Princípios de Combustão e Mistura de Gases Ideais

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Sistemas Térmicos III EPRI21.1
Principios de Combustão
UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá – Campus Itabira
Prof. Carlos E. Campos Rodríguez
COMBUSTÃO
A combustão constitui o primeiro estágio na conversão da energia química do combustível em energia térmica;
A combustão permeia quase todos os setores de uma sociedade, em qualquer parte do mundo, independente do grau de desenvolvimento da nação.
O processo de combustão é responsável por mais de 85% da energia utilizada pelo homem, sendo estratégico para a economia de todos os países. 
A queima de derivados do petróleo, gás natural, carvão mineral, lenha, carvão vegetal, bagaço de cana e dos resíduos agro-industriais corresponde a mais de 80% da energia utilizada no Brasil (MME, 2004). 
Portanto, a combustão tem grande impacto nos setores industrial, de transporte e de geração de energia elétrica. 
Mistura de gases Ideais
Considere um sistema fechado que consista em uma mistura gasosa de dois ou mais componentes. Pode-se descrever a composição da mistura fornecendo a massa ou número de mols de cada componente presente. 
Fração Mássica (x):
Fração Molar (y):
As quantidades relativas dos componentes presentes na mistura podem ser especificados em termos de: 
Mistura de gases Ideais
Lei de Dalton (Pressões Parciais):
Mistura de gases Ideais
O modelo de Dalton supoe que cada componente da mistura comporta-se como um gás ideal como se estvisse sozinho à temperatura T e no volume V da mistura.
Visto que a soma das frações molares é unitária: 
Mistura de gases Ideais
Entalpia Específica (h):
Entropia Específica (s):
Massa Molar dos principais componentes:
Quando uma reação química ocorre, as ligações no interior das moléculas dos reagentes são quebradas, e os átomos e os elétrons são reorganizados para formar produtos.
 Reagentes Produtos 
ou
 Combustível + Oxidante Produtos
Nas reações de combustão, a rápida oxidação dos elementos do combustível resulta em liberação de energia à medida que os produtos de combustão são formados.
COMBUSTÃO
“A massa é conservada”
COMBUSTÃO
Elementos combustíveis de maior importância: Carbono, Hidrogênio e Enxofre;
Enxofre => menor importância – pode causar corrosão – emissão de poluentes;
Combustão completa:
 Processo ideal durante o qual um combustível é queimado completamente. 
 Queima-se todo o carbono (C) para (CO2), todo o hidrogênio (H) para (H2O) e todo o enxofre (S) para (SO2).
 Se aparecem componentes não queimados no gás de exaustão como C, H2, CO, o processo de combustão é incompleto. 
COMBUSTÃO
Reagentes Produto
Combustível
Oxidante
Coeficientes estequiométricos
“Massa total dos reagentes igual á
 massa total dos produtos”
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O ar atmosférico é formado por vários gases, vapor d água, microorganismos e impurezas (poeira e fuligem).
COMBUSTÃO
Combustível genérico:	CmHn
Composição do ar:	0,21 O2 + 0,79 N2	 	 O2+ 3,76 N2
Combustão Completa:	com mínimo de ar (ar teórico ou estequiométrico)
O nitrogênio é considerado inerte e nos produtos está à mesma temperatura dos outros componentes.
Resolver exemplo /621 Moran/Shapiro
Cada mol de oxigênio está associado a 3,76 mol de nitrogênio. O nitrogênio presente no ar NÃO participa da reação química, ou seja, é considerado inerte. Não entanto, o nitrogênio contido nos produtos está à mesma temperatura que os outros componentes.
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Razão Ar-Combustível:
Razão Combustível-Ar:
Coeficiente de Excesso de Ar ( ):
Excesso de Ar (e ou ):
COMBUSTÃO
Razão de equivalência:
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Exemplo 1
Determinar a quantidade de ar teórico para a combustão completa do metano. 
Equação química balanceada
ab
c
d
Número de mols dos componentes na reação
Normalmente a quantidade de ar fornecida é maior ou menor que a quantidade teórica. A quantidade de ar efetivamente fornecida é comumente expressa em termos do porcentual percentual de ar teórico. 
Por exemplo, 150 % de ar teórico significam que o ar efetivamente fornecido é 1,5 veces a quantidade do ar teórico. A quantidade de ar fornecida pode ser expressa de maneira alternativa como um “percentual de ar em excesso” ou um “percentual de deficiência de ar”. 
Assim 150 % do ar teórico equivale a 50 % de ar em excesso e 80% de ar teórico são o mesmo que 20% de deficiência de ar.
COMBUSTÃO
Exemplo 2
Considere a combustão completa do metano com 150% de ar teórico (50% de ar e excesso) Determinar a razão ar-combustível em base molar para a combustão completa do metano. 
Calculamos a quantidade de ar teórica (a)
Equação química balanceada
A razão ar-combustível é 1,5 vez a razão ar-combustível teórica ou estequiemétrica. O ar fornecido em excesso surge nos produtos como oxigênio livre e maior quantidade de nitrogênio
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Exemplo 1:
Determine a razão ar-combustível em base molar e mássica para a combustão completa do octano, C8H18, com (a) quantidade teórica de ar, (b) 150 % da quantidade teórica de ar (50 % de ar em excesso).
Aplicando principio de conservação de massa
N2 é inerte, combustão completa
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Razão Ar-Combustível (base molar):
Razão Ar-Combustível (base mássica):
(a) Quantidade teórica de ar
(b) 150 % da quantidade teórica de ar 
Aplicando principio de conservação de massa
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COMBUSTÃO
Os analisadores de gases podem ser classificados em:
Contínuos: 	baseiam-se no uso de sensores que detectam a variação de diferentes propriedades físicas do gás em função da concentração de diferentes compostos nele. 
Exemplo 	“LAND COMBUSTION Series II”: a concentração de NO, NO2, SO2 , O2 , CO, CO2, H2S e CxHy (hidrocarbonetos) nos produtos da combustão. 
Para determinar a composição dos produtos da combustão, e dispor de dados para o cálculo do coeficiente de excesso de ar, utilizam-se analisadores de gases. 
COMBUSTÃO
COMBUSTÃO
Os analisadores de gases podem ser classificados em:
Volumétricos: 	baseiam-se na absorção seletiva de diferentes componentes do gás por alguns reativos, sendo que a redução do volume da amostra corresponde com o teor do gás dado. 
Exemplo: 	Orsat, Fyrite e Bacharach.
Orsat