se: se o desgaste máximo 
permitido para o aço no meio em questão é de 5mpy, é possível aprovar o emprego do 
aço para o meio testado acima. Dados: F= 96500C; MAFe= 55,85g/mol; Fe= 7,84g/cm3 
 
7) Esboce curvas de polarização anódicas e catódicas, utilizando a representação de 
Tafel, para os metais zinco e cobre imersos em H2SO4 0,5M desaerado. Verifique qual 
desses metais é mais resistente à corrosão no meio em questão. Por quê? Se houver 
corrosão, determine o potencial de corrosão Ecorr e a velocidade de corrosão icorr. b) Se 
esses metais estiverem acoplados, que tipo de corrosão pode ocorrer? O que ocorrerá 
com as velocidades de corrosão do Cu e do Zn na condição de acomplamento em 
comparação com a situação dos metais isolados? Considere que os coeficientes de 
Tafel catódico e anódico para o Zn, Cu e H+ são iguais, respectivamente, a 0,3 V/década 
logarítmica, 0,4 V/década logarítmica e 0,2 V/década logarítmica (para facilitar a 
resolução você pode utilizar um papel milimetrado em escala monologarítmica). 
Dados: EoCu2+/Cu = 0,34V; EoZn2+/Zn = –0,763V; EoH+/H2 = 0; io(Cu2+/Cu) = 10–7A cm–2; io(Zn2+/Zn) = 
10–6A cm–2; io(H+/H2 sobre Cu) = 10–7A cm–2; io(H+/H2 sobre Zn) =10–7A cm–2. 
 
 
8) Determinar o potencial de corrosão e a velocidade de corrosão (icorr) para uma 
tubulação de ferro fundido transportando ácido sulfúrico 1,0M, a 25ºC. b) Determine a 
velocidade de corrosão em g/cm².ano e a perda de espessura em mmpy. Os declives de 
Tafel anódico e catódico são 0,100V/ década logarítmica e as densidades de corrente 
de troca para Fe+2/Fe e para a liberação de hidrogênio sobre ferro são 10–3A/m2 e 10–
2A/m2, respectivamente. Dados: para cada um dos processos anódico e catódico, vale a 
lei de Tafel. Dados: E0Fe+2/Fe = –0,44V; [Fe2+] = 10–6 M; densidade do ferro: 7,87 g/cm³. 
 
 
9) A corrosão galvânica é um tipo de corrosão em que o acoplamento de metais 
diferentes traz problemas de desgaste severo no metal menos nobre do par. Explicar, 
através de curvas de polarização, o porquê desse ataque acentuado no menos nobre. 
Caso a formação do par galvânico seja inevitável, o que você sugere que seja feito para 
amenizar o problema (fazer pelo menos três sugestões). 
 
10) Quais as principais formas de proteção contra corrosão galvânica? Explique. 
 
11) Como depende a corrosão por pite dos fatores: a) teor de cromo na liga Fe-Cr; b) teor 
de cloretos no meio; teor de sulfatos,; pH, temperatura e acabamento superficial do 
metal e movimento relativo metal/meio? 
 
12) Sobre a proteção catódica galvânica, como é feita a proteção de uma estrutura 
enterrada? Fazer esquema mostrando o fluxo de corrente. Que tipo de anodos é 
usado? 
 
13) Sobre a proteção catódica por corrente impressa, como é feita a proteção de uma 
estrutura enterrada? Fazer esquema mostrando o fluxo de corrente. Que tipo de 
anodos é usado? 
 
14) Fazer comparação entre a proteção catódica galvânica e a por corrente impressa. 
 
15) O que é um sistema de pintura? Qual a função principal de cada uma das camadas num 
sistema de pintura? 
 
16) De que depende o sucesso de uma pintura anticorrosiva de uma estrutura metálica? 
 
Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 
 
COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO 
 
1) O que é poder calorífico de um dado combustível? Para um mesmo combustível, 
aponte as principais diferenças existentes entre o poder calorífico superior (PCS) e 
poder calorífico inferior (PCI).Na prática industrial, qual é o poder calorífico de 
interesse? Por quê? 
2) A combustão de um dado combustível líquido foi feita com 5% de ar em excesso: 
(a) Com que quantidade está relacionada esta porcentagem de ar em excesso? 
(b) Discuta se a quantidade de 5% de ar em excesso está compatível com o estado físico do 
combustível. Justifique tomando por base as razões física e química de se efetuar a 
combustão com ar em excesso. 
 
3) Combustíveis usualmente contém inúmeros compostos. A análise química 
quantitativa destes compostos é mais difícil que a análise quantitativa elementar. Por 
este motivo, freqüentemente se utiliza apenas a composição elementar para estimar o 
poder calorífico, a partir das entalpias de combustão de C a CO2, H2 a H2O e S a SO2, 
como indicado na apostila. Este cálculo simplificado apresenta um desvio em relação 
ao cálculo completo, correspondente à entalpia de formação destes compostos a partir 
de C, H2 e S. Calcule este desvio para o PCI dos seguintes combustíveis: a) CH3OH; b) 
C2H; c) C2H6; d) Mistura com 12% de C2H e 88% C2H6 (porcentagens molares); e) 
parafina (C36H74); f) acetileno (C2H2); g) HCCOH. Dados: 
composto Hformação 
(kcal/mol) 
 composto Hformação 
(kcal/mol) 
C2H 135,33 CH3OH -48,03 
C2H6 -20,04 C36H74 -173,21 
C2H2 54,54 HCCOH 18,7 
Resposta: 
Cálculo completo para CH3OH, por exemplo: 
CH3OH  C + 2 H2 + 0,5 O2  = - formação = 48,03 kcal 
C + O2  CO2  = 1 x (-94,05) = -94,05 kcal 
2 H2 + O2  2 H2O  = 2 x (-57,80) = -115,60 kcal 
__________________________________ 
CH3OH + 1,5 O2  2 H2O + CO2  = 48,03 + (-94,05) + (-115,60) = -161,62 kcal 
PCI = -161,62/ 32 = 5,05 kcal/g 
Generalizando: total = - formação + C + 2 = - formação + nC (-94,05) + nH2 
(57,8) 
PCI = / massa molecular 
 
 
 -Hformação C  total MM PCI 
 C kcal/mol H2 kcal/mol kcal/mol g/mol kcal/g 
a CH3OH -48.03 1 -94.05 2 -115.60 -161.62 32 5.051 
b C2H 135.33 2 -188.1 0.5 -28.90 -352.33 25 14.093 
c C2H6 -20.04 2 -188.1 3 -173.40 -341.46 30 11.382 
d mistura -1.40 2.00 -188.10 2.70 -156.06 -342.76 29.4 11.659 
e C2H2 54.54 2 -188.1 1 -57.80 -300.44 26 11.555 
f C36H74 -173.21 36 -3385.8 37 -2138.60 -5351.19 506 10.575 
g HCCOH 18.70 2 -188.1 1 -57.80 -264.60 42 6.300 
 
Fórmula simplificada 
 
total = C + 2 livre = nC (-94,05) + nH2 livre (57,8) 
 
 
Comparação dos PCIs 
 
 Cálculo 
simplificado 
Cálculo 
completo 
diferença 
 kcal/g kcal/g kcal/g % 
a CH3OH 4.745 5.051 0.305 6.0 
b C2H 8.680 14.093 5.413 38.4 
c C2H6 12.050 11.382 -
0.668 
-5.9 
d mistura 11.706 11.659 -
0.047 
-0.4 
e C2H2 9.458 11.555 2.098 18.2 
f C36H74 10.918 10.575 -
0.342 
-3.2 
g HCCOH 4.479 6.300 1.821 28.9 
 
Quando o combustível não contém oxigênio, o cálculo simplificado fornece um PCI 
subestimado quando a formação do combustível é endotérmica (C2H, C2H2), e vice-
versa. 
Quando ele contém oxigênio, o desvio do PCI será nulo quando a entalpia de formação 
for igual à formação da “água ligada” calculada (-57,80 kcal/mol para cada mol de O). 
Quando ela for menos negativa que isso, como no caso do CH3OH e do HCCOH (-48,03 
e 18,70 kcal/mol para um mol de O, respectivamente), o valor de PC será subestimado, 
e vice-versa. 
 
 
4) Três combustíveis sólidos (Comb. A, Comb. B e Comb. C) apresentam as seguintes 
composições percentuais por peso: 
 %carbono %hidrogênio %oxigênio %nitrogênio % enxofre umidade cinzas 
Comb. A 66,0 4,8 0 1,4 3,2 10,8 13,8 
Comb. B 66,0 4,8 3,2 2,8 3,2 7,2 12,8 
Comb C 69,0 4,8 6,4 0 4,8 10,8 4,2 
(a) Para os combustíveis A e B, calcule as quantidades de oxigênio teórico, ar teórico e ar 
real necessárias para se ter: combustão incompleta, combustão teoricamente 
completa e combustão completa na prática usando-se 50% de ar em excesso. 
(b) Calcule o poder calorífico superior (PCS) e inferior (PCI) dos três combustíveis utilizando 
os calores de combustão. 
 C 2 livre total MM PCI 
 C kcal/mol H2 O H2 livre kcal/mol kcal/mol g/mol kcal/g 
a CH3OH 1 -94.05 2 1 1 -57,8 -151.85 32 4.745 
b C2H 2 -188.1 0.5 0.5 -57,8 -217.00 25 8.680 
c C2H6 2 -188.1 3 3 -173,4 -361.50 30 12.050 
d mistura 2.00 -188.10 2.70 2.70 -312,1 -344.16 29.4 11.706 
e C2H2 2 -188.1 1 1 -57,8 -245.90 26 9.458 
f C36H74 36 -3385.8 37 37 -4277 -5524.40 506 10.918 
g HCCOH 2 -188.1 1 1 0 0 -188.10 42 4.479 
 
(c) Os três combustíveis têm os mesmos teores de água ligada (ou combinada). A 
afirmação é verdadeira? Justifique. 
(d) A queima dos três combustíveis é igualmente prejudicial ao meio ambiente. A 
afirmação é verdadeira? Justifique. 
(e) Dos três combustíveis, qual apresenta: o maior teor de hidrogênio livre e o menor teor 
de hidrogênio livre? Justifique. 
(f) Calcule a composição dos fumos secos e dos úmidos resultantes da queima dos 
combustíveis A e C. Considerar que a combustão dos dois combustíveis tenha sido 
realizada com 50% de ar em excesso. 
(g) Calcule a composição dos fumos secos e dos úmidos resultantes da queima do 
combustível A. supondo que a combustão tenha sido realizada com a quantidade 
estequiométrica de ar. 
(h) Explique o papel exercido por cada um dos elementos que compõem o combustível. 
(i) Qual é a influência das cinzas sobre o poder calorífico inferior dos três combustíveis? 
DADOS E FÓRMULAS 
Ar – 21%O2 e 79%N2 (% molar ou volumétrica) 
Massa atômicas: C=12; H=1; O=16; S=32; N=14. 
C + O2  CO2 H = -96,7kcal/mol 
H2 + ½ O2  H2O H = -68,3kcal/mol (água no estado líquido) 
H2 + ½ O2  H2O H = -57,8kcal/mol (água no estado de vapor) 
S + O2  SO2 H = -72,0kcal/mol 
CO + ½ O2  CO2 H = -67,4kcal/mol 
PCI= PCS-nH20 TOTALL (L = + 10,5 kcal/mol) 
 
Resposta: 
 
 combustível combustível 
 A B C A B C 
a) O2 teórico (mol/kg) 68 67 69 f) 
Composição 
dos fumos, 
base seca (% 
mol): 
CO2 11,6 11,7 11,9 
 Ar teórico (mol/kg) 324 319 329 SO2 0,2 0,2 0,3 
 Ar real (mol/kg) 486 479 493 N2 81,0 80,9 80,6 
b) PCS (kcal/kg) 7030 6893 7034 O2 7,2 7,2 7,2 
 PCI (kcal/kg) 6715 6599 6719 
c) Água ligada (mol/kg) 0 2 4 g) 
Composição 
dos fumos, 
base úmida 
(% mol): 
CO2 16,1 16,3 16,5 
e) H2 livre (mol/kg) 24 22 20 H2
O 
8,8 8,3 8,6 
 SO2 0,3 0,3 0,4 
f) Composição 
dos fumos, 
base úmida (% 
mol): 
 
 
N2 
 
10,9 11,1 11,2 N2 74,9 75,1 74,5 
O2 6,0 5,6 5,9 O2 0,0 0,0 0,0 
CO2 0,2 0,2 0,3 
H2O 76,2 76,3 75,9 g) 
Composição 
dos fumos, 
base seca (% 
mol): 
CO2 17,6 17,8 18,0 
SO2 6,7 6,7 6,7 SO2 0,3 0,3 0,5 
 N2 82,1 81,9 81,5 
 O2 0,0 0,0 0,0