Semana 6 REAÇÕES QUÍMICAS – COMBUSTÃO COMO SE DEFINE A RELAÇÃO ENTRE AR/COMBUSTÍVEL?

Combustível é oxidado (queima) para gerar energia térmica. Qual a relação entre o ar/combustível utilizada em uma máquina térmica? Como é definida?

Processo de Combustão Combustível + Oxidante  Produtos Exemplo: 1 CH4 + 2 O2  1 CO2 + 2 H2O Oxidante Combustível Fonte de ignição 3

Combustão - importância

Combustão: seqüência de reações químicas. Chama: propagação da combustão no espaço; associação entre os escoamentos e as reações químicas. 5 5

Reações de Combustão

A composição dos produtos de exaustão provenientes das reações de combustão dependem de inúmeros fatores, incluindo tipo de oxidante, composição, temperatura dos gases e razão de equivalência. Processo reacional – equilíbrio adiabático

Quando uma reação ocorre? Somente uma pequena fração de moléculas reagentes convertem reagentes em produto. Depende: 1. Colisão adequada 2. Energia que as moléculas possuem ao colidir

Reação ocorre se: 1. colisão favorável ClNO2(g) + NO(g)  NO2(g) + ClNO(g) 1. colisão favorável

Reação ocorre 2. energia suficiente Nem todas as moléculas possuem mesma energia cinética. Isto é importante porque a energia cinética que a molécula carrega quando colide é a principal fonte de energia para se iniciar a reação mesmo sistema, moléculas com energia diferente.

REAGENTES PRODUTOS Ar – composição volumétrica 79% nitrogênio e 21% oxigênio.

Combustão Combustão - interação entre Processos Químicos e Físicos. Processos Químicos – auto sustentado pelas reações químicas entre combustível e oxidante. Processos físicos: Transporte de massa, momento e energia.

Chamas – nota Diferentes tipos de chama dependendo da disponibilidade de oxidante. Da esquerda para direita de sem pré-mistura até pré-misturada. http://en.wikipedia.org/wiki/Flame

QUEIMA AMBIENTE FECHADO QUEIMA ABERTA JATO LIVRE flame end-gas MOTOR A PISTÃO time CÂMARA DE TURBINA QUEIMA AMBIENTE FECHADO QUEIMA ABERTA JATO LIVRE

Na combustão completa ou estequiométrica, todo carbono é queimado para dióxido de carbono (CO2) e todo hidrogênio é convertido em água (H2O). Estas duas reações completas são:

Note que podemos balancear C e H para a reação completa. Exemplo 5-1 Uma reação completa de octano com oxigênio é representada pela equação de combustão balanceada. A equação balanceada é obtida por assegurar que existe o mesmo número de átomos de cada elemento em ambos os lados da equação. Ou seja, a massa se conserva. Note que podemos balancear C e H para a reação completa. 16

A quantidade de oxigênio é encontrada pelo balanço de oxigênio A quantidade de oxigênio é encontrada pelo balanço de oxigênio. Melhor colocar as espécies na base monoatômica como mostrado. Note: Números de moles não se conservam, massa se conserva. A combustão completa é chamada também de combustão estequiométrica, e todos os coeficientes são chamados coeficientes estequiométricos.

Oxidante Ar: 78,08% nitrogênio, 20,95% oxigênio, 0,93% argônio, 0,03% dióxido de carbono, 0,01% de outros gases. Para fins de balanço: 79% nitrogênio e 21% oxigênio. XN2,ar = 0,79 e XO2,ar = 0,21. 0,79/ 0,21 = 3,76 mols de N2 por mol de O2 no ar Na maioria dos processos de combustão, oxigênio é fornecido na forma de ar. 18

Para cada mole de oxigênio no ar, existem 79/21 = 3.76 moles de nitrogênio. Desta forma, para combustão completa de octano com ar é escrita como 12.5(1 + 3.76) = 59.5 moles de ar exigidos para cada mole de combustível para o processo de combustão completa.

Razão Ar-Combustível Muitas vezes a combustão completa do combustível não ocorre a menos que exista um excesso de ar presente, quantidade maior do que a exigida teoricamente para a reação de combustão completa. Para determinar a quantidade de excesso de ar fornecida para o processo de combustão, precisamos definir Razão Ar-Combustível por exemplo, *OF como Assim, para o exemplo anterior, a razão ar-combustível teórica fica

Razão (Ar-Combustível) e (Combustível-Ar) Base mássica mox e mF as massas de oxidante e combustível, respectivamente, em base mássica temos: OF = mox/mF FO = mF/mox Base molar Nox e NF são os números de mols de oxidante e combustível, respectivamente, sendo que * indica a relação em base molar *OF = Nox/NF *FO = NF/Nox

Na base molar, a razão oxidante-combustível (*OF) teórica é Exemplo *OF Na base molar, a razão oxidante-combustível (*OF) teórica é 22

Exemplo- OF Na base mássica, a razão oxidante-combustível (OF) teórica é

Razão de equivalência (f) (FOoperação/FOestequiométrico) em base molar (*FOoperação/*FOestequiométrico)  = 1 – estequiometria (quantidade de oxidante exata)  < 1 – pobre ( excesso de oxidante)  > 1 – rica (excesso de combustível)

Razão de equivalência (f) Exemplo com álcool etílico 1 C2H5OH + 3 O2 + 11,28 N2  2 CO2 + 3 H2O + 11,28 N2.   Com 5 % de excesso de ar, teremos:   1 C2H5OH + 3,15 O2 + 11,84 N2  2 CO2 + 3 H2O + 11,84 N2 + 0,15 O2

Porcentagem Teórica e Porcentagem de Excesso de Ar Na maioria dos casos, mais ar é fornecido do que aquele exigido na estequiometria, de forma a se assegurar combustão completa ou eliminar o monóxido de carbono (CO) dos produtos de combustão. A quantidade de excesso de ar é expressa como: 26

Resultados também podem ser expressos em termos de moles de oxigênio somente:

A reação de combustão de um mol de metano com 50% de excesso de ar (ou 150% de ar teórico):

Qual a relação ar/combustível em um motor ciclo OTTO? E em uma turbina a gás? E um motor foguete?