Química Aplicada QAP0001 Licenciatura em Química Prof a. Dr a. Carla Dalmolin carla.dalmolin@udesc.br carla.dalmolin@gmail.com Combustíveis
Reações de Combustão Reação química entre uma substância (combustível) e um gás (comburente), geralmente o oxigênio (O 2 ), que libera calor CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O ΔH 0 = -802 kj/mol ΔH < 0 Reação Exotérmica RESPIRAÇÃO: processo de combustão C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O
Tipos de Combustão COMBUSTÃO COMPLETA O reagente queima totalmente na presença de oxigênio formando apenas CO 2 e H 2 O Combustíveis contendo átomos de N ou S, formam também os óxidos NO x e SO x, respectivamente Normalmente, esse tipo de combustão é difícil de se atingir, a menos que a reação ocorra em situações controladas (ex. laboratório) CH 4 + 2 O 2 CO 2 + H 2 O ΔH c0 = -802 kj/mol É importante conhecer a quantidade de calor liberada pelos combustíveis para que seja possível comparar o valor energético entre eles.
Tipos de Combustão Entalpia de combustão padrão de alguns combustíveis: Combustível Fórmula ΔH c0 / kj.mol -1 Carbono (carvão) C (s) -393,5 Metano (gás natural) CH 4(g) -802 Propano (componente do gás de cozinha) C 3 H 8(g) -2220 Butano (componente do gás de cozinha) C 4 H 10(g) -2878 Octano (componente da gasolina) C 8 H 18(l) -5471 Acetileno (gás de maçarico) C 2 H 2(g) -1300 Etanol (álcool) C 2 H 5 OH (l) -1368 Hidrogênio H 2(g) -286 A entalpia de combustão considera que a queima de combustível foi completa, por isso indica o calor máximo que pode ser liberado por cada substância.
Tipos de Combustão COMBUSTÃO INCOMPLETA O suprimento de oxigênio não é suficiente para completar a reação Ocorre a queima do combustível, mas este pode formar uma série de produtos Há também a liberação de átomos de carbono na forma de fuligem CH 4 + 3 / 2 O 2 CO + 2H 2 O ΔH 0 = -520 kj/mol CH 4 + O 2 C + 2 H 2 O ΔH 0 = -408 kj/mol Calor liberado é menor que na combustão completa
COMBUSTÃO LENTA Tipos de Combustão Ocorre a baixas temperaturas, sem emissão de luz. Ex. Respiração celular COMBUSTÃO VIVA Produz luz, conhecida como fogo. A chama se forma quando os gases combustíveis se misturam com o oxigênio do ar. EXPLOSÃO No caso de combustíveis sólidos, observa-se a incandescência na superfície e formação de brasas. Resultado da combustão de misturas de gases ou partículas finamente divididas com o ar, numa composição bem definida (chamada de mistura explosiva ou detonante), que se propaga rapidamente.neste caso, a mistura ocupa todo o espaço onde está confinada, e no momento da explosão, provoca o aumento violento da temperatura e pressão COMBUSTÃO VIOLENTA Caracterizada por fluxos turbulentos que ajudam o combustível a se misturar com o comburente. Ex. Turbinas de gás, motor a diesel
Carvão: Combustíveis Substância que reage com o oxigênio (ou outro comburente) liberando energia na forma de calor e luz (chamas, fogo). Combustão em caldeira Aquecimento de água Geração de vapor d água Calefação Movimentação de máquinas a vapor Combustíveis Fósseis: Misturas de compostos orgânicos extraídas do subsolo, originárias de seres vivos fossilizados. Ex.: petróleo, GLP, gasolina, diesel Carboidratos e Lipídios: Principais combustíveis utilizados pelos seres vivos, queimados para gerar energia com auxílio da respiração.
Combustíveis Gasosos Gás natural ou metano (CH 4 ) GLP gases liquefeito de petróleo Etano (C 2 H 6 ) Propano (C 3 H 8 ) Butano (C 4 H 10 ) Ambientalmente mais amigáveis Devido a baixa relação entre o número de moléculas de carbono e hidrogênio, produzem mais água e menos CO 2. Misturam-se facilmente ao ar, formando misturas fáceis de queimar Baixa propagação da chama Necessitam de maior energia de ignição
Combustíveis Líquidos A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera de O 2 ocorre, na verdade, nos vapores liberados pelo líquido. A mistura dos vapores do líquido combustível com o ar é chamada de Mistura Inflamável. Um líquido só libera vapores capazes de formar uma mistura inflamável acima de uma determinada temperatura, denominada Ponto de Fulgor. Um líquido é considerado combustível quando tem a temperatura de fulgor entre 70 o C e 90 o C. Na temperatura de fulgor, o combustível líquido não evapora com a rapidez necessária para sustentar a queima, caso a fonte de calor seja removida. Apenas quando atinge o Ponto de Combustão é que a fonte de calor pode ser removida, e a reação de combustão ocorre até o consumo dos reagentes.
Combustíveis Líquidos Ponto de fulgor Menor temperatura na qual um combustível liberta vapor em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável por uma fonte externa de calor. O ponto de fulgor não é suficiente para que a combustão seja mantida. Ponto de combustão É a temperatura mínima necessária para que um combustível desprenda vapores ou gases combustíveis que, combinados com oxigênio do ar e em contato com uma chama ou centelha (agente ígneo) externa, se inflamam; e mantém-se queimando, mesmo com a retirada do agente ígneo, face a quantidade de vapores liberados àquela temperatura, bem como o aumento da temperatura provocada pela queima. Ponto de ignição Consiste na temperatura (muito acima dos pontos de fulgor e de combustão) à qual os vapores desprendidos entram em combustão espontânea (independentemente de qualquer chama direta).
Combustíveis Sólidos A queima de combustíveis sólidos ocorre em três etapas: Pré-Aquecimento O combustível não queimado é aquecido até o ponto de fulgor e, depois, para o ponto de combustão. Destilação ou Fase gasosa Começa a liberação de gases que se misturam com o oxigênio do ar, dando início à reação, ocorrendo a produção de energia na forma de calor e luz (fogo). Fase de carvão ou Fase sólida A liberação de gases inflamáveis é pequena para manter a chama, mas o combustível carbonizado continua queimando lentamente. O sólido fica incandescente e continua a arder, sem a produção de chamas.
Propriedades dos Combustíveis Estequiometria da Reação Ponto de Ebulição Calor de Vaporização Ponto de Fulgor Limites de Flamabilidade Ponto de Ignição Temperatura Adiabática de Chama Poder Calorífico Produção de CO 2
Estequiometria da Reação Para a queima de um combustível é necessária uma certa quantidade de ar para que a reação ocorra. A quantidade exata de ar (contendo aproximadamente 23% de O 2 ) necessária para a reação de combustão depende da fórmula química do combustível. Assim, a massa de ar necessária para que ocorra a combustão completa será: m O2 A F 0,23.m ar m ar 1 m combustível 0,23. MM O2 MM combustível Relação Ar/Combustível
Estequiometria da Reação MISTURA ESTEQUIOMÉTRICA: As massas de ar e combustível seguem exatamente a relação ( A / F ) MISTURA POBRE A massa de ar é maior que a prevista pela relação ( A / F ) MISTURA RICA A massa de combustível é maior que a prevista pela relação ( A / F ) COEFICIENTE DE EXCESSO DE AR: RIQUEZA DA MISTURA: A F real A F esteq A F esteq A F real Misturas pobres Misturas ricas
Ponto de Ebulição Temperatura em que um combustível líquido passa para seu estado vapor numa determinada pressão. Combustíveis formados por apenas um componente apresentam um valor de temperatura de ebulição bem definido. Entretanto, a maioria dos combustíveis são uma mistura de vários componentes, e apresentam uma curva de destilação, onde o volume de líquido evaporado é acompanhado com o aumento da temperatura.
Limites de Flamabilidade Para que ocorra a combustão completa de um combustível é necessário que a razão entre o volume de ar e combustível esteja dentro de certos limites, conhecidos como: Limite Inferior de Flamabilidade (LIF), e Limite Superior de Flamabilidade (LSF) LIF (%V) LSF (%V) LSF/LIF Metano 5,3 14,0 2,6 Propano 2,4 9,5 4,0 Butano 2,0 8,5 5,3 Gasolina 1,4 7,6 5,4 Acetileno 4 75 18,8 Etanol 4,3 19 4,4 É interessante notar que estes valores são apresentados em forma de porcentagem volumétrica, e não mássica como acontece para a relação ( A / F ).
Poder Calorífico É a quantidade de energia química no combustível, que pode ser representado pela massa de combustível (Poder Calorífico do Combustível), ou pela massa da mistura ar-combustível (Poder Calorífico da Mistura). O poder calorífico é apresentado em unidades de J/m 3 (para combustíveis gasosos) ou J/kg (para combustíveis sólidos e líquidos). Um dos problemas dos combustíveis para veículos é que estes precisam ser transportados. Por isso é importante saber quanta energia pode ser transportada num dado volume. Combustível Poder Calorífico (MJ/kg) Diesel 36 Gasolina 33 Etanol 21 Bateria Pb-ácido 0,3
Produção de CO 2 Parâmetro estudado devido ao aumento da preocupação com o efeito estufa. De maneira geral, o potencial de emissão de CO 2 de um combustível é maior quanto maior a quantidade de carbono em sua composição Mistura de Hidrocarboneto Emissão de CO 2 Gasolina 100 Diesel 102 GLP 87 Gás Natural 75 Hidrogênio 0
Gasolina Produto da destilação do petróleo GASOLINA AR (O 2 ) Mistura de hidrocarbonetos com temperaturas de ebulição na faixa de 25 o C a 250 o C MOTOR Compressão Ignição COMBUSTÃO Expansão Capaz de ser submetida a altas pressões e temperaturas, sem que ocorra auto-ignição Índice de Octano ou Octanagem: parâmetro de qualidade da gasolina Indica a taxa de compressão possível sem que haja detonação Também conhecido como Poder Antidetonante
Diesel Produto da destilação do petróleo Mistura de hidrocarbonetos com ponto de ebulição entre 180 o C e 360 o C Não evapora facilmente Pode ocorrer precipitação dos hidrocarbonetos mais pesados na mistura em baixas temperaturas (t < -10 o C) Auto-inflamável (t ignição = 250 o C 300 o C) Alto teor de S (quando comparado à gasolina) A capacidade de uma mistura de diesel de se auto-inflamar é medida pelo índice de cetano (IC)
Biodiesel Mistura de ésteres produzidos a partir da reação de transesterificação de óleos vegetais ou gorduras animais (triglicerídeos) Possui índice de cetano superior ao diesel Baixa emissão de poluentes Biodegradável Processo de fabricação ineficiente Reagem levemente com polímeros e borrachas Alto custo Poder calorífico cerca de 10% menor que o diesel