COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

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1 COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO PROF. RAMÓN SILVA Engenharia de Energia Dourados MS

2 INFLAMABILIDADE

3 DEFINIÇÃO O significado de limite de inflamabilidade é o seguinte: se um dado conjunto de condições permite a propagação de uma chama estável e se as condições são progressivamente mudadas até um estado em que uma chama estável não se propaga mais, este estado então é um limite de estabilidade. Se a chama simplesmente não se propaga, este limite é chamado limite de inflamabilidade.

4 DEFINIÇÃO A relação entre o combustível e o oxidante em uma mistura determina se a mesma é ou não inflamável. O interesse industrial no assunto ocorre tanto no aspecto de operação como no de segurança.

5 DEFINIÇÃO A relação entre o combustível e o oxidante em uma mistura determina se a mesma é ou não inflamável. O interesse industrial no assunto ocorre tanto no aspecto de operação como no de segurança.

6 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Uma mistura somente queimará se a concentração do combustível estiver entre os limites inferior e superior de inflamabilidade, que chamaremos LI e LS, respectivamente. A medição dos limites de inflamabilidade envolve experimentos repetidos com diferentes valores de variáveis como razão combustível/oxidante, porcentagem de diluentes, temperatura inicial e pressão inicial.

7 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Uma vez que a inflamabilidade tende a ser fortemente afetada pelas condições do experimento, deve-se cuidar para que tais condições não interfiram nos resultados. Existem testes padrão, para os quais a temperatura e pressão iniciais são 25 C e 1 atm.

8 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Limites de inflamabilidade de alguns combustíveis em ar (Glassman, 1996). Combustível Fórmula LI (%) LS (%) PE (%)* Hidrogênio H ,2 29,6 Monóxido de carbono CO 12,5 74,2 29,6 Metano CH ,5 Etano C 2 H ,4 5,7 Etileno C 2 H 4 3,1 32 6,5 Acetileno C 2 H 2 2,5 80 7,8 Propano C 3 H 8 2,1 9,5 4,0 Propileno C 3 H 6 2,4 11 4,5 n-butano C 4 H 10 1,6 8,4 3,1 Isobutano C 4 H 10 1,6 8,4 3,1 Isopentano C 5 H 12 1,4 8,3 5,0 Éter dimetílico CH 3 -O-CH 3 3,4 27 6,5 Porcentagem estequiométrica do combustível na mistura, calculada considerando o ar como sendo 21 % O 2 e 79 % N 2.

9 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Consideremos uma mistura metano/ar definida como 1 CH 4 + x(1 O 2 + 3,76 N 2 ). Para esta mistura, temos, utilizando dados da Tabela 2.1: LI CH4/ ar 1 0,05 1 4,76x x 3,99 LS CH4/ ar 0, ,76x x 1,99

10 LIMITES DE INFLAMABILIDADE O amplo intervalo de inflamabilidade do hidrogênio nos diz que é fácil obter uma mistura inflamável do gás em ar. Para metano e propano o intervalo de inflamabilidade é estreito e pode decorrer um longo período de tempo até que uma fonte de ignição consiga ignitar e explodir a mistura. É boa prática operar seguramente abaixo do limite inferior de inflamabilidade.

11 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Conforme mostrado na Figura 2.1, o intervalo de inflamabilidade alarga-se quando a temperatura inicial da mistura aumenta. Mudanças na pressão inicial da mistura não alteram o LI para hidrocarbonetos em ar, mas o LS aumenta com a pressão

12 LIMITES DE INFLAMABILIDADE

13 LIMITES DE INFLAMABILIDADE O limite inferior é o mesmo em oxigênio e em ar. Por outro lado, o limite superior é muito maior em oxigênio que em ar. Isto ocorre porque o limite inferior está na região de excesso de oxidante e a troca de nitrogênio por oxigênio não afeta parâmetros importantes, como temperatura de chama, por exemplo.

14 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Combustível LI (%) LS (%) Ar O 2 Ar O 2 Hidrogênio Monóxido de carbono Amônia Metano Propano

15 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Lei de Le Chatelier Os limites inferior e superior de inflamabilidade para misturas de combustíveis podem ser calculados pela lei de Le Chatelier: LI mistura C LI C2... LI 2 C LI i i LS mistura C 1 LS C2... LS 2 C i LS i onde C 1, C 2,... C i (%, base volumétrica) são as proporções de cada gás na mistura gasosa sem ar 15

16 LIMITES DE INFLAMABILIDADE Calcularemos a seguir as massas mínima e máxima de gás liquefeito de petróleo (GLP) que formam uma mistura inflamável homogênea em 1 m 3 de mistura com ar, a 1 atm e 25 o C. Consideraremos o GLP como uma mistura de 50 % propano e 50 % butano, em base volumétrica. Para outros combustíveis o procedimento será análogo.

17 TEMPERATURA DE IGNIÇÃO A temperatura de ignição é aquela à qual uma pequena porção da mistura, a uma determinada temperatura e pressão, tem que ser submetida para a combustão se propagar na própria mistura. A temperatura de ignição é mínima para a mistura estequiométrica.

18 TEMPERATURA DE IGNIÇÃO Uma baixa temperatura de ignição significa que a mistura é potencialmente perigosa. Quanto maior a energia de ativação da reação maior será a temperatura de ignição.

19 TEMPERATURA DE IGNIÇÃO A cabeça de um palito de fósforo contém uma mistura com baixa energia de ativação, de tal maneira que a fricção produz calor suficiente para elevar a temperatura a um patamar para a ignição ocorrer.

20 TEMPERATURA DE IGNIÇÃO Para misturas possuindo uma alta energia de ativação, uma faísca é necessária para iniciar a combustão. Após a ignição pela faísca o calor gerado em geral é suficiente para que a reação seja auto sustentável.

21 TEMPERATURA DE IGNIÇÃO Combustível Ti ( o C) Combustível Ti ( o C) Hidrogênio 400 Isopentano 420 Monóxido de carbono 609 Amônia 651 Metano 540 Etanol 365 Etano 472 Gasolina 440 Etileno 490 Querosene 210 Acetileno 305 Metanol 385 Propano 450 Óleo diesel 225 Propileno 458 Hidrazina 270 n-butano 405 Óleo de soja 445 Isobutano 462 Glicerina 370

22 EXPLOSÃO Definimos uma explosão de gás como um processo no qual a combustão de uma nuvem pré misturada, ou seja, de uma mistura gasosa combustível-ar ou combustível-oxidante, que causa um incremento rápido de pressão. Essas explosões podem ocorrer tanto em áreas confinadas como em áreas abertas.

23 EXPLOSÃO Consideremos o caso de um vazamento acidental de um gás ou líquido volátil, ambos combustíveis, para a atmosfera. Se a nuvem formada pelo vazamento não estiver dentro dos limites de inflamabilidade ou se não houver uma fonte de ignição, a nuvem gasosa pode se diluir e desaparecer sem causar dano.

24 EXPLOSÃO A ignição pode ocorrer imediatamente após o vazamento ou pode demorar, tudo dependendo das circunstâncias. No caso de ignição imediata antes de haver mistura entre o combustível e o ar, um incêndio ocorrerá através de uma chama de difusão. Chamas de difusão são aquelas em que o combustível e o oxidante não estão inicialmente misturados.

25 EXPLOSÃO A situação mais perigosa acontecerá se uma nuvem de grandes proporções entre o combustível e o ar estiver dentro dos limites de inflamabilidade e a ignição ocorrer.

26 EXPLOSÃO A magnitude da pressão gerada pela onda de combustão dependerá de quão rápido a chama se propaga e como a pressão pode se expandir para longe da nuvem, o que depende do confinamento da mistura.

27 EXPLOSÃO As consequências de uma explosão de gás variam entre pouco ou nenhum dano até a destruição total. Incêndios são eventos comuns após uma explosão de uma nuvem de gás.

28 EXPLOSÃO Quando uma nuvem inflamável é ignitada, a chama pode se propagar de dois modos diferentes: deflagração e detonação (Glassman, 1996; Bjerketvedt et al., 1992).

29 DEFLAGLAÇÃO A deflagração é o modo mais comum de propagação de uma chama em explosões acidentais. É definida como uma explosão onde a onda de combustão se propaga em velocidades subsônicas em relação ao gás não queimado imediatamente à frente da chama, o qual estará em movimento por ação dos produtos de combustão em expansão.

30 DEFLAGRAÇÃO Em deflagração, a velocidade de chama varia de alguns metros por segundo até 500 a 1000 m/s em relação a um observador parado. A pressão de explosão varia de alguns mbar até diversos bar.

31 DEFLAGRAÇÃO A velocidade de chama e a pressão de explosão dependem fortemente das características da nuvem inflamável e das condições geométricas do local que podem conferir à nuvem um grau de confinamento.

32 DEFLAGRAÇÃO Quando a nuvem é ignitada por uma fonte de ignição fraca (uma faísca ou uma superfície quente, por exemplo), a chama inicia-se como uma chama laminar para a qual o mecanismo básico de propagação é difusão molecular de calor e massa. Este processo de difusão de calor e massa para a mistura não queimada é relativamente lento e a chama laminar propagar-se-á com uma velocidade da ordem de 3 a 4 m/s.

33 DEFLAGRAÇÃO Na maior parte das explosões acidentais, a chama laminar é acelerada para uma deflagração turbulenta. A turbulência é causada pela interação entre o campo de escoamento com estruturas confinadas tais como equipamentos e paredes internas.

34 DEFLAGRAÇÃO

35 DETONAÇÃO A detonação é a forma mais devastadora de explosão de gás. Diferente da deflagração, a detonação não requer confinamento para se propagar em alta velocidade. Particularmente em uma situação não confinada, o comportamento de uma detonação é bastante diferente de uma deflagração.

36 DETONAÇÃO A detonação é definida como uma onda de combustão supersônica. Assim, a detonação se propaga na mistura inflamável em uma velocidade superior à do som em relação à própria mistura, que não é perturbada pela onda.

37 DETONAÇÃO Em misturas combustível-ar na pressão atmosférica, as velocidades de detonação variam tipicamente entre 1500 e 2000 m/s e os picos de pressão atingem de 15 a 20 bar. A transição para a detonação e a propagação de ondas de detonação dependem fortemente da reatividade da nuvem inflamável.

38 DETONAÇÃO

39 DEFLAGRAÇÃO X DETONAÇÃO

40 REFERÊNCIAS Andrade Jr.. J. A. Carvalho, McQuay, M. Q. Primcípios de Combustão Aplicada UFSC