343o [Modo de Compatibilidade]) - madeira.ufpr.br · CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DE AR/COMBUSTÍVEL Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria

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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--056056

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade

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COMBUSTÃOCOMBUSTÃO

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INTRODUÇÃO:

� Uma das formas mais empregadas para produção decalor na indústria é a combustão, exemplos típicos deequipamentos empregados na industria são asmáquinas térmicas.

� É importante lembrar que os processos metabólicostambém são importantes.


DEFINIÇÃO:

� Combustão é uma reação química de óxido-reduçãoentre um combustível e um comburente, sendo obtidocalor (energia) e sub-produtos.

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DEFINIÇÃO:


DEFINIÇÃO:

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DEFINIÇÃO:


CONDIÇÕES NECESSÁRIAS:

� Para que o processo ocorra, é necessário umcombustível, ou seja, o material a ser queimado, umcomburente, geralmente o oxigênio e uma "faísca",para iniciar o processo, porem a combustão podeocorrer de forma espontânea dependendo dascondições dispensadas.

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CARACTERÍSTICAS:

� Como visto nas aulas passadas, os hidrocarbonetossão os combustíveis mais utilizados em todos ossetores industriais, porem a quantidade de energiadesprendida na reação de combustão está intimamenteassociada com a composição química do combustívele dos produtos finais de combustão.


REAÇÃO QUÍMICA:

� A equação, em síntese, de uma hidrocarboneto ésempre a seguinte:

TeóricoCombustível + Oxigênio → Dióxido de carbono + Água + Energia

RealCombustível + Ar → Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia +

Resíduos

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REAÇÃO QUÍMICA:

� Por exemplo:

TeóricoCH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + energia

TeóricoC2H6 + 3,5O2 → 2CO2 + 3H2O + energia


TIPOS DE COMBUSTÃO:

� Dependendo das quantidades proporcionais decombustível e de oxigênio (comburente) pode havercombustões:

� Teoricamente completas,� Praticamente completas,� Incompletas.

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� Teoricamente completaA combustão é denominada “teoricamente completa”quando se realiza com a quantidade estequiométricade oxigênio para oxidar completamente a matériacombustível.

C8H18 + 12,5O2 → 8CO2 + 9H2O + Energia



� Praticamente completaA combustão será “praticamente completa” quando serealiza com uma quantidade de oxigênio, porem maiordo que a estequiometricamente necessária para oxidarcompletamente a matéria combustível.

C8H18 + 15,5O2 → 8CO2 + 9H2O + 3O2 + Energia

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� IncompletaA combustão denominada “incompleta” é aquela quese realiza com insuficiência de oxigênio, ou seja, comuma quantidade de oxigênio inferior à quantidadeestequiométrica para oxidar completamente a matériacombustível.

C8H18 + 8,5O2 → 8CO + 9H2O + EnergiaC8H18 + 4,5O2 → 8C + 9H2O + Energia



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CÁLCULO DA PROPORÇÃO TEÓRICA DEAR/COMBUSTÍVEL

� Na combustão o objetivo é obter o máximo possível decalor. Não basta porém que o rendimento caloríficoatenda às necessidades requeridas, é preciso que istoseja feito de forma econômica. A fim de maximizar-se orendimento da combustão, deve-se obter o melhoraproveitamento possível do potencial energético docombustível através de alguns fatores operacionais,como a regulagem da relação ar-combustível.



� Conhecendo-se a composição do combustível e combase na estequiometria da reação, consegue-secalcular o ar necessário para a queima do combustível.A quantidade de ar que fornece o oxigênioteoricamente suficiente para a combustão completa docombustível, é chamada de "ar teórico" ou "arestequiométrico".

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� Na prática, sabe-se que é muito difícil obter uma boacombustão apenas com o arestequiométrico. Seutilizarmos somente o "ar teórico", há grandeprobabilidade do combustível não queimar totalmente(haverá formação de CO ao invés de CO2) econseqüentemente a quantidade de calor liberada serámenor.



� Para se garantir a combustão completa recorre-se auma quantidade adicional de ar além doestequiométrico, garantindo desse modo que asmoléculas de combustível encontrem o númeroapropriado de moléculas de oxigênio para completar acombustão. Essa quantidade de ar adicional utilizada échamada de excesso de ar. O excesso de ar é aquantidade de ar fornecida além da teórica.

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� O excesso de ar proporciona uma melhor mistura entreo combustível e o oxidante, mas deve sercriteriosamente controlado durante o processo decombustão. Deveremos conhecer a quantidade idealmínima possível de excesso a ser introduzida naqueima, pois o ar que não participa da combustãotende a consumir energia na forma de calor, pois seráaquecido mesmo sem contribuir para a reação.



� Quanto maior o excesso de ar, maior o volume degases nos produtos de combustão econseqüentemente maior a perda de calor pelachaminé, influindo negativamente na eficiência dacombustão. Entretanto as perdas por excesso de araumentam em proporção muito menor que as perdascom combustível não queimado. Assim, nos processosde combustão industrial sempre se trabalha comexcesso de ar.

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� Combustão com excesso de ar:De forma geral recomenda-se um excesso de ar paraque ocorra uma completa combustão, porem estesvalores podem variar de acordo com o estado físico docombustível.

Estado: Excesso:Gás 0-10%Líquidos 2-30%Sólidos ≥ 50%



� Algumas considerações pertinentes.

Composição do ar:Elemento: Proporção:Oxigênio 21%Nitrogênio 79%

Ou seja, 1 parte de Oxigênio para 3,76 de Nitrogênio

Densidade: 1,29 kg/m³ (1atm a 20ºC)

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� Algumas considerações pertinentes.

Peso atômico:Elemento: Peso atômico:Carbono 12Hidrogênio 1Oxigênio 16Nitrogênio 14Enxofre 32



� Para se determinar a proporção teórica de ar, deve-se:

1°- Montar a reação2°- Balancear a reação3°- Calcular a proporção teórica de ar/combustívelOnde,A/C = Massa do ar / Massa do combustível,Expresso em kg/kg

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EXERCÍCIO 1:

� Calcular a relação A/C na combustão de 1Kmol deC3H8 e excesso de 10%.Reação:Propano + Ar → Dióxido de Carbono + Água + Nitrogênio + Energia

Balanceamento:C3H8 + x(O2+3,76N2) → CO2 + 2H2O + yN2 + EnergiaC3H8 + 5(O2+3,76N2) → 3CO2 + 4H2O + 18,8N2 + EnergiaNecessitamos de 5 moléculas de ar na combustão dede uma de propano.


EXERCÍCIO 1:

� Como utilizamos ar atmosférico na reação:(5 x 32) + (5 x 3,76 x 28) = 686,4 kg1kmol de propano = 44 kgA/C teórico = 686,4 kg/ 44 kg = 15,6:1 kg/kgA/C com 10% de excesso de ar = 15,6 x 1,1 = 17,2 :1 kg/kg

Ou ainda em volume:A/C teórico = 15,6/1,29 = 12,1:1 m³/kgA/C com 10% de excesso de ar = 17,2/1,29 = 13,3:1 m³/kg

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EXERCÍCIO 2:

� Calcular a relação A/C teórico na combustão de 100kgdo seguinte material:Composição C H O N SQuímica (kg) 72 14 8 2,8 3,2P.atômico 12 1 16 14 32Kmol 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1

Reação e Balanceamento:6C+14H+0,5O+0,2N+0,1S+x(O2+3,76N2)→6CO2+7H2O+0,1SO2+yN20,5.1+x.2=6.2+7.1+0,1.2x=9,350,2.1+9,35.3,76.2=y.2y=35,3


EXERCÍCIO 2:

� Como utilizamos ar atmosférico na reação:Quantidade de AR:(9,35 x 32) + (9,35 x 3,76 x 28) = 1.283,6 kgA/C teórico = 1.283,6 kg / 100 kg = 12,8:1 kg/kg

Quantidade de CO2:(6 x 12) + (6 x 32) = 264 kgQuantidade de H2O:(7 x 2) + (7 x 16) = 126 kgQuantidade de SO2:(0,1 x 32) + (0,1 x 32) = 6,4 kgQuantidade de N2:(35,3 x 28) = 988,4 kg

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EXERCÍCIO 3:

� Calcular a relação A/C em kg/kg e m³/kg para osseguintes combustíveis com 20% de ar em excesso:1kmol de Gasolina (C5H12)

1kmol de Óleo leve (C16H34)

100kg Madeira de Pinus(C-50%, H-6%, O-43%, N-1%)

100kg Madeira de Eucalyptus(C-49%, H-7%, O-42%, N-2%)


PONTOS COMPLEMENTARES.NÃO DISCUTIDOS EM AULA.

� ROTINAS PARA DETERMINAÇAO DE TEMPERATURA DECHAMA

� AVALIAÇÃO DOS RESÍDUOS GERADOS APÓS PROCESSO DECOMBUSTÃO.

� LEGISLAÇÀO VIGENTE.

� OUTROS SISTEMAS DE CONVERSÃO ENERGÉTICA.

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