PQI-2321 Tópicos de Química para

Engenharia Ambiental I

Combustão Aula 01

Prof. Moisés Teles

moises.teles@usp.br

Departamento de Engenharia Química

Escola Politécnica da USP

Motivação: combustão e Engenharia Ambiental

Geração de Energia (indústria, transportes, serviços etc)

Combustão de líquidos: gasolina, diesel, álcool, óleo BPF etc.

Combustão de Sólidos: carvão, madeira, resíduos agrícolas etc.

Combustão de Gases: gás natural, butano, propano etc.

Problemas ambientais associados a emissões: NOx, SOx, CO, CO2, particulados,

hidrocarbonetos não queimados (formaldeído, PAHs...)

Impactos na qualidade do ar, saúde humana e mudanças climáticas.

Incineração de Resíduos

Resíduos tóxicos/patogênicos (resíduos hospitalares, industriais etc).

Gases + cinzas + calor (eletricidade).

Formação de dioxinas.

Segurança

Incêndios, explosões industriais, controle e segurança para prevenção de detonações

explosivas.

Impactos ambientais associados ao processo de combustão

Emissão Fonte Efeito

CO2 Combustão completa de combustíveis Aquecimento global

CO

Combustão incompleta de

combustíveis

SMOG

SO2

Combustão do enxofre presente em

combustíveis

SMOG, chuva ácida

NOx Subproduto de vários processos de

combustão chuva ácida

VOC’s Vazamento e evaporação de

combustíveis líquidos SMOG

CH4 Vazamento de tanques de gaz,

tubulações em sistemas de transporte.

Aquecimento global

H2O

Combustão do hidrogênio presente

em combustíveis

Névoa localizada

Particulados

Carbono e hidrocarbonetos não

queimados/parcialmente queimados.

Cinzas e sujeiras em combustíveis.

SMOG

Elementos-traço Impurezas no combustível Cancerígenos

Compostos

halogenados

Compostos no combustível/gases

contendo cloro, fluor, bromo ou iodo. Cancerígenos

Fonte: Environmental impacts of combustion, Government of Canada.

http://www.nrcan.gc.ca/energy/publications/efficiency/industrial/cipec/6695

Motivação: combustão e Engenharia Ambiental

Controlar a Temperatura e Composição dos

produtos da combustão.

Controlar a taxa de produção de gases de

efeito estufa, como CO2, usando combustíveis

não fósseis.

Combustão de combustíveis fósseis, produção

de cimento e queima de gases.

- Grande parcela das emissões globais de

CO2.

2008:

http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/global.html

Motivação: combustão e Engenharia Ambiental

Emissão de gases do efeito estufa

Emissão de gases do efeito estufa

Um dos maiores problemas ambientais do

século está relacionado ao

processo de combustão.

Motivação: combustão e Engenharia Ambiental

Fonte: International Energy Agency. CO2 Emissions from Fuel Combustion.

2014 Edition.

Fonte: United States Environmental Protection Agency

Motivação: combustão e Engenharia Ambiental

Emissão de gases do efeito estufa

2013

Usinas termelétricas

Gases

Princípios básicos

Processo de Combustão

Forno,

fornalha,

reator de

combustão

Combustível

Ar

C, H, O, S

21 % mol O2

79 % mol N2

Gases

CO2, CO, O2, N2, SO2, H2O...

Calor

Resíduos

(cinzas)

Em base seca (quando

não se considera a água):

Análise de Orsat.

Ar seco (composição molar média):

N2...............................78,03 %

O2...............................20,99 %

Ar................................0,94 %

CO2............................0,03 %

H2, He, Ne, KR, Xe.....0,01 %

Simplificação:

79 % N2 + 21 % O2

3,76 mol N2/mol O2

33,3 % mol CO2 + 33,3 % mol N2 + 33,3 % H2O

50 % mol CO2 + 50 % mol N2

Utilidade: medições de composição (base seca), vazões (base úmida).

conversões

Princípios básicos

Base seca Vs base úmida

Massa molar média: 29 g/mol

Reações químicas

Combustão completa

C + O2 CO2

C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O

CS2 + 3 O2 CO2 + 2 SO2

Combustão parcial ou incompleta

C + 0.5 O2 CO

C3H8 + 7/2 O2 3 CO + 4 H2O

Altas temperaturas ( > 1800 °C): N2 do ar pode reagir para formar NO.

Fonte de O2: ar

Fonte de C: grande discussão ambiental

Ar teórico e Ar em Excesso

Oxigênio teórico

Quantidade estequiométrica necessária para combustão completa (todo C a CO2 e

todo H a H2O).

Ar teórico: quantidade de ar que contém o oxigênio teórico.

Ar em excesso: quantidade em que o ar alimentado ao reator excede o ar teórico.

(moles de ar teórico)

Ar em Excesso (%): (moles de ar fornecido) - (moles de ar teórico)

X 100 %

Por que utilizar ar (oxigênio) em excesso?

Ar teórico e Ar em Excesso

222224

424wSOOH

yxCOO

wzyxSOHC wzyx

Oxigênio teórico ou estequiométrico

Combustão completa

Para a combustão completa de 1 mol de metano:

- Quantos moles de oxigênio são necessários ?

- Qual a massa de ar necessária ? (ar: 1 mol de O2 + 3,76 mol de N2)

Razão de equivalência = relação combustível – ar real / relação combustível – ar

estequiométrico

Para razão < 1, os produtos da combustão para combustíveis sem enxofre são normalmente:

- CO2, H2O, N2, O2, pequenas quantidades de CO e hidrocarbonetos não queimados.

Controle de combustão em

caldeiras: ar primário, secundário,

terciário.

Ar teórico e Ar em Excesso

Quais os inconvenientes de se operar um processo de

combustão com uma razão ar/combustível muito baixa ou muito

alta?

Exercícios

Ex 1: Um processo de combustão é conduzido com 30 % de excesso de oxigênio.

Qual o excesso de ar utilizado?

Resp.: 30%

% de ar em excesso = 100 x ar em excesso = 100 x excesso de O2 / 0,21

ar requerido O2 requerido / 0,21

No cálculo do oxigênio em excesso, leva-se em conta a eventual presença de O2 no

combustível e combustão completa do mesmo.

Ex 2: Um gás contendo 80 % mol de etano e 20 % mol de O2 é queimado em um motor

com 200 % de excesso de ar. 80 % do etano se transformam em CO2, 10 % se

transformam em CO e 10 % não queimam. Qual a quantidade (mol) de oxigênio a ser

fornecida por 100 mol de gas?

Resp.: 780 mol

Resolvido em sala

Exercícios

Ex 3: Um determinado carvão possui a seguinte análise elementar: C: 71,2 %, H: 4,8 %, S:

4,3 %, O: 9,5 %, cinzas: 10,2 %.

Qual a quantidade (em mol) de ar teórico necessário para a combustão desse carvão?

Resp.: 33,19 mol

Ex 4: 100 mol/h de butano (C4H10) e 500 mol/h de ar são fornecidos a um reator de

combustão. Calcule a percentagem de ar em excesso.

Resp.: 61,6 %

Da lista de exercícios

Da lista de exercícios

Exercícios

Ex 5: Butano é queimado com ar. Não há formação de monóxido de carbono nos produtos da

combustão.

a) Através da análise dos graus de liberdade, mostre que se a percentagem de ar em excesso

e a percentagem de conversão do butano forem conhecidas, a composição dos gases de

combustão pode ser determinada.

b) Calcule a composição molar do produto gasoso de combustão se ar for fornecido em

quantidade teórica com 100 % de conversão do butano.

Resolvido em sala

FIM