UNIVERSIDADE ZAMBEZE · 2013. 4. 18. · 1,5 6,5 3,76 4 5 0,5 6,5 ... se a equação do estado de gás ideal em termos da constante de gás universal como se segue: m PV mRT RMT M

Fundamentos de Combustão Aula 2-Prática

Prof. Jorge Nhambiu

UNIVERSIDADE ZAMBEZE

Aula 2. Tópicos

Termodinâmica da combustão:

Revisão dos conceitos da primeira lei;

Propriedades das misturas;

Estequiometria da combustão;

Energia química;

Cálculos da combustão com a primeira lei;

Análise da segunda lei.

Prof. Jorge Nhambiu 2

Combustão (Prática)


O processo de combustão básico pode ser descrito pelo combustível (o hidrocarboneto) acrescido do oxidante (ar ou oxigénio) chamados reagentes, que são submetidas a um processo químico enquanto libertam calor para formar os produtos de combustão atendendo a conservação de massa. No processo mais simples de combustão, conhecida como a combustão estequiométrica, todo o carbono no combustível forma dióxido de carbono (CO2 ) e todo o hidrogénio forma a água (H2O) nos produtos, assim pode-se escrever a reacção química que se segue:





Note-se que esta reacção produz cinco incógnitas: z, a, b, c, d, portanto, tem-se cinco equações por resolver. A combustão estequiométrica presume que não existe excesso de oxigénio nos produtos, assim d = 0. Obtêm-se as outras quatro equações de equilíbrio do número de átomos de cada elemento nos reagentes (carbono, hidrogénio, oxigénio e azoto) com o número de átomos desses elementos nos produtos. Isso significa que nenhum átomo é destruídos ou perdidos em uma reacção de combustão.



Elemento Quantidade de

reagentes =

Quantidade de

produtos

Equação

reduzida

Carbono (C) x a a = x Hidrogénio

(H) y 2b b = y/2

Oxigénio (O) 2z 2a + b z = a + b/2 Nitrogénio

(N) 2 (3,76) z 2c c = 3,76z



Note-se que a água formada pode estar na fase de

vapor ou de líquido, dependendo da temperatura

e da pressão dos produtos da combustão.

Como exemplo, considere a combustão

estequiométrica do metano (CH4 ), com ar

atmosférico. Igualando os coeficientes molares

dos reagentes e produtos que obtemos:



4 2 2 2 2 22 3,76 2 7,52CH O N CO H O N

Ar e Ar teórico Relação Ar-

Combustível


A quantidade mínima de ar que permita a combustão completa do combustível é chamada de Ar Teórico (também referido como ar estequiométrico ). Neste caso, os produtos não contêm qualquer quantidade de oxigénio. Se fornecer-se menos do que o ar teórico, os produtos de combustão podem incluir monóxido de carbono (CO), pelo que é prática normal fornecer mais do que o ar teórico para evitar esta ocorrência. Este excesso de ar resultará em oxigénio excedente aparecendo nos produtos de combustão.

Ar e Ar teórico Relação Ar-

Combustível


A medida padrão da quantidade de ar utilizada num processo de

combustão é a relação ar-combustível (RAC), definida como se

segue:

ar

comb

mRAC

m

Assim, considerando apenas os reagentes da combustão do metano

com ar teórico apresentado acima, obtém-se:

4 2 22 3,76

2 4,76 29

17,3

1 12 4

ar ar

comb comb

CH O N Reagentes

kgkmol

kmolm kgRAC

kgm kgkmolkmol

Problema 2.1


Neste problema desejamos desenvolver a equação

de combustão e determinar a relação ar-

combustível para a combustão completa do n-

butano (C4H10 ) com ar

a) teórico, e

b) 50% de excesso de ar.

Problema 2.1 (Resolução I)


a) Ar teórico

4 10 2 2 2 2 23,76 3,76C H z O N a CO b H O z N

Os coeficientes da equação são: a=4, b=5, z = (4+5/2)=6,5 então:

4 10 2 2 2 2 26,5 3,76 4 5 3,76 6,5C H O N CO H O N

6,5 4,76 29

15,5

1 4 12 10

ar ars

comb comb

kgkmol

kmolm kgRAC

kgm kgkmolkmol

Problema 2.1 (Resolução II)


b) 50% de excesso de ar 150% de Ar teórico

4 10 2 2 2 2 2

2

1,5 6,5 3,76 4 5 0,5 6,5

1,5 3,76 6,5

C H O N CO H O O

N

50%

9,75 4,76 29

23,2

1 4 12 10

ar arex

comb comb

kgkmol

kmolm kgRAC

kgm kgkmolkmol

4 10 2 2 2 2 2 29,75 3,76 4 5 3,25 36,7C H O N CO H O O N

Análise dos produtos de combustão


A combustão sempre ocorre a temperaturas

elevadas, e assume-se que todos os produtos de

combustão (incluindo o vapor de água) se

comportam como gases ideais. Uma vez que têm

constantes de gás diferentes, é conveniente usar-

se a equação do estado de gás ideal em termos da

constante de gás universal como se segue:

mPV mRT RMT

M



Na análise dos produtos de combustão, há uma série de itens de interesse:

1) Qual é a percentagem de volume de produtos específicos, em especial o dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO)?

2) Qual é o ponto de condensação do vapor de água nos produtos de combustão? Isto requer a avaliação da pressão parcial do componente de vapor de água dos produtos.

3) Existem métodos experimentais de análise volumétrica dos produtos da combustão, normalmente feito numa base seca , obtendo-se a percentagem de volume de todos os componentes, excepto do vapor de água. Isto permite um método simples de se determinar a relação ar-combustível real e o excesso de ar utilizado no processo de combustão.

No caso de gases ideais, sabe-se que a fracção de yi moles do i-ésimo componente de uma mistura de gases a uma pressão P e T é igual à fracção do volume desse componente.

A partir da relação molar do gás ideal: PV = NRu∙T, tem-se:



Além disso, uma vez que a soma da componente

volumes V i deve ser igual ao volume total V, tem-se:

i i u ii

u

N PV R T Vy

N PV R T V

1

1n

i

i

y



Usando uma abordagem semelhante determina-se a pressão parcial de um componente usando a Lei de Dalton das pressões parciais:

1 2 3P P P P

i ui

N R TP

V

Onde Pi é a pressão parcial do i-ésimo componente assumindo que ele ocupa sozinho o volume V

Daí:

i i u ii

u

P N R T V Ny

P N R T V N

Problema 2.2


Propano (C3H8) é queimado com 61% de excesso

de ar, que entra numa câmara de combustão, a 25°

C. Assumindo que a combustão é completa e a uma

pressão total de 1 atm (101,32 kPa), determinar

a) A relação ar-combustível [kgar/kgcomb],

b) A percentagem de dióxido de carbono em volume

nos produtos, e

c) A temperatura (ponto) de condensação dos

produtos.



3 8 2 2 2 2 2

2

1,61 3,76 3 4 0,61

1,61 3,76

C H z O N CO H O z O

z N

O coeficiente z = (3+2)=5 então:

3 8 2 2 2 2 2 28,05 3,76 3 4 3,05 30,72C H O N CO H O O N



61%

8,05 4,76 29

) 25,3

1 3 12 8

ar arexcess

comb comb

kgkmol

kmolm kga RAC

kgm kgkmolkmol

2

2 2

2

) 3 3 4 3,05 30,27 40,32

30,074 % 7,4%

40,32

CO total

CO CO

total total

b N N

V NCO

V N

2

2 2

2

@10

) 4 3 4 3,05 30,27 40,32

4 40,099 101,32 10,5

40,32 40,32

45,8º

H O total

H O H O

H O

total

ponto de orvalho sat kPa

c N N

P NP kPa kPa

P N

T T C

Problema 2.3


Etano (C2H6) é queimado com o ar atmosférico, e a

análise volumétrica dos produtos secos de

combustão produz o seguinte: 10% de CO2 , 1% de

CO, 3% de O 2 e 86 % N 2 . Desenvolver a equação

de combustão, e determinar

a) A percentagem de excesso de ar,

b) A relação de ar-combustível, e

c) A pressão (ponto) de condensação dos produtos de

combustão.



2 6 2 2 2 2 2 23,76 10 3 86aC H b O N CO CO O N c H O

2 6 2 2 2 2 2 25,5 22,87 3,76 10 3 16,5 86C H O N CO CO O H O N

2

86: 22,87

3,76

: 2 10 1 5,5

: 6 2 3 16,5

:

calculando os coeficientes para cada componente

Nitrogénio N b

Carbono C a a

Hidrogénio H a c c a

daí



2 6 2 2 2 2 2 2

1

4,16 3,76 1,82 0,18 0,55 3 15,64

Simplificando por kmol de combustível

C H O N CO CO O H O N

2 6 2 2 2 2 2

2 6 2 2 2 2 2

) determinando a percentagem de ar

: 3,76 2 3 3,76

3, 2 3,5 , :

2

3,5 3,76 2 3 13,16

4,16% 1,19 119%

3,5

a

Teórico C H z O N CO H O z N

calculando os coeficentes z balanço de oxigénio daí

C H O N CO H O N

teórica de ar

daí o

19%excesso de de ar

Problema 2.3 (Resolução III)


4,16 4,76 29

) 19,1

1 2 12 6

ar ar

comb comb

kgkmol

kmolm kgb RAC

kgm kgkmolkmol

2

2 2

2

@14

) 3 1,82 0,18 0,55 3 15,64 21,19

3 3101,32 14

21,19 21,19

53º

H O total

H O H O

H O

total

ponto de orvalho sat kPa

c N N

P NP kPa kPa

P N

T T C

Análise da Combustão Primeira Lei


A finalidade principal de combustão é a produção de calor através de uma variação de entalpia dos reagentes para os produtos. A partir da equação Primeira Lei em um volume de controle, ignorando as variações de energia cinética e potencial e assumindo que não há trabalho feito, tem-se:



onde as somas são tomadas sobre os produtos (p)

e os reagentes (r). N refere-se ao número de

moles de cada componente e h [kJ / kmol]

refere-se a entalpia molar de cada componente.



Uma vez que há um certo número de diferentes substâncias envolvidas é necessário estabelecer um estado de referência comum para avaliar a entalpia, a escolha comum é de 25 °C e 1 atm, que é normalmente indicado com um o sobrescrito. Prof S. Bhattacharjee da San Diego State University desenvolveu um sistema especial baseado em web em < www.thermofluids.net > chamado TESTE ( Tele Expert Sistema de Termodinâmica), em que ele incluiu um conjunto de propriedade do gás ideal todas as tabelas com base na entalpia ho = 0, nesta referência comum.

http://www.thermofluids.net/

Análise da Combustão pela Primeira

Lei


Como um exemplo, considere-se novamente a combustão completa de metano (CH 4 ) com o ar teórico:

Note-se que nos reagentes e nos produtos do exemplo acima, temos

elementos básicos O2 e N2, bem como os compostos CH4 , CO2 e H2O.

Quando o composto é formado, em seguida, a variação de entalpia é

chamado a entalpia de formação, denotada h fo , e para o nosso

exemplo:


Lei


Substância Fórmula HFO [kJ/kmol]

Bióxido de carbono CO2 (g) -393.520

Water Vapor H2O (g) -241.820

Água H2O (l) -285.820

Metano CH4 (g) -74.850

O sinal negativo significa que o processo é exotérmico, ou seja, o calor

é libertado quando o composto é formado. Note-se que a entalpia de

formação de elementos básicos de O2 e N2 é zero.

Considere-se em primeiro lugar o caso em que não existe transferência

de calor e que ambos os reagentes e produtos estão a 25 °C e à pressão

de 1 atm, e que o produto água é líquida. Como não há variação de

entalpia sensível a equação da energia torna-se:

em que (g) refere-se ao gás e (l) refere-se a líquidos.


Lei


4

1 393520 2 258820 1 74850

860310

:

89031055644

12 4

o o

cv p f r fp r

p r

cvcomb

cvcv

combCH

Q N h N h

kJQkmol

em unidades de massa

Q kJqkgM


Lei


Este calor (QCV) é chamado entalpia de combustão ou Poder Calorífico do combustível. Se os produtos contiverem água no estado líquido, então é Poder Calorífico Superior (como em nosso exemplo), no entanto, se o produto contém nos estado de vapor de água, então é o Poder Calorífico Inferior do combustível. A entalpia de combustão é a maior quantidade de calor que pode ser libertado por um determinado combustível.

Temperatura Adiabática da Chama


O extremo oposto do exemplo acima em que se

avaliou a entalpia de combustão é o caso de um

processo adiabático, em que nenhum calor é

liberto. Isso resulta num aumento de temperatura

significativo nos produtos de combustão (indicado

como temperatura adiabática de chama),

que só pode ser reduzida através do aumento da

relação ar-combustível.

Problema 2.4


Determinar a temperatura adiabática de chama

para a combustão completa de Metano (CH4),

com 250% de ar teórico num volume de controle

adiabático.



0

0

o o

cv p f r fp r

p r

o o

p f r fp r

p r

Q N h N h

N h h T N h h T

Onde h(T) é a entalpia sensível como função da temperatura, daí desde que seja assumido que os reagente se encontram a 25ºC:



2 2 2 2 4

1 393520 2 241820 3 18,8 1 74850h T h T h T h T

CO H O O N CH

2 2 2 2

:

2 3 18,8 802310CO H O O N

comb

Simplificando

kJh T h T h T h Tkmol

Esta equação só pode ser resolvida por um procedimento iterativo de tentativa e erro utilizando tabelas de temperatura vs Calor Sensível para todos os quatro componentes dos produtos - CO2 , H2O, O2 e N 2 .

Problema 2.4 (Resolução III)


Uma aproximação rápida à temperatura adiabática de chama pode ser obtida, assumindo que os produtos são compostos inteiramente de ar. Esta abordagem foi apresentada Potter e Somerton em seu Esboço da Schaum de Termodinâmica para Engenheiros, em que assumiu todos os produtos serem N2. Achou-se mais conveniente usar o ar assumindo um valor representativo de calor específico do Ar : Cp,1000K=1,142 [kJ/kg·K].

Assim, somando todos os moles dos produtos tem-se:

http://www.me.mtu.edu/academy/Academy_web/potter.htm

Problema 2.4 (Resolução IV)


,1000

,1000

1 2 3 18.8 24,8

24,8 24,8 298 802310

:

29

1,142

1275 assumindo que todos os produtos são

total produtos

o

ar p K adiabática combar

ar

p K

N kmol

h T h M c T K kJ kmol

Onde

M kJ kmol

c kJ kgK

resolvendo a equação obtêm se K

ar

Utilizando as tabelas de Temperatura vs Calor Sensível avaliou-se

a entalpia de todos os quatro produtos a uma mesma temperatura de

1280K, o que resultou num total de entalpia de 802410[kJ/kmolcomb],

que é muito próximo ao valor utilizado, justificando esta abordagem.

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