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8ª LISTA DE EXERCÍCIOS - Combustão PCS e PCI

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8ª LISTA DE EXERCÍCIOS DE APLICAÇÕES DE CALOR - COMBUSTÃO
PODER CALORÍFICO
O poder calorífico é a característica que mais desperta a atenção em um gás combustível, podendo ser expresso tomando-se por base uma massa unitária (kg) ou um volume unitário (m³). No caso da base ser volumétrica, é necessário referir-se às condições de temperatura e de pressão: m³, metro cúbico, a 760mmHg e 15,6ºC (existem também referências a temperaturas de 20ºC, 21,1ºC ou 25ºC). No Brasil costuma-se exprimir o poder calorífico de um gás em kcal/m³ ou kcal/kg, muito embora o correto fosse usar unidades do sistema internacional (kJ/Nm³).
O poder calorífico superior (PCS) de um gás combustível é o calor total obtido da queima de uma determinada quantidade unitária do gás com a correspondente quantidade de ar estequiométrico, ambos a 15,6ºC (60ºF) antes da queima, calor esse liberado até que os produtos da combustão sejam resfriados a 15,6ºC. Assim, a água gerada pela queima do hidrogênio presente no combustível estará no estado líquido.
O poder calorífico inferior (PCI) de um gás combustível é obtido pelo seguinte cálculo: poder calorífico superior menos o calor latente de vaporização da água formada pela combustão do hidrogênio presente no combustível.
Portanto, um gás combustível que não possua hidrogênio em sua composição, apresenta o mesmo valor para o PCS e o PCI, como por exemplo, o monóxido de carbono (ver Tabela). 
TABELA. Poderes Caloríficos dos Gases Combustíveis
	GÁS
	kcal/Nm³
	kcal/kg
	
	PCS
	PCI
	PCS
	PCI
	Hidrogênio 
	3050 
	2570
	33889 
	28555
	Metano
	9530 
	8570 
	13284
	11946
	Etano 
	16700 
	15300 
	12400 
	11350
	Eteno ou etileno
	15100
	14200 
	12020 
	11270
	Gás natural de Campos 
	10060 
	9090 
	16206 
	14642
	Gás natural de Santos 
	10687 
	9672
	15955 
	14440
	Gás natural da Bolívia 
	9958 
	8993 
	16494 
	14896
	Propano 
	24200 
	22250 
	12030 
	11080
	Propeno ou propileno 
	22400 
	20900 
	11700 
	10940
	n-Butano 
	31900
	29400 
	11830
	10930
	iso-Butano 
	31700 
	29200 
	11810 
	10900
	Buteno-1 
	29900 
	27900 
	11580 
	10830
	iso-Pentano (líquido)
	-
	-
	11600 
	10730
	GLP (médio)
	28000 
	25775
	11920 
	10997
	Acetileno 
	13980 
	13490 
	11932 
	11514
	Monóxido de carbono 
	3014 
	3014 
	2411
	2411
Exercício resolvido 1
Certo carvão apresenta a seguinte composição percentual em peso: 
 
	carvão
	Carbono
	Hidrogênio
	Oxigênio
	Nitrogênio
	Enxofre
	Umidade
	Cinza
	% Peso 
	72%
	3,6%
	6,4%
	2,8%
	3,2%
	-
	12%
Estimar o PCS e o PCI desse carvão a partir dos calores de combustão das frações combustíveis e composição. Dados: 
a) Massas Atômicas: C = 12, H = 1, O = 16, N = 14, S = 32.
b) calores de combustão: 	Carbono = 96,7 kcal/mol; 
Hidrogênio = 68,3 kcal/mol (H2Olíq.); 
Enxofre = 72 kcal/mol.
c) Calor Latente de Vaporização da água: L = 586 kcal / kg
SOLUÇÃO: BC = 1kg = 1000g
1) Cálculos Preliminares:
	carvão
	Carbono
	Hidrogênio
	Oxigênio
	Nitrogênio
	Enxofre
	Umidade
	Cinza
	% Peso
	72%
	3,6%
	6,4%
	2,8%
	3,2%
	-
	12%
	m
	720 g
	36 g
	64 g
	28 g
	32 g
	-
	120 g
	M
	12 g / Mol
	2 g / Mol
	32 g / Mol
	28 g / Mol
	32 g / Mol
	18 g / Mol
	-
	n
	60 mol
	18 mol
	2 mol
	1 mol
	1 mol
	-
	-
Cálculos Estequiométricos e Energéticos
a) C + O2 CO2 + 96,7 kcal / mol então: Q C = 60 x 96,7 = 5802 kcal / kg
- 	A presença de Oxigênio no combustível diminui a quantidade de calor liberado. 
- 	Admite-se que parte do Hidrogênio do combustível (denominado hidrogênio combinado) reagiu com Oxigênio do combustível resultando Água do hidrogênio combinado e impossibilitando a obtenção da energia da combustão desse Hidrogênio (hidrogênio combinado). O restante do Hidrogênio do combustível (denominado hidrogênio livre) continua disponível para a queima . 
- 	Podemos então calcular:
n H2,combinado = 2 . n O2,combustível = 2 . 2mol = 4 mol
n H2.livre = n H2.total - n H2.combinado = 18 mol - 4 mol = 14 mol
b) H2 + 1/2 O2 H2O (l). + 68,3 kcal/mol então: QH2 = 14 x 68,3 = 956,2 kcal / kg
c) S + O2 SO2 + 72 kcal/mol então : QS = 72 kcal / kg
d) Cálculo do PCS e PCI
6830,2 kcal / kg
PCS = 5802 + 956,2 + 72 =
PCI = PCS - m L ; m = massa total de H2O nos produtos de combustão.
Como n H2.total = n H2O total = 18 mol
n H2O fumos = n H2O total + n H2Oumidade = 18 + zero = 18 mol
m = n.M = 18 . 18 = 324 g = 0,324 kg 
PCI = 6830,2 - 0,324 x 586
 6640,3 kcal / kg
PCI = 6830,2 - 189,9 =
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 
1. Certo carvão apresenta a seguinte composição percentual em peso : 
	 Carvão
	Carbono
	Hidrogênio
	Oxigênio
	Nitrogênio
	Enxofre
	Umidade
	Cinza
	% Peso 
	72%
	3,6%
	6,4%
	2,8%
	3,2%
	9%
	3%
Estimar o PCS e o PCI desses carvões a partir dos calores de combustão das frações combustíveis. Dados: 
a) Massas Atômicas: C = 12 , H = 1 , O = 16 , N = 14 , S = 32
b) calores de combustão: 	Carbono = 96,7 kcal/mol 
 		 	Hidrogênio = 68,3 kcal/mol (H2Olíq. )
 			Enxofre = 72 kcal/mol
c) Calor Latente de Vaporização da água: L = 586 kcal / kg
2. Através da análise dos dados dos combustíveis “Carvão 1” e “Carvão 2” diga qual possui o maior PCS.
	
	Carbono
	Hidrogênio
	Oxigênio
	Nitrogênio
	Umidade
	Cinza
	“Carvão 1” 
	72,9%
	6,3%
	4,0%
	3,5%
	3,6%
	9,7%
	“Carvão 2”
	72,9%
	6,3%
	2,0%
	4,2%
	3,6%
	11%
*composição percentual em peso
3. Através da análise dos dados dos combustíveis “Carvão 1” e “Carvão 3” diga qual possui o maior PCI
	
	Carbono
	Hidrogênio
	Oxigênio 
	Nitrogênio
	Umidade 
	Cinza
	“Carvão 1” 
	72,9%
	6,3%
	4,0%
	3,5%
	3,6%
	9,7%
	“Carvão 3”
	72,9%
	6,3%
	4,0%
	4,2%
	1,6%
	11%
*composição percentual em peso
4. Calcular o PCS e PCI de um combustível líquido que apresenta a seguinte composição percentual em massa :
Carbono = 37,5%; Hidrogênio = 12,5%; Oxigênio = 50%, sendo dados:
a) Massas atômicas: C - 12; H = 1; O = 16 
b) Calor Latente de Vaporização da água: L = 586 kcal / kg 
c) Calores de Combustão: Carbono = 94 kcal / mol; Hidrogênio = 58 kcal / mol (H2O vapor)
5. Calcular o PCS e PCI do combustível gasoso que apresenta a seguinte composição percentual em volume :
C2H6 = 40%; CO = 25%; C3H8 = 35%, sendo dados :
a) Massas atômicas : C - 12; H = 1; O = 16 
b) Calor Latente de Vaporização da água: L = 586 kcal / kg
c) Calores de Combustão: CO = 67,64 kcal/mol; C2H6 = 372,82 kcal/mol (H2O líquido); C3H8 = 530,60 kcal/mol (H2O líquido).
6. Um carvão apresenta a seguinte composição percentual em massa :
Carbono = 70%; Hidrogênio = 6%; Oxigênio = 4%: Enxofre = 5%; Umidade = 2%; cinza = 13%
Calcular o PCS e PCI do combustível , sendo dados :
a) Massas atômicas: C - 12 ; H = 1 ; O = 16 ; N = 14 ; S = 32 
b) Calor Latente de Vaporização da água: L = 586 kcal / kg
c) Calores de Combustão: Carbono = 94 kcal / mol; Hidrogênio = 68 kcal / mol (H2O líquido); Enxofre = 74 kcal / mol.
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