universidade zambeze · 2013. 4. 18. · 1,5 6,5 3,76 4 5 0,5 6,5 ... se a equação do estado de...
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Fundamentos de Combustão Aula 2-Prática
Prof. Jorge Nhambiu
UNIVERSIDADE ZAMBEZE
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.
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Combustão (Prática)
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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 (CO2 ) e todo o hidrogénio forma a água (H2O) nos produtos, assim pode-se escrever a reacção química que se segue:
Combustão (Prática)
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Combustão (Prática)
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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.
Combustão (Prática)
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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
Combustão (Prática)
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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 (CH4 ), com ar
atmosférico. Igualando os coeficientes molares
dos reagentes e produtos que obtemos:
Combustão (Prática)
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4 2 2 2 2 22 3,76 2 7,52CH O N CO H O N
Ar e Ar teórico Relação Ar-
Combustível
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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.
Ar e Ar teórico Relação Ar-
Combustível
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A medida padrão da quantidade de ar utilizada num processo de
combustão é a relação ar-combustível (RAC), definida como se
segue:
ar
comb
mRAC
m
Assim, considerando apenas os reagentes da combustão do metano
com ar teórico apresentado acima, obtém-se:
4 2 22 3,76
2 4,76 29
17,3
1 12 4
ar ar
comb comb
CH O N Reagentes
kgkmol
kmolm kgRAC
kgm kgkmolkmol
Problema 2.1
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Neste problema desejamos desenvolver a equação
de combustão e determinar a relação ar-
combustível para a combustão completa do n-
butano (C4H10 ) com ar
a) teórico, e
b) 50% de excesso de ar.
Problema 2.1 (Resolução I)
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a) Ar teórico
4 10 2 2 2 2 23,76 3,76C 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:
4 10 2 2 2 2 26,5 3,76 4 5 3,76 6,5C H O N CO H O N
6,5 4,76 29
15,5
1 4 12 10
ar ars
comb comb
kgkmol
kmolm kgRAC
kgm kgkmolkmol
Problema 2.1 (Resolução II)
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b) 50% de excesso de ar 150% de Ar teórico
4 10 2 2 2 2 2
2
1,5 6,5 3,76 4 5 0,5 6,5
1,5 3,76 6,5
C H O N CO H O O
N
50%
9,75 4,76 29
23,2
1 4 12 10
ar arex
comb comb
kgkmol
kmolm kgRAC
kgm kgkmolkmol
4 10 2 2 2 2 2 29,75 3,76 4 5 3,25 36,7C H O N CO H O O N
Análise dos produtos de combustão
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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 usar-
se a equação do estado de gás ideal em termos da
constante de gás universal como se segue:
mPV mRT RMT
M
Análise dos produtos de combustão
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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 (CO2) 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 yi 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 = NRu∙T, tem-se:
Análise dos produtos de combustão
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Além disso, uma vez que a soma da componente
volumes V i deve ser igual ao volume total V, tem-se:
i i u ii
u
N PV R T Vy
N PV R T V
1
1n
i
i
y
Análise dos produtos de combustão
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Usando uma abordagem semelhante determina-se a pressão parcial de um componente usando a Lei de Dalton das pressões parciais:
1 2 3P P P P
i ui
N R TP
V
Onde Pi é a pressão parcial do i-ésimo componente assumindo que ele ocupa sozinho o volume V
Daí:
i i u ii
u
P N R T V Ny
P N R T V N
Problema 2.2
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Propano (C3H8) 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 [kgar/kgcomb],
b) A percentagem de dióxido de carbono em volume
nos produtos, e
c) A temperatura (ponto) de condensação dos
produtos.
Problema 2.2 (Resolução I)
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3 8 2 2 2 2 2
2
1,61 3,76 3 4 0,61
1,61 3,76
C H z O N CO H O z O
z N
O coeficiente z = (3+2)=5 então:
3 8 2 2 2 2 2 28,05 3,76 3 4 3,05 30,72C H O N CO H O O N
Problema 2.2 (Resolução II)
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61%
8,05 4,76 29
) 25,3
1 3 12 8
ar arexcess
comb comb
kgkmol
kmolm kga RAC
kgm kgkmolkmol
2
2 2
2
) 3 3 4 3,05 30,27 40,32
30,074 % 7,4%
40,32
CO total
CO CO
total total
b N N
V NCO
V N
2
2 2
2
@10
) 4 3 4 3,05 30,27 40,32
4 40,099 101,32 10,5
40,32 40,32
45,8º
H O total
H O H O
H O
total
ponto de orvalho sat kPa
c N N
P NP kPa kPa
P N
T T C
Problema 2.3
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Etano (C2H6) é queimado com o ar atmosférico, e a
análise volumétrica dos produtos secos de
combustão produz o seguinte: 10% de CO2 , 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.
Problema 2.3 (Resolução I)
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2 6 2 2 2 2 2 23,76 10 3 86aC H b O N CO CO O N c H O
2 6 2 2 2 2 2 25,5 22,87 3,76 10 3 16,5 86C H O N CO CO O H O N
2
86: 22,87
3,76
: 2 10 1 5,5
: 6 2 3 16,5
:
calculando os coeficientes para cada componente
Nitrogénio N b
Carbono C a a
Hidrogénio H a c c a
daí
Problema 2.3 (Resolução II)
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2 6 2 2 2 2 2 2
1
4,16 3,76 1,82 0,18 0,55 3 15,64
Simplificando por kmol de combustível
C H O N CO CO O H O N
2 6 2 2 2 2 2
2 6 2 2 2 2 2
) determinando a percentagem de ar
: 3,76 2 3 3,76
3, 2 3,5 , :
2
3,5 3,76 2 3 13,16
4,16% 1,19 119%
3,5
a
Teórico C H z O N CO H O z N
calculando os coeficentes z balanço de oxigénio daí
C H O N CO H O N
teórica de ar
daí o
19%excesso de de ar
Problema 2.3 (Resolução III)
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4,16 4,76 29
) 19,1
1 2 12 6
ar ar
comb comb
kgkmol
kmolm kgb RAC
kgm kgkmolkmol
2
2 2
2
@14
) 3 1,82 0,18 0,55 3 15,64 21,19
3 3101,32 14
21,19 21,19
53º
H O total
H O H O
H O
total
ponto de orvalho sat kPa
c N N
P NP kPa kPa
P N
T T C
Análise da Combustão Primeira Lei
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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:
Análise da Combustão Primeira Lei
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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.
Análise da Combustão Primeira Lei
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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 < www.thermofluids.net > 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 ho = 0, nesta referência comum.
Análise da Combustão pela Primeira
Lei
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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 O2 e N2, bem como os compostos CH4 , CO2 e H2O.
Quando o composto é formado, em seguida, a variação de entalpia é
chamado a entalpia de formação, denotada h fo , e para o nosso
exemplo:
Análise da Combustão pela Primeira
Lei
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Substância Fórmula HFO [kJ/kmol]
Bióxido de carbono CO2 (g) -393.520
Water Vapor H2O (g) -241.820
Água H2O (l) -285.820
Metano CH4 (g) -74.850
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 O2 e N2 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:
em que (g) refere-se ao gás e (l) refere-se a líquidos.
Análise da Combustão pela Primeira
Lei
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4
1 393520 2 258820 1 74850
860310
:
89031055644
12 4
o o
cv p f r fp r
p r
cvcomb
cvcv
combCH
Q N h N h
kJQkmol
em unidades de massa
Q kJqkgM
Análise da Combustão pela Primeira
Lei
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Este calor (QCV) 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.
Temperatura Adiabática da Chama
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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.
Problema 2.4
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Determinar a temperatura adiabática de chama
para a combustão completa de Metano (CH4),
com 250% de ar teórico num volume de controle
adiabático.
Problema 2.4 (Resolução I)
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0
0
o o
cv p f r fp r
p r
o o
p f r fp r
p r
Q N h N h
N h h T N h h T
Onde h(T) é a entalpia sensível como função da temperatura, daí desde que seja assumido que os reagente se encontram a 25ºC:
Problema 2.4 (Resolução II)
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2 2 2 2 4
1 393520 2 241820 3 18,8 1 74850h T h T h T h T
CO H O O N CH
2 2 2 2
:
2 3 18,8 802310CO H O O N
comb
Simplificando
kJh T h T h T h Tkmol
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 - CO2 , H2O, O2 e N 2 .
Problema 2.4 (Resolução III)
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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 N2. Achou-se mais conveniente usar o ar assumindo um valor representativo de calor específico do Ar : Cp,1000K=1,142 [kJ/kg·K].
Assim, somando todos os moles dos produtos tem-se:
Problema 2.4 (Resolução IV)
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,1000
,1000
1 2 3 18.8 24,8
24,8 24,8 298 802310
:
29
1,142
1275 assumindo que todos os produtos são
total produtos
o
ar p K adiabática combar
ar
p K
N kmol
h T h M c T K kJ kmol
Onde
M kJ kmol
c kJ kgK
resolvendo a equação obtêm se K
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 802410[kJ/kmolcomb],
que é muito próximo ao valor utilizado, justificando esta abordagem.
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