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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. 1
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