Química dos Biocombustíveis

Cálculo Estequiométrico aplicado aos Biocombustíveis

Valentim M B NunesUnidade Departamental de Engenharias

Instituto Politécnico de Tomar, Abril, 2012

CET: ESTTEB-TMR3

BiocombustíveisO decreto-lei que transpõe para a legislação portuguesa a Directiva n.º 2003/30/CE e cria mecanismos para promover a colocação no mercado de quotas mínimas de biocombustíveis, prevê dez tipos. Alguns exemplos são:

Bioetanol: etanol produzido a partir de biomassa e ou da fracção biodegradável de resíduos para utilização como biocombustível;

Biodiesel: éster metílico produzido a partir de óleos vegetais ou animais, com qualidade de combustível para motores diesel, para utilização como biocombustível;

Biogás: gás combustível produzido a partir de biomassa e ou da fracção biodegradável de resíduos, que pode ser purificado até à qualidade do gás natural, para utilização como biocombustível, ou gás de madeira;

Biometanol: metanol produzido a partir de biomassa para utilização como biocombustível;

Exercício 1: No motor de um carro a álcool, o vapor do combustível é misturado com ar e queima-se à custa da faísca eléctrica produzida pela vela interior do cilindro. A queima do álcool pode ser representada pela equação:

C2H6O(g) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Calcular a quantidade, em moles, de água formada na combustão completa de 138g de etanol (C2H6O).

Exercício 2: A obtenção de etanol, a partir de sacarose (açúcar) por fermentação, pode ser apresentada pela seguinte equação:

C12H22O11 + H2O 4 C2H5OH + 4 CO2

Admitindo-se que o processo tem um rendimento de 100% e que o etanol é anidro (puro), calcule a massa (em kg) de açúcar necessária para produzir um volume de 50 litros de etanol, suficiente para encher um tanque de um automóvel. Dados: Densidade do etanol = 0.8 g/cm3 ; Massa molar da sacarose = 342 g/mol ; Massa molar do etanol = 46 g/mol

Exercício 3: A gasolina, como combustível para automóveis, é uma mistura de vários hidrocarbonetos parafínicos. Quando queimada completamente produz CO2 e H2O. Se considerarmos que a gasolina tem a fórmula C8H18, qual o volume de CO2 produzido, a 300 K e 1 atm, quando 1,25 moles de gasolina são completamente queimadas? Considere o CO2 um gás perfeito.

Exercício 4: Considere o etanol anidro e o n-octano, dois combustíveis que podem ser empregados em motores de combustão interna. Sobre estes dois combustíveis, são disponíveis os dados fornecidos a seguir.

Considere dois motores idênticos em funcionamento, cada um deles movido pela queima completa de um dos combustíveis, com igual aproveitamento de energia gerada. a) Escreva as equações químicas que representam a combustão completa de cada um dos combustíveis. b) Sabe-se que, para realizar o mesmo trabalho gerado pela queima de 10 litros de n-octano, são necessários 14 litros de etanol. Nestas condições, compare, através de cálculos, a poluição atmosférica por gás carbónico produzida pelos dois combustíveis.

Exercício 5: Uma empresa afirma que uma grande exploração de algas junto a uma central térmica de 1 GW poderia produzir cerca de 190 milhões de litros de etanol por ano. Essa transformação dá-se por um processo global que pode ser descrito a seguir: 2 CO2(g) + 3 H2O(ℓ) C2H6O(ℓ) + 3 O2(g). Calcule o volume de gás carbónico retirado da atmosfera, em litros, no período de um ano. Dados: Densidade o etanol = 0,8 g/cm3; Volume molar = 24,5 L. mol-1.

Exercício 6: O esquema mostra a reacção de transesterificação para formar biodiesel.

Numa fábrica de produção de biodiesel, fez-se reagir 1200 gramas de óleo e obtiveram-se 1092 gramas de biodiesel. Calcular o rendimento desta reacção.

Exercício 7: O Biodiesel, um éster metílico do ácido linoleico tem a seguinte fórmula química: C20H36O2. a) Escreva a equação acertada para a combustão completa do biodiesel; b) Se 20 kg de biodiesel sofrerem combustão completa, qual a massa de CO2 libertada para a atmosfera?

Rácio EstequiométricoO rácio estequiométrico é a razão entre a quantidade de ar e de fuel para assegurar a combustão completa do fuel. Também é designada por rácio ar-fuel ideal.

Air–fuel ratio (A/F)Este rácio é o mais utilizado para caracterizar misturas utilizadas em motores de combustão interna.

fuel

ar

m

mFA /

Para calcular a quantidade de oxigénio e a partir daí a quantidade de ar necessário para a combustão completa do fuel resolve-se a equação estequiométrica ideal. Esta equação significa que não se adiciona ar extra para a combustão.

Escrever a equação para a combustão. Por exemplo, CH4 + O2 CO2 + H2O Acertar a equação: CH4 + 2O2 CO2 +2H2O Converter para massa molecular. Por exemplo , a massa molar do metano, CH4 é igual a 16 g/mol, logo o oxigénio necessário para a combustão completa de 1 mol de metano é igual a 2×32 = 64 g. Calcular a quantidade necessária para queimar o fuel. Isto significa que é necessário 64/16 = 4 kg de oxigénio para a combustão de 1 kg de metano. O oxigénio está presente no ar na proporção de 21% em volume e 23% em massa. São pois necessários 4/0.23 = 17.39 ou ≈ 17.4 Kg de ar para a combustão completa de 1 kg de metano. Assim, o rácio ar-fuel do metano é 17.4

Cálculos ideais

Combustível A/F

Gasolina 14.7

Querosene 15.6

Gás Natural 17.2

Propano 15.5

Etanol 9.0

Metanol 6.4

Hidrogénio 34

Diesel 14.6

Rácios ar/fuel

Exercício 8:Calcular o rácio ar-fuel para o octano. Comparar com o respectivo valor para a gasolina.

Exercício 9:Calcular o rácio ar-fuel para o etanol.