Cap1 elementos de combustão
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Cap1 elementos de combustão


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Elementos de Combustão - Pedro Teixeira Lacava 
Capítulo 1 \u2013 Termoquímica: Balanços de Massa e Energia 
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CAPÍTULO 1 
 
TERMOQUÍMICA: BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA 
 
 
 Neste primeiro capítulo, o processo de combustão é analisado através da 
termodinâmica, realizando balanços de massa e energia. O termo termoquímica será utilizado 
para designar o tratamento termodinâmico aplicado a sistemas reativos. Basicamente, um 
estudo termodinâmico baseia-se no conhecimento das condições iniciais e finais do processo, 
sem abordar os fenômenos que ocorrem entre esses dois estados. Por exemplo, na geração de 
vapor em uma caldeira a termodinâmica se preocupa em caracterizar as condições de entrada 
do líquido neste dispositivo e as condições do vapor na sua saída. No entanto, em uma 
primeira análise, não se estuda o processo de transferência de calor dos gases de combustão 
para a tubulação por onde se desenvolve o escoamento de líquido ou vapor. Transpondo esse 
raciocínio para um sistema reativo, através da termoquímica é possível definir o estado dos 
reagentes e produtos em condição de equilíbrio, sem se preocupar com os detalhes das reações 
químicas envolvidas. Por exemplo, conhecendo as condições de uma mistura de metano 
(CH4) e oxigênio é possível determinar a composição, a temperatura e a pressão dos produtos 
de combustão em equilíbrio. A Figura 1.1 resume os comentários feitos no presente parágrafo. 
 
 
 
 
Figura 1.1 \u2013 Abordagem termodinâmica para um sistema reativo. 
 
 
1.1 \u2013 Conservação de Massa 
 
 Uma definição de combustão conveniente para o tipo de abordagem em questão pode 
ser dada como sendo \u201ca oxidação dos constituintes do combustível que são capazes de serem 
oxidados através de rápidas reações exotérmicas\u201d. Desta forma, todo carbono (C) contido no 
combustível é oxidado para dióxido de carbono (CO2), todo hidrogênio (H2) para água (H2O), 
todo enxofre (S) para dióxido de enxofre (SO2), assim por diante. 
 
 
 
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 Uma simplificação do processo de combustão é feita assumindo que ele possa ser 
escrito como uma reação química única do tipo: 
 
Combustível + Oxidante \u21d2 Produtos. 
 
 Esta forma de descrever o processo de combustão é denominada reação global. Como 
exemplo, podemos escrever a reação global da combustão estequiométrica do propano (C3H8) 
com o ar. 
 
C3H8 + 5O2 \u21d2 3CO2 + 4H2O 
 
 Neste exemplo, o problema ficou restrito a uma reação global e a quatro espécies 
químicas. No entanto, é preciso ter em mente que na realidade a combustão ocorre em um 
sistema com dezenas de espécies e centenas de reações químicas. Entre os estados de reagente 
e produto estável de combustão, existem complexos mecanismos reacionais que produzem e 
consomem espécies intermediárias antes que a composição estável de equilíbrio seja atingida. 
Para o exemplo do propano, antes que o CO2 e H2O sejam os constituintes finais nos gases de 
combustão, espécies como C2H4, CH4, CO, OH, H2 .... são formadas e consumidas. Para a 
combustão de hidrocarbonetos (CxHy) existem mais de 1200 reações químicas intermediárias 
e mais de 50 espécies químicas envolvidas. No entanto, para abordagem termoquímica do 
problema, pode-se considerar apenas a reação global. 
 
 A massa de um constituinte em uma mistura é dada por: 
 
mi = Ni . Mwi , (1.1) 
 
onde mi é a massa do constituinte i, Ni número de mols do constituinte i e Mwi o peso 
molecular do constituinte i. Para uma mistura de k espécies, a massa total pode ser escrita 
como: 
 
mtot = Ntot . Mwtot = \u2211\u2211
==
=
k
1i
ii
k
1i
i m.MwN . (1.2) 
 
 Como exemplo podemos calcular a massa dos reagentes e produtos da combustão de 
um mol de C12H26 com oxigênio em proporção estequiométrica. 
 
C12H26 + 18,5O2 \u21d2 12CO2 + 13H2. 
 
 Os pesos atômicos dos elementos químicos envolvidos são: MwC = 12g/mol, MwH = 
1g/mol e MwO = 16g/mol. Desta forma: 
 
MwC12H26 = 12MwC + 26MwH = 144 + 26 = 170g/mol, 
 
Mw02 = 2.16 = 32g/mol, 
 
MwCO2 = 12 + 2.16 = 44g/mol, 
 
MwH2O = 2.1 + 16 = 18g/mol. 
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 As massas de reagentes e produtos são calculadas como: 
 
R
k
1R
R)(reagentestot .MwNm \u2211== = 1.170 + 18,5.32 = 762g, 
 
P
k
1P
P(produtos)tot .MwNm \u2211== = 12.44 + 13.18 = 762g, 
 
ou seja, os resultados mostram a conservação de massa durante o processo. No entanto, isso já 
não ocorre para o número total de mols. 
 
 \u2211
=
k
1i
)(reagentesiN = 1 + 18,5 = 19,5. 
 
\u2211
=
k
1i
(produtos)iN = 12 + 13 = 25. 
 
Fração Mássica (mfi) 
 
 A massa de cada espécie de uma mistura de gases pode ser apresentada em termos da 
massa total da mistura: 
 
mfi = (mi/mtot), (1.3) 
 
sendo que: 
 
\u2211
=
k
1i
imf =1. 
 
Fração Molar (xi) 
 
 Algumas vezes é mais conveniente descrever as misturas quimicamente reativas em 
base molar. Para uma mistura com k espécies químicas a fração molar xi para cada espécie i é 
dada por: 
 
xi = (Ni/Ntot), (1.4) 
 
sendo que: 
 
\u2211
=
k
1i
ix =1. 
 
Relação Entre mfi e xi 
 
 Substituindo a equação (1.1) na equação (1.3) temos: 
 
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mfi =
tot
ii
m
.MwN . (1.5) 
 
Recuperando a equação (1.4) e substituindo Ni na equação (1.5): 
 
mfi =
tot
itoti
m
.MwN .x . (1.6) 
 
Substituindo a equação (1.2) em (1.6): 
 
mfi =
tot
ii
Mw
.Mwx . (1.7) 
 
Retomando a equação (1.2), ainda podemos escrever: 
 
Mwtot = i
k
1i
ii
k
1i tot
i .Mwx.Mw
N
N \u2211\u2211
==
=\u239f\u239f\u23a0
\u239e
\u239c\u239c\u239d
\u239b
. 
 
Substituindo o resultado para Mwtot na equação (1.7), finalmente podemos escrever a 
relação entre mfi e xi na forma conveniente: 
 
mfi =
\u2211
=
k
1i
ii
ii
.Mwx
.Mwx . (1.8) 
 
Exemplo1.1 
 Para a condição atmosférica padrão, a composição do ar em fração molar pode ser 
reapresentada como: 78% de N2, 21% de O2 e 1% de Ar. Calcular: a) o peso molecular da 
mistura; b) as frações mássicas de N2, O2 e Ar; e c) a constante específica para o ar [J/kg.K]. 
 
Solução: 
 
a) O peso molecular do ar (Mwair) pode ser obtido como: 
 
Mwair = i
k
1i
i .MwN\u2211
=
= 0,21.32 + 0,78.28 + 0,01.40 = 28,96g/mol. 
 
b) Utilizando a equação (1.8): 
 
mfo2 = 28,96
0,21.32 = 0,232, 
 
mfN2 = 28,96
0,78.28 = 0,754, 
 
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mfAr = 28,96
0,01.40 = 0,014. 
 
c) A constante específica. 
 
Rair = ol28,96kg/km
.K8314J/kmol
Mw
R = = 287J/kg.K 
 
 
1.2 \u2013 Reação de Combustão 
 
 Além da conservação de massa e da consideração de reação global (Combustível + 
Oxidante \u21d2 Produtos), na resolução