Combustão. Problemas para as aulas práticas

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1 Combustão Problemas para as aulas práticas ª aula - sexta-feira 5 e terça-feira 9 de Março Problema Escreva a fórmula química e represente esquematicamente a molécula dos seguintes combustíveis: metano, n-heptano, iso-octano, butanol, propeno, etino, benzeno Problema Escreva a equação da combustão da mistura estequiométrica propano / oxigénio Problema 3 Escreva a equação da combustão de uma mistura estequiométrica de um hidrocarboneto genérico C m H n e ar Problema 4 Escreva a equação da combustão de uma mistura etanol / ar para uma razão de equivalência de 0,80 (nota considere que a reacção se dá em condições ideais e sem dissociação) Problema 5 Escreva a equação da combustão de uma mistura de um octano e ar para um coeficiente de excesso de ar de 0,80 Problema Escreva a equação da combustão de uma mistura de um octano e ar para um coeficiente de excesso de ar de 0,5 Problema 7 Determine a razão de equivalência abaixo da qual não se tem carbono nos produtos e acima da qual já se tem na combustão de um octano em ar Problema 8 Determine as relações ar / combustível em volume e em massa para a combustão estequiométrica de butano Problema 9 Determine a percentagem de CO nos produtos de combustão de uma mistura heptano / ar para uma razão de equivalência de,0

2 ª aula - sexta-feira e terça-feira de Março Problema 0 Um mecanismo proposto para a pirólise do etano é o seguinte: () C H CH 3, exp s - () CH 3 + C H CH 4 + C H exp 0 m 3 mol - s - (3) C H 5 C H 4 + H exp s - (4) H + C H C H 5 + H exp (5) C H 5 C 4 H 0 0 0, 5 exp( 0) 0 m 3 mol - s - 5 m 3 mol - s - A hipótese de estado estacionário é aplicável a H, CH 3, e C H 5. a) Mostre que d [ C H ] dt 3 0,5 [ C H ] + [ C H ] 0, 5 b) Mostre que as concentrações de H e CH 3 são muito inferiores à de C H 5. Considere a reacção a volume constante e com uma temperatura e pressão iniciais de 900 K e 0,0 atm, respectivamente. (Nota: com R 0 8,343 J mole - K - ) c) Considerando que de início apenas C H se encontra presente, calcule o tempo necessário para que se dê a reacção de 0% de C H (apresente a resposta em função das constantes ). 3 5

3 3ª aula - sexta-feira 9 e terça-feira 3 de Março Problema A reacção química que traduz a decomposição do dióxido de azoto na ausência de N é: a) Escreva a equação da taxa de reacção. b) Qual é a ordem desta reacção? NO NO + O c) Quais são as unidades da constante na expressão da taxa de reacção? d) À temperatura de 59 K, o valor de f é 498 nas unidades da c). Qual é a taxa de decomposição do dióxido de azoto a esta temperatura se a sua concentração for 3,00 mole cm -3? e) Calcule a energia de activação da reacção sabendo que: T (K) f (unidades da c)) 03, , Problema O mecanismo de reacção proposto para a decomposição do etano (C H ) na presença de monóxido de azoto (NO) é o seguinte: C H + NO C H 5 H + C H H + NO HNO H + C H 4 C H 5 + HNO C H 5 + H HNO H + NO C H 5 + HNO C H + NO a) Escreva a reacção química global que é descrita pelo mecanismo de reacção acima indicado. b) Aplicando a hipótese de estado estacionário às espécies químicas C H 5, H e HNO, mostre que: d dt 4 H [ C H ] [ C ]

4 4ª aula - sexta-feira e terça-feira 30 de Março Problema 3 Um queimador de secção circular de 0,80 cm tem à saída um escoamento com um perfil uniforme de velocidade (despreza-se a camada limite). A mistura é de ar/propano, a temperatura é de 5ºC e a pressão é de,00 bar. a) Qual a altura da chama quando φ,0 e a velocidade do escoamento é de u,0 m s -? b) Pretende-se manter a altura de chama. Qual deverá ser a velocidade do escoamento se a mistura passar para φ,30? Problema 4 Admita que o escoamento no queimador anterior é turbulento, e que a intensidade de turbulência é de 0,50 m s -. Se a altura de chama se mantiver relativamente à do problema anterior, qual seria a nova velocidade do escoamento para φ,0? Problema 5 Se a temperatura ambiente passar de 5ºC para 00ºC, qual será a altura de chama para o escoamento laminar com φ,0, nas seguintes condições: a) a velocidade à saída do queimador mantém o valor de u,0 m s - ; b) o que se mantém é o caudal mássico.

5 5ª aula - sexta-feira 9 e terça-feira 3 de Abril Problema Foi visto na aula teórica quão sensível era o tempo de ignição à temperatura inicial T 0 para um combustível com uma temperatura de activação de K. Considere-se este valor de T E como um limite superior. Também foi visto na aula que para um número considerável de alcanos se pode considerar uma temperatura de activação de 3800 K no modelo AnB para a ignição espontânea. Considere-se este último valor de T E como um limite inferior. Verifique quão sensível é um combustível com T E 3800 K relativamente a um com T E K. Apresente o cálculo como melhor entender, não esquecendo que o objectivo é comparar a sensibilidade de t ig com T 0 nestes dois casos extremos. Problema 7 Uma determinada Norma para ensaio de resistência de tecidos ao fogo impõem que as amostras de tecido sejam queimadas em condições regulamentadas. Uma dessas condições refere que a amostra deve ser queimada por uma chama de pré-mistura laminar de 5 mm de altura. São também impostas algumas (poucas) condições relativamente ao combustível a usar. Um determinado laboratório de ensaios dispõe de um combustível constituído por uma mistura de hidrocarbonetos leves que está nas condições impostas pela Norma. Dispõe também de um queimador cuidadosamente projectado, contendo um tubo extremamente curto de diâmetro interno igual a mm e precedido por uma contracção. As propriedades conhecidas do combustível são as seguintes: M 8,5 g/mol, C/H 5,33, λ/c p,x0-5 g/(m s) e R fu, moles/dm 3 s. a) Calcule o caudal volumétrico de ar e de combustível para obter a chama com a altura especificada, usando uma mistura estequiométrica. b) Se se mantiver o caudal de ar e diminuir o caudal de combustível o que acontecerá à altura da chama? E se o caudal de combustível aumentar em vez de diminuir? Explique. Pode retirar alguma conclusão do comportamento da chama? c) Diga quais as aproximações usadas na resolução da alínea a). O resultado obtido na alínea a) será obtido por excesso, por defeito, ou não é possível saber? 5ª aula - sexta-feira e terça-feira 0 de Abril (não problemas novos para esta aula)

6 5ª aula - sexta-feira 3 e terça-feira 7 de Abril Problema 8 O dispositivo representado na figura permite realizar ensaios de combustão a pressão constante (o êmbolo A é móvel) num meio turbulento e adiabático. A turbulência é criada durante a admissão forçada da mistura combustível. Quando a admissão termina e a mistura é inflamada pela vela de ignição I, a turbulência pode ser considerada homogénea e admite-se que se mantém assim durante todo o período de combustão. No instante em que a combustão termina, uma amostra de produtos é recolhida por uma sonda junto à vela de ignição, sendo a amostra arrefecida rapidamente, congelando assim a sua composição. a) Calcule a velocidade de propagação da chama S C. b) Calcule a velocidade da frente de chama S F. ρu ρb c) Mostre que a velocidade do êmbolo S E é dada por: S E SC d) Estime a concentração de NO na amostra (admitindo que a sua difusão é desprezável durante o período da combustão) sabendo que a seguinte expressão é válida para misturas pobres: ρ b Condições de ensaio: d p dt NO 0, ( ) po pn exp T 8,343,03 0 T (p em bar) Mistura/ar propano com φ 0,80 T u 380 ºC T b 340 K p 7,5 bar Intensidade de turbulência, u,00 m/s L 0,00 m Ref: Metghalchi M & Kec J C: Laminar Burning Velocity of Propane-Air Mixtures at High Temperature and Pressure, Combustion and Flame, 38: (980)

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