Reações Químicas
Caldeiras Flamotubulares Não apropriadas para combustíveis sólidos
Caldeiras Aquatubulares
Ciclo Termodinâmico de Geração de Eletricidade
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.
Derivados do Petróleo
Carvão Mineral
Gás Natural
Biomassa
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.
Composição do Ar
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.
Para ocorrer a combustão o combustível em contato com o oxigênio deve ser levedo acima de sua temperatura de ignição para iniciar a combustão.
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.
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
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
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.
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)
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
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.
Analisador de Gás de Orsat
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.
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
Entalpia de Formação Energia sensível Energia latente Energia química Energia nuclear
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
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
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)
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.
Análise da Primeira Lei para Sistemas Reativos
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 118910 kj/kmol a) A vazão mássica do ar b) A taxa de transferência de calor da câmara de combustão
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
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.
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