UNIP Universidade Paulista

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1 UNIP Universidade Paulista ANÁLISE IMEDIATA DO CARVÃO e COMBUSTÃO de DIFERENTES ÁLCOOIS Alunos:... RA: RA: RA: RA: RA:... 2 o Semestre 2010

2 Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia - ICET Engenharia de Produção Mecânica/Engenharia Mecatrônica Disciplina: Química e Energia Professora: Silvia Carla H. Goos LABORATÓRIO 1: ANÁLISE IMEDIATA DO CARVÃO e COMBUSTÃO DE DIFERENTES ÁLCOOIS OBJETIVOS Este método fixa o modo pelo qual deve ser feita a determinação da composição imediata do carvão mineral, determinando-se as seguintes características: umidade, matéria volátil, cinza e carbono fixo. Objetiva-se também a observação da combustão de diversos álcoois INTRODUÇÃO 1. Combustíveis Um combustível é qualquer substância que reage com o oxigênio de forma violenta ou de forma a produzir calor, chamas e gases. Supõe a liberação de uma energia de sua forma potencial a uma forma utilizável. No meio que vivemos existem várias substâncias que podem ser usadas como combustível. Entre as sólidas incluem-se o carvão e a madeira e a turfa. O carvão é queimado em caldeiras para esquentar água, que pode vaporizar-se para mover máquinas a vapor, ou diretamente para produzir calor utilizável em usos térmicos (calefação). A madeira é utilizada principalmente para a calefação doméstica e industrial. Entre os líquidas usados como combustível encontramos os de origem vegetal ou animal, como o álcool e o óleos vegetais de rícino e gorduras. Á partir do século XX surgem os combustíveis minerais, considerados fósseis, são os derivados do petróleo como óleo diesel, o querosene e a gasolina (ou nafta). Entre os combustíveis gasosos estão o gás natural ou os GLP (Gases Liquefeitos de Petróleo), representados pelo Propano e o Butano. As gasolinas e até os gases são utilizados para os motores de combustão interna. Nos corpos dos animais em geral, o combustível principal está constituído por carboidratos, lipídios, proteínas, que proporcionam energia para os músculos, o crescimento e os processos de renovação e regeneração célular. 2. Classificação dos combustíveis Tendo por base o seu estado físico, os combustíveis podem classificar-se em sólidos, líquidos e gasosos. Combustíveis sólidos são provenientes da união de um combustível com um comburente (oxidante) sólido, fornecendo oxigênio para a queima de combustível e oferecendo a energia necessária para que o corpo se desloque. São formados de C, H 2, O 2, S, H 2 O e cinzas, sendo combustíveis somente o C, O 2, H 2 e o S. Entre os combustíveis sólidos, temos os minerais como lenha, serragem, bagaço de cana, etc. Os combustíveis sólidos, para serem usados, devem estar sob forma de pó muito fino, ele é pulverizado com o ar durante a alimentação do cilindro. O grande problema que apresentam os 1

3 combustíveis sólidos é a inaceitável erosão provocada nos pistões, válvulas, cilindros, etc. Isto acontece porque os produtos da combustão contêm partes muito duras, que ao depositarem nestes órgãos, causam estes inconvenientes. Os combustíveis sólidos são usados também nos foguetes aeroespaciais. Os principais combustíveis sólidos naturais são a madeira e os produtos de sua decomposição natural, turfa e carvão. Para que um sólido possa ter valor como combustível é necessário que tenha um poder calorífico tão elevado quanto possível e queime com facilidade, com ou sem chama. Os combustíveis líquidos também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são obtidos pela refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. Estes combustíveis são formados de hidrocarbonetos, sendo o óleo diesel C 8 H 17 e a gasolina C 8 H 18 os mais utilizados. Os combustíveis líquidos não minerais são os álcoois e os óleos vegetais. Entre os álcoois, temos o álcool metílico e o etílico, enquanto que os óleos vegetais são formados de C, H 2, O 2 e N 2. Os combustíveis líquidos mais comuns são a gasolina, a querosene, o óleo diesel e o álcool e os empregados nos motores são constituídos de hidrocarboneto, benzol ou álcool. Os combustíveis gasosos têm um baixo custo, porque geralmente são gases obtidos como subprodutos, são combustíveis que formam com o ar uma mistura mais homogênea. Esta característica contribui para uma melhor distribuição nos cilindros, aumentando o rendimento do motor. Aumenta também a facilidade da partida a frio do motor. Os combustíveis gasosos mais comuns são: gás natural, gás de iluminação, gás de água, gás de gasogênio, acetileno, propano e butano. Além dos produtos naturais existem também os artificiais. Na tabela 1 temos alguns exemplos de combustíveis naturais e artificiais classificados de acordo com o estado físico. Tabela 1: Alguns combustíveis naturais e artificiais. ESTADO FÍSICO COMBUSTÍVEIS NATURAIS COMBUSTÍVEIS ARTIFICIAIS SÓLIDO Lenha, turfa, carvão e Coque, briquetes, carvão vegetal, tortas vegetais. xisto LÍQUIDO Petróleo Produtos da destilação de petróleo de alcatrão; álcool, gasolina sintética GASOSO Gás Natural Hidrogênio, acetileno, propano, butano, gás de iluminação, gás de gasogênio, gás de alto - forno 3. Caracterização Tecnológica de Carvões Minerais O carvão mineral não apresenta uma composição uniforme, logo, não pode ser representado por uma fórmula química definida. Basicamente, a caracterização de carvões minerais pode ser realizada por dois tipos diferentes de análises químicas, a análise imediata e a análise elementar. Os carvões minerais podem ser comparados entre si e/ou com outros combustíveis pelas suas especificações próprias, sendo importante o conhecimento destas propriedades e as inter relações existentes Análise Imediata A análise imediata envolve a determinação dos principais componentes de um carvão mineral e as suas proporções em peso. Sua importância está relacionada com a classificação dos carvões, caracterização do combustível para aplicação industrial, bem como para efeitos comparativos entre alternativas energéticas. 2

4 Na análise imediata são avaliados os seguintes itens: umidade, cinzas, matéria volátil e carbono fixo. Neste caso, existe a combinação de três determinações (umidade, cinzas e matéria volátil) em laboratório, e uma quarta calculada por diferença (carbono fixo) Teor de Umidade A quantidade total de água presente em uma amostra de carvão mineral é resultante da combinação entre a umidade livre ou superficial e a umidade de equilíbrio, intrínseca ou inerente ao produto. Durante as etapas de beneficiamento, transporte e armazenamento, temos a incorporação de água superficial, que pode ser retirada pela simples exposição do carvão ao ar, obtendo-se assim o carvão seco ao ar. O excedente de água é resultado das propriedades naturais do produto. Neste caso, a água ocorre na forma de combinação química e/ou inclusa na matriz porosa do carvão mineral (umidade inerente). O conceito de umidade total envolvido na análise de amostras de carvão mineral apresenta dificuldades de determinação, assim como, os seus resultados podem variar e se distinguir conforme a metodologia de análise. Dentro da normatização que serve para a determinação do teor de umidade em carvão mineral devemos considerar: a) Umidade livre ou superficial: água agregada à superfície externa do carvão, decorrente de manuseio e/ou agentes externos; b) Umidade de equilíbrio, intrínseca ou inerente: água retida nos poros ou capilares do carvão; c) Umidade total: somatório da umidade superficial e inerente; Para estudos sobre o desempenho do carvão mineral como energético, devemos considerar que a quantidade total de água contida no carvão mineral deverá se evaporar quando da combustão, acarretando, portanto, uma perda de calor e, um decréscimo de rendimento térmico Teor de Matéria Volátil A matéria volátil existente no carvão mineral é resultado de: a) Combinações de carbono, hidrogênio e outros gases combustíveis e b) Água presente como umidade devido à decomposição química do carvão. Dentre as variáveis de processo afetadas, diretamente pelo teor de matéria volátil, está o tamanho da chama e a estabilidade da combustão. Em princípio, pode-se esperar um acréscimo no poder calorífico pelo maior teor de voláteis até um teor de 20%. Acima destes valores, ocorre um decréscimo no poder calorífico, isto se deve ao fato de que parte dos voláteis são formados por combinações de oxigênio e nitrogênio não combustíveis Teor de Cinzas Durante a formação geológica das jazidas de carvão, diversas impurezas minerais são acrescidas a matriz de carbono inicial. As procedências destes materiais devem-se as litologias adjacentes, combinação entre materiais orgânicos e/ou inorgânicos dos restos vegetais que deram origem a jazida, e ao próprio carvão mineral e sua gênese de formação. A presença de cinzas no carvão mineral acarreta a redução no seu poder calorífico. Os carvões brasileiros apresentam várias possibilidades de beneficiamento para redução considerável dos teores de 3

5 cinzas. Porém, estes resultados se refletem diretamente no custo final do produto obtido. Neste caso, as relações entre teor de cinzas, poder calorífico e custo do produto possuem relação direta. Em aplicações industriais, as cinzas acarretam redução nos níveis de troca térmica dos sistemas de água/vapor, reduzindo com isto a quantidade de calor que poderia ser obtida pelo combustível. As características das cinzas podem fazer também com que elas se fundam, acarretando a formação de escórias que prejudicam os refratários e aumentam os custos de manutenção do sistema de geração Teor de Carbono Fixo Resumidamente, o carbono fixo é a fração residual do carvão mineral, descontados os teores de cinzas, umidade e matéria volátil. % Carbono Fixo = % Cinzas - % Umidade - % Matéria Volátil 4. Poder Calorífico de Carvões Poder calorífico é a quantidade de calor liberada pela combustão completa da unidade de massa (ou volume) do combustível, sendo os fumos da combustão resfriados até a temperatura do combustível (18 ou 25 0 C). O poder calorífico de um combustível nos fornece o rendimento energético do mesmo, ou seja, a quantidade de calor que será obtida na queima completa da unidade de massa (ou de volume) do combustível. A medida experimental em laboratório e feita com o auxilio de calorímetros, que são aparelhos adiabáticos (que não trocam calor com o ambiente). Dentro dos mesmos promove-se a combustão de uma massa conhecida do combustível. O calor gerado e transferido para uma massa de água, cuja temperatura sofre elevação. A partir dos dados experimentais coletados, calcula-se o poder calorífico. Para combustíveis só1idos e líquidos, utiliza-se o calorímetro (ou "bomba calorimétrica") de Berthelot-Mahler. Para combustíveis gasosos utiliza-se o calorímetro de Junkers. Os valores de Poder Calorífico podem ser expressos pelas seguintes unidades: a) Para combustíveis sólidos e líquidos, o poder calorífico e dado em kcal/kg (unidades métricas) ou BTU/libra (unidades inglesas). b) Para combustíveis gasosos, em kcal/m 3 (unidades métricas) ou BTU/pe 3 (unidades inglesas). As relações entre as unidades são: 1 BTU / libra = 0,555 kcal / kg 1 libra = 453 g 1 BTU / pe 3 = 8,9 kcal / m 3 1 BTU = 252 cal E comum também, o uso de unidades molares como kcal/mol e kcal/kmol, sendo que : 1 kcal / kmol = 1000 kcal/mol sendo que 1 cal = 4,18 J 4.1. Cálculo do Poder Calorífico pela fórmula de Gouthal: O cálculo é estimativo. Trata-se de uma fórmula empírica que utiliza os resultados de análise imediata do carvão: PCS = 82(CF) + A (MV) Onde: CF = porcentagem de carbono fixo = %CF MV = porcentagem de matéria volátil. 4

6 A unidade do valor encontrado é kcal/kg. O fator A é determinado na Tabela 2 a seguir e depende da porcentagem de matéria volátil na base seca e sem cinza. Sempre que necessário, deve-se usar interpolação de dados. Tabela 2: Valores do Fator A MV A MV A MV A MV A MV A 1 a Cálculo do Poder Calorífico pela fórmula de Dulong Permite calcular o Poder Calorífico Superior (PCS) e o Poder Calorífico Inferior (PCI) de carvões minerais, conhecendo-se a composição porcentual em massa dos mesmos. A diferença entre PCS e PCI do combustível refere-se ao estado físico em que se encontra nos gases de combustão (fumos) a água formada: a) Poder Calorífico Superior (PCS): é obtido quando resfriamos os fumos da combustão até a temperatura ambiente. Dessa forma, ocorre a condensação do vapor de água, e a quantidade de calor medida inclui o calor de condensação da água. b) Poder Calorífico Inferior (PCI): pode ser obtida deduzindo-se do valor do poder calorífico superior, a quantidade de calor relativa a condensação do vapor de água. Tudo se passa como se a medida de quantidade de calor fosse feita, deixando a água presente nos fumos sair do sistema na forma de vapor. Os valores são encontrados em kcal/kg e as fórmulas são: PCS = 81,4 (C) (H - 0/8) + 25 (S) PCI = 81,4 (C) (H - 0/8) + 25 (S) - 6 (H 2 O) Onde: C, H, 0, S são as porcentagens em massa dos respectivos componentes. H 2 O é a soma das porcentagens em massa de água combinada e umidade existente no combustível. Nas fórmulas de Dulong com coeficientes desenvolvidos temos: PCS = (C) (H - 0/8) (S) PCI = (C) (H - 0/8) (S) (H 2 O) Onde C, H, 0, S são as frações em massa (%P/100) dos respectivos componentes. H 2 O é a soma das frações em massa de água combinada e umidade no combustível. 5

7 5. Reações de Combustão Combustão é uma reação química, mais especificamente como sendo uma reação de oxidação a alta temperatura, e assim sendo, necessitando de uma energia de ativação, obtida normalmente pela elevação de temperatura. Assim sendo, para que ocorra uma reação de combustão, devem estar presentes simultaneamente, o combustível, o comburente e a energia de ativação. O calor liberado pela reação em um ponto do combustível serve como energia de ativação e o processo se torna auto ativante e continua até o término de todo o combustível. Toda combustão é uma reação de oxidação-redução (transferência de elétrons), onde o combustível atua sempre como fonte de elétrons e o comburente recebe e fixa os elétrons cedidos pelo combustível, agindo como oxidante. Genericamente pode-se representar a reação de combustão da forma ao lado. A maior parte das reações de combustão é exotérmica, isto é, libera calor, sendo por isso utilizada como fonte de energia pelo ser humano há milhões de anos. Por esse motivo, a reação de combustão mais conhecida é a queima de combustíveis com alto teor de carbono, como a madeira, o carvão e os derivados do petróleo. Neste caso, os produtos da reação são os óxidos gasosos de carbono, CO (monóxido) e CO 2 (dióxido). A formação de CO e CO 2 é determinada pelas condições de combustão, sobretudo em relação à quantidade de oxigênio disponível. Em abundância de O 2, ocorre formação predominante de CO 2, sendo classificada essa combustão como completa. Em contraponto, condições ineficientes de oxigenação levam à chamada combustão incompleta, com formação de CO. Combustão completa: C (s) + O 2(g) CO 2(g) Combustão incompleta: C (s) + O 2(g) CO 2(g) Combustíveis que apresentam H em sua composição levam à produção de água, além do CO e CO 2, como é o caso da maior parte dos combustíveis provenientes de fontes naturais, como a madeira ou o álcool, e de combustíveis fósseis, como a gasolina: Combustão completa da gasolina: C 8 H 18(l) + 25/2 O 2(g) 8CO 2(g) + 9H 2 O (g) + calor Combustão Completa do álcool: C 2 H 5 OH (L) + 3 O 2(g) 2CO 2(g) + 3H 2 O (g) + calor Se a reação de combustão da gasolina ocorrer com pouco oxigênio (combustão incompleta), teremos: C 8 H 18(l) + 17/2 O 2(g) 8CO (g) + 9H 2 O (g) + calor C 8 H 18(l) + 9O 2(g) 8C (s) + 9H 2 O (g) + calor Já para o álcool etílico, teremos as seguintes reações de combustão incompleta: C 2 H 5 OH (L) + 2 O 2(g) 2CO (g) + 3H 2 O (g) + calor C 2 H 5 OH (L) + O 2(g) 2C (g) + 3H 2 O (g) + calor 6

8 PARTE EXPERIMENTAL 1. ANÁLISE IMEDIATA DO CARVÃO 1.1. Determinação da umidade, %U Neste método, a amostra é moída e classificada em uma peneira de 60 mesh e a umidade é determinada secando-se a amostra a 105 C em uma estufa, e deter minando-se a perda de massa. Peneira malha 60 é aquela que tem 60 fios por polegada linear 1) Pesar um cadinho de porcelana e anotar a massa na Tabela 1. 2) Pesar, com aproximação de 1 mg, de 1 a 2 g do carvão passado por pela peneira 60 * no cadinho pesado anteriormente e anotar o valor (m 1 ) na Tabela 1. 3) Colocar o cadinho na estufa a 105 C durante uma hora e meia. 4) Retirar o cadinho da estufa, colocar num dessecador e deixar esfriar até a temperatura ambiente. 5) Medir novamente a massa (m 2 ) com a mesma aproximação e anotar na Tabela 1. 6) Determinar a umidade pela expressão: %U = m 1 m 2 x 100 m Tabela 1: Dados experimentais para Determinação da Umidade m cadinho (g) m 1 = (carvão úmido + cadinho) (g) m 2 = (carvão seco + cadinho) (g) Sendo que: m cadinho = massa do cadinho m 1 = massa de cadinho + massa de carvão antes da retirada de umidade na estufa. m 2 = massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada a umidade. m = massa de carvão (amostra) = m 1 massa do cadinho m =... g 1.2. Determinação da matéria volátil, % MV A porcentagem de matérias volátil é determinada a partir do carvão previamente seco pelo método da umidade e aquecendo-o em uma mufla a 950 o C. 1) Com a porta da mufla aberta, levar o cadinho contendo o carvão seco em estufa para a parte externa da mufla sobre a porta (temperatura aproximadamente 300 C), por dois minutos. Não esquecer que temos nesta etapa o sistema m 2 = massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada a umidade. Anotar a massa desse sistema na tabela 2. 2) Por três minutos, colocar os cadinhos na beira da abertura da mufla, ainda com a porta aberta (temperatura aproximadamente 500 C); 3) Finalmente, colocar as amostras no fundo da mulfla por seis minutos, com a porta fechada. 4) Dá-se por encerrada a determinação da matéria volátil quando a chama amarela novamente ficar azul. 5) Retirar o cadinho da mufla e esfriar em dissecador por 20 minutos. 6) Pesar e anotar a massa na tabela 2 (m 3 ). 7

9 7) Determinar o teor de voláteis pela expressão : Tabela 2: Dados experimentais para Determinação de Voláteis m 2 = (carvão seco + cadinho) (g) %MV = m 2 m 3 x 100 m m 3 = (carvão sem voláteis + cadinho) (g) Sendo que: m 2 = massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada a umidade. m 3 = massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada da determinação de voláteis. m = massa de carvão (amostra) = m 1 massa do cadinho m =... g Para os carvões com menos de 15% de cinza é tolerada uma diferença de 0,3% entre duas determinações. Para os carvões com 15% ou mais a tolerância é de 0,5% nas condições estabelecidas Determinação da cinza, %Z A porcentagem de cinzas é determinada a partir do carvão previamente calcinado pelo método dos voláteis, submetendo-se o resíduo a à 750 C, por seis horas na mufla. 1) Levar o cadinho que foi calcinado anteriormente à mufla, por seis horas, a temperatura de 750 o C. 2) Terminada a incineração, retirar o material da mufla e colocar num dessecador por 20 minutos. 3) Após resfriado, medir a massa (m 4 ) e anotar o dado na tabela 3. 4) Calcular o teor de cinzas pela seguinte expressão: %Z = m 4 m cadinho x 100 m Tabela 3: Dados experimentais para Determinação da Cinza. m cadinho (g) m 4 = (cinzas + cadinho) (g) Sendo que: m 3 = massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada da determinação de voláteis. m 4 = massa de cadinho + massa de carvão depois de retirada da determinação de cinzas. m = massa de carvão (amostra) = m 1 massa do cadinho m =... g Para os carvões com menos de 15% de cinza é tolerada uma diferença de 0,3% entre duas determinações. Para os carvões com 15% ou mais a tolerância é de 0,5% nas condições estabelecidas Determinação do Carbono Fixo, %CF A determinação do carbono fixo é feita por diferença. Calculadas as porcentagens de umidade, de matéria volátil (propriamente dita) e de cinza, a diferença entre 100 e a soma dessas três porcentagens dará a porcentagem do carbono fixo. % CF = (%U + %MV + %Z) 8

10 2. ESTEQUIOMETRIA DAS COMBUSTÕES Coloque cerca de 2 ml de álcool metílico em uma cápsula de porcelana e identifique. Sob uma tela de amianto, com auxílio de um fósforo, inflame o material e observe a cor da chama deixando a luz do laboratório acesa Observe a chama com a luz do laboratório apagada. Aproxime um pires branco sobre a chama com auxílio de uma pinça de madeira. Após cerca de 30 segundos, observe o fundo do pires. Ao final da queima, observe o resíduo na cápsula de porcelana. Anote suas observações na tabela 4. Repita o mesmo procedimento nas outras cápsulas de porcelana com os seguintes materiais: álcool etílico, álcool n-propílico e álcool amílico. Amostra Tabela 4: Dados experimentais da queima de diferentes alcoóis. Observações Álcool metílico (IUPAC: metanol) Álcool etílico (IUPAC: etanol) Álcool propílico (IUPAC: 1-propanol) Álcool amílico (IUPAC: -pentanol) 9

11 RESULTADOS e DISCUSSÃO 1) Com os dados experimentais obtidos na análise do carvão: A) Dar os resultados da análise na base úmida. B) Dar os resultados da análise na base seca C) Dar os resultados da análise na base seca e sem cinza. 10

12 Abaixo temos listado as características dos carvões de produção nacional, sendo o tipo A de melhor qualidade. Os dados referem-se à análise na base seca. CARACTERÍSTICAS TIPO A B C Carbono fixo bs - min. % 92,0 85,0 82,0 Cinza bs - máx. % 7,0 11,0 17,0 Matéia volátil bs - máx. % 1,0 2,0 2,0 Enxofre bs - máx. % 0,7 1,0 1,2 Poder calorífico - min. kcal/kg Com base na tabela acima, classifique o carvão analisado em tipo A, B ou C. 2) Com base na fórmula estrutura de cada álcool usado no experimento, coloque os álcoois em ordem crescente de poder calorífico. Justifique sua resposta. Dados: Fórmulas estruturais dos álcoois utilizados no experimento: CH 3 OH CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 2 CH 2 OH ÁLCOOL Metílico Etílico Propílico CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 OH Álcool amílico 11