COMBUSTÃO - mautone.eng.br · 1 COMBUSTÃO JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão

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]

http://www.mautone.eng.br/

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


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


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


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


– 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


– 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


ardemolesde.no

21,0

241

16


– 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


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


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


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


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


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


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


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


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

http://www.mautone.eng.br/

26



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/

http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/

http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/

27



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/

http://www.c.morley.dsl.pipex.com/

http://www.c.morley.dsl.pipex.com/

28


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

http://www.reactiondesign.com/

29


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


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



Mistura com ao ar Mistura na chama

Fator de enriquecimento (W)

ArO

ArO

QQ

Q21,0Q

2

2

]h/Nm[asvolumétricvazõesQ 3

32


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

QQ

Q21,0Q

2

2

33



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



Razões de mistura

oenriquecidardemolesde.no


24

estqCAlcombustíve

ricoar

estqACf

1

PM

PM

lcombustívedemassa

oenriquecidardemassaf

kmol/kg321416112PM

kmol/kg1421162PM

lcombustíve

ar

35


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


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


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



– 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



– Emissões em base volumétrica (EV) é

a mais empregada para combustíveis

gasosos.

lcombustívedeNm

poluentedekgm

TR

PMPE

mE

3poluente

ambienteuniversal

lcombustíveasecVpoluente

poluentelcombustíveVpoluente

)Kkmol/(J8314Runiversal

40



– 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


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.

43

BIBLIOGRAFIA

BAUKAL Jr., C. E. Air-oxy/Fuel Burners. In:

Industrial Burners Handbook, BAUKAL Jr., C. E.

(ed.). Boca Raton: CRC Press, 2003.

COSTA, M. Combustão sem Chama Visível

(Flameless Combustion). Palestra, II Escola de

Combustão. São José dos Campos: RNC, 22-26

de Junho de 2009.

ESCOLA DE COMBUSTÃO em

http://redenacionaldecombustao.org/escoladecomb

ustao/, jan/2011.

http://redenacionaldecombustao.org/escoladecombustao/

http://redenacionaldecombustao.org/escoladecombustao/

44

BIBLIOGRAFIA

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Rio de Janeiro: Interciência, 2002.

GLASSMAN, I. Combustion. New York: Academic

Press, 1977.

KUO K. K. Principles of Combustion. New York:

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COMBUSTÃO - mautone.eng.br · 1 COMBUSTÃO JOSÉ EDUARDO MAUTONE BARROS Professor Adjunto da Universidade Federal de Minas Gerais Coordenador do Laboratório de Combustíveis e Combustão