UNIVERSIDADE ZAMBEZE. Fundamentos de Combustão Aula 2-Prática Prof. Jorge Nhambiu

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1 UNIVERSIDADE ZAMBEZE Fundamentos de Combustão Aula 2-Prática

2 Aula 2. Tópicos Termodinâmica da combustão: Revisão dos conceitos da primeira lei; Propriedades das misturas; Estequiometria da combustão; Energia química; Cálculos da combustão com a primeira lei; Análise da segunda lei. 2

3 Combustão (Prática) O processo de combustão básico pode ser descrito pelo combustível (o hidrocarboneto) acrescido do oxidante (ar ou oxigénio) chamados reagentes, que são submetidas a um processo químico enquanto libertam calor para formar os produtos de combustão atendendo a conservação de massa. No processo mais simples de combustão, conhecida como a combustão estequiométrica, todo o carbono no combustível forma dióxido de carbono (CO 2 ) e todo o hidrogénio forma a água (H 2 O) nos produtos, assim pode-se escrever a reacção química que se segue: 3

4 Combustão (Prática) 4

5 Combustão (Prática) Note-se que esta reacção produz cinco incógnitas: z, a, b, c, d, portanto, tem-se cinco equações por resolver. A combustão estequiométrica presume que não existe excesso de oxigénio nos produtos, assim d = 0. Obtêm-se as outras quatro equações de equilíbrio do número de átomos de cada elemento nos reagentes (carbono, hidrogénio, oxigénio e azoto) com o número de átomos desses elementos nos produtos. Isso significa que nenhum átomo é destruídos ou perdidos em uma reacção de combustão. 5

6 Combustão (Prática) Elemento Quantidade de reagentes = Quantidade de produtos Equação reduzida Carbono (C) x a a = x Hidrogénio (H) y 2b b = y/2 Oxigénio (O) 2z 2a + b z = a + b/2 Nitrogénio (N) 2 (3,76) z 2c c = 3,76z 6

7 Combustão (Prática) Note-se que a água formada pode estar na fase de vapor ou de líquido, dependendo da temperatura e da pressão dos produtos da combustão. Como exemplo, considere a combustão estequiométrica do metano (CH 4 ), com ar atmosférico. Igualando os coeficientes molares dos reagentes e produtos que obtemos: 7

8 Combustão (Prática) CH 2 O 3,76 N CO 2H O 7,52N

9 Ar e Ar teórico Relação Ar- Combustível A quantidade mínima de ar que permita a combustão completa do combustível é chamada de Ar Teórico (também referido como ar estequiométrico ). Neste caso, os produtos não contêm qualquer quantidade de oxigénio. Se fornecer-se menos do que o ar teórico, os produtos de combustão podem incluir monóxido de carbono (CO), pelo que é prática normal fornecer mais do que o ar teórico para evitar esta ocorrência. Este excesso de ar resultará em oxigénio excedente aparecendo nos produtos de combustão. 9

10 Ar e Ar teórico Relação Ar- Combustível A medida padrão da quantidade de ar utilizada num processo de combustão é a relação ar-combustível (RAC), definida como se segue: RAC m m Assim, considerando apenas os reagentes da combustão do metano com ar teórico apresentado acima, obtém-se: CH 2O 3,76N Reagentes ar comb 24,76kmol 29 kg mar kmol kg RAC 17,3 mcomb 1kmol 12 4 kg kg kmol ar comb 10

11 Problema 2.1 Neste problema desejamos desenvolver a equação de combustão e determinar a relação arcombustível para a combustão completa do n- butano (C 4 H 10 ) com ar a) teórico, e b) 50% de excesso de ar. 11

12 Problema 2.1 (Resolução I) a) Ar teórico 3,76 3,76 C H z O N a CO b H O z N Os coeficientes da equação são: a=4, b=5, z = (4+5/2)=6,5 então: C H 6,5 O 3,76 N 4 CO 5 H O 3,76 6,5 N RAC s 6,54,76kmol 29 kg mar kmol kg 15,5 mcomb 1kmol kg kg kmol ar comb 12

13 Problema 2.1 (Resolução II) b) 50% de excesso de ar 150% de Ar teórico 1,5 6,5 3, ,5 6,5 N C H O N CO H O O ,5 3,76 6,5 2 C H 9,75 O 3,76 N 4 CO 5 H O 3, 25 O 36,7 N RAC 50% ex 9,754,76kmol 29 kg mar kmol mcomb 1kmol kg kmol kg 23,2 kg ar comb 13

14 Análise dos produtos de combustão A combustão sempre ocorre a temperaturas elevadas, e assume-se que todos os produtos de combustão (incluindo o vapor de água) se comportam como gases ideais. Uma vez que têm constantes de gás diferentes, é conveniente usarse a equação do estado de gás ideal em termos da constante de gás universal como se segue: m PV mrt RMT M 14

15 Análise dos produtos de combustão Na análise dos produtos de combustão, há uma série de itens de interesse: 1) Qual é a percentagem de volume de produtos específicos, em especial o dióxido de carbono (CO 2 ) e monóxido de carbono (CO)? 2) Qual é o ponto de condensação do vapor de água nos produtos de combustão? Isto requer a avaliação da pressão parcial do componente de vapor de água dos produtos. 3) Existem métodos experimentais de análise volumétrica dos produtos da combustão, normalmente feito numa base seca, obtendo-se a percentagem de volume de todos os componentes, excepto do vapor de água. Isto permite um método simples de se determinar a relação ar-combustível real e o excesso de ar utilizado no processo de combustão. No caso de gases ideais, sabe-se que a fracção de y i moles do i-ésimo componente de uma mistura de gases a uma pressão P e T é igual à fracção do volume desse componente. A partir da relação molar do gás ideal: PV = NR u T, tem-se: 15

16 Análise dos produtos de combustão y i Ni PVi RuT Vi N PV R T V u Além disso, uma vez que a soma da componente volumes V i deve ser igual ao volume total V, tem-se: n i1 y i 1 16

17 Análise dos produtos de combustão Usando uma abordagem semelhante determina-se a pressão parcial de um componente usando a Lei de Dalton das pressões parciais: P P1 P2 P3 Onde Pi é a pressão parcial do i-ésimo componente assumindo que ele ocupa sozinho o volume V Daí: P i NiRuT V Pi Ni Ru T V Ni P N R T V N u y i 17

18 Problema 2.2 Propano (C 3 H 8 ) é queimado com 61% de excesso de ar, que entra numa câmara de combustão, a 25 C. Assumindo que a combustão é completa e a uma pressão total de 1 atm (101,32 kpa), determinar a) A relação ar-combustível [kg ar /kg comb ], b) A percentagem de dióxido de carbono em volume nos produtos, e c) A temperatura (ponto) de condensação dos produtos. 18

19 Problema 2.2 (Resolução I) 1,61 3, ,61 1,61 3,76 zn C H z O N CO H O z O O coeficiente z = (3+2)=5 então: 2 C H 8,05 O 3,76 N 3 CO 4 H O 3,05 O 30,72 N

20 Problema 2.2 (Resolução II) 8,054,76kmol 29 kg mar kmol kg a) RAC61% excess 25,3 mcomb 1kmol kg kg kmol b) N 3 N 3 4 3, 05 30, 27 40,32 V V CO total CO 2 NCO 3 0,074 % CO2 7,4% N 40, total total c) N 4 N 3 4 3, 05 30, 27 40,32 H O total PH 2O NH 4 4 2O 0, 099 PHO101,32 kpa 10,5 kpa 2 P Ntotal 40,32 40,32 T T 45,8º C ponto de orvalho kpa ar comb 20

21 Problema 2.3 Etano (C 2 H 6 ) é queimado com o ar atmosférico, e a análise volumétrica dos produtos secos de combustão produz o seguinte: 10% de CO 2, 1% de CO, 3% de O 2 e 86 % N 2. Desenvolver a equação de combustão, e determinar a) A percentagem de excesso de ar, b) A relação de ar-combustível, e c) A pressão (ponto) de condensação dos produtos de combustão. 21

22 Problema 2.3 (Resolução I) 22 3, ac H b O N CO CO O N c H O calculando os coeficientes para cada componente Nitrogénio N 2 86 : b 22,87 3,76 Carbono C : 2a 10 1 a 5,5 Hidrogénio H : 6a 2c c 3a 16,5 daí : 5,5 22,87 3, ,5 86 C H O N CO CO O H O N

23 Problema 2.3 (Resolução II) Simplificando por 1kmol de combustível C H 4,16 O 3,76N 1,82 CO 0,18 CO 0,55 O 3 H O 15,64 N a) determinando a percentagem de ar Teórico : C H z O 3, 76N 2CO 3 H O 3, 76z N calculando os coeficentes, z 2 3,5 balanço de oxigénio, daí : 2 C H 3,5 O 3, 76N 2CO 3 H O 13,16 N ,16 % teórica de ar 1,19 119% 3,5 daí o excesso de de ar 19% 23

24 Problema 2.3 (Resolução III) 4,164,76kmol 29 kg mar kmol kg b) RAC 19,1 mcomb 1kmol kg kg kmol ar comb c) N 3 N 1,82 0,18 0,55 315, 64 21,19 H O 2 total PH 2O NH 3 3 2O PHO101,32 kpa 14 kpa 2 P Ntotal 21,19 21,19 T T 53º C ponto de orvalho kpa 24

25 Análise da Combustão Primeira Lei A finalidade principal de combustão é a produção de calor através de uma variação de entalpia dos reagentes para os produtos. A partir da equação Primeira Lei em um volume de controle, ignorando as variações de energia cinética e potencial e assumindo que não há trabalho feito, tem-se: 25

26 Análise da Combustão Primeira Lei onde as somas são tomadas sobre os produtos (p) e os reagentes (r). N refere-se ao número de moles de cada componente e h [kj / kmol] refere-se a entalpia molar de cada componente. 26

27 Análise da Combustão Primeira Lei Uma vez que há um certo número de diferentes substâncias envolvidas é necessário estabelecer um estado de referência comum para avaliar a entalpia, a escolha comum é de 25 C e 1 atm, que é normalmente indicado com um o sobrescrito. Prof S. Bhattacharjee da San Diego State University desenvolveu um sistema especial baseado em web em < > chamado TESTE ( Tele Expert Sistema de Termodinâmica), em que ele incluiu um conjunto de propriedade do gás ideal todas as tabelas com base na entalpia h o = 0, nesta referência comum. 27

28 Análise da Combustão pela Primeira Lei Como um exemplo, considere-se novamente a combustão completa de metano (CH 4 ) com o ar teórico: Note-se que nos reagentes e nos produtos do exemplo acima, temos elementos básicos O 2 e N 2, bem como os compostos CH 4, CO 2 e H 2 O. Quando o composto é formado, em seguida, a variação de entalpia é chamado a entalpia de formação, denotada h f o, e para o nosso exemplo: 28

29 Análise da Combustão pela Primeira Lei Substância Fórmula HFO [kj/kmol] Bióxido de carbono CO 2 (g) Water Vapor H 2 O (g) Água H 2 O (l) Metano CH 4 (g) em que (g) refere-se ao gás e (l) refere-se a líquidos. O sinal negativo significa que o processo é exotérmico, ou seja, o calor é libertado quando o composto é formado. Note-se que a entalpia de formação de elementos básicos de O 2 e N 2 é zero. Considere-se em primeiro lugar o caso em que não existe transferência de calor e que ambos os reagentes e produtos estão a 25 C e à pressão de 1 atm, e que o produto água é líquida. Como não há variação de entalpia sensível a equação da energia torna-se: 29

30 Análise da Combustão pela Primeira Lei o o Q N h N h cv p f p r f p r Qcv kj kmol em unidades de massa : comb r q cv Q cv kj M CH 12 4 kgcomb 4 30

31 Análise da Combustão pela Primeira Lei Este calor (Q CV ) é chamado entalpia de combustão ou Poder Calorífico do combustível. Se os produtos contiverem água no estado líquido, então é Poder Calorífico Superior (como em nosso exemplo), no entanto, se o produto contém nos estado de vapor de água, então é o Poder Calorífico Inferior do combustível. A entalpia de combustão é a maior quantidade de calor que pode ser libertado por um determinado combustível. 31

32 Temperatura Adiabática da Chama O extremo oposto do exemplo acima em que se avaliou a entalpia de combustão é o caso de um processo adiabático, em que nenhum calor é liberto. Isso resulta num aumento de temperatura significativo nos produtos de combustão (indicado como temperatura adiabática de chama), que só pode ser reduzida através do aumento da relação ar-combustível. 32

33 Problema 2.4 Determinar a temperatura adiabática de chama para a combustão completa de Metano (CH 4 ), com 250% de ar teórico num volume de controle adiabático. 33

34 Problema 2.4 (Resolução I) o o Q 0 N h N h 0 cv p f p r f p r p o o N h h T N h h T p f r f p r Onde h(t) é a entalpia sensível como função da temperatura, daí desde que seja assumido que os reagente se encontram a 25ºC: r r 34

35 Problema 2.4 (Resolução II) h T h T 3 h T 18,8 h T CO H O O N CH Simplificando : ht 2 ht 3hT 18,8 ht kj CO2 H2O O2 N2 kmolcomb Esta equação só pode ser resolvida por um procedimento iterativo de tentativa e erro utilizando tabelas de temperatura vs Calor Sensível para todos os quatro componentes dos produtos - CO 2, H 2 O, O 2 e N 2. 35

36 Problema 2.4 (Resolução III) Uma aproximação rápida à temperatura adiabática de chama pode ser obtida, assumindo que os produtos são compostos inteiramente de ar. Esta abordagem foi apresentada Potter e Somerton em seu Esboço da Schaum de Termodinâmica para Engenheiros, em que assumiu todos os produtos serem N 2. Achou-se mais conveniente usar o ar assumindo um valor representativo de calor específico do Ar : C p,1000k =1,142 [kj/kg K]. Assim, somando todos os moles dos produtos temse: 36

37 N total p,1000k Problema 2.4 (Resolução IV) ,8 kmol o 24,8 h T h ar 24,8 M c T 298K kj kmol Onde : M c ar 29 kj kmol 1,142 kj kgk produtos ar p,1000k adiabática comb resolvendo a equação obtêm se1275k assumindo que todos os produtos são ar Utilizando as tabelas de Temperatura vs Calor Sensível avaliou-se a entalpia de todos os quatro produtos a uma mesma temperatura de 1280K, o que resultou num total de entalpia de [kJ/kmol comb ], que é muito próximo ao valor utilizado, justificando esta abordagem. 37