COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO

PROF. RAMÓN SILVA

Engenharia de Energia

Dourados MS - 2013

INFLAMABILIDADE

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DEFINIÇÃO

O significado de limite de inflamabilidade é o

seguinte:

se um dado conjunto de condições permite a

propagação de uma chama estável e se as condições

são progressivamente mudadas até um estado em que

uma chama estável não se propaga mais, este estado

então é um limite de estabilidade.

Se a chama simplesmente não se propaga, este limite

é chamado limite de inflamabilidade.

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DEFINIÇÃO

A relação entre o combustível e o oxidante em

uma mistura determina se a mesma é ou não

inflamável.

O interesse industrial no assunto ocorre tanto no

aspecto de operação como no de segurança.

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DEFINIÇÃO

A relação entre o combustível e o oxidante em

uma mistura determina se a mesma é ou não

inflamável.

O interesse industrial no assunto ocorre tanto no

aspecto de operação como no de segurança.

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Uma mistura somente queimará se a

concentração do combustível estiver entre os

limites inferior e superior de inflamabilidade, que

chamaremos LI e LS, respectivamente.

A medição dos limites de inflamabilidade envolve

experimentos repetidos com diferentes valores de

variáveis como razão combustível/oxidante,

porcentagem de diluentes, temperatura inicial e

pressão inicial.

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Uma vez que a inflamabilidade tende a ser

fortemente afetada pelas condições do

experimento, deve-se cuidar para que tais

condições não interfiram nos resultados. Existem

testes padrão, para os quais a temperatura e

pressão iniciais são 25°C e 1 atm.

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Limites de inflamabilidade de alguns combustíveis em ar

(Glassman, 1996).

Porcentagem estequiométrica do combustível na mistura,

calculada considerando o ar como sendo 21 % O2 e 79 % N2.

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Combustível Fórmula LI (%) LS (%) PE (%)*

Hidrogênio H2 4 74,2 29,6

Monóxido de carbono CO 12,5 74,2 29,6

Metano CH4 5 15 9,5

Etano C2H6 3 12,4 5,7

Etileno C2H4 3,1 32 6,5

Acetileno C2H2 2,5 80 7,8

Propano C3H8 2,1 9,5 4,0

Propileno C3H6 2,4 11 4,5

n-Butano C4H10 1,6 8,4 3,1

Isobutano C4H10 1,6 8,4 3,1

Isopentano C5H12 1,4 8,3 5,0

Éter dimetílico CH3-O-CH3 3,4 27 6,5

LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Consideremos uma mistura metano/ar definida

como 1 CH4 + x(1 O2 + 3,76 N2). Para esta

mistura, temos, utilizando dados da Tabela 2.1:

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xx76,41

105,0LI ar/4CH

xx76,41

115,0LS ar/4CH

3,99

1,99

LIMITES DE INFLAMABILIDADE

O amplo intervalo de inflamabilidade do

hidrogênio nos diz que é fácil obter uma mistura

inflamável do gás em ar.

Para metano e propano o intervalo de

inflamabilidade é estreito e pode decorrer um

longo período de tempo até que uma fonte de

ignição consiga ignitar e explodir a mistura.

É boa prática operar seguramente abaixo do

limite inferior de inflamabilidade.

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Conforme mostrado na Figura 2.1, o intervalo de

inflamabilidade alarga-se quando a temperatura

inicial da mistura aumenta.

Mudanças na pressão inicial da mistura não

alteram o LI para hidrocarbonetos em ar, mas o

LS aumenta com a pressão

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

O limite inferior é o mesmo em oxigênio e em ar.

Por outro lado, o limite superior é muito maior

em oxigênio que em ar.

Isto ocorre porque o limite inferior está na região

de excesso de oxidante e a troca de nitrogênio por

oxigênio não afeta parâmetros importantes, como

temperatura de chama, por exemplo.

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Combustível LI (%) LS (%)

Ar O2 Ar O2

Hidrogênio 4 4 74 94

Monóxido de carbono 12 16 74 94

Amônia 15 15 28 79

Metano 5 5 15 61

Propano 2 2 10 55

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Lei de Le Chatelier

Os limites inferior e superior de inflamabilidade para

misturas de combustíveis podem ser calculados pela

lei de Le Chatelier:

onde C1, C2, ... Ci (%, base volumétrica) são as

proporções de cada gás na mistura gasosa sem ar

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i

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2

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1

1mistura

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C...

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100LI

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LS

C...

LS

C

LS

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100LS

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LIMITES DE INFLAMABILIDADE

Calcularemos a seguir as massas mínima e

máxima de gás liquefeito de petróleo (GLP) que

formam uma mistura inflamável homogênea em

1 m3 de mistura com ar, a 1 atm e 25 oC.

Consideraremos o GLP como uma mistura de 50

% propano e 50 % butano, em base volumétrica.

Para outros combustíveis o procedimento será

análogo.

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TEMPERATURA DE IGNIÇÃO

A temperatura de ignição é aquela à qual uma

pequena porção da mistura, a uma determinada

temperatura e pressão, tem que ser submetida

para a combustão se propagar na própria

mistura.

A temperatura de ignição é mínima para a

mistura estequiométrica.

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TEMPERATURA DE IGNIÇÃO

Uma baixa temperatura de ignição significa que

a mistura é potencialmente perigosa.

Quanto maior a energia de ativação da reação

maior será a temperatura de ignição.

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TEMPERATURA DE IGNIÇÃO

A cabeça de um palito de fósforo contém uma

mistura com baixa energia de ativação, de tal

maneira que a fricção produz calor suficiente

para elevar a temperatura a um patamar para a

ignição ocorrer.

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TEMPERATURA DE IGNIÇÃO

Para misturas possuindo uma alta energia de

ativação, uma faísca é necessária para iniciar a

combustão. Após a ignição pela faísca o calor

gerado em geral é suficiente para que a reação

seja auto sustentável.

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TEMPERATURA DE IGNIÇÃO

Combustível Ti (oC) Combustível Ti (oC)

Hidrogênio 400 Isopentano 420

Monóxido de carbono 609 Amônia 651

Metano 540 Etanol 365

Etano 472 Gasolina 440

Etileno 490 Querosene 210

Acetileno 305 Metanol 385

Propano 450 Óleo diesel 225

Propileno 458 Hidrazina 270

n-Butano 405 Óleo de soja 445

Isobutano 462 Glicerina 370

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EXPLOSÃO

Definimos uma explosão de gás como um processo

no qual a combustão de uma nuvem pré

misturada, ou seja, de uma mistura gasosa

combustível-ar ou combustível-oxidante, que

causa um incremento rápido de pressão.

Essas explosões podem ocorrer tanto em áreas

confinadas como em áreas abertas.

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EXPLOSÃO

Consideremos o caso de um vazamento acidental

de um gás ou líquido volátil, ambos combustíveis,

para a atmosfera.

Se a nuvem formada pelo vazamento não estiver

dentro dos limites de inflamabilidade ou se não

houver uma fonte de ignição, a nuvem gasosa

pode se diluir e desaparecer sem causar dano.

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EXPLOSÃO

A ignição pode ocorrer imediatamente após o

vazamento ou pode demorar, tudo dependendo

das circunstâncias.

No caso de ignição imediata antes de haver

mistura entre o combustível e o ar, um incêndio

ocorrerá através de uma chama de difusão.

Chamas de difusão são aquelas em que o

combustível e o oxidante não estão inicialmente

misturados.

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EXPLOSÃO

A situação mais perigosa acontecerá se uma

nuvem de grandes proporções entre o combustível

e o ar estiver dentro dos limites de

inflamabilidade e a ignição ocorrer.

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EXPLOSÃO

A magnitude da pressão gerada pela onda de

combustão dependerá de quão rápido a chama se

propaga e como a pressão pode se expandir para

longe da nuvem, o que depende do confinamento

da mistura.

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EXPLOSÃO

As consequências de uma explosão de gás variam

entre pouco ou nenhum dano até a destruição

total. Incêndios são eventos comuns após uma

explosão de uma nuvem de gás.

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EXPLOSÃO

Quando uma nuvem inflamável é ignitada, a

chama pode se propagar de dois modos

diferentes: deflagração e detonação (Glassman,

1996; Bjerketvedt et al., 1992).

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DEFLAGLAÇÃO

A deflagração é o modo mais comum de

propagação de uma chama em explosões

acidentais.

É definida como uma explosão onde a onda de

combustão se propaga em velocidades subsônicas

em relação ao gás não queimado imediatamente à

frente da chama, o qual estará em movimento por

ação dos produtos de combustão em expansão.

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DEFLAGRAÇÃO

Em deflagração, a velocidade de chama varia de

alguns metros por segundo até 500 a 1000 m/s em

relação a um observador parado. A pressão de

explosão varia de alguns mbar até diversos bar.

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DEFLAGRAÇÃO

A velocidade de chama e a pressão de explosão

dependem fortemente das características da

nuvem inflamável e das condições geométricas do

local que podem conferir à nuvem um grau de

confinamento.

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DEFLAGRAÇÃO

Quando a nuvem é ignitada por uma fonte de

ignição fraca (uma faísca ou uma superfície

quente, por exemplo), a chama inicia-se como

uma chama laminar para a qual o mecanismo

básico de propagação é difusão molecular de calor

e massa.

Este processo de difusão de calor e massa para a

mistura não queimada é relativamente lento e a

chama laminar propagar-se-á com uma

velocidade da ordem de 3 a 4 m/s.

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DEFLAGRAÇÃO

Na maior parte das explosões acidentais, a

chama laminar é acelerada para uma deflagração

turbulenta.

A turbulência é causada pela interação entre o

campo de escoamento com estruturas confinadas

tais como equipamentos e paredes internas.

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DEFLAGRAÇÃO

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DETONAÇÃO

A detonação é a forma mais devastadora de

explosão de gás.

Diferente da deflagração, a detonação não requer

confinamento para se propagar em alta

velocidade.

Particularmente em uma situação não confinada,

o comportamento de uma detonação é bastante

diferente de uma deflagração.

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DETONAÇÃO

A detonação é definida como uma onda de

combustão supersônica.

Assim, a detonação se propaga na mistura

inflamável em uma velocidade superior à do som

em relação à própria mistura, que não é

perturbada pela onda.

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DETONAÇÃO

Em misturas combustível-ar na pressão

atmosférica, as velocidades de detonação variam

tipicamente entre 1500 e 2000 m/s e os picos de

pressão atingem de 15 a 20 bar.

A transição para a detonação e a propagação de

ondas de detonação dependem fortemente da

reatividade da nuvem inflamável.

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DETONAÇÃO

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DEFLAGRAÇÃO X DETONAÇÃO

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REFERÊNCIAS

Andrade Jr.. J. A. Carvalho, McQuay, M. Q. Primcípios de

Combustão Aplicada – UFSC - 2007

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