1
COMBUSTÃO
JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROSProfessor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais
Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão
Doutor em Engenharia Mecânica - Térmica (UFMG)
Doutor em Engenharia Aeronáutica - Energia (ITA)
Engenheiro Químico (UFMG)
www.mautone.eng.br [email protected]
2
DEFINIÇÕES BÁSICAS
Concentrações Usadas
Fórmula mínima
Atmosfera padrão
Estequiometria
– Razão de mistura
– Excesso de ar – misturas pobres
– Excesso de combustível – misturas ricas
– Enriquecimento de ar com O2
– Emissões de CO2 e SO2
3
DEFINIÇÕES BÁSICASConcentrações Usadas
Fração molar (Xi) e Percentagem molar (% molar)
Fração volumétrica (Yi) e Percentagem volume/volume (% v/v)
– Para gases ideais Yi = Xi
Fração mássica (Ci) e Percentagem peso/peso (% p/p)
i
iii
PM
PMC
n
n
totaismolesdeno.
icomponentedomolesdeno.X
V
V
totalvolume
icomponentedovolumeY i
i
PM
PMX
ρ
ρ
m
m
totalmassa
icomponentedomassaC iiii
i
4
DEFINIÇÕES BÁSICASConcentrações Usadas
Peso molecular
– PMi = peso molecular do
componente i
– PM = peso molecular médio da
mistura com n componentes
Partes por Milhão (ppm) – Representa um litro do componente diluído em 106 litros de
mistura.
– Usado para representar traços de poluentes (CO, SO2, NOx, etc.)
nos gases de combustão.
Elemento Peso Molecular (kg/kmol)
C 12
H 1
O 16
N 14
S 32
6
i 10YPPM
n
1i
ii PMXPM
5
DEFINIÇÕES BÁSICASConcentrações Usadas
Partes por Milhão (ppm) – As concentrações de
poluentes são dadas em
base seca, ou seja, retirando
a água do gás de combustão.
– A água interfere nas
medições de concentração
quando se usam sensores
infravermelhos.
– A água é retirada antes da
análise, usando uma
substância higroscópica e/ou
condensadores térmicos.
% v/v % v/v ppm
AR 0,8281 0,95 9465,7
O2 0,0000 0,00 0,0
N2 69,7111 79,68 796843,1
H2O 12,5159
C3H8 0,0000 0,00 0,0
C4H10 0,0000 0,00 0,0
CO2 12,6832 14,50 144977,2
CO 0,0001 0,00011 1,1
H2 4,2616 4,87 48712,9
Total 100 100,00
87,48
Gases da Combustão de GLP
Base úmida Base seca
Sem água
6
DEFINIÇÕES BÁSICASConcentrações Usadas
Exemplo – Gasolina C
Exercícios
(kg/m3)
76,0 1,0 742,60 56437,6 74,9 0,749
24,0 1,0 789,40 18945,6 25,1 0,251
100,0 753,83 75383,2 100,0 1,000
Peso Molecular
C8H18 114 74,9 0,6567 0,546
C2H6O 46 25,1 0,5464 0,454
83,1 100,0 1,2031 1,000
Obs:
Composição (% v/v) Erro (% v/v) Densidade(25ºC) Massa(kg) Composição(% p/p) Fração Mássica (p/p)
Gasolina A
Álcool Etílico
Média
Fórmula Mínima Composição(% p/p) NoMoles Composição(Molar)
Gasolina A
Álcool Etílico
A gasolina A foi considerada como 100% n-octano.
As densidades estão em kg/m3, medidas a 25ºC e 1 atm (Perry et Chilton, 1973).
Percentuais segundo Portaria da ANP No. 197 de 28/12/1999.
Carvão
Mineral
Santa
Catarina %p/p
C 80,8
H 5,4
O 7,2
N 1,4
S 5,2
100
% v/v % v/v
H2O 12
59CO2 7
N2 40
CO 24
41H2 14
CH4 3
100 100
Gás de Madeira
Composição
% v/v % v/v
CO2 3949
N2 10
H2 151
CH4 50
100 100
Biogás
Composição
% v/v % v/v
CO2 1267
N2 55
CO 3033
H2 3
100 100
Gás de Alto Forno
Composição
7
DEFINIÇÕES BÁSICASFórmula Mínima
O Combustível mais usado é um hidrocarboneto.
A Fórmula Mínima de um hidrocarboneto combustível informa o
teor molar de carbono, hidrogênio, oxigênio e enxofre presentes.
CaHbOgNdSw
Fórmula Molecular Fórmula Mínima
Metano CH4 C1H4
Gasolina A C8H18 C7H13,02
Metanol CH3OH C1H4O1
Etanol C2H5OH C2H6O1
Diesel C16H34 C6,88H13,12
Biodiesel CH3(CH2)3(CH2CH=CH)2(CH2)7CO2CH3 C1,9H3,4O0,2
Carvão Mineral C(s) C10,48H8,41O0,7N0,16S0,25
Óleo Combustível C20H40 C10H16,9N0,3
8
DEFINIÇÕES BÁSICASFórmula Mínima
Exemplo – Gasolina C
C5,3H12,6O0,5
Exercícios
Fórmula Mínima da Mistura Gasolina/Álcool
Átomo No átomos Gasolina No átomos Álcool No átomos Mistura
C 8 2 5,3
H 18 6 12,6
O 0 1 0,5
N 0 0 0,0
S 0 0 0,0
Fórmula Mínima Peso Molecular Composição(% p/p) Composição(Molar)
Gasolina A C8H18 114 74,9 0,6567 0,546
Álcool Etílico C2H6O 46 25,1 0,5464 0,454
83,1 100,0 1,2031 1,000
NoMoles
Carvão
Mineral
Santa
Catarina %p/p
C 80,8
H 5,4
O 7,2
N 1,4
S 5,2
100
% v/v % v/v
H2O 12
59CO2 7
N2 40
CO 24
41H2 14
CH4 3
100 100
Gás de Madeira
Composição
% v/v % v/v
CO2 3949
N2 10
H2 151
CH4 50
100 100
Biogás
Composição
% v/v % v/v
CO2 1267
N2 55
CO 3033
H2 3
100 100
Gás de Alto Forno
Composição
9
DEFINIÇÕES BÁSICASAtmosfera Padrão
O Oxidante mais frequente é o Ar Atmosférico
Componentes típicos N2, O2, Ar e H2O (umidade)
Composição simplificada: 21 % v/v O2 e 79 % v/v N2
Padrões de Atmosfera
– CNTP (condições normais de temperatura e pressão) ou NTP (normal
temperature and pressure) 273,15 K (0 oC) e 101325 Pa (1 atm).
– CPTP (condições padrão de temperatura e pressão) ou STP (standard
temperature and pressure) 273,15 K (0 oC) e 105 Pa (1 bar).
– Condições de referência para termodinâmica:
298,15 K (25 oC) e 101325 Pa.
– Atmosfera ISA (International Standard Atmosphere) – condições ao
nível do mar 288,15 K (15 oC) e 101325 Pa (1 atm) – as propriedades
variam com a altitude (Barros, 2003 pg. 70 a 71).
10
DEFINIÇÕES BÁSICASAtmosfera Padrão
A Umidade Relativa (%UR) é a medida da quantidade de água
dissolvida no ar atmosférico.
A Umidade Relativa padrão é
normalmente zero, mas em
algumas normas se usa
31,7 %UR.
A Umidade Relativa pode ser
convertida em fração molar
de água através de uma
equação de pressão de vapor
da água apresentada
na norma NBR 5484 de 1985
e modificada por Barros, 2003.-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
0,0030 0,0035 0,0040 0,0045
ln(P
v/P
o)
1/T (1/K)
Pressão de Vapor da Água(-37 a 47ºC)
Clausius-Clapeyron
NBR5484/1985
Perry e Chilton, 1973
Ajuste Atual
11
DEFINIÇÕES BÁSICASUmidade Relativa
Definição de umidade relativa:
– Pv é pressão de vapor da água (Pa)
– Psat é a pressão de saturação da água, em Pascal, na pressão
e temperatura local (equação válida de -37 a 47 oC)
– P é a pressão atmosférica local (Pa)
– Pseca é a pressão atmosférica
se a umidade for retirada do ar (Pa)
– T é a temperatura local (K)
– XH2O é a concentração volumétrica (molar)
de vapor d’água no ar
354,14
T
5,5314expPP Osat, H2
100P
P%UR
Osat, H
Ov, H
2
2
P
PX
Ov, H
OH2
2
(T,P)P100
%URPP Osat, Hasec 2
12
DEFINIÇÕES BÁSICASUmidade Relativa
Exemplo – Calcular o teor de água (%v/v) em uma
atmosfera padrão com 31,7 %UR, a 1 atmosfera e
20 oC.
Exercícios – Calcular o teor de água (%v/v) em uma
atmosfera com 60 %UR, a 1 bar e 45 oC.
Calcular a pressão seca.
Para que serve a pressão seca?
Pressão atmosférica 1 atm 101325 Pa
Temperatura atmosférica 20 oC 293,15 K
Umidade relativa 31,7 %UR
Pressão saturaçao H2O 23,24 mbar 2324,2 Pa
Pressão parcial H2O 7,37 mbar 736,8 Pa
Pressão seca 1,006 bar 100588,22 Pa
% H2O 0,727 %v/v
13
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
A Estequiometria estuda o balanço da equação química da
combustão completa, sem considerar excesso de oxidante (ar)
ou combustível.
Combustão Completa é a queima de um hidrocarboneto
gerando somente CO2 e H2O. Também pode ser considerado a
formação de SO2 no caso do combustível conter enxofre.
A Condição Estequiométrica é dada pela seguinte reação para
um hidrocarboneto combustível genérico:
24232221
22
SONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
14
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
– Balanço de átomos (base molar)
Permite o cálculo das concentrações dos
gases de combustão (fumos ou fumaça)
24232221
22
SONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
4
3
421
2
1
:S
2279,0:N
22221,0:O
2:H
:C
15
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
– Razão estequiométrica molar combustível/ar (ε)
– Razão estequiométrica molar ar/combustível (x)
24232221
22
SONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
ardemolesde.no
lcombustívedemolesde.no
24
21,0
lcombustívedemolesde.no
ardemolesde.no
21,0
241
16
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
– Razão estequiométrica mássica ar/combustível
(fAC estq)
24232221
22
SONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
Elemento Peso Molecular (kg/kmol)
C 12
H 1
O 16
N 14
S 32estqCAlcombustíve
arestqAC
f
1
PM
PM
lcombustívedemassa
ardemassaf
kmol/kg321416112PM
kmol/kg84,2814279,016221,0PM
lcombustíve
ar
17
DEFINIÇÕES BÁSICASRazão de Mistura
Razão combustível/ar real
Razão de equivalentes combustível/ar (F)
(Razão de Equivalência)
Razão ar/combustível real
Razão de equivalentes ar/combustível (l)(Fator Lambda)
ardemassa
lcombustívedemassafCA
estqCA
CA
f
f
lcombustívedemassa
ardemassaf AC
1
f
f
estqAC
AC
18
DEFINIÇÕES BÁSICASRazão de Mistura
Mistura Estequiométrica
Mistura Rica (excesso de combustível)
Mistura Pobre (excesso de ar)
1ff
1ff
estqACAC
estqCACA
1ff
1ff
estqACAC
estqCACA
1ff
1ff
estqACAC
estqCACA
19
DEFINIÇÕES BÁSICASRazão de Mistura
Exemplos – Cálculo das razões de mistura estequiométricas
– Metano (C1H4)
– Gasolina C (C5,3H12,6O0,5)
– Etanol (C2H6O1)
– Óleo Combustível (C10H16,9N0,3)
Exercícios - Cálculo das razões de mistura estequiométricas
– Gás de carbonização de madeira
– Gás de alto forno
– Biogás
– GLP
GLP
Composição %(v/v)
C3H8 50
C4H10 50
Mistura 100
20
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Excesso de ar – Misturas Pobres
– Excesso de ar (σ)
– Balanço de átomos
(base molar)
2524232221
22
OSONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
4
3
5421
2
1
:S
2279,0:N
222221,0:O
2:H
:C
estqar
ar
estqar
ar
Y
Y
X
X
21
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Excesso de combustível – Misturas Ricas
– Excesso de combustível (ψ)
– Balanço de átomos
(base molar)
2762524232221
22
HCOOSONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
estqlcombustíve
lcombustíve
X
X
0lcombustívedeExcesso
:S
2279,0:N
222221,0:O
22:H
:C
5
4
3
65421
72
61
22
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Excesso de combustível – Misturas Ricas– Falta uma equação para que o sistema tenha solução
– Hipótese de Equilíbrio Químico a uma equação
– Constante de equilíbrio (Keq)
(da tabela JANNAF por Ferguson, 1986)
– Temperatura reduzida (TR)
CO2 + H2 CO + H2O
71
26
3
R
2
RR
eq lnT
0,2803
T
1,611
T
1,7612,743Kln
TR = T/1000 [T em K]
23
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Excesso de combustível – Misturas Ricas– Colocando o número de moles dos produtos em função de
do número de moles da água
?
B42,02
279,0
0
BAA
)C(2
2
221
3
4
5
2116
227
24
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Excesso de combustível – Misturas Ricas– Usando a equação de equilíbrio para o CO. Solução para u2P0
– Os outros números de moles dos produtos são calculados a
partir do número de moles da água.
a2
ac4bbv
0cba
BCKcKCBBAbK1a
2C42,02BA
0BCKKCBBAK1K
2
2
2
2
2
eqeqeq
eq2eq
2
2eq
71
26eq
25
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Composição dos gases
de combustão -
Soluções
computacionais
Equilíbrio Químico– Método das Constantes de
Equilíbrio
– Adequado para poucas
espécies químicas (máx. 30)
– Exemplo em
www.mautone.eng.br
26
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Composição dos gases
de combustão - Soluções
computacionais
Equilíbrio Químico
– Método de Minimização
da Energia Livre de
Gibbs
– Adequado para muitas
espécies químicas (>200)
– Exemplo em
www.grc.nasa.gov/WWW/
CEAWeb/
27
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Composição dos gases
de combustão -
Soluções
computacionais
Equilíbrio Químico
– Método de Minimização
da Energia Livre de
Gibbs
– Adequado para muitas
espécies químicas
(>200)
– Exemplo em
www.c.morley.dsl.pipex
.com/
28
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Composição dos gases de
combustão - Soluções
computacionais
Cinética Química
– Método de integração da cinética
de combustão
– Utiliza mecanismos de reação
detalhados
– Prevê emissões e dinâmica de
queima
– Programa CHEMKIN
– Detalhes em
www.reactiondesign.com
29
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Exemplos – Cálculo da composição dos gases de
combustão
– GLP (C3,5H9)T= 700 oC, P=1 atmosfera, F=1,1T= 700 oC, P=1 atmosfera, F=1,0 T= 700 oC, P=1 atmosfera, F=0,9
Exercícios – Cálculo da composição dos gases de
combustão
– Óleo Combustível (C20H40 )T= 600 oC, P=1 atmosfera, F=1,1T= 600 oC, P=1 atmosfera, F=1,0 T= 600 oC, P=1 atmosfera, F=0,9
GLP
Composição %(v/v)
C3H8 50
C4H10 50
Mistura 100
30
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Enriquecimento do ar com O2
– Miniusinas de retirada do O2 do ar, usando peneiras
moleculares, se difundiram a partir da década de 1990.
– Estas usinas tornaram viável economicamente o
enriquecimento do ar atmosférico com oxigênio puro.
– Os objetivos são aumentar o calor liberado e reduzir o
volume de fumaça dos equipamentos térmicos que
utilizam combustíveis de baixo poder calorífico.
31
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Enriquecimento do ar com O2
Mistura com ao ar Mistura na chama
Fator de enriquecimento (W)
ArO
ArO
Q21,0Q
2
2
]h/Nm[asvolumétricvazõesQ 3
32
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Níveis de enriquecimento do ar
– Baixo nível: Ω<0,30
Pode-se usar queimadores
convencionais.
– Médio nível: 0,3< Ω<0,90
Implica em modificações nos
queimadores.
– Alto nível: Ω>0,90
Implica em modificações nos
queimadores.
Adequado para queimadores de alta
potência e baixo volume de fumos.
ArO
ArO
Q21,0Q
2
2
33
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Enriquecimento do ar com O2
Reação
Balanço de átomos (base molar)
24232221
22
SONOHCO
N)1(OSNOHC
4
3
421
2
1
:S
221:N
222:O
2:H
:C
34
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Enriquecimento do ar com O2
Razões de mistura
oenriquecidardemolesde.no
lcombustívedemolesde.no
24
estqCAlcombustíve
ricoar
estqACf
1
PM
PM
lcombustívedemassa
oenriquecidardemassaf
kmol/kg321416112PM
kmol/kg1421162PM
lcombustíve
ar
35
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Exemplos – Cálculo da razão estequiométrica
ar rico/ combustível. Calcular o percentual
enriquecimento do ar necessário?
– Metano/ Ar com W = 0,26
100Q
QardoentoEnriquecim%
Ar
O2
C 1 átomos C 1 átomos
H 4 átomos H 4 átomos
PM CH4 16 kg/kmol PM CH4 16 kg/kmol
PM Ar 28,84 kg/kmol PM Ar 29,04 kg/kmol
Gama rico 0,21 Gama rico 0,26
Epson rico 0,105 Epson rico 0,130
Razão AC 17,17 kgAr/kgCH4 Razão AC 13,96 kgAr/kgCH4
%O2/Ar 0 % v/v do Ar %O2/Ar 5 % v/v do Ar
36
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Exercícios – Cálculo da razão estequiométrica
ar rico/ combustível para o:
– GLP/ Ar com W = 0,90
GLP
Composição %(v/v)
C3H8 50
C4H10 50
Mistura 100
37
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Emissões de CO2 e SO2
– O cálculo de quantidade gerada de poluentes principais se
tornou necessária para executar o Inventário de Emissões
dos equipamentos e unidades industriais.
– Estes cálculos são essenciais para projeto que envolvam
venda de Créditos de Carbono.
– Reação estequiométrica:
Balanço de átomos (base molar)
24232221
22
SONOHCO
)N79,0O21,0(SNOHC
4
3
421
2
1
:S
2279,0:N
22221,0:O
2:H
:C
38
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Emissões de CO2 e SO2
– Emissões em base molar (Em) e
em base mássica (Em), que é a mais empregada.
lcombustívedekg
SOdekg
PM
64
PM
PME
lcombustívedemolUm
SOdemolesde.noE
2
lcombustívelcombustíve
SO
mSO
24nSO
2
2
2
lcombustívedekg
COdekg
PM
44
PM
PME
lcombustívedemolUm
COdemolesde.noE
2
lcombustívelcombustíve
CO
COm
21
COn
2
2
2
39
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Emissões de CO2 e SO2
– Emissões em base volumétrica (EV) é
a mais empregada para combustíveis
gasosos.
lcombustívedeNm
poluentedekgm
TR
PMPE
mE
3poluente
ambienteuniversal
lcombustíveasecVpoluente
poluentelcombustíveVpoluente
)Kkmol/(J8314Runiversal
40
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Emissões de CO2 e SO2
– Emissões em base energética (EG) é
a mais empregada para comparar emissões
entre diferentes fontes.
aGigacalori
poluentedekgou
GigaJoule
poluentedekgou
Joule
poluentedekgPCI/EE poluentempoluenteG
1 caloria = 1 cal = 4,1868 Joules 1GJ = 1x109J
41
DEFINIÇÕES BÁSICASEstequiometria
Exemplos – Cálculo da emissão de CO2
– Óleo Combustível (C10H16,9N0,3 )
Exercícios – Cálculo da emissão de CO2
– GLP, Gás Natural e Etanol
Exercícios – Cálculo da emissão de SO2
– Carvão Mineral de Santa Catarina
% p/p No moles % molar Fórmula mínima C 12 kg/kmol
C 85,00 7,08 36,71 10,0 H 1 kg/kmol
H 12,00 12,00 62,18 16,9 N 14 kg/kmol
N 3,00 0,21 1,11 0,3 O 16 kg/kmol
Total 100,00 19,30 100,00 Óleo 141,2 kg/kmol
CO2 44 kg/kmol
Emissão CO2 3,12 kg/kg óleo
Óleo combustível pesado Peso Molecular
42
BIBLIOGRAFIA
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. NBR 5484: Motores alternativos de
combustão interna de ignição por compressão
(Diesel) ou ignição por centelha (Otto) de
velocidade angular variável – Ensaio – Método de
ensaio. Rio de Janeiro, 1985.
BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de
Combustão Interna Aplicando Análise Orientada a
Objetos. Belo Horizonte: Tese de Doutorado,
Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
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