Combustão de Biomassa e Biocombustíveis - Balanços e Cálculos Estequiométricos

1 29 Aula 4 Combustão Biomassa e Biocombustíveis Prof Silvia Layara Floriani Andersen 2 29 Balanços de massa e energia O cálculo dos volumes de ar e gases nos processos de combustão permite Projeto das fornalhas selecionar os ventiladores Projetar os dutos de ar Determinar a velocidade relativa entre os gases e as superfícies de aquecimento transferência de calor por convecção 3 29 Cálculos estequiométricos Combustíveis gasosos Quantidades volumétricas dependem de T e P C3H 85O23CO24 H 2O Proporções volumétricas cuidar com as condições de T e P Por convenção calculase com todos os gases nas mesmas condições de T e P V 2V 1 P1 P2 T 2 T 1 1 mol 5 moles 3 moles 4 moles 4 29 Cálculos estequiométricos de oxigênio em excesso de ar em excesso O2em excessonO 2em excesso nO2teórico 100 nO 2em excesso 021 nO2teórico 021 100nar emexcesso nar teórico 100 ar em excesso 5 29 Balanço de massa Cálculo da quantidade de ar teórico CO2CO2 2 H 2O22 H 2O SO2SO2 1 2 3 Generalizando 12kgdeC32kg deO244 kgde CO2 4 kg H 232 kgO236kg H 2O 32kg S32kgO264 kgSO 2 4 5 6 Em massa 6 29 Balanço de massa Para 1 kg de cada elemento 1kgdeC 32 12267 kgdeO2 1kgde H 232 4 8kg deO2 1kgde S 32 321kgdeO2 Assim a massa de O2 necessária é mO2267C8H1S kgO2kgcomb 7 29 Balanço de massa CNTP 0 oC 27315 K 1 atm 760 mmHg ρO2 142 kgO2Nm3 ρ mV V O2 1 142 267 Ct 100 8 Ht 100 1 St 100 V O2188 Ct 100 56 H t 100 07 St 100 Ar 79 N2 21O2 V ar V O 2 021 V ar 0 1 021 188 Ct 100 56 H t 100 07 St 100 V ar 0 889 Ct 100 2666 H t 100 333 St 100 Nm3 kgcombustível 8 29 Exemplos 1 Combustíveis gasosos O GLP apresenta 50 em volume de gás propano C3H8 e 50 em volume de gás nbutano C4H10 Considerando combustão completa calcular o volume de ar teórico para a combustão de 1 L de GLP a 27 oC e 700 mmHg SOLUÇÃO Base de cálculo 1L 27 oC e 700 mmHg de GLP Assim temos a resposta pedida mesma T e P 1 L de GLP C3H8 50 VC3H8 05 L C4H10 50 VC4H10 05 L Se todos os componentes gás proporções volumétricas proporções molares Reações estequiométricas C3H 85O2376N 23CO24 H 2O5 x 376 N2 C4 H 1065O 2376N 24CO25 H 2O65 x 376 N2 Lembrando na mistura 05 L de cada VO2 teórico VO2 para C3H8 VO2 para C4H10 VO2 teórico 05x505x65 575 LO2L de GLP Var teórico 575021 2738 LarLGLP Nas mesmas T e P do GLP 9 29 Exemplos 2 Combustíveis líquidos Um combustível líquido constituído por C 80 em peso e H 20 em peso deve ser queimado com 20 de excesso de ar Determine o volume a 27 oC e 700 mmHg de ar real a ser usada na combustão de 1 kg de combustível líquido SOLUÇÃO Base de cálculo 1 kg de combustível C 80 mC 800 g H 20 mH 200 g Achar o número de moles nC800 12 6666 moles nH 2 200 2 100 moles O hidrogênio sempre estará na forma de H2 Reação estequiométrica 6666C100 H 2aO2376 N26666CO2100 H2O376aN 2 a6666 x 2100 2 11666 moles narteórico11666376 x1166655530 moles V ar teórico55530 x 2241243875 Lar kgcombustível CNTP 20 de excesso de ar V ar real1243875 Lx 12149265 Lar kgcombustível CNTP 27 oC e 700 mmHg VV 0 P0 P T T 0 V ar real149265 760 700 300 273 178087 Lar kgcombustível 10 29 Exemplos 3 Combustíveis sólidos Determinar o volume de ar real necessário para a combustão de 1 kg de carvão composição na Tabela 1 com 50 de excesso de ar 27 oC e 700 mmHg Componente peso C 74 H 50 O 50 N 10 S 10 Umidade 90 Cinzas 50 Tabela 1 Composição do carvão SOLUÇÃO Base de cálculo 1 kg de carvão Componente peso m g n moles C 74 740 74026166 H 50 50 50225 O 50 50 5032156 N 10 10 1028036 S 10 10 1032031 Umidade 90 90 90185 Cinzas 50 50 Reação estequiométrica 6166C25 H 2031 SaO2376N 26166CO225 H2O031SO2376 aN2 a6166 x 225031 x 2 2 7447 nO2 teórico nO2 para a combustão completa nO2 do combustível 11 29 Exemplos nO 2teórico74471567291moles narteórico7291 021 3472moles V ar teórico3472x 2247777 LCNTP Para 27 oC e 700 mmHg PV nRT 700 xV3472x 623 LmmHg Kmol x 300 V ar927024 Lar kgcombustível 50 de ar em excesso V ar real927024 x151390536 Lar kgcombustível 139 m 3 kgcombustível Ar teórico a 27 oC e 700 mmHg 12 29 Volume de gases de exaustão fumos Combustíveis sólidos e líquidos Vamos tomar como base 1 kg de combustível 1kgcombustívelar V CO2V SO2V H 2OV O2V N 2V COV CH 4V H 2m3 kg Gases triatômicos V CO 21kg deC 44 12 366 kgCO 2 ρCO 2CNTP1964 kg Nm3 V CO 2366C t 100 x 1 ρCO 2 00186C tNm 3kg VH2O Para combustão completa 2 H2O22 H 2O 1 kg de H2 9 kg de H2Ov ρ H 2OCNTP0804 kgNm3 V H 2O H 29 H t 100 x1 ρ H 2O 0111H t Nm 3kg VH2O Para Umidade do combustível Wt V H 2O WW t 100 x1 ρ H 2O 00124 W tNm 3kg VH2O Para Umidade do ar U V H 2OV H 20H 2V H 2OWV H 2O UNm3 kg 13 29 Volume de gases de exaustão fumos V SO 21kgde S2kgSO2 ρ SO2CNTP2858 kg Nm3 V SO 22St 100 x1 ρ SO 2 0007 S tNm 3kg VN2 Para fins de cálculos N2 inerte presente no ar e no combustível ρ N 2CNTP125 kg Nm3 V N 2combustívelN t 100 x 1 ρ N 2 0008 N t Nm 3kg V N 2ar079V ar Nm3kg V N 2V N 2combustívelV N 2ar Nm3kg VO2 Vem do excesso de ar αV ar real V ar estequiométrico V O2021α 1V ar estequiométrico Nm3 kg 14 29 Exemplo Um combustível líquido constituído por C 80 em peso e H 20 em peso deve ser queimado com 20 de excesso de ar Determine o volume de fumos a 27 oC e 700 mmHg SOLUÇÃO Base de cálculo 1 kg de combustível C 80 mC 800 g nC 80012 6666 moles H 20 mH 200 g nH2 2002 100 moles Reações estequiométricas 1CO2CO2 2H 21 2 O2 H 2O nCO 2nCqueimado6666moles nH 2OnH 2queimado100moles nN 2079nar real No exemplo 2 nar real 66662 moles nN 252663moles nO 202nO 2teórico02x 116662333 moles nfumosnCO2n H 2OnN2nO 2 nfumos666610052663233371662moles V fumosnx22471662 x 2241605229 LCNTP VV 0P0 P T T0 1605229760 700 300 273 1915187 Lfumos kgcombustível 15 29 Volume de gases de exaustão fumos Combustíveis gasosos VCO2 número de moles gerado de CO2 número de moles de C do combustível Gases ideais 1 kmol 224 Nm3kmol V CO 2224nC nocombustível Se o gás combustível conter CO2 ou CO considerar V SO 2 H2S15O2H 2OSO2 V SO 2V H 2S Nm3Nm3combustível VN2 inerte N2 do ar e N do combustível V N 21 100 N2079α V ar estequiométrico Nm 3Nm 3combustível VO2 Vem do excesso de ar V O2021α 1V ar estequiométrico Nm3 Nm3combustível 16 29 Vapor de água 1 Umidade do combustível W 2 combustão do H2 e hidrocarbonetos CxHy 3 combustão do H2S 4 Umidade do ar U Volume de gases de exaustão fumos V H 2O W1 100 H 2O Nm3 Nm 3combustível V H 2O H 21 100 H 2Nm3 Nm 3combustível V H 2O CxHy1 100 n 2 Cx H yNm3 Nm 3combustível Balanço estequiométrico 1 mol de H do CxHy 05 mol de H2O V H 2O H 2 S1 100 H 2S Nm3 Nm 3combustível V H 2OV H 2OWV H 2O H 2V H 2O CxHyV H 2O H 2SV H 2O U 17 29 Exemplo O GLP apresenta 50 em volume de gás propano C3H8 e 50 em volume de gás nbutano C4H10 com volume de ar teórico de 2738 LarLcombustível Calcular o volume de fumos a 27 oC e 700 mmHg e a composição volumétrica dos gases componentes na combustão do GLP SOLUÇÃO Base de cálculo 1L 27 oC e 700 mmHg de GLP combustão completa Sem CO fuligem e NOx 1 L de GLP C3H8 50 VC3H8 05 L C4H10 50 VC4H10 05 L Reações estequiométricas C4 H 1065O 2376N 24CO25 H 2O65 x 376 N2 C3H 85O2376N 23CO24 H 2O5 x 376 N2 05 5x05 3x05 4x05 05 65x05 4x05 5x05 V fumosV CO 2V H 2OvaporV N 2 V CO 23 x 054 x 0515235 L V H 2O4 x055 x 0522545 L V N 2V N 2teóricoar V N 2teóricoV O2teórico376 V O2teórico575 L Exemplo 1 V N 2575 x 3762162 L V fumos354521622962L LGLP Base úmida 18 29 Composição volumétrica CO235 2962 1001182 H2O45 2962 1001519 N 22161 2962 1007299 Base úmida Em base seca V fumos3521622512L LGLP CO235 2512 1001393 N 22161 2512 1008607 19 29 α pela análise de gases Pela estequiometria podemos considerar que o volume de O2 consumido é aproximadamente o volume de CO2 e SO2 nos gases de exaustão V gs 0 V CO 2V SO2V N 2V O2 0 V N 2 0 V ar 0 Vgs volume de gases secos V0 gs volume de gases secos estequiométrico V gsα V ar 0 1 Concentração de O2 nos gases de exaustão O2exaustão021α 1V ar 0 V gs 100 2 Substituindo 1 em 2 O2exaustão21α 1 α α 21 21O2exaustão 20 29 Exemplo Uma mistura gasosa de C3H8 e C4H10 é queimada com excesso de ar A análise dos fumos revelou a seguinte composição molar CO2 104 O2 46 CO 06 e N2 844 Determinar a porcentagem de excesso de ar utilizada SOLUÇÃO Base de cálculo 100 moles de fumos secos Como de O2 no ar constante de ar em excesso de O2 em excesso CO2 104 moles O2 46 moles CO 06 moles N2 844 moles nO 2teóriconO2 para combustãocompletanO 2docombustível Não tem nO 2teóriconO2CCO2nO2H 2H 2O O H2O não aparece na análise de gases porém deve aparecer nas reações pois tem H no combustível Reações 1H 2 1 2 O 2H 2O 2CO2CO2 3C 1 2 O2CO nCqueimados1040611 moles nO2C CO211moles Teoria se todo o C virasse CO2 AnO2teórico11nO2H 2H 2O BnO 2H 2 H 2OnO2realnO2encontrado 21 29 nO2 encontrado quantidade de O2 que pode ser determinada estequiometricamente pelas reações de combustão e O2 nos fumos nO 2encontradonO 2CCO2nCCOnO2nos fumos nO 2encontrado1040346153moles O2 analisado Para formar 06 moles de CO precisa 03 moles de O2 Para formar 104 moles de CO2 precisa 104 moles de O2 nO 2realnN 2real 21 79 844 x 21 79224 moles nO2 H 2 H 2O22415371moles nO 2teórico1171181moles nO 2realnO2teóriconO2em excesso nO 2excessonO 2realnO2teórico22418143 moles O2em excessoO 2excesso O 2teórico x 10043 181 x 100238 ar emexcesso238 22 29 Analisadores de gases Instrumentos de medição composição Fração volumétrica Cálculo do coeficiente de excesso de ar Classificação Absorção de radiação infravermelha Susceptibilidade magnética Célula eletrolítica 23 29 Analisadores de gases Analisadores volumétricos Absorção seletiva dos gases por soluções absorvedoras Se a amostra é 100 mL volume absorvido já indica a dos componentes Ex Orsat Fyrite Bacharach Analisadores de gases Amostra de gás Figura 63 Esquema de um analisador tipo Orsat 25 29 Analisadores de gases Reagentes CO2 hidróxido de potássio KOH O2 pirogalato de potássio C6H3OH3 KOH CO cloreto cuproso amoniacal CuNH32Cl Sequência do Orsat CO2 O2 CO Devese obedecer rigorosamente 26 29 Analisadores de gases Fyrite e Bacharach 27 29 Analisadores de gases Desvantagem o volume da amostra não é bem certo erro 05 Soluções CO2 KOH 33 O2 solução a base de Cr Gás padrão ar ambiente 209 O2 ar expirado pelo homem 4 de CO2 Capacidade de absorção CO2 350 amostras com 10 CO2 O2 100 amostras com 10 de O2 28 29 Analisadores de gases Analisadores contínuos Resposta rápida Infravermelho CO2 e CO Susceptibilidade magnética O2 Célula eletroquímica ZnO O2 29 29 Referências Hilsdorf JW Barros ND Tassinari CA Costa I Química Tecnológica Cengage Learning São Paulo 2016 CORTEZ LAB LORA EES Gómez O Biomassa Para Energia Editora da Unicamp Campinas 2008 Turns SR Introdução à combustão Conceitos e aplicações AMGH Editora Ltda Porto Alegre 2013 José HJ Schultz EL Combustão e combustíveis Apostila de Química tecnológica geral UFSC Florianópolis 2002 Bazzo E Geração de vapor Editora da UFSC Florianópolis 1995