EER0013 Aula 10 Combustíveis

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Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
Aula 10 – Combustíveis
EER0013 – Máquinas Térmicas
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Tópicos da Aula
● Combustíveis:
● Definição.
● Composição Química:
● Análise elementar.
● Análise imediata.
● Conversão de bases.
● De combustíveis sólidos e líquidos.
● De combustíveis gasosos.
● Combustíveis sólidos:
● Lenha.
● Bagaço de cana.
● Carvão vegetal.
● Carvão mineral.
● Combustíveis líquidos:
● Petróleo.
● Óleo combustível.
● Óleo diesel.
● Querosene.
● Gasolina.
● Etanol.
● Combustíveis gasosos:
● Gás natural.
● Gás liquefeito de petróleo.
● Gasogênio.
● Octanagem.
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Combustíveis
● Combustíveis:
● Dá-se o nome de combustível à qualquer substância capaz de reagir com um 
comburente, liberando energia.
● Possuem energia na forma química, e podem ser gasosos, líquidos ou sólidos.
● Combustíveis mais usados na geração de vapor:
● Sólidos:
● Minerais: Linhita e carvão.
● Vegetais: Lenha, turfa e resíduos (bagaço de cana, serragem, casca de 
arroz, etc).
● Líquidos: Óleo combustível.
● Gasosos: Gás natural e gasogênio.
● Combustíveis mais usados em motores de combustão interna:
● Líquidos: Óleo diesel, gasolina, etanol e mistura de gasolina com etanol.
● Gasosos: Gás natural.
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Composição Química dos Combustíveis
● Composição Química dos Combustíveis:
● Através de ensaios laboratoriais, é possível realizar dois tipos básicos de análises 
de combustíveis:
● Análise elementar:
● Permite determinar, em uma amostra de combustível, quais são os 
elementos químicos que compõem o combustível e quantificá-los.
● É fundamental para caracterizar e controlar o processo de combustão.
● Principais elementos detectados:
● Carbono, hidrogênio, enxofre, nitrogênio e oxigênio.
● Análise imediata:
● Permite isolar e quantificar as espécies que constituem o combustível.
● Principais espécies detectadas:
● Carbono fixo, voláteis, cinzas e umidade.
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Composição Química de Combustíveis Sólidos e Líquidos
● Composição Química de Combustíveis Sólidos e Líquidos:
● A composição química, em termos de frações mássicas, é obtida da análise 
elementar, e dentre as várias bases nas quais se apresentam os resultados desta 
análise, destacam-se:
● Apenas C, H e S reagem com o oxigênio e sofrem o processo de combustão, 
liberando energia (reações exotérmicas).
Base como recebido
As received ou raw
(ar ou raw)
● Carbono (xm
C)
● Hidrogênio (xm
H)
● Oxigênio (xm
O)
● Nitrogênio (xm
N)
● Enxofre (xm
S)
● Cinzas (xm
Cz).
● Água (xm
W).
Base seca
Dry basis ou water free
(db ou wf)
● Carbono (xm
C,db)
● Hidrogênio (xm
H,db)
● Oxigênio (xm
O,db)
● Nitrogênio (xm
N,db)
● Enxofre (xm
S,db)
● Cinzas (xm
Cz,db).
Base seca livre de cinzas
Dry, ash free
(daf)
● Carbono (xm
C,daf)
● Hidrogênio (xm
H,daf)
● Oxigênio (xm
O,daf)
● Nitrogênio (xm
N,daf)
● Enxofre (xm
S,daf)
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Conversão das Análises de Combustíveis Sólidos e Líquidos
Relação das diferentes bases analíticas com os componentes do carvão mineral.
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Conversão das Análises de Combustíveis Sólidos e Líquidos
● Conversão das Análises de Combustíveis Sólidos e Líquidos:
● Em geral as análises elementar e imediata são realizadas e publicadas em base 
como recebido, entretanto na literatura é comum também encontrá-las em base 
seca ou em base seca livre de cinzas.
● Desta forma, é importante saber como converter de uma base para outra.
● Como converter a fração mássica de um elemento Z:
● Base como recebido para base seca:
● Base como recebido para base seca livre de cinzas:
● Base seca para base seca livre de cinzas:
xm
Z ,db=
xm
Z
1−xm
W
xm
Z ,daf =
xm
Z
1−xm
W− xm
Cz
xm
Z ,daf=
xm
Z ,db
1−xm
Cz , db
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Composição Química de Combustíveis Gasosos
● Composição Química de Combustíveis Gasosos:
● A partir da análise elementar se obtém a composição química, em termos de 
frações volumétricas, de uma série de espécies, dentre as quais:
● Metano (CH4).
● Etano (C2H6).
● Propano (C3H8).
● Butano (C4H10).
● Pentano (C5H12).
● Dióxido de enxofre (SO2).
● Oxigênio (O2).
● Hidrogênio (H2).
● Novamente, apenas as espécies que contém C, H e S reagem com o oxigênio e 
sofrem o processo de combustão, liberando energia.
● Eteno (C2H4).
● Propeno (C3H6).
● Buteno (C4H8).
● Penteno (C5H10).
● Benzeno (C6H6).
● Monóxido de carbono (CO).
● Dióxido de carbono (CO2).
● Nitrogênio (N2).
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Combustíveis Sólidos
● Lenha:
● Amplamente utilizada, apresenta a vantagem de ser renovável.
● Temperatura de ignição em torno de 300oC.
● Composição química típica (base seca) e propriedades da lenha de eucalipto seco 
(fração mássica):
● xm
C = 50,8%
● xm
H = 6,4%
● xm
O = 41,8%
● xm
N = 0,4%
● xm
Cz = 0,6%
● PCS = 19.700 kJ/kg
● ρ ≈ 600 kg/m3
● Observação: A composição química é matematicamente adimensional, mas 
fisicamente dimensional.
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Combustíveis Sólidos
● Bagaço de cana:
● É um subproduto obtido após a moagem da cana-de-açúcar.
● Utilizado como fonte energética das caldeiras das usinas de cana-de-açúcar.
● Composição química típica (base seca):
● xm
C = 44,6%
● xm
H = 5,8%
● xm
O = 44,5%
● xm
N = 0,6%
● xm
S = 0,1%
● xm
Cz = 2,2%
● PCS = 18.000 kJ/kg
● PCI = 7.160 kJ/kg
● ρ ≈ 250 kg/m3
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Combustíveis Sólidos
● Carvão Vegetal:
● Obtido a partir da carbonização da madeira, ou seja, de sua combustão 
incompleta em ambiente pobre em oxigênio.
● Composição química típica (base seca):
● xm
C = 84,4%
● xm
H = 2,5%
● xm
O = 8,0%
● xm
N = 0,6%
● xm
Cz = 4,5%
● PCS = 30.000 kJ/kg
● ρ ≈ 250 kg/m3
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Combustíveis Sólidos
● Carvão Mineral:
● Combustível fóssil mais abundante, com diversas classificações, entre elas:
● Carvão betuminoso (alto teor de voláteis).
● Carvão semi-betuminoso (voláteis entre 10 e 18%).
● Antracito (voláteis entre 5 e 10%).
● Composição química típica (como recebido) do carvão brasileiro:
● xm
C = 46,2%
● xm
H = 3,0%
● xm
O = 6,6%
● xm
S = 1,2%
● xm
Cz = 41,9%
● xm
W = 1,1%
● PCS = 18.800 kJ/kg
● ρ ≈ 850 kg/m3
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Combustíveis Sólidos
Comparativo da composição química de alguns combustíveis sólidos.
Combustível
xmC 
[%]
xmH 
[%]
xmO 
[%]
xmS 
[%]
xm
Cz 
[%]
xmW 
[%]
PCS 
[kJ/kg]
ρ
[kg/m3]
Lenha seca 50,8 6,4 41,8 - 0,6 - 19.700 600
Bagaço de cana 44,6 5,8 44,5 0,1 2,2 - 18.000 250
Carvão vegetal 84,4 2,5 8,0 - 4,5 - 30.000 250
Carvão brasileiro 46,2 3,0 6,6 1,2 41,9 1,1 18.800 850
Carvão chileno 69,6 5,0 12,7 1,2 10,8 0,7 28.700 -
Carvão americano 83,1 4,2 3,9 0,9 5,1 2,8 33.900 -
Carvão sul-africano 69,7 4,5 9,1 0,7 10,1 5,9 29.400 -
Carvão espanhol 37,0 2,8 11,4 7,5 38,7 2,6 15.600 -
Carvão australiano 56,6 3,5 7,4 0,4 24,0 8,1 24.100 -
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Combustíveis Líquidos
● Petróleo:
● Líquido viscoso composto por uma combinaçãocomplexa de hidrocarbonetos, 
resultado do soterramento de camadas vegetais e animais submetidos a intenso 
calor e pressão, na ausência de oxigênio, ao longo de milhões de anos.
● Composição química típica e propriedades:
● xm
C = 83 a 87%
● xm
H = 11 a 14%
● xm
S = 0,06 a 8%
● xm
N = 0,11 a 1,7%
● xm
O = 0,1 a 2%
● xm
Metais ≤ 0,3%
● PCS = 45.500 kJ/kg
● PCI = 42.700 kJ/kg
● ρ ≈ 900 kg/m3
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Combustíveis Líquidos
● Óleo combustível:
● É um subproduto do refinamento do petróleo, composto por uma mistura de 
hidrocarbonetos de cadeia pesada (C20 a C70 por molécula).
● Utilizado principalmente em navios, em aquecimento domiciliar e na partida de 
fornalhas de carvão pulverizado.
● Composição química e propriedades:
● xm
C = 83%
● xm
H = 10%
● xm
S = 6%
● xm
Outros = 1%
● PCS = 43.000 kJ/kg
● PCI = 41.000 kJ/kg
● ρ ≈ 900 kg/m3
EER0013 – Máquinas Térmicas 16 / 26
Combustíveis Líquidos
● Óleo diesel:
● É um subproduto do refinamento do petróleo, composto por uma mistura de 
hidrocarbonetos de cadeia média (C14 a C20 por molécula).
● Utilizado principalmente em veículos de transporte de carga.
● Composição química e propriedades:
● xm
C = 86%
● xm
H = 13%
● xm
S = 1%
● PCS = 45.700 kJ/kg
● PCI = 42.800 kJ/kg
● ρ = 850 kg/m3
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Combustíveis Líquidos
● Querosene:
● É um subproduto do refinamento do petróleo, composto por uma mistura de 
hidrocarbonetos de cadeia leve (C10 a C16 por molécula).
● Utilizada principalmente em turbinas aeronáuticas.
● Composição química e propriedades:
● xm
C = 86,5%
● xm
H = 13,2%
● xm
S = 0,1%
● xm
O = 0,1%
● xm
N = 0,1%
● PCS = 46.200 kJ/kg
● PCI = 43.100 kJ/kg
● ρ = 820 kg/m3
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Combustíveis Líquidos
● Gasolina:
● É um subproduto do refinamento do petróleo, composto por uma mistura de 
hidrocarbonetos de cadeia leve (C5 a C10 por molécula).
● Utilizada principalmente em veículos de passeio.
● Composição química e propriedades:
● xm
C = 84%
● xm
H = 16%
● PCS = 46.500 kJ/kg
● PCI = 43.450 kJ/kg
● ρ = 730 kg/m3
EER0013 – Máquinas Térmicas 19 / 26
Combustíveis Líquidos
● Etanol (C2H6O):
● É uma substância orgânica obtida da fermentação de açúcares, hidratação do 
etileno ou redução de acetaldeído.
● No Brasil é majoritariamente obtido a partir da cana-de-açúcar, mas pode ser 
obtido a partir de qualquer biomassa que contenha carboidratos.
● Utilizado principalmente em veículos de passeio.
● Composição química e propriedades:
● xm
C = 51,9%
● xm
H = 12,8%
● xm
O = 34,8%
● xm
W = 0,5%
● PCS = 29.800 kJ/kg
● PCI = 26.650 kJ/kg
● ρ = 790 kg/m3
EER0013 – Máquinas Térmicas 20 / 26
Combustíveis Líquidos
Comparativo da composição química de combustíveis líquidos.
Combustível
xmC 
[%]
xmH 
[%]
xmO 
[%]
xmS 
[%]
xmW 
[%]
PCS 
[kJ/kg]
ρ
[kg/m3]
Petróleo 85,0 12,5 0,5 2,0 - 43.000 900
Óleo combustível 83,0 10,0 - 6,0 - 43.000 900
Óleo diesel 86,0 13,0 - 1,0 - 45.700 850
Querosene 86,5 13,2 0,1 0,1 - 46.200 820
Gasolina pura 84,0 16,0 - - - 46.500 730
Gasolina E25 76,0 15,2 8,7 - 0,1 42.900 750
Etanol anidro 51,9 12,8 34,8 - 0,5 29.800 790
Etanol hidratado 48,9 12,1 32,8 - 6,2 28.900 800
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Combustíveis Gasosos
● Gás natural:
● É uma mistura de hidrocarbonetos encontrada no subsolo, majoritariamente 
composto por metano.
● Usado para aquecimento, na cocção de alimentos e em veículos de passeio.
● Composição química (fração volumétrica):
● xv
CH4 = 73%
● xv
C2H6 = 14%
● Composição química após a remoção dos
hidrocarbonetos pesados:
● xv
CH4 = 90%
● xv
C2H6 = 6%
● PCS = 47.100 kJ/kg
● ρ = 0,78 kg/m3
● xv
N2 = 7%
● xv
CO2 = 1%
● xv
C3H8 = 3%
● xv
C4H10 = 2%
● xv
N2 = 3%
● xv
CO2 = 1%
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Combustíveis Gasosos
● Gás liquefeito de petróleo:
● É um subproduto do refinamento do petróleo, composto por uma mistura de 
gases condensáveis presentes no gás natural ou dissolvidos no petróleo.
● Usado prinicpalmente na cocção de alimentos.
● Composição química:
● x
v
C4H10 = 32,9%
● xv
C3H8 = 30,6%
● xv
C3H6 = 20,7%
● xv
C4H8 = 14,7%
● xv
C2H6 = 1,0%
● PCS = 46.600 kJ/kg
● ρ = 0,55 kg/m3
EER0013 – Máquinas Térmicas 23 / 26
Combustíveis Gasosos
● Gasogênio:
● Produzido a partir da combustão incompleta do carvão ou madeira.
● Usado em veículos de passeio, fornalhas e na cocção de alimentos.
● Composição química típica:
● xv
N2 = 54%
● xv
CO = 26%
● xv
H = 12%
● xv
SO2 = 7%
● xv
CH4 = 1%
● PCS = 5.700 kJ/kg
● ρ = 0,95 kg/m3
EER0013 – Máquinas Térmicas 24 / 26
Octanagem
● Octanagem:
● É o índice de resistência à detonação de combustíveis de motores ciclo Otto.
● Importante porque o desempenho de um motor depende de vários fatores, 
entre eles a severidade das condições de operação.
● É medida em motores de teste e definida por comparação com a mistura de iso-
octano e heptano que teria a mesma resistência anti-detonante do combustível 
que está sendo testado.
● Exemplo: Um combustível que tenha a
mesma resistência anti-detonante de
uma mistura de 90% de iso-octano e
10% de heptano possui octanagem
igual a 90.
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Métodos de Medição de Octanagem
● Métodos de medição da octanagem:
● Índice de Octanagem Pesquisa (Research Octane Number, ou RON):
● Simula o desempenho do combustível quando o motor opera sob baixa 
severidade, a 600 rpm.
● Índice de Octanagem Motor (Motor Octane Number, ou MON):
● Simula o desempenho do combustível quando o motor opera sob alta 
severidade, a 900 rpm.
● Geralmente é menor que o índice RON.
● Índice Antidetonante, ou IAD (Anti-Knock Index, ou AKI):
● É o índice obtido da média aritmética simples dos índices RON e MON, 
utilizado por alguns países como o índice de octanagem padrão.
Tanto o índice RON quanto o MON são medidos em um motor 
padronizado de um cilindro, com taxa de compressão variável.
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Octanagem de Alguns Combustíveis
Octanagem de alguns combustíveis selecionados.
Combustível RON MON IAD
Gasolina comum (tipo C)
(75% gasolina pura + 25% etanol anidro) 95 79 87
Gasolina aditivada (tipo C)
(75% gasolina pura + 25% etanol anidro) 95 79 87
Gasolina premium
(75% gasolina pura + 25% etanol anidro) 98 88 93
Gasolina podium (Petrobrás)
(75% gasolina pura + 25% etanol anidro) 102 88 95
Gasolina de aviação (Avgas) 109 100 105
Etanol anidro 109 90 100
Etanol hidratado 130 96 113
Metanol anidro 109 89 99
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