Caldeiras Flamotubulares. Não apropriadas para combustíveis sólidos

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1 Reações Químicas

2 Caldeiras Flamotubulares Não apropriadas para combustíveis sólidos

3 Caldeiras Aquatubulares

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7 Ciclo Termodinâmico de Geração de Eletricidade

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9 Combustíveis Todo material que pode ser queimado para liberar energia térmica é chamado de combustível. Os mais utilizados são os combustíveis de hidrocarboneto (C n H m ) Ex: carvão, gasolina, gás natural. Embora os combustíveis de hidrocarboneto sejam mistura de muitos hidrocarbonetos diferentes, geralmente são considerados um único hidrocarboneto por conveniência.

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11 Derivados do Petróleo

12 Carvão Mineral

13 Gás Natural

14 Biomassa

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20 Combustão Reação química a qual um combustível é oxidado e uma grande quantidade de energia é liberada chama-se combustão. O ar é o oxidante mais usado gratuito e amplamente disponível O oxigênio puro (O 2 ) é usado como oxidante apenas em algumas aplicações especiais, como corte e solda.

21 Composição do Ar

22 Durante a combustão o nitrogênio se comporta como um gás inerte e não reage com outros elementos. O nitrogênio entra na câmara de combustão em grandes quantidades a baixas temperaturas e sai em temperaturas mais altas, absorvendo energia química liberada na combustão. Em temperaturas muito altas (encontradas em motores de combustão interna), uma pequena fração de nitrogênio reage com o oxigênio, formando gases prejudiciais, como o oxido nítrico.

23 Para ocorrer a combustão o combustível em contato com o oxigênio deve ser levedo acima de sua temperatura de ignição para iniciar a combustão.

24 Conservação de Massa A massa total de cada elemento é conservado durante uma reação química ou da mesma forma o número total de átomos é conservado.

25 Razão Ar/Combustível Uma quantidade muito usada na análise de processos de combustão para quantificar as quantidades de combustível e ar é a razão AC: ar/combustível Expressa em base mássica: razão entre a massa do ar e a massa do combustível AC = m ar m combustivel Onde a massa m está relacionada com o número de mols N pela relação m massa (kg) N número de mols (kmol) M massa molar (kg/kmol) m = NM

26 Exemplo 1 Um kmol de octano (C 8 H 18 ) é queimado com ar que contém 20 kmol de O 2. Admitindo que os produtos contenham apenas CO 2, H 2 O, O 2 e N 2, determine o número de mols de cada gás dos produtos e a razão ar/combustível desse processo de combustão

27 Processos de Combustão Teóricos e Reais Combustão completa: todo o carbono do combustível é queimado para CO 2, todo o hidrogênio é queimado para H 2 O e todo o enxofre (se houver) é queimado para SO 2 Combustão incompleta: se os produtos contêm combustíveis não queimados como C, H 2, CO ou OH.

28 Causas da Combustão Incompleta Oxigênio insuficiente Mistura insuficiente na câmara de combustão durante o tempo limitado em que o combustível e o oxigênio estão em contato Dissociação: maior tendência do oxigênio de se combinar ao hidrogênio do que o carbono (assim o combustível queima até o final formando H 2 O, mesmo quando a menos oxigênio do que o necessário para a completa combustão. Assim parte o carbono acaba como CO ou apenas C (fuligem)

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34 Ar Teórico Quantidade mínima de ar necessário para a completa combustão de um combustível é chamada de ar estequiométrico ou ar teórico. O processo de combustão ideal durante o qual um combustível é completamente queimado com o ar teórico é chamado de combustão estequiométrica ou combustão teórica Ex: Produtos não contém metano não queimado e nenhum C, H 2, CO, OH ou O 2

35 Combustão Real Nos processos de combustão real é comum utilizar mais ar do que a quantidade estequiométrica para: aumentar as chances de combustão completa controlar a temperatura da câmara de combustão A quantidade acima ar acima da estequiométrica é chamada excesso de ar.

36 Analisador de Gás de Orsat

37 Exemplo 2 Uma determinada quantidade de carvão, em uma análise final (em massa), possui 84,36% de C, 1,89% de H 2,4,40% de O 2, 0,63% de N 2, 0,89% de S e 7,83% de cinzas (não combustível). Esse carvão é queimado como uma quantidade de ar teórico. Desconsiderando o teor de cinzas, determine as frações molares dos produtos e da massa molar aparente dos gases de produto. Determine também a razão arcombustível necessária para este processo de combustão.

38 Exemplo 3 Octano (C 8 H 18 ) é queimado com ar seco. A análise volumétrica dos produtos em base seca é: Determine a)a razão ar/combustível b) A porcentagem do ar teórico utilizado

39 Entalpia de Formação Energia sensível Energia latente Energia química Energia nuclear

40 Entalpia de Formação Entalpia de formação h f : entalpia de uma substância em um estado especificado devido a sua composição química Atribui-se a entalpia de formação de todos os elementos estáveis (como C, O 2, N 2, H 2 e C) o valor zero no estado de referencia padrão (25⁰C e 1 atm). O sobrescrito (⁰) indica estado de referência padrão

41 Entalpia de Combustão A entalpia de combustão h C representa a quantidade de calor liberado durante um processo de combustão em regime permanente, quando 1 kmol (ou 1 kg) de combustível é queimado completamente a uma temperatura e pressão especificada

42 Poder Calorífico Quantidade de calor liberado quando um combustível é queimado completamente em um processo em regime permanente e quando os produtos voltam ao estado do reagente ou o valor absoluto da entalpia de combustão Poder calorífico = h C (kj/kg combustível) O poder calorifico depende da fase da H 2 O nos produtos. O pode calorifico superior (PCS) quando a H 2 O dos produtos está na fase líquida, e poder calorífico inferior (PCI) quando a H 2 O está na forma de vapor. PCS = PCI + mh lv H2O (kj/kg combustível)

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44 Exemplo 4 Determine a entalpia da combustão do octano líquido (C 8 H 18 ) a 25⁰C e 1 atm, usando dados de entalpia de formação. Admita que a água dos produtos está na fase líquida.

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49 Análise da Primeira Lei para Sistemas Reativos

50 Exemplo 5 Propano líquido (C 3 H 8 ) entra em uma câmara de combustão a 25⁰C e a uma taxa de 0,05 kg/min, onde ele é misturado e queimado com 50% de excesso de ar que entra na câmara de combustão a 7⁰C. Uma análise dos gases de combustão revela que todo o hidrogênio do combustível queima resultando em H 2 O, mas que apenas 90% do carbono queima formando CO 2, com os 10% restante formando CO. Se a temperatura de saída dos gases de combustão é de 1500 K, determine. Dado: entalpia de formação do propano liquido kj/kmol a) A vazão mássica do ar b) A taxa de transferência de calor da câmara de combustão

51 Temperatura Adiabática de Chama No caso-limite de nenhuma perda de calor para a vizinhança, a temperatura os produtos atinge o máximo, que é denominada temperatura teórica de chama ou temperatura adiabática de chama. Q = 0 e W = 0

52 Na câmara de combustão, a mais alta temperatura à qual um material pode ser exposto é limitada pelas considerações metalúrgicas. Então a temperatura adiabática de chama é uma consideração importante no projeto de câmara de combustão, turbina a gás e de bocais. As temperaturas máximas que ocorrem nesses dispositivos são consideravelmente mais baixas do que a teórica, uma vez que a combustão em geral é incompleta, parte da perda de calor ocorre e alguns gases de combustão se dissociam a altas temperaturas. A temperatura máxima pode ser controlada pelo ajuste da quantidade de excesso de ar, que serve como refrigerante.

53 Exemplo 6 O octano líquido (C 8 H 18 ) entra na câmara de combustão de uma turbina a gás de forma contínua a 1 atm e 25⁰C, e é queimado com o ar que entra na câmara de combustão no mesmo estado. Determine a temperatura teórica de chama para a) a combustão completa com 100% de ar teórico b) a combustão completa com 400% de ar teórico c) combustão incompleta (CO nos produtos) com 90% de ar teórico

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