UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA

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24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Complementos de Química aplicada Fontes renováveis e não renováveis Combustão Combustíveis Comburente Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI S.J. dos Campos

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Energia: fontes renováveis

Histórico Entende-se por energia a capacidade de realizar trabalho. Fontes de energia, portanto, são elementos que podem produzir ou multiplicar o trabalho: os músculos, o sol, o fogo, o vento etc. Depois da própria força humana, a primeira fonte de energia que o homem utilizou foi o fogo (de a.C). A utilização da força do vento, principalmente para a navegação, deve ter começado em torno do ano a.C. O aproveitamento da água, da força hidráulica para mover moinhos, iniciou-se em torno do século II a.C. A partir do ano 1000 d.C. começa a exploração mais intensa do carvão mineral (a hulha, inicialmente). Por volta do final do século XIX, surge a eletricidade, o desenvolvimento dos motores a gasolina ou demais derivados do petróleo e, conseqüentemente, um notável desenvolvimento nas explorações petrolíferas.

Histórico Em meados do século XX, surgiu a energia nuclear, sendo que a fissão nuclear (obtenção da energia nuclear) foi utilizada inicialmente para fins militares, durante a 2a Guerra Mundial. A enorme participação das fontes não-renováveis na oferta mundial de energia coloca a sociedade diante de um desafio: a busca por fontes alternativas de energia. Deverão coexistir várias fontes de energia, principalmente as renováveis e pouco poluidoras, e ainda aquelas de origem biológica que deverão conhecer uma maior expansão nas próximas décadas. Na área da engenharia, a administração da energia tornou-se uma das principais funções do engenheiro, já que a mesma representa, na maioria das vezes, a maior parcela na composição do custo da produção, além da interação com todos os processos que envolvem a geração, a transformação, a conservação e o uso racional da energia. A Química estão afetos: o processo de Combustão, que continua sendo o principal processo de geração de energia usado pela humanidade além da Corrosão e Proteção contra a Corrosão que se traduz num processo de conservação de energia.

Fontes de energia Cerca de 99 % da energia térmica utilizada pelos ecossistemas provém das radiações solares as quais constituem a principal fonte de energia da Terra. O restante da energia é obtido de fontes primárias e transformado pelo homem em outras formas, como energia mecânica, elétrica, energia térmica e química. Os recursos energéticos primários são classificados em renováveis e não renováveis. Fontes renováveis Energia limpa 1% da geração mundial Proposta brasileira para 10% até 2010

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Energia das marés Uma das alternativas para a produção de energia elétrica é o aproveitamento das variações do nível das marés, em lugares onde a diferença é grande. Neste século, o aproveitamento das marés para gerar energia elétrica é uma das alternativas estudadas. As usinas que aproveitam as variações de nível entre as marés são chamadas de usinas maremotrizes. No momento, a maior parte das usinas existentes é em escala semi-experimental que mostraram ser anti-econômico esse tipo de aproveitamento. São poucos os locais que permitem aproveitar de forma econômica esse tipo de energia.

Energia Geotérmica O calor existente no interior da terra tem sido aproveitado há muitos anos nas regiões vulcânicas constituindo assim uma outra forma de energia alternativa. Abrem-se buracos fundos no chão até chegar aos reservatórios de água e vapor que pode atingir os 370 ºC, são drenados até á superfície por meio de tubulação apropriada. Através da tubulação o vapor é conduzido até central elétrica normal, o vapor faz girar as lâminas da turbina. A energia mecânica da turbina é então transformada em energia elétrica por meio do gerador.

Energia Geotérmica Após passar pela turbina o vapor é conduzido para um tanque de resfriamento. A água condensada é novamente canalizada para o reservatório subterrâneo, onde será naturalmente aquecida pelas rochas quentes, mantendo-se a produção. Estima-se que, atualmente, estes tipos de centrais satisfazem as necessidades energéticas de cerca de 60 milhões de pessoas em 21 países. A água aquecida geotermicamente é utilizada para piscicultura, agricultura, aquecimento de casas, processos industriais (secagem de madeira e de alimentos) e etc.

Energia Solar A energia solar também pode ser usada para produzir eletricidade. Alguns sistemas solares, como o que está na figura, usam um refletor alto e côncavo como uma parabólica para focar a luz do sol nos tubos; estes aquecem tanto que a água ferve. O vapor pode ser usado para girar uma turbina e produzir eletricidade. O problema do sistema solar elétrico é que apenas funciona durante o dia, enquanto o sol aquece. Por isso, com o tempo nublado ou á noite não se gera energia elétrica. Alguns sistemas são duplos, ou seja, durante o dia a água é aquecida pelo sol e á noite usa-se gás natural para a ferver; deste modo, continua-se a produzir eletricidade.

Energia de biogás Atribui-se o nome de biogás (também conhecido como gás dos pântanos) à mistura gasosa combustível, resultante da fermentação anaeróbica da matéria orgânica. De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano (CH4), com valores médios na ordem de 55 a 65% em volume, e por dióxido de carbono (CO2), com aproximadamente 35 a 45% de sua composição. O seu poder calorífico está diretamente relacionado com a quantidade de metano existente na mistura gasosa. A produção do biogás é naturalmente encontrada em pântanos, aterros e esgotos entre outros. Atualmente, existem duas situações possíveis para o aproveitamento do biogás.

Energia de biogás O primeiro caso consiste na queima direta (aquecedores, fogões, caldeiras). O segundo caso diz respeito à conversão de biogás em eletricidade. Isto significa que o biogás permite a produção de energia elétrica e térmica. Em São Paulo o biogás chegou a ser utilizado, experimentalmente, em caminhões de coleta de lixo. Pode ser considerada uma das fontes energéticas mais econômicas e de fácil aquisição pelas pequenas propriedades rurais e pode ser usado em motores, geradores, motopicadeiras, resfriadores de leite, aquecedor de água, geladeira, fogão, lampião, lança-chamas entre outros. Numa análise global, o biogás é um gás incolor, geralmente inodoro (se não contiver demasiadas impurezas ) e insolúvel em água. Devido a presença do metano, é um gás combustível, sendo o seu poder calorífico inferior (P.C.I.) cerca de 5500 Kcal/m3, quando a proporção em metano é aproximadamente 60 %.

Energia de biogás É um gás de baixa densidade, mais leve que o ar, e contrariamente ao butano e ao propano, traz menores riscos de explosão já que sua acumulação se torna mais difícil. O biogás, em condições normais de produção, devido ao seu baixo teor de monóxido de carbono (inferior a 0,1 %) não é tóxico. Por outro lado, o metano obtido é muito corrosivo devido às impurezas que contém.

Energia de biomassa É o conjunto de organismos que podem ser aproveitados como fontes de energia: a cana-de-açúcar, o eucalipto e a beterraba (dos quais se extrai álcool), diversos tipos de árvores (lenha e carvão vegetal), alguns óleos vegetais (mamona, amendoim, soja, dendê), etc Provavelmente as principais fontes de energia do século XXI serão de origem biológica, produzidas a partir da biotecnologia. Trata-se de matéria vegetal produzida pelas radiações solares, por meio da fotossíntese. Pode ser queimada no estado sólido, como no caso da lenha, ou ser convertida em combustível gasoso ou líquido como metanol e etanol. A grande quantidade de umidade existente na biomassa, bem como a produção de monóxido de carbono (CO) e material particulado na queima da madeira, são aspectos desvantajosos.

Energia de biomassa No Brasil, na década de 70, em conseqüência da crise do petróleo, foi desenvolvido o Proálcool, com a produção de álcool etílico carburante a partir da cana de açúcar. O Brasil possui um enorme potencial de fontes de biomassa: bagaço de cana, resíduos agrícolas, apara de madeira, esgoto e lixo. A maior parte é queimada a céu aberto, gerando poluição ambiental. Desse modo, a mesma fonte de combustível atende a duas finalidades: produz o vapor e a energia elétrica.

Energia Aeólica A energia cinética do vento é uma fonte de energia abundante e renovável, limpa e disponível em todos os lugares. A utilização desta fonte para a geração de eletricidade, em escala comercial, teve início há pouco mais de 30 anos e pode ser transformada em energia mecânica e elétrica. No Brasil, o aproveitamento dos recursos eólicos tem sido feito tradicionalmente com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento de água. O vento forte pode rodar as lâminas de uma turbina adaptada para o vento (em vez do vapor ou da água é o vento que faz girar a turbina). A ventoinha da turbina está ligada a um eixo central que contém em cima um fuso rotativo. Este eixo chega até uma caixa de transmissão onde a velocidade de rotação é aumentada.

Energia Aeólica O gerador ligado ao transmissor produz energia elétrica. A capacidade instalada no Brasil não chega atualmente a 25 MW, com turbinas eólicas de médio e grande porte conectado à rede elétrica. Em janeiro de 2004 foram instaladas pela Petrobrás na praia de Soledade, no município de Macau, Rio Grande do Norte, 3 turbinas eólicas que juntas vão gerar 1,8 MW.

Gás hidrogênio Apesar de o hidrogênio ser uma grande fonte de energia, a idéia do seu uso como combustível passou a ser cogitada a partir da década de 1970, com a crise provocada pelo aumento do preço do petróleo. A crise e os níveis alarmantes de poluição ambiental mobilizaram a comunidade internacional, trazendo à tona a conversão eletroquímica de energia, com o uso de células a combustível. São sistemas eletroquímicos que convertem a energia química diretamente em energia elétrica, a partir de um combustível (hidrogênio) e um oxidante (oxigênio). São sistemas que apresentam inúmeras vantagens, tais como: alta eficiência, operação limpa e silenciosa, resposta rápida de carga, confiabilidade, manutenção reduzida e flexibilidade quanto ao combustível. O grande problema do uso desse tipo de combustível é o custo da produção do mesmo, que pode ser feita a partir de carvão ou gás natural, calor e eletricidade.

Gás hidrogênio Além disso, apresenta balanço energético negativo, ou seja, a quantidade de energia gerada na sua queima é menor que a quantidade gasta na sua produção. Assim, somente a produção em larga escala poderá viabilizar seu uso de forma ampla. Outro problema é o fato de ser altamente explosivo. Muitos estudos são desenvolvidos para encontrar formas seguras de armazenar, manusear e disponibilizar esse combustível.

Energia hidrelétrica Produzida por quedas d’água, a energia hidráulica permite o acionamento de turbinas que movimentam geradores elétricos, produzindo energia em grande ou pequena escala. Hoje, um quinto de toda energia elétrica do mundo é produzido pelo aproveitamento dos cursos de água. Mais de 90% da energia que o Brasil consome provém do uso da energia hidráulica.

Energia hidrelétrica As centrais hidrelétricas de grande porte apresentam problemas de impacto ambiental, já que requerem grandes inundações de terras com modificação do ecossistema, e com o deslocamento de comunidades. Mesmo assim, a preferência atual por hidrelétricas não existe por acaso. Sua atratividade está na energia mais barata, já que o combustível é a água. Em média o custo é de U$ 500 para cada quilowatt ( KW ) instalado. Isso significa em torno de U$ 16 o MWh, bem diferente dos quase U$ 32 da energia das termoelétricas movidas a gás natural (fonte ANEEL).

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Energia: fontes não renováveis

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Petróleo Mistura de hidrocarbonetos parafínicos, aromáticos e naftênicos. O petróleo originou-se de restos de plantas e animais marinhos inferiores, que se acumularam no fundo de antigos mares, e foram soterrados por movimentos da crosta terrestre. Encontra-se confinado em grandes profundidades no sub-solo dos continentes e dos mares. Além dos combustíveis automotivos e industriais que são obtidos, o petróleo é fonte de matérias primas para as indústrias de produtos químicos, de fertilizantes, pesticidas, tintas, plásticos, fibras sintéticos remédios e muitas outras. Os principais países produtores de petróleo são a Rússia, a Arábia Saudita, o Irã, o Kuwait, o Iraque e os Emirados Árabes.

Xisto betuminoso Destaca-se pelo fato de o Brasil possuir grande parte das reservas mundiais até hoje conhecida. Suas ocorrências localizam-se em São Paulo (Tremembé), Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Ceará, Maranhão e Amazonas. Trata-se de rocha de natureza argilosa ou calcária impregnada com substâncias orgânicas combustíveis, em teores que variam entre 30 e 50%, constituindo um resíduo fóssil de natureza sedimentar mais recente que o petróleo. Os produtos obtidos do xisto são mais caros que os similares obtidos dos derivados de petróleo.

Alcatrão Alcatrão bruto de hulha O alcatrão é um produto líquido, mais ou menos viscoso de composição variável e muito complexa e de cor preta. É originário do processo de coqueificação do carvão, onde as partes voláteis do carvão são separadas durante o aquecimento formando gases. Essa massa de gases contém alcatrão, arrastado ou em forma de vapor, que é condensado e decantado formando o alcatrão de hulha. Dois tipos de produtos são obtidos pela destilação do alcatrão: produtos puros, como o naftaleno, e misturas complexas, como os creosotos e piches; estes últimos constituem a fração mais importante. Devido a vasta quantidade de produtos derivados do alcatrão, ele tem grande valor na indústria química, já que seus derivados têm muitas aplicações nas mais variadas áreas.

Alcatrão Alcatrão de madeira Subproduto da queima da madeira para a produção de carvão, o alcatrão é obtido a partir da recuperação dos gases eliminados durante o processo de carbonização. Antes eliminado como fumaça na atmosfera, ele é condensado e transforma-se em matéria-prima do asfalto. A principal vantagem do seu uso é a substituição dos derivados de petróleo, produtos de origem fóssil não-renováveis. Ele é o responsável, por exemplo, pelo sabor e pelo cheiro de defumado em diversos embutidos, além de ser empregado também na fabricação de balas e biscoitos.

Gás natural Constituído de metano misturado com hidrocarbonetos parafínicos (principalmente etano, propano e outros mais pesados), ocorre nas formações geológicas petrolíferas. Apresenta poder calorífico da ordem de a kcal/m3. Utilizado também como matéria prima para uma série e de sínteses químicas (metanol, formaldeido e outros) ou como fontes de H2 e de enxofre. Este gás pode ser liquefeito a baixas temperaturas para ser transportado em navios. Atualmente o maior produtor é a Rússia. O rendimento do gás natural é bastante alto enquanto seu o custo é baixo quando se compara com outras fontes. O gás natural é uma fonte de energia limpa, confiável e eficiente. É um dos combustíveis preferidos para geração de energia. Liquefeito, é seguro e fácil de transportar. O transporte é feito em tanques especiais que podem viajar com segurança por milhares de quilômetros.

Carvões fósseis É resultante da transformação da madeira de florestas soterradas há milhões de anos, sujeitas à ação da pressão, temperatura e bactérias. São os combustíveis sólidos mais importantes, com especial destaque para a hulha. Quanto maior o grau de transformação sofrido pela madeira, mais carbono e menos hidrogênio e oxigênio possui o carvão. Dos elementos constituintes (C, H, O, N, S, P), teores elevados de carbono e hidrogênio (quando livre), dão melhor rendimento térmico. O oxigênio e o nitrogênio não contribuem para a queima, sendo que o oxigênio diminui o rendimento térmico. O enxofre e o fósforo embora gerem calor, são prejudiciais pelo fato de produzirem substâncias tóxicas e corrosivas (SO2 e P2O5). Carvões de boa qualidade são apenas britados após extração, de forma a uniformizar sua granulometria.

Carvões fósseis A presença de elevados teores de enxofre, como no caso dos carvões brasileiros, pode até impedir sua utilização na forma como extraído, obrigando a um refino do mesmo. O enxofre apresenta-se, geralmente, como piritas de ferro (FeS2), o que pode acarretar uma diminuição do ponto de fusão das cinzas, com a possibilidade de formação de um aglomerado vítreo que impede a combustão do carvão. O refino do carvão após sua extração consiste na colocação do carvão britado em grandes quantidades de água, para que pedaços de matéria mineral e de pirita se separem por densidade.

Energia nuclear Uma usina nuclear consiste basicamente de uma usina térmica na qual o calor é produzido por reação de fissão nuclear. O combustível mais utilizado é o urânio 235, cuja ocorrência na natureza corresponde a 0,7 %, enquanto o urânio 238 corresponde a 99,3%. Em apenas 50 anos de desenvolvimento a energia nuclear aumentou sua participação na produção de energia mundial partindo de um valor extremamente pequeno, 0,1 %, para um valor substancial de 7%. Em 1997 havia 437 reatores em operação no mundo, com uma potência instalada de 340 GW. Desse total, 28% estão nos EUA, 18% na França e 12 % no Japão. No final de 2002, segundo dados da Agência Internacional de Energia Atômica, havia em operação 441 usinas nucleares em 34 países, perfazendo uma capacidade instalada líquida de 358 GW. Os impactos ambientais e os acidentes de Chernobyl em 1986 e de Tokaimura no Japão em 1999, que mostraram as letais conseqüências radiativas dessa tecnologia, parecem agir como freio na evolução do uso da energia nuclear.

Energia nuclear

Energia nuclear No Brasil, a participação da energia nuclear não atinge 1% do valor total. A experiência brasileira nesse campo mostrou-se onerosa tanto técnica como economicamente. A capacidade da usina Angra I é de 657 MW, enquanto Angra II está prevista para gerar 1300 MW. Uma das desvantagens mais importantes é o lixo nuclear, para o qual não existe tratamento sem risco de contaminação, pelo menos até o momento, e que permanece radiativo por milhares de anos. A produção de lixo tóxico pelos países industrializados é estimada em 300 milhões de toneladas por ano. Participação da energia nuclear na produção de energia elétrica

Energia nuclear

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Combustão

Combustão Combustão é uma reação química, mais especificamente como sendo uma reação de oxidação a alta temperatura, e assim sendo, necessitando de uma energia de ativação, obtida normalmente pela elevação de temperatura em um ponto de combustível; Assim sendo, para que ocorra uma reação de combustão, devem estar presentes simultaneamente, o combustível, o comburente e a energia de ativação; O calor liberado pela reação em um ponto do combustível serve como energia de ativação e o processo se torna auto–ativante e continua até o término de todo o combustível; Toda combustão é uma reação de oxidação-redução (transferência de elétrons); O combustível atua sempre como fonte de elétrons; O comburente recebe e fixa os elétrons cedidos pelo combustível, agindo como oxidante.

Combustão Genericamente pode-se representar a reação de combustão da seguinte forma:

Combustão Hidrocarbonetos + O2  Produtos
24/03/2017 Combustão Combustível comburente  combustão Hidrocarbonetos O  Produtos As reações de combustão são exotérmicas, liberam grandes quantidades de energia (na forma de luz ou calor), que possui várias aplicações: iluminação, funcionamento de motores, cozimento dos alimentos, etc. Os produtos dependem do tipo de combustão que ocorre. 38

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Reação de combustão

Reação de combustão De forma geral, a reação de combustão se dá em fase gasosa. Combustíveis líquidos são previamente vaporizados. A reação de combustão se dá entre o vapor do liquido e o oxigênio intimamente misturado. No caso de combustíveis sólidos existe um certo grau de dificuldade, pelo fato de a reação ocorrer na interface sólido - gás. É necessária a difusão do oxigênio através dos gases produzidos na combustão (os quais envolvem o sólido), para atingir a superfície do combustível; Além disso, a superfície fica normalmente recoberta de cinzas, o que representa mais uma dificuldade para o contato combustível - comburente. De forma simples podemos representar o processo de combustão da seguinte maneira:

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Tipos de combustão

Tipos de combustão Dependendo das quantidades relativas combustíveis e comburentes alimentadas no processo, podem ocorrer três tipos de combustão: Incompletas: quando a quantidade de oxigênio alimentada é menor que quantidade estequiometricamente necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível. formação de carbono na forma de fuligem (C) e água. Teoricamente completa: quando a alimentação de oxigênio é feita com a quantidade estequiométrica necessária, para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Formação de monóxido de carbono (CO) e água (H2O) Completas: quando se alimenta uma quantidade de oxigênio maior que a quantidade estequiométrica necessária para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Produz gás carbônico (CO2) e água na forma de vapor (H2O). A composição dos fumos varia de acordo com o tipo de combustão, nos permitindo ter uma indicação da combustão obtida.

Tipos de combustão Nas combustões teoricamente completas verifica-se a presença de pequena quantidade de CO nos fumos e quantidade desprezível (ou nula) de oxigênio. Em combustões completas haverá a presença de oxigênio nos fumos, em maior ou menor quantidade (dependendo do combustível queimado e do excesso empregado) e quantidade desprezível (ou nula) de CO.

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Combustíveis

Combustíveis Combustível é qualquer substância capaz de produzir de maneira fácil e econômica, energia térmica por reação química ou nuclear; Geralmente são materiais carbonáceos que reagem facilmente com o oxigênio do ar, produzindo calor em grande quantidade. 1.Classificação dos combustíveis: Sólidos: Naturais: carvões fósseis, madeira, lenha; Preparados: coque, carvão vegetal, resíduo industrial; Líquidos: Naturais: petróleo cru, gasolina natural; Preparados: álcool, querosene, óleo diesel, gasolina; Gasoso: Naturais: gás natural; Preparados: GLP, gases derivados de petróleo;

Combustíveis Principais Características dos Combustíveis mais Comuns 1.1. “Combustíveis Sólidos” Lenha Perdeu a importância como combustível industrial: - Baixa rentabilidade térmica - Crescente interesse como fonte de celulose Após corte  teor de umidade oscila: 50 e 70%; Seca ao ar  teor reduz cerca de 15%  PCI = 2500 a 3500 Kcal/Kg; Baixo poder calorífico  Pirólise* Resíduo: carvão vegetal  PCI = 7200 a 8000 Kcal/Kg (15% voláteis, 8% de cinzas); Produtos destiláveis: ácido pirolenhoso e alcatrão ( matérias primas  ácido acético, metanol, acetona...). OBS.: * Pirólise  ruptura da estrutura molecular original pela ação do calor.

Combustíveis Carvões fósseis Consideradas: rochas orgânicas combustíveis; Combustíveis Sólidos mais importantes (destaque: Hulha); Resultante: transformação da madeira (florestas) soterrada a milhões de anos; Sujeitas a ação: pressão, temperatura e bactérias; > grau transformação sofrida pela madeira  + C e - H e O possui o carvão; % C na composição: funciona como escala da evolução da transformação da madeira.

Combustíveis Dos elementos constituintes (C, H, O, N, S, P): teores elevados de C e H  melhor rendimento térmico; S e P: produz substâncias tóxicas e corrosivas (SO2 e P2O5); Carvão de boa qualidade: após extração são apenas britados (uniformizar granulometria); Carvões brasileiros: devido elevados teores de enxofre (S) podem impedir sua utilização na forma como é extraído  refino; Refino: consiste na colocação do carvão britado em grandes quantidades de água, para que pedaços de matéria mineral e pirita se separem por densidade. a) Hulhas: são carvões que apresentam maior interesse como combustível industrial. Hulha gorda: apresenta brilhante escura e produz por pirólise grande quantidade de destilado oleoso, deixando um coque bem aglomerado e resistente a compressão. Hulha magra: produz destilado mais aquoso, e o coque é friável.

Combustíveis Hulhas gordas de chama longa: dão grande volume de gases combustíveis. O coque obtido é utilizado como combustível. São as preferidas para fabricação do gás de hulha combustível; Hulhas gordas de chama curta: dão coque de alta resistência a compressão. São as mais adequadas para as coquerias de siderúrgicas; Hulhas magras de chama longa: dão chamas luminosas e fuliginosas. Utilizadas em fornos quando se necessita de aquecimento radiante; Hulhas magras de chama curta: São as que possuem o maior poder calorífico. Adequadas para fornos industriais e para produção de vapor de água; Carvão: normalmente armazenado ao ar livre e as pilhas bem compactadas (evitar que sofra combustão lenta). Em geral: nos 20 dias que antecedem o uso é deixado em silos (para secagem ao ar).

Combustíveis Coque: O aquecimento das hulhas em ambiente fechado (fora do contato do ar)  denomina carbonização ou decomposição térmica do carvão  faz que haja o desprendimento das matérias voláteis produzindo: Combustível gasoso: gás de hulha (constituído de hidrocarbonetos parafínicos, hidrogênio e pequenas quantidades de CO, CO2 e Hidrocarbonetos insaturados; Combustível líquido: Contento hidrocarbonetos mais pesados e óleos combustíveis do alcatrão da hulha; Combustível sólido dito coque: constituído pelo carbono fixo e pelas cinzas do carvão; Coque metalúrgico: parte-se de hulhas gordas e a temperatura atinge valores entre e 1.300°C e o gás produzido é usado para aquecer forno de coqueificação; Poder calorífico: Kcal/Kg O coque pode ser usado: como combustível e nos altos fornos para redução do minério de ferro. Nesse caso, o coque deve ter alta resistência a compressão e ser muito poroso, deve apresentar pouco enxofre e fósforo (para evitar que esses elementos passem para o ferro).

Combustíveis 1.2. “Combustíveis Líquidos” Os combustíveis líquidos podem ser classificados nos seguintes grupos: 1-Petróleo e seus derivados 2-Derivados do alcatrão de hulha ou do linhito 3-Destilados dos xistos betuminosos 4-Hidrocarbonetos sintéticos 5-Álcool etílico Derivados do Petróleo Gasolina Mistura de hidrocarbonetos contendo: átomos de carbono; Pode ser: Natural ou Petróleo; Poder calorífico: Kcal/Kg; Ponto de fulgor - 40º C (gasolina automotiva) e - 46 ºC (gasolina de aviação);

Combustíveis Índice de Octanagem: determinada pela % de octano existente na gasolina. Mede o poder anti-detonante da mesma; Este índice é medido em motor padrão, variando-se a relação de compressão até que ocorra a pré-detonação ou “batida de pinos”; A seguir: substitui-se a gasolina por uma mistura de iso-octano e n-heptano que apresenta pré-detonação com a mesma relação de compressão que a gasolina testada. A porcentagem de iso-octano na mistura equivalente, nos dará o índice de octanas ou octanagem da gasolina. Assim, se a mistura apresenta o mesmo comportamento da gasolina em teste, contiver 80% de iso-octano e 20% de heptano, a gasolina em teste será 80; Esse método se baseia na convenção de que: - Iso-octano: possui poder anti-detonante igual a 100 (melhor comportamento) - Heptano: possui poder anti-detonante igual a 0 (pior comportamento) A partir da mistura dos mesmos, obtêm-se os valores intermediários de octanagem;

Combustíveis O poder anti-detonante (octanagem) pode ser aumentado pela adição: de combustíveis mísciveis com a gasolina (ex: álcool etílico, benzol, gasolinas naturais...); de produtos aditivos especiais: chumbo tetra-etila (no caso da gasolina de aviação, que possuem índice de octana de 140 ou 160). Curiosidades: Gasolina Aditivada ou Gasolina Comum? A Gasolina comum ao passar pelas partes do motor do carro (nas válvulas e no pistão) deixa resíduos, sujeiras que são uma espécie de goma. Com o passar do tempo, o acúmulo desta goma, dificulta a mistura da gasolina com o ar, que provoca a queima e gera energia para o motor funcionar. Diminuindo, assim, a eficiência do carro. Diferente do que muitas pessoas pensam o aditivo não aumenta a potência da gasolina. A grande diferença da gasolina aditivada para a gasolina comum, é que a aditivada possui uma espécie de detergente. Este detergente (aditivo) ao passar pelo motor dissolve a goma, evitando o acúmulo de mais resíduos, assim a sujeira vai junto com o combustível e também é queimada. (fonte:

Combustíveis Querosene Primeiro derivado do petróleo de valor comercial; Mistura de hidrocarbonetos contendo: átomos de carbono; Incolor, menos volátil que a gasolina; Excelente poder de solvência; Importância: turbinas de avião a jato, alguns motores de combustão interna; 84% de C e 16% de H em massa; Ponto de fulgor 40ºC; Poder calorífico: Kcal/Kg.

Combustíveis Óleo Diesel Empregado: motores de compressão; combustível industrial; geração de energia; Poder calorífico: Kcal/Kg; Ponto de fulgor 38 ºC (diesel automotivo), 60 ºC (diesel marítimo) e 100 ºC (biodiesel  segundo ANP); Índice de Cetanas (Cetanagem): Índice que descreve as características de ignição do combustível óleo diesel, ou seja, quanto maior for o número de cetanas, menor será o retardo de ignição e por conseguinte melhor será sua capacidade de incendiar-se; Óleos com índice de cetanas superior a 50 são empregados em motores diesel de alta velocidade. Para velocidades médias utiliza-se cetenagem 45. Para baixa velocidade aceitam óleos com índice 25; Cetano é um hidrocarboneto parafínico (alcano) de fórmula química CH3(CH2)14CH3 (C16H34) usado como padrão na avaliação das propriedades ignitoras do diesel (o número de cetano).

Combustíveis Derivados do Alcatrão Benzeno (C6H6) - principal Poder calorífico: Kcal/Kg Índice de octano = 88 Principal utilização: aditivo para gasolina Destilados de Xistos betuminoso Fornecem por destilação seca até 12% de produtos condensáveis (20% tipo gasolina e 50% do tipo óleo diesel). Hidrocarbonetos sintéticos Utilizados: Processo de síntese; Obtém-se: hidrocarbonetos parafínicos (baixo poder anti-detonante).

Combustíveis Álcool Etílico Brasil: > produtor de etanol (Nos últimos trinta anos, a produção de etanol da cana-de-açúcar avançou para 17 milhões de metros cúbicos, com perspectivas de atingir 35,7 milhões de metros cúbicos em ); Matérias primas: cana (Brasil), milho (USA), beterraba (Alemanha), sorgo sacarino (África), trigo (Europa)... Poder calorífico: Kcal/kg; Ponto de fulgor 13ºC; Exige menor quantidade de ar para combustão; Álcool etílico anidro (isento de água): utilizado na faixa de 20 a 25% em mistura com a gasolina; Álcool etílico hidratado: utilizado como combustível automotivo (em média 95% etanol + 5% água); Alto poder anti-detonante.

Combustíveis 1.3. “Combustíveis Gasosos” Na temperatura ambiente e na pressão atmosférica, apresentam numerosas vantagens sobre os demais combustíveis: Maior facilidade na reação de combustão Maior facilidade de regular a entrada de ar Maior extensão da chama Maior facilidade de transporte Maior facilidade de pré-aquecimento Ausência de cinzas São sempre misturas gasosas; Composição varia: - forma de produção (combustíveis preparados) ou - fonte de obtenção (no caso de combustíveis naturais)

Combustíveis Os constituintes mais comuns são os da tabela a seguir: Destaques: Gás natural: Combustível fóssil: Metano (CH4) + Hidrocarbonetos Parafínicos (etano, propano e outros mais pesados)  Ocorre: formações geológicas petrolíferas. Possui aplicações domésticas, industriais e automotivas. Poder calorífico: Kcal/kg;

Combustíveis Incolor e inodoro, o gás natural dissipa-se facilmente na atmosfera em caso de vazamento, por ser mais leve que o ar. Para inflamar é preciso que seja submetido a uma temperatura superior a 620°C. Além disso, o gás natural queima com uma chama quase imperceptível. Por questões de segurança, o gás natural comercializado é odorizado com enxofre. Gás liquefeito de petróleo (GLP): Propano (C3H8) + Butano (C4H10) Utilizado: Combustível industrial, doméstico... São mais densos que o ar e em caso de vazamento, tendem a se depositar apresentando o perigo de explosão e/ou asfixia. Poder calorífico: Kcal/kg; OBS.: Normalmente comercializado em botijões no estado líquido, tornando-se gasoso à pressão atmosférica e temperatura ambiente na hora de sua utilização em fogão. Por ser um produto inodoro por natureza, um composto à base de enxofre é adicionado, dando-lhe um cheiro bastante característico para facilitar a detecção de possíveis vazamentos.

Combustíveis Gás de hulha: Obtido: destilação seca da hulha, em ausência de ar, resultando ainda um resíduo combustível  coque. Uma tonelada de hulha gera em média 300 a 350 m3 de gás. Poder calorífico: a Kcal/m3, 50 Kg de alcatrão, 700 a 750 Kg de coque e 80 Kg de águas amoniacais (fonte de NH3). Gás de ar: “Gás Pobre”, devido seu baixo poder calorífico (1.200 a kcal/m3. Obtido: Oxidação parcial do carbono, a partir do coque, carvões minerais ou vegetais; Gás de água: Apresenta em média: CO2 5,1%; CO 40,2%; H2 50%; CH4 0,7 % e N2 4,0% em volume. Poder calórico: 2500 a 2700 Kcal/m3. Obtido: injeção de vapor de água sobre carvão incandescente; Gases carburados: Gás de água ou gás misto enriquecido com vapores de hidrocarbonetos, obtidos  craqueamento de um óleo combustível pesado. Poder calorífico: Kcal/m3;

Combustíveis Gás de alto forno: Possui cerca de 30% de CO e pequena quantidade de H. Resultante: utilização parcial do CO para redução do minério de ferro dentro do alto forno. CO é produzido pela queima do coque com insuficiência de oxigênio durante o processo. Poder calorífico: 900 Kcal/m3 (utilizado na própria siderúrgica, misturado ao gás de coqueira); Gás de tratamento de esgoto: Produzido: durante a digestão anaeróbica dos esgotos municipais. Contém 65 – 80% de metano (CH4) e poder calorífico: a Kcal/m3.

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Composição química dos combustíveis

Combustíveis 2. Composição dos combustíveis: 2.1.Elementos essenciais: Carbono e hidrogênio. São muito freqüentes na composição dos combustíveis respondendo pela geração de calor e pela função redutora; Podem estar presentes na forma isoladas (substância simples) ou combinados na forma de hidrocarbonetos (Ex; GLP, CH4 etc); Reações de combustão: carbono C(grafite) + O2  CO kcal (reação completa) C(grafite) + CO2  2 CO + 40,8 kcal (reação parcial pela falta de O - endotérmica) C(grafite) + ½ O2  CO + 26,6 kcal (reação incompleta) Reações de combustão: hidrogênio H2(gás) + ½ O2  H2O (vapor) + 57,8 kcal H2(gás) + ½ O2  H2O (líquido) + 68,3 kcal

Combustíveis Composição dos combustíveis: 2.2. Elementos Secundários: O, N, S e P. Reações de combustão: Oxigênio A presença de oxigênio nos combustíveis acarreta sistematicamente uma redução na geração de calor; Combustíveis oxigenados geram menos quantidade de calor; Em suma, é indesejável e desvantajosa a presença desse elemento na constituição dos combustíveis. C + O2  CO kcal (reação completa) CO + ½ O2  CO2 + 69,9 kcal CH O2  CO2 + 2 H2O kcal CH4O + 3/2 O2  CO2 + 2 H2O kcal Admite-se que o oxigênio presente em um combustível, anule por oxidação parcial, preferencialmente o hidrogênio em lugar do carbono; ou como se a parte do C e do H2 do combustível tivesse sido queimada previamente pelo O2 de constituição

Combustíveis Reações de combustão: nitrogênio O nitrogênio apresenta grande inércia química, caracterizada por uma baixa tendência de combinação, inclusive nos processos usuais de combustão; O nitrogênio presente num combustível não se oxida durante o processo de combustão e assim, em nada contribui para a geração de calor; Entretanto o nitrogênio como uma espécie material possui massa, e sua presença no combustível aumenta a massa total do mesmo; O Poder Calorífico de um combustível é a relação entre a quantidade de calor gerado e a unidade de massa (ou de volume) do combustível queimada: Conclui-se que a presença deste elemento contribui apenas para o aumento da massa (ou de volume), é desvantajosa, pois acarreta uma diminuição do Poder Calorífico do combustível.

Combustíveis Reações de combustão: enxofre Durante uma combustão, o enxofre presente em um combustível, se oxida de acordo com as reações: S O  SO kcal S /2 O2  SO ,5 kcal Então, sob o aspecto energético, não há dúvida que a presença de enxofre apresenta interesse, porém, paralelamente, há um aspecto altamente negativo que anula esta vantagem e torna a presença desse elemento inconveniente. São os produtos da sua oxidação; Tanto o SO2 como o SO3 são substâncias extremamente tóxicas e corrosivas, constituindo-se em poderosos agentes poluentes; Mesmo sob condições favoráveis de umidade do ar externo o SO2 reage com a água presente nos produtos da combustão, formando o ácido sulfuroso (H2SO3). O SO3 dá origem ao ácido sulfúrico (H2SO4). SO H2O  H2SO3 SO H2O  H2SO4

Combustíveis Reações de combustão: fósforo O fósforo presente no combustível se oxida de acordo com a reação: P O2  P4O kcal O produto formado em contato com a umidade do ar externo, forma o ácido fosfórico (H3P04) que sendo corrosivo, torna indesejável a presença de fósforo no combustível. P4O H2O  4 H3PO4

Combustíveis Calculo das frações do elementos combustíveis no processo de combustão Deduções , formulações e exercícios

Combustíveis Assim, deve-se subtrair da quantidade total de hidrogênio a parcela já queimada, chamando de: Convenção: HT (hidrogênio total) a quantidade total de hidrogênio presente no combustível; HC (hidrogênio combinado) a parcela oxidada pelo oxigênio do combustível; e HL (hidrogênio livre) a quantidade de hidrogênio útil para o processo de combustão. A quantidade de hidrogênio de um combustível pode ser representado por: O cálculo das quantidades de hidrogênio livre e combinado num combustível é feito pela fórmula e na reação da água que é produto formado na oxidação do hidrogênio.

Combustíveis Assim para efeito de geração de calor na combustão, considera-se que cada átomo de O presente na formula do combustível anule 2 átomos de H, então a relação fica:

Combustíveis Mol (quantidade de matéria): origina-se do latim  monte e pilha; Por definição é quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades elementares (partículas = átomos, moléculas, íons, elétrons entre outras partículas) quantos átomos existentes em um elemento químico. Onde m é a massa em gramas e M.M é a massa molar em g/mol. Massa molar do: H2 = 2 O2 = => Cte S = 32 H2O = 18

Combustíveis EXEMPLO: Combustível H2 H2 livre H2combinado C S O2 etc Fumos H2O Combinado Formada CO2 SO2 etc Comburente Ar N2 79% O2 21%

Combustíveis IMPORTANTE: Como cada átomo de Oxigênio anula (reage) com dois átomos de Hidrogênio do próprio combustível (combinado) e o hidrogênio restante que é considerado útil para o processo de combustão (livre), para o cálculo da quantidade de água, pode-se dizer que: H o Hidrogênio livre produzirá nos fumos, a água formada; H o Hidrogênio combinado produzirá nos fumos, a água combinada; H o Hidrogênio total produzirá água total presente nos fumos; ( se o combustível possui água na forma de umidade, também deve ser considerada)

Combustíveis EXEMPLO DE CÁLCULO

1) O que é energia e qual o papel do engenheiro? 2) O que são fontes renováveis? 3) Quais a vantagens e desvantagens das seguintes fontes renováveis: a) energia das marés b) energia geotérmica c) energia solar d) energia de biogás e) energia de biomassa f) energia aeólica g) gás hidrogênio h) energia hidrelétrica 4) O que são fontes não renováveis e dê alguns exemplos. 5) O que é combustão? 6) Quais são os tipos de combustão? 7) O que são combustíveis e como são classificados?

8) O que são elementos elementares e secundários de um combustível e quais as suas influências? 9) Deduzir as equações de massa e quantidade de matéria (mol) da relação de hidrogênio livre e combinado. Dados: HL = HC + HL 10) Um combustível apresenta a seguinte composição em 1kg: Para 1kg de combustível, pede-se: a) a quantidade de matéria e em massa, as quantidades de hidrogênio livre e conbinado; b) as massas de água formada, combinada e total nos fumos da combustão; c) a massa de água do combustível; d) a massa de combustível capaz de gerar calor. 11) Considere os combustíveis “X” e “Y” de composições percentuais em massa: a) em qual deles a porcentagem de hidrogênio combinado é maior? b) em qual deles a porcentagem de hidrogênio livre é maior? c) qual o mais agressivo a aparelhagem? d) em qual deles a quantidade de água nos produtos da combustão é maior? 12) Quais são as principais características dos combustíveis líquidos, sólidos e gasosos, dê exemplos desses combustíveis?

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA NP1

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Comburente

Comburente Embora outras substâncias possam atuar como comburente, recebendo e fixando os elétrons cedidos pelo combustível, industrialmente, quase que na totalidade dos casos, o comburente é o oxigênio e sua fonte, normalmente, o ar atmosférico. A composição média percentual (volumétrica ou em mols) do ar seco é: nitrogênio (N2)  78,03% oxigênio (02)  20,99% argônio (Ar)  0,94% dióxido de carbono (CO2)  0,03% hidrogênio (H2)  0,01% (os demais gases nobres encontram-se em proporções desprezíveis). Pode-se considerar apenas duas frações: Oxigênio (comburente) = 20,99% Inertes (nitrogênio e gases raros) = 79,01%

Comburente Para efeito de cálculos práticos de combustão, considera-se a composição volumétrica ou em mols do ar seco como: Oxigênio (O2) 21% e Nitrogênio (N2) 79% A fração considerada como "nitrogênio" abrange todos os gases raros e o dióxido de carbono. Para efeito de cálculos estequiométricos considera-se a massa molar dessa fração como 28 g/mol, em vista das pequenas proporções dos outros gases. Em conseqüência desta simplificação a massa molar média do ar seco será: M = 0,21 x ,79 x 28 = 28,84 g/mol Pode-se considerar, portanto, em cálculos estequiométricos, que em 100 L de ar atmosférico seco tem-se 21 L de O2 e 79 L de N2. E ainda que uma quantidade de matéria de 100 mols de ar atmosférico seco possui 21 mols de O2 e 79 mol de N2.

Comburente Portanto, pode-se considerar que 1 L de oxigênio captado do ar atmosférico seco virá acompanhado de nitrogênio, na seguinte proporção:

Comburente EXEMPLOS DE CÁLCULO:

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Quando num processo de combustão, se fixa a proporção de alimentação de combustível e comburente de modo a obter-se uma combustão estequiométrica, nota-se que, invariavelmente, recai-se numa combustão incompleta ou parcial. As combustões estequiométricas são portanto teóricas ou ideais. Na prática, para obter-se combustões completas, é necessário alimentar comburente em excesso. Duas são as razões da necessidade do excesso: a) Contato combustível - comburente À medida que se aumenta a quantidade de moléculas de O2, aumenta a probabilidade de choque com as moléculas do combustível (ou com suas partículas finamente divididas). Assim, cresce a taxa de conversão dos reagentes em produtos da reação. b) Deslocamento do equilíbrio químico das reações. As reações de combustão ocorrem em fase gasosa, e são reações de equilíbrio químico (reversíveis).

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Os equilíbrios ocorrem como decorrência das temperaturas atingidas sendo impossível evitar que se estabeleçam. a °C CO + ½ O2  CO2 a °C H2 + ½ O2  H2O a °C C + ½ O2  CO Como já foi visto, as reações diretas (sentido para a direita) são exotérmicas, liberam calor. Em decorrência, as reações inversas (sentido para a esquerda) são endotérmicas. Num processo de combustão sempre se atinge temperaturas elevadas, o que acarreta o estabelecimento do equilíbrio químico. Com o aumento da concentração de oxigênio no sistema, evitamos o deslocamento do equilíbrio no sentido da reformação dos reagentes (ou seja, para a esquerda). A porcentagem de ar em excesso é expressa em relação à quantidade teórica, estequiometricamente calculada. Trata-se de uma parcela a ser alimentada além da quantidade teórica (ou estequiométrica).

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Ordem de Grandeza do Excesso de Comburente Para que se obtenha um rendimento máximo do processo, a quantidade de excesso deve ser limitada ao valor que propicie ganho do calor. O que nota é que a partir de uma certa quantidade, o aumento do excesso apresenta como resultado uma diminuição na temperatura da câmara de combustão. Isto ocorre porque o comburente alimentado em excesso exagerado além de não contribuir para o aumento da energia gerada, rouba calor do sistema, aquecendo-se. Sabe-se que a força propulsora da transferência do calor de uma fonte quente para uma fria, é a diferença de temperatura. Assim, se, no limite, resfria-se a câmara de combustão até a temperatura da fonte fria, perde-se capacidade de transferir calor (aquecer), embora tenha-se geração de calor no processo. A quantidade adequada do excesso a ser aplicado depende do tipo de combustível, da construção da instalação e das condições de operação.

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Levando-se em conta somente o estado físico do combustível, o excesso recomendado varia conforme segue: combustíveis gasosos 5 a 30% de ar em excesso; combustíveis líquidos 20 a 40% de ar em excesso; combustíveis sólidos a 100% de ar em excesso.

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Ordem de Grandeza do Excesso de Comburente O controle tem como objetivo, verificar se uma combustão está sendo efetuada com a porcentagem correta de ar em excesso, de acordo com o combustível queimado e demais condições do processo. Os fumos são analisados no aparelho de Orsat, obtendo-se as porcentagens volumétricas de CO2, O2, CO e N2 em base seca (isenta do vapor de água). O excesso adequado de ar e fatores como o tipo de queimador, a atomização do combustível e o efetivo controle do processo, contribuem para o aumento da eficiência na geração de calor. Na combustão com insuficiência de comburente a fumaça geralmente apresenta coloração negra e contém fuligem, em conseqüência da queima incompleta do carbono. Quando o excesso de ar é adequado a coloração oscila entre cinza e marrom claro, na maior parte das vezes. Quando a quantidade de ar é excessiva, a fumaça apresenta normalmente coloração branca.

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Conceitos e Definições sobre o comburente. Oxigênio Teórico: é a quantidade estequiométrica de oxigênio necessária para oxidar totalmente todas as frações do combustível. Quando se calcula o oxigênio teórico, deve-se impor queima completa (oxidação total) da quantidade total de todas as frações do combustível, mesmo que se disponha de informações sobre ocorrência de oxidação parcial, ou perda de combustível no processo de combustão. Se o combustível contém oxigênio na sua constituição, deve-se subtrair da quantidade estequiometricamente calculada, a parcela existente no combustível. De forma resumida pode-se definir o oxigênio teórico por meio da relação a seguir, a qual é válida tanto para quantidades de matéria como para volumes: O2 teórico = O2 para a combustão completa - O2 do combustível

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Para efeito de cálculos estequiométricos de combustão considera-se a seguinte seqüência de reações: C + 1 O2  CO2 H2 + ½ O2  H2O S + 1 O2  SO2 Assim, se ocorrer insuficiência na alimentação de oxigênio (não havendo a quantidade necessária para oxidar totalmente o carbono e o hidrogênio), considera-se que o oxigênio disponível queimará todo o hidrogênio e oxidará todo o carbono a CO. Uma parte do CO formada será oxidada a CO2 pelo oxigênio restante. Nesses casos, há perda de calor latente nos fumos, pois perde-se combustível sem queimar, o que não é interessante na prática.

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Ar Teórico: é a quantidade de ar que contém a quantidade de oxigênio teórico. Oxigênio em Excesso: é a quantidade adicional de comburente além da teórica, aplicada para garantir a combustão completa.

Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão Ar em Excesso: é a quantidade de ar que contém o oxigênio em excesso. Oxigênio real: é a quantidade total de oxigênio aplicada ao processo. Ar real: é a quantidade de ar que contém o oxigênio real.

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Gases residuais

Gases residuais Gases Residuais ou fumos: As substâncias gasosas produzidas pela reação dos elementos químicos constituintes combustíveis com o oxigênio constituem os fumos da combustão, sendo estes, o veículo transporte da maior parte do calor gerado na combustão; CO2, SO2, CO, O2, N2 e vapor de água são os componentes normalmente presentes nos fumos; A composição dos fumos pode ser apresentada em porcentagens em massa, em mols em volumes dos componentes. Os fumos podem ainda ser considerados em base seca (quando se despreza o vapor água presente na mistura), ou em base úmida (quando o vapor de água presente r fumos é considerado um dos seus componentes). A fumaça normalmente vista nas chaminés é uma mistura dos fumos com neblinas e poeiras. As neblinas são constituídas por partículas de líquidos em suspensão (água hidrocarbonetos pesados condensados pelo resfriamento dos gases). As poeiras são formadas por partículas sólidas em suspensão (cinzas ou partículas sólida do combustível arrastada pelos gases).

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Cinzas

Cinzas É o resíduo sólido da combustão de um combustível sólido. As cinzas de um carvão podaram ser intrínsecas ou acidentais. As intrínsecas são constituídas pela matéria mineral que estava presente no material, vegetal que deu origem ao carvão. As acidentais são constituídas por argila, ou outra matéria inorgânica, depositada juntamente com o carvão. Não existe uma composição padrão para as cinzas de um carvão, pois a composição varia de local para local de onde o carvão é extraído. A matéria mineral é normalmente constituída por piritas de ferro (FeS2), silicatos hidratados de alumínio, carbonatos de cálcio e magnésio, cloretos alcalinos e outros compostos inorgânicos. As cinzas são constituídas pelo resíduo que permanece após a queima total do carvão. Sua massa é normalmente menor que a massa da matéria mineral original. Isto se deve ao fato de que a matéria mineral original sofre decomposição parcial durante o processo de combustão. Carvões de boa qualidade apresentam teor de cinzas que varia de 7 a 12% em massa.

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA Estequiometria do processo de combustão

Estequiometria do processo de combustão Introdução: Visa a determinação da quantidade de ar necessário à reação química, bem como da composição qualitativa e quantitativa dos fumos e do resíduo da combustão. São aplicadas as técnicas de balanço material associadas a estequiometria das reações químicas, para se obter os valores procurados. Podem ser utilizadas as equações de estado dos gases perfeitos, pois pelo fato das reações ocorrerem em pressões próximas da atmosférica, os gases envolvidos comportam-se como ideais. As unidades empregadas nos balanços materiais podem ser de massa ou de volume, porém na maior parte das vezes, as quantidades de matéria são as que oferecem maior facilidade.

Estequiometria do processo de combustão Roteiro para a Solução de Exercícios: Adotar uma base de cálculo quando não for especificada. Como regra geral, adota-se para combustíveis sólidos e líquidos, 1000 g de combustível. Para combustíveis gasosos, pode-se adotar 100 mols do combustível ou 1 m3 de gás a CNTP; B) escrever as reações de combustão completa das espécies químicas e/ou frações combustíveis; Importante: nas reações de combustão completa: todo o carbono é oxidado a C02; todo o hidrogênio é oxidado a H20; o enxofre presente é oxidado a 502; se houver CO, será oxidado a C02 a combustão completa de hidrocarbonetos, álcoois, cetonas etc. produz C02 e H20.

Estequiometria do processo de combustão Roteiro para a Solução de Exercícios: C) como base na estequiometria das reações e da quantidade de matéria de cada espécie 1 fração combustível, determinar a quantidade de matéria de oxigênio teórico para o processo, lembrando que: O2 TEÓRICO = O2 PARA COMBUSTÃO COMPLETA - O2 DO COMEUSTIVEL de todo o combustível D) com base na informação do problema, calcular a quantidade de matéria de oxigênio em excesso e a quantidade real. Lembrar que a quantidade de matéria de oxigênio em excesso é uma porcentagem da quantidade teórica, e que a quantidade real é a soma da quantidade de matéria teórica com a quantidade de matéria em excesso; E) para encontrar as correspondentes quantidades de ar (em quantidade de matéria ou volume), basta dividir as quantidades de 02 encontradas, por 0,21; nAR = O2 0,21

Estequiometria do processo de combustão Roteiro para a Solução de Exercícios: F) se ocorrer queima incompleta, re-escrever as reações de combustão, de acordo com os dados fornecidos; G) desenhar um fluxograma do processo, marcando as correntes de entrada (ar e combustível) e as de saída (fumos e resíduo); H) com base nos produtos das reações, composição do ar e do combustível, especificar os componentes de cada corrente; I) encontrar as quantidades de matéria de cada componente dos fumos, com base nas respectivas equações de combustão e a composição do combustível e do comburente. Lembrar que, nas combustões completas, a quantidade de matéria de 02 nos fumos coincide com a quantidade de matéria de 02 em excesso. Nas incompletas, a quantidade de matéria de 02 nos fumos deve ser obtida por meio da expressão: O2 NOS FUMOS = O2 ALiMENTADO - O2 CONSUMIDO NAS REAÇÕES

exemplo

1) O que é comburente e qual e a porcentagem de oxigênio e nitrogênio no ar atmosférico? 2) Qual a razão entre a quantidade de matéria e o volume, a quantidade de ar que contém certa quantidade de O2. 3) Qual a razão entre a quantidade de matéria e o volume, a quantidade de ar que contém certa quantidade de N2. 4) Que volume de ar, medido na CNTP, contém 1 kg de O2. 5) Que massa de ar contém 1 m3 de O2 medidos na CNTP. 6) Qual a quantidade de matéria de O2 contida na massa de ar que contém 1568g de N2. 7) Que volume de ar contém 1 m3 de O2.

8) Um combustível sólido apresenta a seguinte composição em porcentagem em massa: Considere a queima de 1kg desse combustível com 60% de ar em excesso, calcular: a) quantidade de matéria de O2teórica; b) quantidade de matéria de ar teórico; c) quantidade de matéria de O2 em excesso; d) quantidade de matéria de O2 real; e e) quantidade de matéria de ar real 9) Com base da composição química do combustível do exercício (8), considerando a queima de 1kg desse combustível com 30% de ar em excesso, calcular:

10) Explique como funciona o aparelho de Orsat (análise dos fumos de uma combustão e que gases são analisados? 11) O que são gases residuais ou fumos e cinzas de um processo de combustão? 12) Monte o esquema do processo de combustão básico. 13) Um carvão possui a seguinte composição em porcentagem mássica: São empregados 68% de ar em excesso e considerando como base de calculo 1kg de carvão e que todo o carbono desse carvão se transformou em CO2 , calcule: a) quantidade de matéria de O2teórica; b) quantidade de matéria de O2 em excesso; c) quantidade de matéria de O2 real; d) quantidade de matéria de ar real; e) quantidade de matéria de O2 nos fumos; f) quantidade de matéria de N2 nos fumos e; g) massa de água nos fumos.

14) Um carvão possui a seguinte composição em porcentagem mássica: Carbono = 72,36% Hidrogênio = 12% Oxigênio = 11,52% Cinza = 4,12% Deve ser queimado com 50% de ar em excesso e considerando como base de calculo 1kg de carvão e que todo o carbono desse carvão se transformou em CO2 , calcule: a) quantidade de matéria de ar real; e) quantidade de matéria de de cada componente nos fumos; f) quantidade de matéria total nos fumos.

Dados: para os exercícios 8,9, 13 e 14 utilize as seguintes reações químicas do C, H e S C O2 = CO2 1mol mol mol H ½ O2 = H2O 1mol ½ mol mol S O2 = SO2 1mol mol mol Massa atômicas : C = 12; H = 1; O = 16; S = 32 Mol n = m [g] / M [g/mol] onde m = massa M = massa atomica ou massa molar

24/03/2017 UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA NP2

Energia (calor) fornecida

24/03/2017 Assim, quanto maiores forem as interações entre as moléculas, mais fortemente unidas estarão e mais difícil será a mudança de estado físico. (A) Gás (B) Líquido (C) sólido

24/03/2017 119

24/03/2017 120

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