Combustão, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Combustão

Reação química rápida entre um oxidante (oxigênio) e um combustível

Processo de combustão:

Neste processo a energia química armazenada no combustível é transformada

em energia térmica contida nos gases da combustão (gases em altas temperaturas).

Outras formas de energia em pequenas quantidades são também liberadas durante a

combustão;

¾ Energia eletromagnética: luz

¾ Energia elétrica: íons e elétrons livres

¾ Energia mecânica: barulho

A composição química de combustíveis convencionais é basicamente formada por

carbono e hidrogênio, e outros componentes como enxofre, nitrogênio, monóxido de

carbono, oxigênio, etc.

Composição elementar do bagaço de cana (% de massa): diversos autores.

elemento [1] [2] [3] [4] [5] [6] média Carbono 47,0 46,5 44,0 47,0 47,5 47,9 46, Hidrogênio 6,5 6,5 6,0 6,05 6,1 6,7 6, Oxigênio 45,0 46,0 48,0 44,0 44,4 45,4 45, Cinzas 1,5 1,0 2,0 2,5 2,0 --- 1, Fonte: Combustíveis e combustão industrial, R. Garcia, Ed. Interciência

Lenha seca: composição em massa (%)

Composição Cedro Cipreste Pinho Carvalho Eucalipto Carbono 48,8 54,98 52,55 49,49 49, Hidrogênio 6,37 6,54 6,08 6,62 42, Oxigênio 44,46 38,08 41,25 43,74 5, Enxofre ----- ----- ----- ----- 1, Nitrogênio ----- ----- ----- ----- 0, Cinzas 0,37 0,40 0,12 0,15 0, Fonte: Combustíveis e combustão industrial, R. Garcia, Ed. Interciência

Gás Pobre (obtido por gaseificação):

Composição volumétrica dos gases secos (%)

Gás de carvão vegetal (a) Gás de madeira (b)

Dióxido de Carbono (CO 2 ) 7,9 8, Oxigênio (O 2 ) 0,3 0, Monóxido de Carbono (CO) 29,7 28, Metano (CH 4 ) 0,5 0, Hidrogênio (H 2 ) 13,8 13, Nitrogênio (N 2 ) 47,8 48, PCS [kJ/kg] 5690 5610 PCI [kJ/kg] 5400 5320 (a) Valores médios obtidos em ensaios realizados em gaseificador instalado no IPT. O gaseificador é do tipo leito fixo descendente com fluxo em contracorrente, tendo ar e vapor d’água como agente gaseificantes.

(b) Valores médios obtidos em ensaios realizados pelo IPT, em gaseificador instalado em indústria particular. O gaseificador é do tipo leito fixo descendente, com fluxos em contracorrentes, tendo ar e vapor d’água como agentes gaseificantes. Fonte: Apostila: Máquinas Térmicas I, Princípios da Combustão, Luiz Carlos Martinelli Jr. -Unijui

Combustão Incompleta

A combustão incompleta ocorre quando o elemento combustível não é

completamente oxidado no processo de combustão. Quando isto ocorre verifica-se a

presença de monóxido de carbono nos produtos da combustão. Combustão

incompleta usa o combustível de forma ineficiente, pode ser perigoso por causa da

produção de monóxido de carbono e contribui para a poluição ambiental.

As condições que favorecem combustão incompleta são;

¾ Insuficiente mistura ar-combustível (causando localmente zonas de misturas

ricas e misturas pobres)

¾ Fornecimento insuficiente de ar à chama (fornecimento de menor quantidade

de oxigênio do que requerido).

¾ Tempo insuficiente de permanência dos reactantes na chama (impedindo

completar a reação de combustão)

¾ Chama entrando em contato com uma superfície fria (extinção da reação de

combustão)

¾ Temperatura de chama muito baixa (reação de combustão lenta)

Reação de combustão

A reação de oxigênio com o combustível ocorre de acordo com princípios

físicos básicos;

Conservação da massa: a massa de cada elemento nos produtos da combustão deve

ser igual à massa dos elementos antes da reação.

Lei da combinação de massas: componentes químicos são formados por combinação

de elementos em relacionamento estável de massas.

Conservação de energia: um balanço de energia permite conhecer a energia liberada

pela reação.

Oxidante

O oxigênio para a reação de combustão é obtido normalmente do ar. O Ar é

basicamente uma mistura de oxigênio, nitrogênio, pequenas quantidades de vapor de

água, dióxido de carbono e outros gases inertes (argônio, etc). Para efeitos práticos de

analise de uma reação de combustão é adotado que o ar seco possui a seguinte

composição

Composição do ar atmosférico

Volume [%] Massa [%] Oxigênio 20,95 23, Nitrogênio e outros gases inertes 79,05 76,

Para efeito de cálculo considera-se que o nitrogênio é inerte durante a combustão

embora se saiba que pequenas quantidades de oxido de nitrogênio podem ser

formados.

N 2 +O 2 → 2 NO

Limites de inflamabilidade (limite de explosividade)

A combustão auto-sustentada só é possível quando a porcentagem em volume de

combustível e ar na mistura, em condições de temperatura e pressão padrão, está

dentro de certos limites;

¾ Limite inferior de inflamabilidade: mínima concentração de gás ou de vapor

combustível em ar ou oxigênio.

¾ Limite superior de inflamabilidade: máxima concentração de gás ou de

vapor combustível em ar ou oxigênio.

¾ A combustão não ocorrerá se a mistura ar-combustível estiver muito pobre,

abaixo do limite inferior de inflamabilidade, ou muito rica, acima do limite

superior.

¾ De um modo geral, os limites de inflamabilidade são determinados a 20 oC e

100 kPa.

Limites de Inflamabilidade (concentração de gás em ar ou oxigênio) Em ar Em oxigênio Inferior (%) Superior (%) Inferior (%) Superior (%) Metano 5,0 15,0 5,0 60, Etano 3,0 12,4 3,0 66, Eteno (etileno) 2,7 36,0 2,9 80, Propano 2,8 9,5 2,3 45, Butano 1,8 8,4 1,8 40, Propeno (propileno) 2,0 11,1 2,1 52, Monóxido de carbono 12,0 75,0 ------ ----- Hidrogênio 4,0 75,0 4,0 94, Acetileno 2,2 80 / 85 2,8 93, Gás natural 3,1 19,6 ----- -----

Efeito da pressão e temperatura da mistura:

¾ O aumento da temperatura da mistura ar-combustível amplia os limites de

inflamabilidade; o limite inferior decresce e o limite superior aumenta.

¾ Quando a temperatura é aumenta em níveis altos, é atingida a temperatura de

auto-ignição, ocorrendo a combustão espontânea.

A temperatura de ignição é um importante parâmetro de medida da tendência de um

objeto quente provocar a ignição de uma mistura e, portanto, base técnica para

considerações de segurança.

A temperatura de ignição de muitas substâncias combustíveis se reduz com o

aumento da pressão, o que representa um importante fator para a operação dos

motores alternativos e turbinas a gás;

Temperatura de Ignição de Vários Gases em Ar e em Oxigênio

Temperatura de Ignição do Metano para Várias Concentrações da Mistura Ar-Gás e

concentração de Oxigênio do Ar

Temperatura de Ignição com Relação à Proporção de Etano no Gás Natural^1

Temperatura de Ignição com Relação à Proporção do Gás Combustível na Mistura Ar

Gás

* Gás Natural - 88,7% de Metano, 7,4% de Etano, 1,4% de Propano e 1% de Butano

Cálculo de reações de combustão

¾ A determinação da quantidade de oxigênio (ar) necessário para a combustão e

a quantidade de gases de escape são dados importantes e freqüentemente

necessários para dimensionamento de sistemas de combustão e cálculo da

eficiência.

¾ Outras informações como excesso de ar, CO 2 teórico (máximo) também são

informações importantes para estimar a eficiência dos sistemas de combustão

(queimadores, câmaras de combustão, etc.)

¾ Freqüentemente os cálculos de combustão são simplificados usando a massa

molecular [kg/kmol]; [g/g mol]; [lbm/lbm mol].

¾ A massa relativa molecular de um composto é igual à soma das massas

atômicas dos elementos do composto.

Substância Massa molecular [kg/kmol]

Nitrogênio (N 2) 28,

Carbono (C) 12,

Hidrogênio (H2) 2,

Oxigênio (O 2) 32,

Enxofre (S) 32,

Monóxido de carbono (CO) 28,

Dioxido de carbono (CO2) 44,

Metano (CH4) 16,

Vapor de água (H2O) 18,

Definição: A relação de massa de um componente i de uma mistura é a razão em kg

de massa do componente e a massa total da mistura

total

i i

m

m

Equação química da combustão

O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes de um

combustível e pode ser representado por uma equação química. Esta equação química

deve satisfazer a lei de conservação de massa, e portanto a massa de cada elemento

deve permanecer constante durante a reação.

Os três principais elementos presentes na composição de um combustível são: o

carbono (C); o Hidrogênio (H2) e o enxofre (S).

As equações de reação para cada um destes elementos considerando queima

completa, pode ser escrita como segue:

C + O 2 →CO 2 O H O

H 2 + 2 → 2 S +O 2 →SO 2

para cada uma dessas reações, que representa a oxidação completa do elemento,

podemos calcular o oxigênio necessário para isso.

C + O 2 → CO 2 Massa de oxigênio

12 kg de

Carbono

32 kg de

Oxigênio

44 kg de dióxido de

carbono

C 2 , 667 C

m O 2 (C)= =

Identicamente;

H 2 + 1/2 O 2 → H2O Massa de oxigênio

2 kg de

Hidrogênio

16 kg de

Oxigênio

18 kg de vapor de

água

H 8 H

m O 2 (H 2 )= =

S + O 2 → SO 2 Massa de oxigênio

32 kg de

Enxofre

32 kg de

Oxigênio

64 kg de dióxido de

Enxofre

S 1 , 0 S

m O 2 (S)= =

A massa total de oxigênio necessário admitindo que o combustível possua certa

quantidade de oxigênio na sua composição;

S

O

H

C

S O 32

H

C

m O 2

Da composição de Oxigênio no ar: 23,15% em massa ⇒ ar mO 2

m =

S

O

H

C

m ar 138 , 23

A quantidade de ar em volume; (Densidade do ar:

ρ = 1 , 29 kg m^3

S

O

H

C

ar^106 ,^9

A quantidade em massa dos produtos da combustão pode ser obtida de maneira

semelhante;

C + O 2 → CO 2 Massa de CO 2

12 kg de

Carbono

32 kg de

Oxigênio

44 kg de dióxido de

carbono

C 3 , 67 C

m CO 2 (C)= =

H 2 + 1/2 O 2 → H2O Massa de vapor de água

2 kg de

Hidrogênio

16 kg de

Oxigênio

18 kg de vapor de

água

H 9 H

m H 2 O (H 2 )= =

S + O 2 → SO 2 Massa de SO 2

32 kg de

Enxofre

32 kg de

Oxigênio

64 kg de dióxido de

Enxofre

S 2 S

m SO 2 (S)= =

Massa total de gases: m 3 , 67 C 9 H 2 S

g =^ + + kgdecombustível

kgdegás

C(teor de carbono); H(teor de Hidrogênio) e S(teor de

enxofre) em kg/kg combustível.

Massa dos produtos para combustão com ar:

Se o processo de combustão for realizado com ar haverá presença de nitrogênio nos

produtos da combustão:

¾ Admitindo que o nitrogênio se comporte como um gás inerte

¾ Para uma composição em massa de ar de 23,15% de oxigênio e 76,85% de

nitrogênio.

A massa de nitrogênio nos produtos da combustão será m^ N 2 =^0 ,^769 mar

A massa de gás, acrescido o nitrogênio será, m g = 3 , 76 C+ 9 H+ 2 S+ 0 , 769 mar

ou

S

O

H

C

m g 3 , 67 C 9 H 2 S 0 , 769138 , 23

Simplificando;

m g = 12 , 52 C+ 35 , 58 H+ 5 , 32 S− 3 , 32 O

kgdecombustível

kgdegás

Se for incluído a presença de outros gases inertes eventualmente presentes na

composição do combustível (por exemplo o nitrogênio), a umidade contida no

combustível ( w^ →^ umidadeabsoluta) e a umidade contida no ar de combustão

( φ^ →umidaderelativa);

m g = 12 , 52 C+ 35 , 58 H+ 5 , 32 S− 3 , 32 O+N+w+mar φ

kgdecombustível

kgdegás

Para um Hidrocarboneto genérico CmHn :

C (^) mH (^) n + m+(n/4) O (^2) → m CO 2 + n/2 H 2 O 1 Nm 3 m+(n/4) Nm 3 m Nm 3 n/2 Nm 3

volume de oxigênio Volume de CO 2 Volume de H 2 O

O 4 )CmHn

n V 2 = (m+ CO^ m n V 2 = mC H H O 2 CmHn

n V 2 =

O volume total de oxigênio necessário para uma combustão estequiométrica de um

gás constituído basicamente por CO, H 2 , e hidrocarbonetos do tipo CmHn, pode ser

escrita como segue;

 +^ L

∀ O = + 2 + 4 + 2 4 + 3 8 + + CmHn

n

2 0 ,^5 CO^0 ,^5 H^2 CH^3 C H^5 C H m ;^

Nm comb.

Nm O 3

2

3

ou

( ) (^) ∑ 

i

m n

i

O 2 2 i C iH i

n

0 , 5 CO H m ,

Nm comb.

Nm O 3

2

3

Similarmente, o volume total dos gases da combustão será;

HO vapordeágua formado

2 m n

n 2 4 2 4 3 8 CO dioxidodecarbonoformado

g 4 2 4 3 8 m n (^22)

∀ = 1 CO + 1 CH + 2 C H + 3 C H +mC H + 1 H + 2 CH + 2 C H + 4 C H + C H

ou

HO vapordeáguaformado

i

2 m n

n 2

CO dioxidodecarbonoformado

i

g i m n

2

i i

i

2

∀ = 1 CO +∑ mC i H i + 1 H +∑ C H Nm comb.

Nm gases 3

3

Se a reação for realizada com ar (20,95% de O 2 e 79,05% de N 2 ); ∀ar = 20100 , 95 ∀O 2

( ) (^) ∑ 

i

m n

i

ar 2 i C i H i

n

2 , 39 CO H 4 , 77 m ,

Nm comb.

Nm ar 3

3

Incluindo nos gases a parcela de nitrogênio contido no ar e que será igual a 0 , 79 ∀ar ;

doar

nitrogênio

ar

HO vapordeáguaformado

i

2 m n

n 2

CO dioxidodecarbonoformado

i

g 1 CO miCmHn^1 H C H^0 ,^79

2

i i

i

2

∀ = +∑ (^) i i + +∑ + ∀ Nm comb.

Nm ar 3

3

incluindo a presença de outros gases inertes que eventualmente possam fazer parte da

composição do combustível ou do ar de combustão (teor de CO 2 , teor de umidade no

combustível – H 2 O, teor de nitrogênio no combustível, etc).

L

∀ = +∑ + +∑ + ∀ + + + 2 +

nocomb.

nitrog.

2

deágua

vapor

ar 2

vapordeáguaformado

i

2 m n

n 2

CO (dioxidodecarbonoformado)

i

g 1 CO^ miCmHn^1 H C iH i^0 ,^79 H O N CO

i

2

i i

Relações simplificadas para determinar a quantidade de ar necessário e

quantidade de gases dos produtos da combustão:

Valores aproximados para a quantidade de ar de combustão e quantidade de gases nos

produtos da combustão podem ser obtidos a partir de relações empíricas ou equações

deduzidas para determinados tipos de combustíveis como foi realizado acima.

Este procedimento pode ser justificado se a composição do combustível for

desconhecida ou simplesmente queremos conhecer estes valores de forma

aproximada e rápida sem necessidade de realizar o equacionamento químico para a

reação de combustão

Combustíveis sólidos e líquidos:

Formulas práticas de Rosin e Fehling são baseadas no poder calorífico inferior do

combustível; Poder calorífico dado em (kcal/kg)

Combustíveis sólidos:

kgdecomb.

Nm dear ar

3

1 , 01 PCI

V = + kgdecomb.

Nm degás gu

3

0 , 89 PCI

V = +

Combustíveis líquidos:

kgdecomb.

Nm dear ar

3

0 , 85 PCI

V = + kgdecomb.

Nm degás gu

3

1 , 11 PCI

V =

Combustíveis gasosos:

( ) Nm decomb.

Nm dear ar 2 4 2 2 2 4 6 6 2 3

3

V = 2 , 38 CO+H + 9 , 52 CH + 11 , 89 C H + 14 , 28 C H + 3 , 57 C H − 4 , 76 O

Formulas práticas de Rosin e Fehling em função do poder calorífico inferior do

combustível (kcal/Nm

3

PCI > 3000 kcal/Nm^3

Nm decomb.

Nm dear ar (^3)

3

1 , 09 PCI

V = −

Nm decomb.

Nm degás gu (^3)

3

1 , 14 PCI

V = +

PCI < 3000 kcal/Nm

3

Nm decomb.

Nm dear ar 3

3

0 , 895 PCI

V =

Nm decomb.

Nm degás gu 3

3

0 , 725 PCI

V = +

Exemplo: Análise com os produtos da combustão

Considere que após a queima de metano com ar, uma análise molar em base seca dos

produtos de combustão fornece as seguintes informações;

9,7% CO 2 ; 0,5% CO; 2,95% O 2 ; 68,85% N 2.

Determinar:

(a) a relação ar combustível; (b) o coeficiente de excesso de ar; (c) a temperatura de

orvalho para uma pressão dos gases igual a 1 atm.

Inicialmente vamos escrever a equação da combustão;

a CH 4 +b(O 2 + 3 , 76 N 2 )→ 9 , 7 CO 2 + 0 , 5 CO+ 2 , 95 O 2 + 86 , 85 N 2 +cH 2 O

Carbono: a = 9 , 7 + 0 , 5

Oxigênio: 2 b = 2 × 9 , 7 + 0 , 5 + 2 × 2 , 95 +c

Hidrogênio: 4 a = 2 c

Nitrogênio: 3 , 76 b= 86 , 85

a = 10 , 2 b = 23 , 1 c = 20 , 4

10 , 2 CH 4 + 23 , 1 (O 2 + 3 , 76 N 2 )→ 9 , 7 CO 2 + 0 , 5 CO+ 2 , 95 O 2 + 86 , 85 N 2 + 20 , 4 H 2 O

(a) Relação ar combustível (AC):

kmolde comb

kmoldear 10 , 78 10 , 2

AC (^) molar =

kgdecomb

kgdear 19 , 43 10 , 2 16

AC (^) massa = ×

+ ×

De uma análise estequiométrica da reação;

CH 4 + 2 ( O 2 + 3 , 76 N 2 ) → 1 CO 2 + 2 H 2 O+ 7 , 52 N 2

kmolde comb

kmoldear

AC molar = 9 , 52 ;

kgdecomb

kgdear AC (^) massa = 17 , 16

(b) Coeficiente de excesso de ar:

AC

AC

%ar teórico

= real^ = = ⇒ 13,2 de excesso de ar.

(c) Temperatura de orvalho:

molde gás

moldeH O 0 , 169 100 20 , 4

n

n (^2) HO gases

HO H O 2

2 ψ 2 = == + ⇒ψ =

P (^) v =PψH 2 O= 105 × 0 , 169 ⇒Pv= 16 , 9 kPa

da tabela de vapor saturado ⇒ Torvalho^ =^56 ,^4 oC.

Primeira lei da termodinâmica aplicada a reações de Combustão

Um balanço de energia num processo de combustão permite determinar a quantidade

de energia liberada pela reação de combustão

Aplicando a primeira lei da termodinâmica ao sistema formado pela câmara de

combustão e desprezando as variações de energia cinética e potencial,

U 2 −U 1 =Q 1 − 2 −W 1 − 2

Sabemos que o processo de combustão pode ser realizado a volume ou pressão

constante.

Processo a volume constante:

Admitindo que o volume permaneça constante durante a reação de combustão, não

realizando o sistema trabalho, então o calor produzido na reação ( Q v = −Q 1 − 2 ) será ;

Q (^) v =U 1 −U 2

Q v →calor de combustão ou reação a V e T constantes

U 1 → energia interna dos reagentes a V e T constantes

U 2 →energia interna dos produtos a V e T constantes

O calor de combustão a volume constante pode ser determinado numa bomba

calorimétrica.

Neste equipamento é realizado a combustão e medido o calor desprendido pelos

produtos da combustão para retornarem as condições iniciais.

A bomba calorimétrica é constituída

basicamente de três partes:

1) uma bomba, contendo o oxigênio e o

combustível e onde a reação é realizada.

2) um recipiente contendo uma

quantidade bem determinada de água e

onde são imersos a bomba, o termômetro

e um dispositivo agitador

3) uma camisa isolante que evita a perda

de energia para o meio ambiente

Quando a composição elementar do combustível é conhecida, o poder calorífico pode

ser determinado de modo aproximado pelas seguintes relações.

Combustíveis sólidos e líquidos: (sendo conhecida a composição gravimétrica)

2210 S 600 H O

O

PCI 8100 C 28700 H 2 2 + − 2

Esta relação fornece bons resultados

para combustíveis sólidos.

O erro é de 2%

PCI em kcal/kg comb.

PCI = 8100 C+ 30000 H 2 − 2600 (S +O 2 ) Vale para combustíveis líquidos

O erro é da ordem de 4%

PCI em kcal/kg comb.

d

PCS = 7278 + Usada para óleos combustíveis; o erro é de 2%

d é a densidade do combustível a 15

o

C

PCS em kcal/kg comb.

Combustíveis gasosos: (sendo conhecida a composição volumétrica)

PCS = 3050 CO+ 3070 H 2 + 9500 CH 4 + 13950 C 2 H 2 + 15000 C 2 H 4 PCS em kcal/Nm

3 comb

PCI = 3050 CO+ 2850 H 2 + 8530 CH 4 + 13500 C 2 H 2 + 14050 C 2 H 4 PCI em kcal/Nm

3 comb