Calculo Estequiométrico da Combustão

Por meio de balanços de materiais podem ser determinadas as quantidades de combustíveis, de ar, de fumos e de resíduos (cinzas). Para efetuar o calculo: Escolher um sistema que, em geral, é o local em que se realiza a combustão; Adotar uma base de cálculo; Estabelecer balanços materiais em numero suficiente para a determinação necessária.

Sendo as combustões normalmente efetuados sob pressões próximas da pressão atmosférica, pode-se considerar que os gases envolvidos na operação comportam-se como gases perfeitos. Geralmente, os cálculos estequiométricos da combustão correspondem a três tipos: Calculo da qualidade de ar teoricamente necessário e de ar real para a combustão completa do combustível; Calculo da composição e do volume dos fumos da combustão; Calculo da porcentagem de ar em excesso utilizada em uma combustão, em razão da análise de Orsat da combustão.

Aparelho de Orsat Aparelho de Orsat Com ampla faixa de aplicação para fins didáticos e industriais nas análises dos gases Dióxido de Carbono CO2, Oxigênio O2 e Monóxido de Carbono CO, este aparelho atende ao método convencional segundo Orsat

Unidade Molares Mol = molécula – grama Kmol = molécula – quilograma O mol corresponde a quantidade em gramas igual a massa molecular da substancia química pura considerada, ou sua massa tômica. Considerando a reação de combustão completa do carbono. C + O2 +  CO2    12g + 32g  44g    1mol + 1 mol  1 mol

A combustão do metano é representada: CH4 + 2 O2  CO2 + 2H2O    16g + 64g  44g + 36g    1mol + 2mol  1mol + 2 mol

Critérios de Cálculos COMBUSTIVEIS GASOSOS A estequiometria em volume é mais adequada para cálculos de combustão quando tanto os reagentes como os produtos sejam gasosos. É importante considerar que as proporções volumétricas dadas pelo coeficiente da reação de combustão somente serão válidas para volumes nas mesmas condições de pressão e temperatura. A transformação de qualquer dos volumes considerados pode ser efetuada para outras condições de pressão e temperatura pela equação de estado de gases perfeitos, ou seja: P1 V1 P2 V2 -------- = -------- T1 T2

EXEMPLO: Na combustão do gás propano (C3H8) têm-se as proporções molares de reação dadas pela seguinte equação química: C3H8 + 5 O2  3 CO2 + 4 H2O (vapor) 1mol 5 moles 3 moles 4 moles As proporções molares de 1:5 -- 3:4 independem das condições de pressão e temperatura, pois utiliza-se uma unidade química (mol) que está relacionada com massa: massa (gramas) Número de moles = ----------------------- massa molecular

1 litro 5 litros 3 litros 4 litros Isso não pode ser aplicado quando se consideram proporções volumétricas. Utilizando-se proporções volumétricas, tem-se: C3H8 + 5 O2  3 CO2 + 4 H2O (vapor) 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros Isso a t °C e a P mm Hg. Neste caso, as proporções 1:5 --- 3:4 somente podem ser consideradas para condições iguais de pressão e temperatura de todos os gases ( ou vapor de água ) e a condição considerada ( ou adotada ) deve ser mencionada. Dessa forma, pode-se ter: C3H8 (gás) + 5 O2(gás)  3 CO2 (gás) + 4 H2O (vapor) A CNTP 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros a 20°C e 760 mm Hg: 2 litros 10 litros 6 litros 8 litros a 27°C e 700 mm Hg: 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros a t °C e P mm Hg: 1 litro 5 litros 3 litros 4 litros 1 m³ 5 m³ 3 m³ 4 m³ (n vezes)

Prosseguindo no calculo, pode-se, em seguida, transformar o volume de oxigênio (ou de ar) para condições reais de pressão e temperatura, e o volume de fumos para as condições reais de pressão e temperatura, pela expressão de transformação de estado de gases perfeitos: P0 V0 PV P0 T -------- = ----, onde V = V0 ---- x ----- T0 T P T0  V2 = V1 P1 T2 ---- x ---- P2 T1

EXEMPLO: CÁLCULO DA QUANTIDADE DE AR TEORICAMENTE NECESSÁRIO E DE AR REAL PARA COMBUSTÃO COMPLETA DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS O gás liquefeito de petróleo (GLP) apresenta 50% em volume de gás propano (C3H8) e 50% de gás butano (C4H10). Considerando que a combustão seja completa, calcular o volume de ar teórico necessário para a combustão de 1 litro de GLP a 27ºC e 700 mm Hg.

C3H8-----------------50%---------------V=0,5 LITRO ETAPA 1 COMO OS GASES FORAM APRESENTADOS NA FORMA DE VOLUME REPRESENTAR INDIVIDUALMENTE CADA FRAÇÃO DOS REAGENTES: C3H8-----------------50%---------------V=0,5 LITRO C4H10---------------50%----------------V=0,50 LITRO

ETAPA 2 REPRESENTAR O BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO, CARACTERIZANDO UMA COMBUSTÃO COMPLETA C3H8 + 5 02  3 CO2 + 4 H20 0,5l 5 X 0,5l (2) C4H10 + 6,5 02  4 CO2 + 5 H20 0,5l 6,5 X 0,5l ONDE: V (O2 teórico) = V (O2 para combustão completa)

ETAPA 3 SABENDO-SE QUE A QUANTIDADE DE COMBURENTE PARA A COMBUSTÃO ESTÁ BASEADA NA QUANTIDADE DE OXIGÊNIO NECESSÁRIA MAIS A QUANTIDADE DE OXIGÊNIO DO REAGENTE, MAS COMO TRATA-SE DE UM HIDROCARBONETO V (O2 teórico) = (0,5 X 5) + (0,5 X 6,5) = 2,5 + 3,25 = 5,75 Litros de O2 Ou seja: A QUANTIDADE DE AR TEÓRICO SERÁ 1 litro ar atmosférico seco ------------------------------------ 0,21 litro de O2 X ------------------------------------ 5,75 litros de O2 X = 27,38 litros de ar atm V (ar teórico) = 5,75 litros V (O2 teórico no ar atmosférico) = 0,21

CH4---------- 40% C2H6-------- 30% CO------------ 20% EXEMPLO 2: Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4---------- 40% C2H6-------- 30% CO------------ 20% CO2---------- 10%

CH4 -----------------40%---------------V=0,4 LITRO ETAPA 1 COMO OS GASES FORAM APRESENTADOS NA FORMA DE VOLUME REPRESENTAR INDIVIDUALMENTE CADA FRAÇÃO DOS REAGENTES: CH4 -----------------40%---------------V=0,4 LITRO C2H6 ---------------30%----------------V=0,30 LITRO C0--------------------20%----------------V=0,20 LITRO C02------------------10%----------------V=0,10 LITRO

ETAPA 2 REPRESENTAR O BALANÇO ESTEQUIOMÉTRICO DA COMBUSTÃO, CARACTERIZANDO UMA COMBUSTÃO COMPLETA CH4 + 2 02  CO2 + 2 H20 0,4l 2 X 0,4l (2) C2H6 + 3,5 02  2 CO2 + 3 H20 0,3l 3,5 X 0,3l (3) C0 + 0,5 02  CO2 0,2l 0,5 X 0,2l ONDE: V (O2 teórico) = V (O2 para combustão completa)

ETAPA 3 SABENDO-SE QUE A QUANTIDADE DE COMBURENTE PARA A COMBUSTÃO ESTÁ BASEADA NA QUANTIDADE DE OXIGÊNIO NECESSÁRIA MAIS A QUANTIDADE DE OXIGÊNIO DO REAGENTE, MAS COMO TRATA-SE DE UM HIDROCARBONETO V (O2 teórico) = (0,4 X 2) + (0,3 X 3,5) + (0,2 X 0,5) = 1,95 Litros de O2 Ou seja: A QUANTIDADE DE AR TEÓRICO SERÁ 1 litro ar atmosférico seco ------------------------------------ 0,21 litro de O2 X ------------------------------------ 1,95 litros de O2 X = 9,286 litros de ar atm V (ar teórico) = 1,95 litros V (O2 teórico no ar atmosférico) = 0,21

ETAPA 4 FOI MENSIONADO QUE O SISTEMA ESTAVA COM 10% DE AR EM EXCESSO, PORTANTO: AR REAL = 9,286 X 1,10 = 10,21 Litros CNTP COMO O VOLUME DE AR REAL DEVE SER CALCULADO A 20ºC E 760 mm DE Hg, APLICA-SE A FÓRMULA DE TRANSFORMAÇÃO DE GASES PERFEITOS P1 V1 P2 V2 -------- = -------- T1 T2 V2 = V1 P1 T2 ---- x ---- P2 T1

ASSIM: V = 10,21 760 X 293 760 273 V = 10,21 X 1,07 V = 10,92 Litros de 02

CH4---------- 50% C2H6-------- 40% O2------------ 10% EXERCÍCIO: 1) Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4---------- 50% C2H6-------- 40% O2------------ 10% Considerando a combustão completa com 15% de ar em excesso, determine o valor de ar real (a CNTP) para a combustão de 1m³ desta mistura gasosa

CH4---------- 30% C3H8-------- 50% CO----------- 10% CO2---------- 10% EXERCÍCIO: 2) Uma mistura gasosa combustível apresenta a seguinte composição em volume: CH4---------- 30% C3H8-------- 50% CO----------- 10% CO2---------- 10% Considerando a combustão completa com 28% de ar em excesso, determine o valor de ar real (a CNTP) para a combustão de 1 litro desta mistura gasosa a 730mm Hg e o sistema iniciando-se a 180ºC e com de 38ºC

EXERCÍCIO: 3) O Brasil hoje tem uma matriz energética proveniente de gás natural, onde este tem uma importação principal das jazidas da Colômbia. A composição básica do gás colombiano é a seguinte: Metano - CH4 - 86,0 %Vol Etano – C2H6 - 10,0 %Vol Propano - C3H8 – 3,5 %Vol Oxigênio - O2 - 0,5 %Vol Considerando que uma industria que gera vapor tendo em suas caldeiras a matriz energética de gás natural e com uma eficiência de 95% sobre a combustão qual a quantidade de ar atmosférico teórico necessário para cada 1m³ de gás natural. Qual a quantidade de ar atmosférico com 12% em excesso seria necessário se a combustão fosse completa .

Carbono ---------------------------80% (em peso) COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS EXEMPLO 1 Um combustível líquido constituído por carbono e hidrogênio deve ser queimado com 20% de ar em excesso. A composição em peso do combustível é a seguinte: Carbono ---------------------------80% (em peso) Hidrogênio -----------------------20% (em peso) Determinar o volume, a 27ºC e 700 mmHg, de ar real a ser utilizado na combustão completa de 1Kg do líquido combustível.

C -----------------------80%----------------------m(C) = 800,0g Base de Calculo Tendo em vista que a porcentagem dos componentes é dada em peso, tomamos como base de calculo 1Kg do combustível líquido C -----------------------80%----------------------m(C) = 800,0g H2----------------------20%-----------------------m(H2) = 200,0g Dividindo-se a massa de cada um dos componentes pela sua massa atômica ou molecular, teremos o número em moles. nC = 800/12 = 66,66 moles nH2 = 200/2 = 100,0 moles

As reações que se darão pela combustão completa é a seguinte: C + O  CO2 66,66 66,66 (2) H2 + 1/2 O2  H2O 100 100/2 Esses dois componentes é que consumirão oxigênio do ar para a combustão. Não havendo oxigênio no combustível, logo, a quantidade molar de oxigênio teórico necessário será: n(O2 teórico) = n(O2 para C) + n(O2 para H2) Assim: n(O2 teórico) = 66,66 + 100/2 n(O2 teórico) = 116,6 moles de O n(Ar teórico) = 116,6/0,21 = 555,53 moles de ar atm

Sabendo-se que 1 mol de gás em condições normais de temperatura e pressão ocupa 22,4 litros, o volume de ar necessário a CNTP será: V = 555,52 X 22,4 = 12.443,6 litros de ar teórico a CNTP Considerando-se 20% de ar em excesso: V(ar real) = 12,44 X 1,20 = 14,93m³ (CNTP) Kg de combustível Transformando para 27ºC e 700 mm Hg V (ar real) = 14,93 (760/700) X (300/273) V (ar real) = 17,81 m³

Exercício 1 O álcool isopropílico ( C3H7OH) pode ser utilizado para limpar componentes eletrônicos, sendo o mais apropriado para este fim pois a porcentagem de água é menor do que 1%, e por isso a hipótese de oxidação das peças é quase nula. É também vastamente empregado na indústria gráfica, na composição da solução de molha do processo de impressão offset, apresentando a seguinte composição: Carbono..............................56,8% Hidrogênio..........................16,7% Oxigênio..............................26,5% Considerando a combustão completa deste álcool calcular a quantidade de ar real a 27ºC 730 mm Hg, utilizada na combustão de 1Kg de álcool isopropílico , sabendo-se que a combustão se dará com 35% de ar em excesso.

Exercício 2 O Hexano é um hidrocarboneto alcano com a fórmula química C6H14. O prefixo "hex" refere-se aos seus seis átomos de carbono, ao passo que a terminação "ano" indica que os seus carbonos estão conectados por ligações simples. Os isômeros de hexano são altamente inertes, e são freqüentemente usados como solvente inerte em reações orgânicas. São também componentes comuns da gasolina. Sua composição é a seguinte: Carbono..................................65,4% Hidrogênio.............................34,6% Considerando a combustão completa do hexano, calcular a quantidade de ar real a 23ºC 740 mm Hg, utilizada na combustão de 3Kg de hexano, sabendo-se que a combustão se dará com 12% de ar em excesso.

COMPONENTE % PESO Carbono 74,0 Hidrogênio 5,0 Oxigênio Nitrogênio 1,0 COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS EXEMPLO 1 Considerando um carvão mineral cuja composição química, em porcentagem de peso é a seguinte: COMPONENTE % PESO Carbono 74,0 Hidrogênio 5,0 Oxigênio Nitrogênio 1,0 Enxofre Umidade 9,0 Cinzas TOTAL 100,0 Determinar a quantidade volumétrica de ar real necessária para a combustão de 1,0 Kg deste carvão mineral, considerando 50% de excesso de ar, em condições de 27ºC e 700 mm Hg

COMPONENTE MASSA Carbono 740,0 Hidrogênio 50,0 Oxigênio Nitrogênio Base de Calculo Tendo em vista que a porcentagem dos componentes é dada em peso, tomamos como base de calculo 1Kg do combustível sólido. COMPONENTE MASSA Carbono 740,0 Hidrogênio 50,0 Oxigênio Nitrogênio 10,0 Enxofre Umidade 90,0 Cinzas TOTAL 1000,0

COMPONENTE N Moles Carbono 740/12 61,66 Hidrogênio 50/2 25,00 Oxigênio Dividindo-se a massa de cada um dos componentes pela sua massa atômica ou molecular, teremos o número em moles. COMPONENTE N Moles Carbono 740/12 61,66 Hidrogênio 50/2 25,00 Oxigênio 50/32 1,56 Nitrogênio 10/28 0,36 Enxofre 10/32 0,31 Umidade 90/18 5,00

As reações que se darão pela combustão completa é a seguinte: C + O2  CO2 61,66 61,66 (2) H2 + 1/2 O2  H2O 25 25/2 (3) S + O2  S2O 0,31 0,31 Esses dois componentes é que consumirão oxigênio do ar para a combustão. Não havendo oxigênio no combustível, logo, a quantidade molar de oxigênio teórico necessário será: n(O2 teórico) = n(O2 para C) + n(O2 para H2) + n(O2 para S) - n(02 Combustível) Assim: n(O2 teórico) = (61,66 + 25/2 + 0,31) - 1,56 n(O2 teórico) = 72,91 moles de O n(Ar teórico) = 72,91/0,21 = 347,19 moles de ar atm

Sabendo-se que 1 mol de gás em condições normais de temperatura e pressão ocupa 22,4 litros, o volume de ar necessário a CNTP será: V = 347,2 X 22,4 = 7.777 litros de ar teórico a CNTP Considerando-se 50% de ar em excesso: V(ar real) = 7,78 X 1,50 = 11,67m³ (CNTP) Kg de combustível Transformando para 27ºC e 700 mm Hg V (ar real) = 7,78 (760/700) X (300/273) V (ar real) = 13,9 m³