Aula 5: Combustíveis e Combustão - Introdução aos Combustíveis e Suas Utilizações

Aula 5 COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO Disciplina de Processos de Conversão Termoelétricas CH 45 h CRE 03 Prérequisitos s Termodinâmica II e Transferência de Calor e Massa Universidade Federal da Paraíba Curso de Engenharia de Energia Renováveis 20231 Profª Taynara Geysa Silva do Lago taynaracearufpbbr 2 Introdução 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão INTRODUÇÃO Um dos mais importantes campos de estudo no conjunto das ciências e da tecnologia é sem dúvida o dos combustíveis Devido ao fato de serem utilizados para mover o mundo 3 Introdução 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Existem basicamente três grandes fontes de energia As forças da natureza tal como a gravidade em quedas de água solar e outras Os combustíveis que podem ser sólidos líquidos ou gasosos A energia atômica libertada de reações nucleares Atualmente os combustíveis ainda são a mais importante fonte de energia Por quanto tempo 4 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão DEFINIÇÃO De modo geral denominase combustível como sendo qualquer substância natural ou artificial que em combinação química com o oxigênio libere energia térmica por meio de uma reação exotérmica 5 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão COMPOSIÇÃO Os elementos químicos que entram na composição da maioria dos combustíveis são carbono hidrogênio oxigênio nitrogênio e enxofre 6 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão UTILIZAÇÃO Para que um material possa ser considerado industrialmente como sendo combustível são seguintes requisitos técnicos e tóxicas ou necessários os econômicos Disponibilidade Facilidade de uso Não formação durante a combustão de substâncias corrosivas Fácil obtenção Baixo custo de produção Segurança no armazenamento e no transporte 7 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão OFERTA DE ENERGIA Atualmente o consumo de energia no mundo está resumido em sua grande maioria pelas fontes de energias tradicionais como petróleo carvão mineral e gás natural Esses combustíveis são poluentes não renováveis e a cada dia que passa seus preços tendem a aumentar 8 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PERSPECTIVAS FUTURAS 9 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão CLASSIFICAÇÃO O seu estado físico Sólido Líquido e Gasoso 10 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão CLASSIFICAÇÃO 11 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão CLASSIFICAÇÃO Combustíveis Sólidos Para que sejam utilizados devem possuir poder calorífico elevado alta disponibilidade e que queime com facilidade Naturais lenha casca turfa carvão mineral xisto Artificiais coque briquetes carvão vegetal 12 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão CLASSIFICAÇÃO Combustíveis Líquidos Possuem certas vantagens em relação aos sólidos armazenagem e tais como poder calorífico mais elevado maior fácil facilidade e economia de controle de consumo Naturais petróleo bruto Artificiais produtos da destilação de petróleo álcoois e óleos vegetais 13 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão CLASSIFICAÇÃO Combustíveis Gasosos Possuem certas vantagens em relação aos combustíveis sólidos tais como permitir a eliminação de parte da fumaça e cinzas melhor controle de temperatura e comprimento das chama Naturais gás natural Artificiais GLP acetileno propano butano 14 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PROPRIEDADES Poder calorífico Composição química Viscosidade Ponto de fluidez Calor latente Ponto de fulgor e Umidade Densidade 15 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PODER CALORÍFICO É a quantidade de energia desprendida por unidade de massa ou de volume na combustão completa de um material combustível Depende basicamente da composição química de cada combustível sendo expressa em Jkg calkg ou JNm³ Existem dois poderes caloríficos Poder Calorífico Superior e Poder Calorífico Inferior 16 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PODER CALORÍFICO Poder Calorífico Superior PCS É a quantidade de calor energia liberada quando um material entra em combustão e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado Poder Calorífico Inferior PCI É a quantidade de calor energia liberada quando um material entra em combustão e os gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água evitando assim que a água contida na combustão seja condensada 17 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PODER CALORÍFICO Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nas máquinas térmicas a água contida nelas se encontra sempre no estado de vapor portanto o que deve ser considerado é o poder calorífico inferior e não o superior 18 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PODER CALORÍFICO Determinação do poder calorífico dos combustíveis PCS33900C141800HO89200S PCIPCS24409HU em Escala absoluta PCSPoder Calorífico Superior KJKg CTeor de Carbono HTeor de Hidrogênio STeor de Enxofre OTeor de Oxigênio PCIPoder Calorífico Inferior KJKg UTeor de umidade Base úmida 19 Combustíveis 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão PODER CALORÍFICO Determine por meio de equações p poder calorífico superior e inferior do combustível sabendo que este apresenta a seguinte composição química C52 H6 O41 N1 S0 Apenas traços U30 Umidade base seca 20 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Combustão Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial Os principais elementos químicos que constituem um combustível são Carbono Hidrogênio e em alguns casos Enxofre Estes elementos reagem com oxigênio e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor 21 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Combustão A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos e as composições típicas são de carbono hidrogênio e oxigênio Combustíveis vegetais produtos de madeira e refugo bagaço serragem cascas etc são carboidratos que contém 12 átomo de oxigênio para cada átomo de hidrogênio Seus produtos de combustão são similares aqueles dos hidrocarbonetos CO2 e H2O mas a energia liberada durante a combustão é comparativamente menor 22 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Combustão Os combustíveis gasosos são usualmente misturas de gases que podem ser identificados individualmente Combustíveis líquidos destilados tais como a gasolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos simples que podem ser separados e identificados Carvões óleos combustíveis residuais e combustíveis vegetais têm estruturas complexas difíceis de se reduzir a componentes individuais No entanto para a maior parte de nossos propósitos a análise ELEMENTAR do combustível é tudo o que é preciso Dada a análise elementar de um combustível em termos de C H O S etc é possível calcularse o requisito teórico de ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão Análise dos combustíveis 23 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Estequiometria da combustão Os pesos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão bem como a composição do ar ambiente encontramse na Tabela abaixo Não existem unidades comuns mas uma unidade prática é a moléculagrama ou grama mol escrita normalmente como gmol que é em efeito o peso molecular expresso em gramas Assim a molécula grama ou o gmol do monóxido de carbono pesa 28 gramas Analogamente pode ser utilizado a moléculaquilograma o kgmol ou a moléculalibra o lbmol o equivalente no sistema inglês 24 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Por exemplo se o metano queima com oxigênio e reage completamente com tudo permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condições de pressão e de temperatura temos 25 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão 1 Determine a proporção estequiométrica de arcombustível para o propano Isto significa que para cada mol de propano ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente A proporção estequiométrica de arcombustível para esta mistura gasosa em uma base de volume é então 238 1 26 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão 1 mol de propano pesa 44 kg e necessita 238 kmol de ar que pesa 6864 kg ou seja a relação AC em massa é 156 1 A massa de ar necessária foi calculada multiplicandose diretamente o índice x pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio levandose em conta a sua devida proporção 27 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão A equação estequiométrica fica 2 Um combustível fóssil tem uma composição em peso de Carbono 720 Hidrogênio 140 Oxigênio 80 Nitrogênio 28 Enxofre 32 Determine a proporção estequiométrica de arcombustível em massa 28 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Massa de ar necessária Relação AC em massa 29 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Combustão com excesso de ar De Forma Geral recomendase um excesso de ar para que ocorra uma completa combustão porém estes valores podem variar de acordo com o estado físico do combustível 30 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão 3 Um gás de composição C3H8 CO H2 N2 CO2 O2 20 25 30 10 10 5 em volume é queimado com 20 de excesso de ar Determine a análise do gás de combustão seco em volumes Balanço estequiométrico 31 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Foi mostrado que 100 volumes deste gás requer 1225 volumes de oxigênio ou 583 volumes de ar atmosférico Dessa forma 20 de excesso significa que 245 volumes extra de oxigênio são fornecidos para ir através do sistema sem se alterar Associado a este total de 147 volumes de oxigênio haverá 553 volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100 de combustível A composição em volumes dos produtos de combustão incluídos o excesso de ar fica 32 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão 4 O butano é queimado com ar seco a uma razão de arcombustível de 20 Calcule o percentual de excesso de ar e a percentagem de volume de CO2 nos produtos 4 10 2 2 2 2 2 65 376 4 5 2444 C H O N CO H O N 4 10 2 2 2 2 2 376 C H x O N CO H O yN 65 32 65 376 28 1538 1 58 ar teórico comb m kgdear AC m kgdecomb 20 1538 100 30 1538 real teorico teorico AC AC excesso de ar AC 33 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão 4 10 2 2 2 2 2 2 845 376 4 5 195 3177 C H O N CO H O O N 2 4 CO 100 94 427 34 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão Temperatura Adiabática de Chama O desprendimento de calor proveniente da reação de combustão pode ser calculado conhecidos o Poder Calorífico do combustível e a taxa de consumo de combustível na fornalha Se for assumido que todo o calor gerado é transformado em entalpia dos produtos de combustão sem nenhuma perda de calor por radiação ao ambiente externo uma situação na prática impossível ou perda de temperatura por dissociação é possível calcular a Temperatura Adiabática de Chama 35 Combustão 15082023 Aula 5 Combustíveis e Combustão De modo inverso conhecido a temperatura de saída dos gases de combustão é possível calcular o calor recebido pelo processo de combustão o qual será a diferença entre a entalpia dos gases à temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de combustão