EER0013 Aula 11 Combustão (Parte 1)

Prévia do material em texto

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 11 – Combustão (Parte 1)
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 15
Tópicos da Aula
● Combustão:
● Reações de combustão:
● Combustíveis sólidos e líquidos.
● Combustíveis gasosos.
● Poder calorífico:
● Superior.
● Inferior.
● Estequiometria:
● Lei de Lavoisier.
● Lei de Proust.
● Lei de Dalton.
● Lei de Richter.
● Estequiometria da combustão:
● Massa de ar.
● Volume de ar.
● Massa de gases.
● Volume de gases.
EER0013 – Máquinas Térmicas 3 / 15
Principais Reações Químicas de Combustão
● Combustão de combustíveis sólidos e líquidos:
● Ao queimar combustíveis sólidos e líquidos, a energia liberada se deve às 
reações químicas exotérmicas de oxidação do carbono, hidrogênio e enxofre:
● Combustão de combustíveis gasosos:
● Ao queimar combustíveis gasosos, a energia liberada se deve às reação químicas 
exotérmicas de oxidação do hidrogênio, monóxido de carbono, metano e etano:
C + O2 → CO2 + 33.900kJ / kg
2H 2 + O2 → 2H 2O + 141.800kJ / kg
S + O 2 → SO2 + 9.200kJ /kg
2CO + O2 → 2CO2 + 10.110 kJ /kg
CH 4 + 2O 2 → CO2 + 2H 2O + 55.000 kJ /kg
2C2H 6 + 7O2 → 4CO2 + 6H 2O + 51.780kJ / kg
2H 2 + O2 → 2H 2O + 141.800kJ / kg
EER0013 – Máquinas Térmicas 4 / 15
Poder Calorífico
● Poder calorífico:
● É a quantidade de energia liberada por um combustível, em base mássica ou em 
base volumétrica.
● Depende da composição de cada combustível, e pode ser superior ou inferior.
● Poder calorífico superior (PCS):
● Para combustíveis sólidos e líquidos, é dado por:
● Poder calorífico inferior (PCI):
● Obtido subtraindo do PCS o calor necessário para evaporar o vapor d'água 
formado pela combustão do hidrogênio e o teor de umidade do combustível.
● Para combustíveis sólidos e líquidos, é dado por:
PCS=33900 . xm
C+141800 .( xmH− xm
O
8 )+9200 . xmS
PCI=PCS−2440 . (9 .xm
H+xm
W )
EER0013 – Máquinas Térmicas 5 / 15
Estequiometria
● Estequiometria:
● Palavra grega:
● stoikheion (elemento) + metron (medida).
● É o estudo dos aspectos quantitativos das reações químicas.
● Usada para balancear equações de reações químicas.
● Baseia-se nas leis:
● Da conservação da massa (lei de Lavoisier).
● Das proporções definidas (lei de Proust).
● Das proporções múltiplas (lei de Dalton).
● Das proporções equivalentes (lei de Richter).
EER0013 – Máquinas Térmicas 6 / 15
Estequiometria
● Lei da conservação da massa (lei de Lavoisier):
● Em qualquer sistema, nunca se cria nem se elimina matéria, pois apenas é 
possível transformá-la de uma forma para outra.
● Assim, nas reações químicas a massa total de reagentes deve ser igual a massa 
total de produtos:
● Lei das proporções definidas (lei de Proust):
● Todas as amostras de uma dada espécie química contém a mesma composição 
elementar em massa.
● Exemplo: A água pura sempre apresenta 1/9 de sua massa composta por 
hidrogênio e 8/9 composta por oxigênio.
∑ mreagentes=∑ m produtos
Reação : H 2 +
1
2
O 2 → H 2O
MM [ kg / kmol ] : 2 16 18
1 8 9
EER0013 – Máquinas Térmicas 7 / 15
Estequiometria
● Lei das proporções múltiplas (lei de Dalton):
● Quando elementos químicos se combinam, o fazem numa razão de pequenos 
números inteiros.
● Se dois elementos podem formar mais de um composto químico entre eles, as 
razões das massas do segundo elemento para uma massa fixa do primeiro 
elemento também são números inteiros.
● Exemplo: O carbono pode formar, quando combinado com o oxigênio:
● Monóxido de carbono:
● Dióxido de carbono:
● Assim, a razão de massas de oxigênio que podem reagir com a mesma massa 
de carbono, que neste caso é 12 kg/kmol, é:
Reação : C + 1
2
O2 → CO
MM [ kg / kmol ] : 12 16 28
Reação : C + O 2 → CO2
MM [ kg / kmol ] : 12 32 44
16 :32 = 1 :2
EER0013 – Máquinas Térmicas 8 / 15
Estequiometria
● Lei das proporções equivalentes (lei de Richter):
● Se um elemento A se combina com um elemento B e também com um elemento 
C, então se B e C se combinarem, a proporção em massa na qual eles se 
combinam estará relacionada com as massas de B e C que separadamente se 
combinam com uma massa constante de A.
● Exemplo:
● Elemento A: Na
● Elemento B: Cl
● Elemento C: I
Reação : Na + Cl → NaCl
MM [ kg / kmol ] : 23 35,45 58,45
1 1,54 2,54
0,65 1 1,65
Reação : Na + I → NaI
MM [ kg / kmol ] : 23 126,90 149,90
1 5,52 6,52
0,65 3,58 4,23
Reação : I 2 + Cl 2 → 2 ICl
MM [ kg / kmol ] : 253,80 70,90 324,70
3,58 1 4,58
EER0013 – Máquinas Térmicas 9 / 15
Estequiometria da Combustão
● Estequiometria da Combustão:
● Para que ocorra a combustão completa do combustível, permite determinar (em 
massa e em volume):
● A quantidade de ar necessária.
● A quantidade de gases de combustão gerados.
● Nos equipamentos que envolvem combustão, é essencial para:
● Projeto e análise.
● Operar no ponto ótimo.
● Reduzir a emissão de poluentes.
● Permitir uma operação eficiente
com diferentes cargas.
EER0013 – Máquinas Térmicas 10 / 15
Estequiometria da Combustão
● Massa de Ar de Combustão Estequiométrica:
● Condições estequiométricas (condições ideais):
● A combustão completa do C, H e S exige uma quantidade mínima de 
oxigênio.
● A massa estequiométrica de oxigênio para combustão de cada kg de 
combustível é dada por:
● Como o ar atmosférico possui, em massa, 23,15% de oxigênio em sua 
composição, pode-se determinar a massa estequiométrica de ar para 
combustão de cada kg de combustível por:
mO2
* =mO2
C +mO2
H +mO 2
S
mar
* =
100
23,15
mO 2
*
mar
* =
100
23,15 (mO 2
C +mO2
H +mO2
S ) (1)
EER0013 – Máquinas Térmicas 11 / 15
● As massas estequiométricas de oxigênio para combustão do C, H e S são:
● Levando (2), (3) e (4) em (1), a massa estequiométrica de ar de combustão é:
Reação : C + O 2 → CO 2 + 33.900kJ / kg
MM [ kg / kmol ] : 12 32 44
→ mO 2
C =32
12
xm
C (2)
Reação : S + O2 → SO2 + 9.200 kJ /kg
MM [kg /kmol ] : 32 32 64
→ mO 2
S =32
32
xm
S (4)
Reação : 2H 2 + O2 → 2H 2O + 141.800kJ / kg
MM [ kg / kmol ] : 4 32 36
→ mO 2
H=
32
4 ( xmH− xm
O
8 ) (3)
mar
* = 100
23,15 [3212 xmC+ 324 ( xmH− xmO8 )+ 3232 xmS ]
mar
* =
100
23,15 (mO 2
C +mO2
H +mO2
S ) (1)
mar
* =138,2( xm
C
12
+
xm
H
4
+
xm
S
32
−
xm
O
32 )
Estequiometria da Combustão
EER0013 – Máquinas Térmicas 12 / 15
Estequiometria da Combustão
● Volume de Ar de Combustão Estequiométrico:
● De maneira similar, o volume estequiométrico de oxigênio para combustão de 
cada kg de combustível é dado por:
● Em volume, o ar tem 21% de oxigênio, e assim o volume estequiométrico de ar 
para a combustão de cada kg de combustível é dado por:
V O2
* =V O2
C +V O2
H +V O 2
S
V ar
* =
100
21
V O 2
*
V ar
* =
100
21 (V O2
C +V O2
H +V O2
S ) (5)
EER0013 – Máquinas Térmicas 13 / 15
Estequiometria da Combustão
● Os volumes estequiométricos de oxigênio para combustão do C, H e S são:
● Levando (6), (7) e (8) em (5), tem-se que o volume estequiométrico de ar é:
Reação : C + O2 → CO2 + 33.900kJ /kg
VM [nm3/kmol ] : 22,4 22,4
→ V O2
C =22,4
12
xm
C (6)
Reação : S + O2 → SO2 + 9.200 kJ /kg
VM [nm3/kmol ] : 22,4 22,4
→ V O 2
S =22,4
32
xm
S (8)
Reação : 2H 2 + O 2 → 2H2O + 141.800 kJ /kg
VM [nm3/kmol ] : 22,4 22,4
→V O2
H=
22,4
4 (xmH− xm
O
8 ) (7)
V ar
* =106,7 ( xm
C
12
+
xm
H
4
+
xm
S
32
−
xm
O
32 )
V ar
* =
100
21 (V O2
C +V O2
H +V O2
S ) (5)
V ar
* =100
21 [ 22,412 xmC+ 22,44 (xmH− xmO8 )+ 22,432 xmS ]
EER0013 – Máquinas Térmicas 14 / 15
Estequiometria da Combustão
● Massa e Volume de Gases de Combustão Estequiométricos:
● Procede-se de maneira similar:
● O nitrogênio e o vapor de nebulização (ou a umidade do ar de combustão) 
presentes no combustível entram nas reticências das equações acima.
● Para combustíveis gasosos:
mg
*=mCO2+mH 2O+mSO2+mN2+ ...
mg
*=
44
12
xm
C+9(xmH+ xm
W
9 )+ 6432 xmS +xmN+...+0,7685mar*
V g
*=V CO2+V H 2O+V SO2+V N 2+...
V g
*=22,4 ( xm
C
12
+
xm
H
2
+
xm
W
18
+
xm
S
32
+
xm
N
28 )+ ...+0,79V ar*
V ar
* =2,38 [ xvCO+x vH 2+2∑i (mi+ ni4 ) xvCm iH ni−2 xvO2]
V g
*=x v
CO+xv
H 2+∑
i
(mi+ ni2 ) xvCmi H ni+ xvCO2+x vH 2O+...+x vN2+ xvO 2+0,79V ar*
EER0013 – Máquinas Térmicas 15 / 15
Estequiometria da Combustão
● Pode-se também determinar o volume estequiométrico e real de gases secos, 
excluindo o vapor d'água formado nos produtos da combustão:
● Quando não se conhece a composição química do combustível, pode-se obter 
valores aproximados (em m3n/kg) a partir do PCI do combustível em kJ/kg:
● Combustíveis sólidos:
● Combustíveis líquidos:
● Combustíveis gasosos:
V gs
* =22,4 ( xm
C
12
+
xm
S
32
+
xm
N
28 )+...+0,79V ar*
V gs
* =V CO2+V SO2+V N2+...
V ar
* =
1,01
4186
PCI+0,50 e V g
*=
0,89
4186
PCI +1,65
V ar
* =
0,85
4186
PCI+2,00 e V g
*=
1,11
4186
PCI
V ar
* =
1,09
4186
PCI−0,25 e V g
*=
1,14
4186
PCI+0,25
	Título
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15