OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Processo de Combustão

Caldeiras ou Geradores de Vapor

“Flamotubular”

Para baixa vazão e pressão de vapor

“Aquatubular”

Para alta vazão e pressão de vapor

Combustíveis

A maioria dos combustíveis pode ser classificada em três categorias: carvão,

hidrocarbonetos líquidos e hidrocarbonetos gasosos. Deve-se observar a estrutura

da cadeia molecular de um combustível. Para os hidrocarbonetos, temos os

seguintes tipos:

Hidrocarboneto insaturado: possui dois ou mais átomos de carbonos adjacentes,

unidos por uma ligação dupla ou tripla.

Hidrocarbonetos saturados, todos os átomos de carbono são unidos por uma

ligação simples.

Dois hidrocarbonetos com o mesmo número de átomos de carbono e hidrogênio e

estruturas diferentes são chamados isômeros

Fórmula Química dos Hidrocarbonetos

Processo de Combustão

O processo de combustão envolve a oxidação dos

constituintes do combustível, sendo portanto, representado

por uma equação química.

Considere, inicialmente, a reação do carbono com o oxigênio:

Quando um combustível constituído por hidrocarbonetos é queimado, o carbono e o hidrogênio são oxidados. Por exemplo, considere a combustão do metano:

Processo de Combustão

O processo de combustão envolve a oxidação dos constituintes

do combustível, sendo portanto, representado por uma equação

química.

Inicialmente, considere a reação do carbono com o oxigênio:

Quando um combustível constituído por hidrocarbonetos é

queimado, o carbono e o hidrogênio são oxidados. Por exemplo,

considere a combustão do metano: Os produtos de combustão incluem

dióxido de carbono e água. A água

pode estar na fase vapor, líquida ou

sólida, dependendo da temperatura e

pressão dos produtos de combustão

Processo de Combustão Real

Na maioria dos processos de combustão, o oxigênio é

fornecido pelo ar e não como oxigênio puro.

21%

78%

1%

Composição do Ar

O2

N2

Ar

Desprezando o argônio, podemos considerar que o ar é

composto de 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio.

Combustão completa – Ar Teórico

Da hipótese de que o ar é constituído por 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio (em volume), concluímos que para cada mol de oxigênio estão envolvidos 79,0/21,0 = 3,76 mols de nitrogênio.

Logo, quando o oxigênio para a combustão do metano for fornecido pelo ar, temos:

A quantidade mínima de ar que fornece O2 suficiente para a combustão

completa do carbono, hidrogênio e quaisquer outros elementos do

combustível que possam oxidar é chamada de “Ar Teórico”.

Equação Geral da Combustão

A equação geral para a combustão de um hidrocarboneto

com ar apresenta a seguinte forma:

Onde:

Daí, o número total de kmols de ar para um kmol de

combustível é:

100% de ar teórico

Relação Combustível-Ar

Dois parâmetros importantes, utilizados para expressar a relação

entre o combustível e o ar, são a relação ar–combustível (AC) e

seu recíproco, a relação combustível–ar (CA) e podem ser

expressadas em base mássica ou molar e se relacionar entre si:

Ar Real Fornecido (Ф)

A quantidade de ar realmente fornecida à reação em

função da porcentagem de ar teórico é definida do

seguinte modo:

O subscrito s indica que a relação se refere a 100% do ar teórico.

Assim, se Ф =150% de ar teórico, significa que ar é fornecido

numa quantidade uma vez e meia maior que a referente ao ar

teórico.

Percentual de Ar em Excesso

Exemplo:

A combustão completa do metano com 150% de ar

teórico é escrita do seguinte modo:

O excesso de ar é a quantidade de ar fornecido acima ou

abaixo da quantidade estequiométrica necessária. Então, 150%

de ar teórico são equivalentes a 50% de ar em excesso. 80%

de ar teórico são equivalentes a 20% de ar em defasagem.

Produtos de Combustão em Relação a

Quantidade de Ar Teórico

Queima estequiométrica (ar teórico = 100%):

Queima com excesso de ar (ar teórico > 100%):

Queima com déficit de ar (ar teórico < 100%):

222 zNOyHxCO

2222 wOzNOyHxCO

vCOzNOyHxCO 222

Exemplo Calcule a relação ar–combustível teórica (estequiométrica) para a combustão do

octano C8H18.

Solução:

A equação da combustão é:

C8H18 + 12,5 O2 + 12,5(3,76) N2 → 8 CO2 + 9 H2O + 47,0 N2

A relação ar–combustível teórica em base molar é:

ACmolar=(12,5+47,01)/1=59,5 kmol de ar/kmol de comb.

A relação ar–combustível teórica em base mássica pode ser encontrada introduzindo-

se as massas moleculares do ar e do combustível.

ACmássica=ACmolar*(Mar/Mcomb)=59,5*(28,97/114,2)=15,0 kg ar/kg de comb.

Aplicação da Primeira Lei em Sistemas

Reagentes

A primeira lei para um processo em regime permanente é definida na seguinte forma:

Os índices “R” e “P” se referem aos reagentes e aos produtos respectivamente e os índices “e” e “s” se referem a entrada e saída do volume de controle (v. c.).

Volume de Controle em Caldeiras

PcvRcv HWHQ ....

HQ cv ..

=0

v.c.

TcmQ pOHOH 22RP HHH

Entalpia de uma Reação Química

Para substâncias que não estão sujeitas a variações de composição química, a

Entalpia é determinada de maneira direta via Tabela, de acordo com as

condições do estado termodinâmico (temperatura/pressão) em que encontra a

substância em questão, independente de outras transformações que a

substância tenha sofrido anteriormente.

Nas reações químicas ocorre variação na composição química da substância.

Logo, é necessário definir um estado de referência inicial, antes da substância

sofrer variação de composição química, e um estado final, após a variação.

Arbitrariamente, o estado (inicial) de referência é definido pela temperatura de

25 °C (298 K) e pressão de 0,1 MPa (condição em que uma substância na fase

vapor se comporta como gás ideal). A entalpia do estado de referência é

denominada Entalpia de Formação (__).

Para temperatura e pressão acima ou abaixo dos valores de referência, a

entalpia de uma substância é calculada pela soma de sua entalpia de formação e

da variação da sua entalpia em relação ao estado de referência:

fh

Cálculo da Entalpia de uma Substância

Por exemplo, para o cálculo da entalpia da água durante o processo de combustão,

caso a substância esteja a 25 °C (298 K) e 0,1 MPa, a entalpia é dada de forma

direta de acordo com a tabela abaixo. Logo, hH2O = -241826 kJ/kmol.

Caso a água se encontre a 500 K (227

°C), a entalpia é dada pela soma das

entalpias entre o estado de referência

e da variação de entalpia em relação

ao estado de referência:

kmolkJh /2349046922241826__

Obs.: a Entalpia de formação de

Substâncias simples (O2, N2, ...) é

sempre nula.

Aplicações na Engenharia

1) Considere o processo que ocorre em regime

permanente numa câmara de combustão que é

alimentada com metano. A reação química que ocorre na

câmara é:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Os reagentes e os produtos estão a uma pressão total de

0,1 MPa e a 25 ºC. Determine a quantidade de calor

transferida por kmol de combustível que entra na câmara

de combustão.

Aplicações na Engenharia

Solução:

Volume de controle: Câmara de combustão.

Estado na entrada: P e T conhecidas; estado determinado.

Estado na saída: P e T conhecidas; estado determinado.

Processo: Regime permanente com combustão.

Modelo: Três gases ideais, água líquida real.

Análise - Primeira lei:

Aplicações na Engenharia

Utilizando valores tabelados:

PcvRcv HWHQ ....

=0

Aplicações na Engenharia

2) Uma pequena turbina a gás utiliza C8H18 como combustível e 400% de ar teórico. O ar e o combustível entram na turbina a 25 ºC e os produtos da combustão saem a 900 K.

Determine a quantidade de calor transferida da turbina por kmol de combustível. O trabalho gerado pela turbina é igual a 456920 kJ/kmol de comb. A entalpia de formação do combustível é igual a −250105 kJ/kmol. Admita que a combustão seja completa.

Parâmetros de Desempenho da Combustão

em Geradores de Vapor

Eficiência da Combustão:

Eficiência da Caldeira:

Exemplo

A caldeira de uma central termoelétrica é alimentada com 325000 kg/h de água a 10 MPa e 200 ºC (h=3398,27 kJ/kg). O vapor é descarregado da caldeira a 8 MPa e 500 ºC (h=855,97 kJ/kg). A potência da turbina do ciclo é 81000 kW, a vazão de carvão consumida na caldeira é 26700 kg/h e apresenta poder calorífico superior igual a 33250 kJ/kg. Nessas condições, determine a eficiência térmica da caldeira.

Solução:

A eficiência da caldeira é:

ηger. Vapor = (calor transferido à água/kg de combustível) (poder calorífico superior do combustível)

Portanto,

ηger. Vapor = {[325000*(3398,27−855,97)]/(26700×33250)}×100=93,1%

Tabela de Entalpia/Entropia de Substâncias

Exercícios

1) Escreva a equação balanceada para queima do Diesel (C14,4H24,9):

a) estequiométrica

b) com 400% de ar teórico.

2) Calcule a relação Ar/Combustível (AC), nas bases molar e mássica da queima

estequiométrica da gasolina (C7H17). A massa molecular do ar é 28,97 kg/kmol.

3) Calcule o calor em unidade de kJ da reação de combustão do metano (CH4), queimado

com ar atmosférico com excesso de 50%. Os reagentes se encontram a 25°C e 0,1 MPa.

Os produtos saem a uma temperatura de 500K. A entalpia de formação do combustível é:

4) Vapor numa caldeira é produzido a partir da queima de 10800 kg/hora de Octano

(C8H18) com ar atmosférico. A reação de combustão inicia a 25º C e 0,1 MPa. A

temperatura dos produtos da combustão é de 1000 K. No circuito de água, a

temperatura de entrada é de 20 ºC e mediante a troca de calor aumenta para 420 ºC. O

processo de combustão é realizado com ar teórico igual a 200%.

a) Determine o calor real transferido à água. Considere a entalpia de formação do C8H18

igual -250105 kJ/kmol.

b) Determine a vazão mássica da água (cp = 4200 j/kg.K)

c) Determine a eficiência da caldeira (PCI = 45000 kJ/kg)

kmolkJh

CH

f 748734

Formulário Básico