Combustão é uma reação química de óxido-redução entre um combustível e um comburente, sendo obtido calor (energia) e sub-produtos.

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-056 M.Sc. Alan Sulato de Andrade 1

2 INTRODUÇÃO: Uma das formas mais empregadas para produção de calor na indústria é a combustão, exemplos típicos de equipamentos empregados na industria são as máquinas térmicas. É importante lembrar que os processos metabólicos também são importantes. DEFINIÇÃO: Combustão é uma reação química de óxido-redução entre um combustível e um comburente, sendo obtido calor (energia) e sub-produtos. 2

3 DEFINIÇÃO: DEFINIÇÃO: 3

4 DEFINIÇÃO: CONDIÇÕES NECESSÁRIAS: Para que o processo ocorra, é necessário um combustível, ou seja, o material a ser queimado, um comburente, geralmente o oxigênio e uma "faísca", para iniciar o processo, porem a combustão pode ocorrer de forma espontânea dependendo das condições dispensadas. 4

5 CARACTERÍSTICAS: Como visto nas aulas passadas, os hidrocarbonetos são os combustíveis mais utilizados em todos os setores industriais, porem a quantidade de energia desprendida na reação de combustão está intimamente associada com a composição química do combustível e dos produtos finais de combustão. REAÇÃO QUÍMICA: A equação, em síntese, de uma hidrocarboneto é sempre a seguinte: Teórico Combustível + Oxigênio Dióxido de carbono + Água + Energia Real Combustível + Ar Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia + Resíduos 5

6 REAÇÃO QUÍMICA: Por exemplo: Teórico CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + energia Teórico C 2 H 6 + 3,5O 2 2CO 2 + 3H 2 O + energia TIPOS DE : Dependendo das quantidades proporcionais de combustível e de oxigênio (comburente) pode haver combustões: Teoricamente completas, Praticamente completas, Incompletas. 6

7 TIPOS DE : Teoricamente completa A combustão é denominada teoricamente completa quando se realiza com a quantidade estequiométrica de oxigênio para oxidar completamente a matéria combustível. C 8 H ,5O 2 8CO 2 + 9H 2 O + Energia TIPOS DE : Praticamente completa A combustão será praticamente completa quando se realiza com uma quantidade de oxigênio, porem maior do que a estequiometricamente necessária para oxidar completamente a matéria combustível. C 8 H ,5O 2 8CO 2 + 9H 2 O + 3O 2 + Energia 7

8 TIPOS DE : Incompleta A combustão denominada incompleta é aquela que se realiza com insuficiência de oxigênio, ou seja, com uma quantidade de oxigênio inferior à quantidade estequiométrica para oxidar completamente a matéria combustível. C 8 H ,5O 2 8CO + 9H 2 O + Energia C 8 H ,5O 2 8C + 9H 2 O + Energia TIPOS DE : 8

9 Na combustão o objetivo é obter o máximo possível de calor. Não basta porém que o rendimento calorífico atenda às necessidades requeridas, é preciso que isto seja feito de forma econômica. A fim de maximizar-se o rendimento da combustão, deve-se obter o melhor aproveitamento possível do potencial energético do combustível através de alguns fatores operacionais, como a regulagem da relação ar-combustível. Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria da reação, consegue-se calcular o ar necessário para a queima do combustível. A quantidade de ar que fornece o oxigênio teoricamente suficiente para a combustão completa do combustível, é chamada de "ar teórico" ou "ar estequiométrico". 9

10 Na prática, sabe-se que é muito difícil obter uma boa combustão apenas com o arestequiométrico. Se utilizarmos somente o "ar teórico", há grande probabilidade do combustível não queimar totalmente (haverá formação de CO ao invés de CO 2 ) e conseqüentemente a quantidade de calor liberada será menor. Para se garantir a combustão completa recorre-se a uma quantidade adicional de ar além do estequiométrico, garantindo desse modo que as moléculas de combustível encontrem o número apropriado de moléculas de oxigênio para completar a combustão. Essa quantidade de ar adicional utilizada é chamada de excesso de ar. O excesso de ar é a quantidade de ar fornecida além da teórica. 10

11 O excesso de ar proporciona uma melhor mistura entre o combustível e o oxidante, mas deve ser criteriosamente controlado durante o processo de combustão. Deveremos conhecer a quantidade ideal mínima possível de excesso a ser introduzida na queima, pois o ar que não participa da combustão tende a consumir energia na forma de calor, pois será aquecido mesmo sem contribuir para a reação. Quanto maior o excesso de ar, maior o volume de gases nos produtos de combustão e conseqüentemente maior a perda de calor pela chaminé, influindo negativamente na eficiência da combustão. Entretanto as perdas por excesso de ar aumentam em proporção muito menor que as perdas com combustível não queimado. Assim, nos processos de combustão industrial sempre se trabalha com excesso de ar. 11

12 Combustão com excesso de ar: De forma geral recomenda-se um excesso de ar para que ocorra uma completa combustão, porem estes valores podem variar de acordo com o estado físico do combustível. Estado: Excesso: Gás 0-10% Líquidos 2-30% Sólidos 50% Algumas considerações pertinentes. Composição do ar: Elemento: Proporção: Oxigênio 21% Nitrogênio 79% Ou seja, 1 parte de Oxigênio para 3,76 de Nitrogênio Densidade: 1,29 kg/m³ (1atm a 20ºC) 12

13 Algumas considerações pertinentes. Peso atômico: Elemento: Peso atômico: Carbono 12 Hidrogênio 1 Oxigênio 16 Nitrogênio 14 Enxofre 32 Para se determinar a proporção teórica de ar, deve-se: 1 - Montar a reação 2 - Balancear a reação 3 - Calcular a proporção teórica de ar/combustível Onde, A/C = Massa do ar / Massa do combustível, Expresso em kg/kg 13

14 EXERCÍCIO 1: Calcular a relação A/C na combustão de 1Kmol de C 3 H 8 e excesso de 10%. Reação: Propano + Ar Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia Balanceamento: C 3 H 8 + x(o 2 +3,76N 2 ) CO 2 + 2H 2 O + yn 2 + Energia C 3 H 8 + 5(O 2 +3,76N 2 ) 3CO 2 + 4H 2 O + 18,8N 2 + Energia Necessitamos de 5 moléculas de ar na combustão de de uma de propano. EXERCÍCIO 1: Como utilizamos ar atmosférico na reação: (5 x 32) + (5 x 3,76 x 28) = 686,4 kg 1kmol de propano = 44 kg A/C teórico = 686,4 kg/ 44 kg = 15,6:1 kg/kg A/C com 10% de excesso de ar = 15,6 x 1,1 = 17,2 :1 kg/kg Ou ainda em volume: A/C teórico = 15,6/1,29 = 12,1:1 m³/kg A/C com 10% de excesso de ar = 17,2/1,29 = 13,3:1 m³/kg 14

15 EXERCÍCIO 2: Calcular a relação A/C teórico na combustão de 100kg do seguinte material: Composição C H O N S Química (kg) ,8 3,2 P.atômico Kmol 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1 Reação e Balanceamento: 6C+14H+0,5O+0,2N+0,1S+x(O 2 +3,76N 2 ) 6CO 2 +7H 2 O+0,1SO 2 +yn 2 0,5.1+x.2= ,1.2 x=9,35 0,2.1+9,35.3,76.2=y.2 y=35,3 EXERCÍCIO 2: Como utilizamos ar atmosférico na reação: Quantidade de AR: (9,35 x 32) + (9,35 x 3,76 x 28) = 1.283,6 kg A/C teórico = 1.283,6 kg / 100 kg = 12,8:1 kg/kg Quantidade de CO2: (6 x 12) + (6 x 32) = 264 kg Quantidade de H2O: (7 x 2) + (7 x 16) = 126 kg Quantidade de SO2: (0,1 x 32) + (0,1 x 32) = 6,4 kg Quantidade de N2: (35,3 x 28) = 988,4 kg 15

16 EXERCÍCIO 3: Calcular a relação A/C em kg/kg e m³/kg para os seguintes combustíveis com 20% de ar em excesso: 1kmol de Gasolina (C 5 H 12 ) 1kmol de Óleo leve (C 16 H 34 ) 100kg Madeira de Pinus (C-50%, H-6%, O-43%, N-1%) 100kg Madeira de Eucalyptus (C-49%, H-7%, O-42%, N-2%) PONTOS COMPLEMENTARES. NÃO DISCUTIDOS EM AULA. ROTINAS PARA DETERMINAÇAO DE TEMPERATURA DE CHAMA AVALIAÇÃO DOS RESÍDUOS GERADOS APÓS PROCESSO DE. LEGISLAÇÀO VIGENTE. OUTROS SISTEMAS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA. 16