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MQUINAS TRMICAS

AT-101

Universidade Federal do Paran

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade

[email protected]

COMBUSTO

COMBUSTO

INTRODUO:

Uma das formas mais empregadas para produo de calor na indstria a combusto,

Diversas mquinas trmicas so exemplos tpicos de equipamentos empregados na indstria que

demandam disponibilidade de calor para funcionarem,

Alm do uso industrial, devemos lembrar que os processos qumicos bsicos (metablicos) tambm so

importantes.

COMBUSTO

DEFINIO:

Combusto uma reao qumica de xido-reduo entre um combustvel e um comburente, sendo obtido

calor (energia) e sub-produtos.

Combustvel Comburente

Calor

Processo

COMBUSTO

DEFINIO:

COMBUSTO

CONDIES NECESSRIAS:

Para que o processo ocorra, necessrio um combustvel, ou seja, o material a ser queimado, um

comburente, geralmente o oxignio e uma "fasca",

para iniciar o processo, porem a combusto pode

ocorrer de forma espontnea dependendo das

condies dispensadas.

COMBUSTO

CARACTERSTICAS:

Como visto nas aulas passadas, os hidrocarbonetos so os combustveis mais utilizados em todos os

setores industriais, porem a quantidade de energia

desprendida na reao de combusto est intimamente

associada com a composio qumica do combustvel

e dos produtos finais de combusto.

COMBUSTO

REAO QUMICA:

A equao, em sntese, da reao entre uma hidrocarboneto ou combustveis tradicionais sempre a

seguinte: Terico

Combustvel + Oxignio Dixido de carbono + gua + Energia

Real

Combustvel + Ar Dixido de Carbono + gua + Nitrognio + Energia + Resduos

COMBUSTO

REAO QUMICA:

Por exemplo:

Terico

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + energia

Terico

C2H6 + 3,5O2 2CO2 + 3H2O + energia

COMBUSTO

TIPOS DE COMBUSTO:

Dependendo das quantidades proporcionais de combustvel e de oxignio (comburente) pode haver

combustes:

Teoricamente completas,

Praticamente completas,

Incompletas.

COMBUSTO

TIPOS DE COMBUSTO:

Teoricamente completa

A combusto denominada teoricamente completa quando se realiza com a quantidade estequiomtrica

de oxignio para oxidar completamente a matria

combustvel.

C8H18 + 12,5O2 8CO2 + 9H2O + Energia

COMBUSTO

TIPOS DE COMBUSTO:

Praticamente completa

A combusto ser praticamente completa quando se realiza com uma quantidade de oxignio, porem maior

do que a estequiometricamente necessria para oxidar

completamente a matria combustvel.

C8H18 + 15,5O2 8CO2 + 9H2O + 3O2 + Energia

COMBUSTO

TIPOS DE COMBUSTO:

Incompleta

A combusto denominada incompleta aquela que se realiza com insuficincia de oxignio, ou seja, com uma quantidade de oxignio inferior quantidade estequiomtrica para oxidar completamente a matria combustvel.

C8H18 + 8,5O2 8CO + 9H2O + Energia

C8H18 + 4,5O2 8C + 9H2O + Energia

COMBUSTO

TIPOS DE COMBUSTO:

COMBUSTO

CLCULO DA PROPORO TERICA DE AR/COMBUSTVEL

Na combusto o objetivo obter o mximo possvel de calor. No basta porm que o rendimento calorfico atenda s necessidades requeridas, preciso que isto seja feito de forma econmica. A fim de maximizar-se o rendimento da combusto, deve-se obter o melhor aproveitamento possvel do potencial energtico do combustvel atravs de alguns fatores operacionais, como a regulagem da relao ar-combustvel.

COMBUSTO


Conhecendo-se a composio do combustvel e com base na estequiometria da reao, consegue-se calcular o ar necessrio para a queima do combustvel. A quantidade de ar que fornece o oxignio teoricamente suficiente para a combusto completa do combustvel, chamada de "ar terico" ou "ar estequiomtrico".

COMBUSTO


Na prtica, sabe-se que muito difcil obter uma boa combusto apenas com o arestequiomtrico. Se utilizarmos somente o "ar terico", h grande probabilidade do combustvel no queimar totalmente (haver formao de CO ao invs de CO2) e conseqentemente a quantidade de calor liberada ser menor.

COMBUSTO


Para se garantir a combusto completa recorre-se a uma quantidade adicional de ar alm do estequiomtrico, garantindo desse modo que as molculas de combustvel encontrem o nmero apropriado de molculas de oxignio para completar a combusto. Essa quantidade de ar adicional utilizada chamada de excesso de ar. O excesso de ar a quantidade de ar fornecida alm da terica.

COMBUSTO


O excesso de ar proporciona uma melhor mistura entre o combustvel e o oxidante, mas deve ser criteriosamente controlado durante o processo de combusto. Deveremos conhecer a quantidade ideal mnima possvel de excesso a ser introduzida na queima, pois o ar que no participa da combusto tende a consumir energia na forma de calor, pois ser aquecido mesmo sem contribuir para a reao.

COMBUSTO


Quanto maior o excesso de ar, maior o volume de gases nos produtos de combusto e conseqentemente maior a perda de calor pela chamin, influindo negativamente na eficincia da combusto. Entretanto as perdas por excesso de ar aumentam em proporo muito menor que as perdas com combustvel no queimado. Assim, nos processos de combusto industrial sempre se trabalha com excesso de ar.

COMBUSTO


Combusto com excesso de ar: De forma geral recomenda-se um excesso de ar para

que ocorra uma completa combusto, porem estes valores podem variar de acordo com o estado fsico do combustvel.

Estado: Excesso:

Gs 0-10%

Lquidos 2-30%

Slidos 50%

COMBUSTO


Algumas consideraes pertinentes.

Composio do ar:

Elemento: Proporo em Volume:

Oxignio 21%

Nitrognio 79%

Ou seja, em termos de volume, 1 parte de Oxignio para 3,76 de Nitrognio

Densidade: 1,29 kg/m (1atm a 20C)

COMBUSTO


Algumas consideraes pertinentes.

Peso atmico:

Elemento: Peso atmico:

Carbono 12

Hidrognio 1

Oxignio 16

Nitrognio 14

Enxofre 32

COMBUSTO


Para se determinar a proporo terica de ar, deve-se:

1 - Montar a reao

2 - Balancear a reao

3 - Calcular a proporo terica de ar/combustvel

Onde,

A/C = Massa do ar / Massa do combustvel,

Expresso em kg/kg

COMBUSTO

EXERCCIO 1:

Calcular a relao A/C na combusto de 1Kmol de C3H8 e excesso de 10%.

Reao:

Propano + Ar Dixido de Carbono + gua + Nitrognio + Energia

Balanceamento:

C3H8 + x(O2+3,76N2) CO2 + 2H2O + yN2 + Energia C3H8 + 5(O2+3,76N2) 3CO2 + 4H2O + 18,8N2 + Energia

Necessitamos de 5 molculas de ar na combusto de de uma de propano.

COMBUSTO

EXERCCIO 1:

Como utilizamos ar atmosfrico na reao: (5 x 32) + (5 x 3,76 x 28) = 686,4 kg 1kmol de propano = 44 kg

A/C terico = 686,4 kg/ 44 kg = 15,6:1 kg/kg

A/C com 10% de excesso de ar = 15,6 x 1,1 = 17,2 :1 kg/kg

Ou ainda em volume:

A/C terico = 15,6/1,29 = 12,1:1 m/kg

A/C com 10% de excesso de ar = 17,2/1,29 = 13,3:1 m/kg

COMBUSTO

EXERCCIO 2:

Calcular a relao A/C terico na combusto de 100kg do seguinte material:

Composio C H O N S Qumica (kg) 72 14 8 2,8 3,2

P.atmico 12 1 16 14 32

Kmol 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1

Reao e Balanceamento: 6C+14H+0,5O+0,2N+0,1S+x(O2+3,76N2)6CO2+7H2O+0,1SO2+yN2 0,5.1+x.2=6.2+7.1+0,1.2

x=9,35

0,2.1+9,35.3,76.2=y.2

y=35,3

COMBUSTO

EXERCCIO 2:

Como utilizamos ar atmosfrico na reao: Quantidade de AR:

(9,35 x 32) + (9,35 x 3,76 x 28) = 1.283,6 kg

A/C terico = 1.283,6 kg / 100 kg = 12,8:1 kg/kg

Quantidade de CO2:

(6 x 12) + (6 x 32) = 264 kg

Quantidade de H2O:

(7 x 2) + (7 x 16) = 126 kg

Quantidade de SO2:

(0,1 x 32) + (0,1 x 32) = 6,4 kg

Quantidade de N2:

(35,3 x 28) = 988,4 kg

COMBUSTO

EXERCCIO 3:

Calcular a relao A/C em kg/kg e m/kg para os seguintes combustveis com 20% de ar em excesso:

1kmol de Gasolina (C5H12)

1kmol de leo leve (C16H34)

100kg Madeira de Pinus

(C-50%, H-6%, O-43%, N-1%)

100kg Madeira de Eucalyptus

(C-49%, H-7%, O-42%, N-2%)

COMBUSTO

PONTOS COMPLEMENTARES.

NO DISCUTIDOS EM AULA.

ROTINAS PARA DETERMINAAO DE TEMPERATURA DE CHAMA

AVALIAO DOS RESDUOS GERADOS APS PROCESSO DE COMBUSTO.

LEGISLAO VIGENTE.

OUTROS SISTEMAS DE CONVERSO ENERGTICA.

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