PQI-2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I

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1 PQI-2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I Combustão Aula 01 Prof. Moisés Teles moises.teles@usp.br Departamento de Engenharia Química Escola Politécnica da USP

2 Motivação: combustão e Engenharia Ambiental Geração de Energia (indústria, transportes, serviços etc) Combustão de líquidos: gasolina, diesel, álcool, óleo BPF etc. Combustão de Sólidos: carvão, madeira, resíduos agrícolas etc. Combustão de Gases: gás natural, butano, propano etc. Problemas ambientais associados a emissões: NOx, SOx, CO, CO2, particulados, hidrocarbonetos não queimados (formaldeído, PAHs...) Impactos na qualidade do ar, saúde humana e mudanças climáticas. Incineração de Resíduos Resíduos tóxicos/patogênicos (resíduos hospitalares, industriais etc). Gases + cinzas + calor (eletricidade). Formação de dioxinas. Segurança Incêndios, explosões industriais, controle e segurança para prevenção de detonações explosivas.

3 Motivação: combustão e Engenharia Ambiental Fonte: Environmental impacts of combustion, Government of Canada. Impactos ambientais associados ao processo de combustão Emissão Fonte Efeito CO2 Combustão completa de combustíveis Aquecimento global CO Combustão incompleta de combustíveis SMOG SO2 Combustão do enxofre presente em combustíveis SMOG, chuva ácida NOx VOC s CH4 H2O Subproduto de vários processos de combustão Vazamento e evaporação de combustíveis líquidos Vazamento de tanques de gaz, tubulações em sistemas de transporte. Combustão do hidrogênio presente em combustíveis chuva ácida SMOG Aquecimento global Névoa localizada Particulados Carbono e hidrocarbonetos não queimados/parcialmente queimados. Cinzas e sujeiras em combustíveis. SMOG Elementos-traço Impurezas no combustível Cancerígenos Compostos halogenados Compostos no combustível/gases contendo cloro, fluor, bromo ou iodo. Cancerígenos

4 Motivação: combustão e Engenharia Ambiental Emissão de gases do efeito estufa Combustão de combustíveis fósseis, produção de cimento e queima de gases. - Grande parcela das emissões globais de CO : Controlar a Temperatura e Composição dos produtos da combustão. Controlar a taxa de produção de gases de efeito estufa, como CO2, usando combustíveis não fósseis.

5 Motivação: combustão e Engenharia Ambiental Emissão de gases do efeito estufa Um dos maiores problemas ambientais do século está relacionado ao processo de combustão. Fonte: International Energy Agency. CO2 Emissions from Fuel Combustion Edition.

6 Motivação: combustão e Engenharia Ambiental Emissão de gases do efeito estufa 2013 Usinas termelétricas Gases Fonte: United States Environmental Protection Agency

7 Princípios básicos Processo de Combustão Combustível C, H, O, S Ar Forno, fornalha, reator de combustão Gases CO2, CO, O2, N2, SO2, H2O % mol O2 79 % mol N2 Calor Em base seca (quando não se considera a água): Análise de Orsat. Resíduos (cinzas)

8 Princípios básicos Ar seco (composição molar média): N2...78,03 % O2...20,99 % Ar...0,94 % CO2...0,03 % H2, He, Ne, KR, Xe...0,01 % Simplificação: 79 % N % O2 3,76 mol N2/mol O2 Massa molar média: 29 g/mol Base seca Vs base úmida 33,3 % mol CO2 + 33,3 % mol N2 + 33,3 % H2O 50 % mol CO % mol N2 Utilidade: medições de composição (base seca), vazões (base úmida). conversões

9 Reações químicas Combustão completa C + O2 CO2 C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O CS2 + 3 O2 CO2 + 2 SO2 Fonte de O2: ar Fonte de C: grande discussão ambiental Combustão parcial ou incompleta C O2 CO C3H8 + 7/2 O2 3 CO + 4 H2O Altas temperaturas ( > 1800 C): N2 do ar pode reagir para formar NO.

10 Ar teórico e Ar em Excesso Oxigênio teórico Quantidade estequiométrica necessária para combustão completa (todo C a CO2 e todo H a H2O). Ar teórico: quantidade de ar que contém o oxigênio teórico. Ar em excesso: quantidade em que o ar alimentado ao reator excede o ar teórico. Ar em Excesso (%): (moles de ar fornecido) - (moles de ar teórico) (moles de ar teórico) X 100 % Por que utilizar ar (oxigênio) em excesso?

11 Ar teórico e Ar em Excesso Combustão completa C x H y O S z w 4x y 2z 4 4w O 2 xco 2 y H 2 2 O wso 2 Oxigênio teórico ou estequiométrico Razão de equivalência = relação combustível ar real / relação combustível ar estequiométrico Para razão < 1, os produtos da combustão para combustíveis sem enxofre são normalmente: - CO2, H2O, N2, O2, pequenas quantidades de CO e hidrocarbonetos não queimados. Para a combustão completa de 1 mol de metano: - Quantos moles de oxigênio são necessários? - Qual a massa de ar necessária? (ar: 1 mol de O2 + 3,76 mol de N2)

12 Ar teórico e Ar em Excesso Controle de combustão em caldeiras: ar primário, secundário, terciário. Quais os inconvenientes de se operar um processo de combustão com uma razão ar/combustível muito baixa ou muito alta?

13 Exercícios Ex 1: Um processo de combustão é conduzido com 30 % de excesso de oxigênio. Qual o excesso de ar utilizado? Resp.: 30% % de ar em excesso = 100 x ar em excesso = 100 x excesso de O2 / 0,21 ar requerido O2 requerido / 0,21 No cálculo do oxigênio em excesso, leva-se em conta a eventual presença de O2 no combustível e combustão completa do mesmo. Ex 2: Um gás contendo 80 % mol de etano e 20 % mol de O2 é queimado em um motor com 200 % de excesso de ar. 80 % do etano se transformam em CO2, 10 % se transformam em CO e 10 % não queimam. Qual a quantidade (mol) de oxigênio a ser fornecida por 100 mol de gas? Resp.: 780 mol Resolvido em sala

14 Exercícios Ex 3: Um determinado carvão possui a seguinte análise elementar: C: 71,2 %, H: 4,8 %, S: 4,3 %, O: 9,5 %, cinzas: 10,2 %. Qual a quantidade (em mol) de ar teórico necessário para a combustão desse carvão? Resp.: 33,19 mol Da lista de exercícios Ex 4: 100 mol/h de butano (C4H10) e 500 mol/h de ar são fornecidos a um reator de combustão. Calcule a percentagem de ar em excesso. Resp.: 61,6 % Da lista de exercícios

15 Exercícios Ex 5: Butano é queimado com ar. Não há formação de monóxido de carbono nos produtos da combustão. a) Através da análise dos graus de liberdade, mostre que se a percentagem de ar em excesso e a percentagem de conversão do butano forem conhecidas, a composição dos gases de combustão pode ser determinada. b) Calcule a composição molar do produto gasoso de combustão se ar for fornecido em quantidade teórica com 100 % de conversão do butano. Resolvido em sala

16 FIM