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Seu nome 20/09/2017 Título aqui 1 Combustão Combustíveis São José do Rio Preto Complementos de Química aplicadaComplementos de Química aplicada Prof. Danilo FrancoProf. Danilo Franco UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 2 • Combustão é uma reação química, mais especificamente como sendo uma reação de oxidação a alta temperatura, e assim sendo, necessitando de uma energia de ativação, obtida normalmente pela elevação de temperatura em um ponto de combustível; • Assim sendo, para que ocorra uma reação de combustão, devem estar presentes simultaneamente, o combustível, o comburente e a energia de ativação; • O calor liberado pela reação em um ponto do combustível serve como energia de ativação e o processo se torna auto–ativante e continua até o término de todo o combustível; • Toda combustão é uma reação de oxidação-redução (transferência de elétrons); • O combustível atua sempre como fonte de elétrons; • O comburente recebe e fixa os elétrons cedidos pelo combustível, agindo como oxidante. Combustão Combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO • Genericamente pode-se representar a reação de combustão da seguinte forma: Combustão Combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 3 Combustão Combustível + comburente Combustível + comburente →→ combustãocombustão Hidrocarbonetos + O2 → Produtos As reações de combustão são exotérmicas, liberam grandes quantidades de energia (na forma de luz ou calor), que possui várias aplicações: iluminação, funcionamento de motores, cozimento dos alimentos, etc. Os produtos dependem do tipo de combustão que ocorre. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Reação de combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 4 • De forma geral, a reação de combustão se dá em fase gasosa. • Combustíveis líquidos são previamente vaporizados. A reação de combustão se dá entre o vapor do liquido e o oxigênio intimamente misturado. • No caso de combustíveis sólidos existe um certo grau de dificuldade, pelo fato de a reação ocorrer na interface sólido - gás. • É necessária a difusão do oxigênio através dos gases produzidos na combustão (os quais envolvem o sólido), para atingir a superfície do combustível; • Além disso, a superfície fica normalmente recoberta de cinzas, o que representa mais uma dificuldade para o contato combustível - comburente. • De forma simples podemos representar o processo de combustão da seguinte maneira: Reação de combustão Reação de combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Tipos de combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 5 Dependendo das quantidades relativas combustíveis e comburentes alimentadas no processo, podem ocorrer três tipos de combustão: Incompletas: quando a quantidade de oxigênio alimentada é menor que quantidade estequiometricamente necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível. formação de carbono na forma de fuligem (C) e água. Teoricamente completa: quando a alimentação de oxigênio é feita com a quantidade estequiométrica necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Formação de monóxido de carbono (CO) e água (H2O) Completas: quando se alimenta uma quantidade de oxigênio maior que a quantidade estequiométrica necessária para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Produz gás carbônico (CO2) e água na forma de vapor (H2O). • A composição dos fumos varia de acordo com o tipo de combustão, nos permitindo ter uma indicação da combustão obtida. Tipos de combustão Tipos de combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO • Nas combustões teoricamente completas verifica-se a presença de pequena quantidade de CO nos fumos e quantidade desprezível (ou nula) de oxigênio. • Em combustões completas 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. Tipos de combustão Tipos de combustão UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 6 Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO • 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. 1.Classificação dos combustíveis: Sólidos: • Naturais: carvões fósseis, madeira, lenha; • Preparados: coque, carvão vegetal, resíduo industrial; Líquidos: •Naturais: petróleo cru, gasolina natural; •Preparados: álcool, querosene, óleo diesel, gasolina; Gasoso: •Naturais: gás natural; •Preparados: GLP, gases derivados de petróleo; Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 7 1.Principais Características dos Combustíveis mais Comuns 1.1. “Combustíveis Sólidos” 1.1.1. Lenha • Perdeu a importância como combustível industrial: - Baixa rentabilidade térmica - Crescente interesse como fonte de celulose • Após corte � teor de umidade oscila: 50 e 70%; • Seca ao ar � teor reduz cerca de 15% � PCI = 2500 a 3500 Kcal/Kg; • Baixo poder calorífico � Pirólise*� Resíduo: carvão vegetal � PCI = 7200 a 8000 Kcal/Kg (15% voláteis, 8% de cinzas); • Produtos destiláveis: ácido pirolenhoso e alcatrão ( matérias primas � ácido acético, metanol, acetona...). OBS.: * Pirólise � ruptura da estrutura molecular original pela ação do calor. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO 1.1.2. Carvões fósseis • Consideradas: rochas orgânicas combustíveis; • Combustíveis Sólidos mais importantes (destaque: Hulha); • Resultante: transformação da madeira (florestas) soterrada a milhões de anos; • Sujeitas a ação: pressão, temperatura e bactérias; • > grau transformação sofrida pela madeira � + C e - H e O possui o carvão; • % C na composição: funciona como escala da evolução da transformação da madeira. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 8 • Dos elementos constituintes (C, H, O, N, S, P): teores elevados de C e H � melhor rendimento térmico; • S e P: produz substâncias tóxicas e corrosivas (SO2 e P2O5); • Carvão de boa qualidade: após extração são apenas britados (uniformizar granulometria); • Carvões brasileiros: devido elevados teores de enxofre (S) podem impedir sua utilização na forma como é extraído � refino; • Refino: consiste na colocação do carvão britado em grandes quantidades de água, para que pedaços de matéria mineral e pirita se separem por densidade. a) Hulhas: são carvões que apresentam maior interesse como combustível industrial. • Hulha gorda: apresenta brilhante escura e produz por pirólise grande quantidade de destilado oleoso, deixando um coque bem aglomerado e resistente a compressão. • Hulha magra: produz destilado mais aquoso, e o coque é friável. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO • Hulhas gordas de chama longa: dão grande volume de gases combustíveis. O coque obtido é utilizado como combustível. São as preferidas para fabricação do gásde hulha combustível; • Hulhas gordas de chama curta: dão coque de alta resistência a compressão. São as mais adequadas para as coquerias de siderúrgicas; • Hulhas magras de chama longa: dão chamas luminosas e fuliginosas. Utilizadas em fornos quando se necessita de aquecimento radiante; • Hulhas magras de chama curta: São as que possuem o maior poder calorífico. Adequadas para fornos industriais e para produção de vapor de água; • Carvão: normalmente armazenado ao ar livre e as pilhas bem compactadas (evitar que sofra combustão lenta). Em geral: nos 20 dias que antecedem o uso é deixado em silos (para secagem ao ar). Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 9 1.1.1. Coque: O aquecimento das hulhas em ambiente fechado (fora do contato do ar) � denomina carbonização ou decomposição térmica do carvão � faz que haja o desprendimento das matérias voláteis produzindo: • Combustível gasoso: gás de hulha (constituído de hidrocarbonetos parafínicos, hidrogênio e pequenas quantidades de CO, CO2 e Hidrocarbonetos insaturados; • Combustível líquido: Contento hidrocarbonetos mais pesados e óleos combustíveis do alcatrão da hulha; • Combustível sólido dito coque: constituído pelo carbono fixo e pelas cinzas do carvão; • Coque metalúrgico: parte-se de hulhas gordas e a temperatura atinge valores entre 1.100 e 1.300°C e o gás produzido é usado para aquecer forno de coqueificação; • Poder calorífico: 7.000 Kcal/Kg • O coque pode ser usado: como combustível e nos altos fornos para redução do minério de ferro. Nesse caso, o coque deve ter alta resistência a compressão e ser muito poroso, deve apresentar pouco enxofre e fósforo (para evitar que esses elementos passem para o ferro). Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO 1.2. “Combustíveis Líquidos” • Os combustíveis líquidos podem ser classificados nos seguintes grupos: 1-Petróleo e seus derivados 2-Derivados do alcatrão de hulha ou do linhito 3-Destilados dos xistos betuminosos 4-Hidrocarbonetos sintéticos 5-Álcool etílico 1.2.1. Derivados do Petróleo 1.2.1.1 Gasolina • Mistura de hidrocarbonetos contendo: 6 -12 átomos de carbono; • Pode ser: Natural ou Petróleo; • Poder calorífico: 11.000 Kcal/Kg; • Ponto de fulgor - 40º C (gasolina automotiva) e - 46 ºC (gasolina de aviação); Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 10 • Índice de Octanagem: determinada pela % de octano existente na gasolina. Mede o poder anti-detonante da mesma; • Este índice é medido em motor padrão, variando-se a relação de compressão até que ocorra a pré-detonação ou “batida de pinos”; • A seguir: substitui-se a gasolina por uma mistura de iso-octano e n-heptano que apresenta pré-detonação com a mesma relação de compressão que a gasolina testada. A porcentagem de iso-octano na mistura equivalente, nos dará o índice de octanas ou octanagem da gasolina. Assim, se a mistura apresenta o mesmo comportamento da gasolina em teste, contiver 80% de iso-octano e 20% de heptano, a gasolina em teste será 80; Esse método se baseia na convenção de que: - Iso-octano: possui poder anti-detonante igual a 100 (melhor comportamento) - Heptano: possui poder anti-detonante igual a 0 (pior comportamento) • A partir da mistura dos mesmos, obtêm-se os valores intermediários de octanagem; Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO • O poder anti-detonante (octanagem) pode ser aumentado pela adição: - de combustíveis mísciveis com a gasolina (ex: álcool etílico, benzol, gasolinas naturais...); - de produtos aditivos especiais: chumbo tetra-etila (no caso da gasolina de aviação, que possuem índice de octana de 140 ou 160). Curiosidades: Gasolina Aditivada ou Gasolina Comum? • A Gasolina comum ao passar pelas partes do motor do carro (nas válvulas e no pistão) deixa resíduos, sujeiras que são uma espécie de goma. • Com o passar do tempo, o acúmulo desta goma, dificulta a mistura da gasolina com o ar, que provoca a queima e gera energia para o motor funcionar. Diminuindo, assim, a eficiência do carro. • Diferente do que muitas pessoas pensam o aditivo não aumenta a potência da gasolina. • A grande diferença da gasolina aditivada para a gasolina comum, é que a aditivada possui uma espécie de detergente. • Este detergente (aditivo) ao passar pelo motor dissolve a goma, evitando o acúmulo de mais resíduos, assim a sujeira vai junto com o combustível e também é queimada. (fonte: http://www.brasilescola.com/curiosidades/gasolina-aditivada-e-gasolina-comum.htm) Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 11 1.2.1.2 Querosene • Primeiro derivado do petróleo de valor comercial; • Mistura de hidrocarbonetos contendo: 14 - 19 átomos de carbono; • Incolor, menos volátil que a gasolina; • Excelente poder de solvência; • Importância: turbinas de avião a jato, alguns motores de combustão interna; • 84% de C e 16% de H em massa; • Ponto de fulgor 40ºC; • Poder calorífico: 11.500 Kcal/Kg. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO 1.2.1.3 Óleo Diesel • Empregado: motores de compressão; combustível industrial; geração de energia; • Poder calorífico: 10.100 Kcal/Kg; • Ponto de fulgor 38 ºC (diesel automotivo), 60 ºC (diesel marítimo) e 100 ºC (biodiesel � segundo ANP); • Índice de Cetanas (Cetanagem): Índice que descreve as características de ignição do combustível óleo diesel, ou seja, quanto maior for o número de cetanas, menor será o retardo de ignição e por conseguinte melhor será sua capacidade de incendiar-se; • Óleos com índice de cetanas superior a 50 são empregados em motores diesel de alta velocidade. Para velocidades médias utiliza-se cetenagem 45. Para baixa velocidade aceitam óleos com índice 25; • Cetano é um hidrocarboneto parafínico (alcano) de fórmula química CH3(CH2)14CH3 (C16H34) usado como padrão na avaliação das propriedades ignitoras do diesel (o número de cetano). Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 12 1.2.2. Derivados do Alcatrão Benzeno (C6H6) - principal • Poder calorífico: 10.500 Kcal/Kg • Índice de octano = 88 • Principal utilização: aditivo para gasolina 1.2.3. Destilados de Xistos betuminoso • Fornecem por destilação seca até 12% de produtos condensáveis (20% tipo gasolina e 50% do tipo óleo diesel). 1.2.4. Hidrocarbonetos sintéticos • Utilizados: Processo de síntese; • Obtém-se: hidrocarbonetos parafínicos (baixo poder anti-detonante). Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO 1.2.5. Álcool Etílico • Brasil: > produtor de etanol (Nos últimos trinta anos, a produção de etanol da cana-de-açúcar avançou para 17 milhões de metros cúbicos, com perspectivas de atingir 35,7 milhões de metros cúbicos em 2012-2013); • Matérias primas: cana (Brasil), milho (USA), beterraba (Alemanha), sorgo sacarino (África), trigo (Europa)... • Poder calorífico: 6.500 Kcal/kg; • Ponto de fulgor 13ºC; • Exige menor quantidade de ar para combustão; • Álcool etílico anidro (isento de água): utilizado na faixa de 20 a 25% em mistura com a gasolina; • Álcool etílico hidratado: utilizado como combustível automotivo (em média 95% etanol + 5% água); •Alto poder anti-detonante. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 13 1.3. “Combustíveis Gasosos” • Natemperatura ambiente e na pressão atmosférica, apresentam numerosas vantagens sobre os demais combustíveis: 1.Maior facilidade na reação de combustão 2.Maior facilidade de regular a entrada de ar 3.Maior extensão da chama 4.Maior facilidade de transporte 5.Maior facilidade de pré-aquecimento 6.Ausência de cinzas • São sempre misturas gasosas; • Composição varia: - forma de produção (combustíveis preparados) ou - fonte de obtenção (no caso de combustíveis naturais) Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO • Os constituintes mais comuns são os da tabela a seguir: Destaques: 1.3.1. Gás natural: Combustível fóssil: Metano (CH4) + Hidrocarbonetos Parafínicos (etano, propano e outros mais pesados) � Ocorre: formações geológicas petrolíferas. Possui aplicações domésticas, industriais e automotivas. Poder calorífico: 8.993 Kcal/kg; Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 14 Incolor e inodoro, o gás natural dissipa-se facilmente na atmosfera em caso de vazamento, por ser mais leve que o ar. Para inflamar é preciso que seja submetido a uma temperatura superior a 620°C. Além disso, o gás natural queima com uma chama quase imperceptível. Por questões de segurança, o gás natural comercializado é odorizado com enxofre. 1.3.2. Gás liquefeito de petróleo (GLP): Propano (C3H8) + Butano (C4H10) Utilizado: Combustível industrial, doméstico... São mais densos que o ar e em caso de vazamento, tendem a se depositar apresentando o perigo de explosão e/ou asfixia. Poder calorífico: 11.500 Kcal/kg; OBS.: Normalmente comercializado em botijões no estado líquido, tornando-se gasoso à pressão atmosférica e temperatura ambiente na hora de sua utilização em fogão. Por ser um produto inodoro por natureza, um composto à base de enxofre é adicionado, dando-lhe um cheiro bastante característico para facilitar a detecção de possíveis vazamentos. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO 1.3.3. Gás de hulha: Obtido: destilação seca da hulha, em ausência de ar, resultando ainda um resíduo combustível � coque. Uma tonelada de hulha gera em média 300 a 350 m3 de gás. Poder calorífico: 4.000 a 5.000 Kcal/m3, 50 Kg de alcatrão, 700 a 750 Kg de coque e 80 Kg de águas amoniacais (fonte de NH3). 1.3.4. Gás de ar: “Gás Pobre”, devido seu baixo poder calorífico (1.200 a 1.600 kcal/m3. Obtido: Oxidação parcial do carbono, a partir do coque, carvões minerais ou vegetais; 1.3.5. Gás de água: Apresenta em média: CO2 5,1%; CO 40,2%; H2 50%; CH4 0,7 % e N2 4,0% em volume. Poder calórico: 2500 a 2700 Kcal/m3. Obtido: injeção de vapor de água sobre carvão incandescente; 1.3.6. Gases carburados: Gás de água ou gás misto enriquecido com vapores de hidrocarbonetos, obtidos � craqueamento de um óleo combustível pesado. Poder calorífico: 5.400 Kcal/m3; Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO Seu nome 20/09/2017 Título aqui 15 1.3.7. Gás de alto forno: Possui cerca de 30% de CO e pequena quantidade de H. Resultante: utilização parcial do CO para redução do minério de ferro dentro do alto forno. CO é produzido pela queima do coque com insuficiência de oxigênio durante o processo. Poder calorífico: 900 Kcal/m3 (utilizado na própria siderúrgica, misturado ao gás de coqueira); 1.3.8. Gás de tratamento de esgoto: Produzido: durante a digestão anaeróbica dos esgotos municipais. Contém 65 – 80% de metano (CH4) e poder calorífico: 5.800 a 6.500 Kcal/m3. Combustíveis Combustíveis UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENG. MECÂNICA, MECATRÔNICA E PRODUÇÃO
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