Apresentao do PowerPoint

INTRODUO A ENGENHARIA QUMICACaptulo-5 BALANO DE MASSA EM REAES DE COMBUSTO

3.1 INTRODUO3.2 CONCEITOS SOBRE OS PROCESSOS DE COMBUSTO3.3 BALANO DE MASSA COM REAES DE COMBUSTO3.4 ESTUDO DA COMBUSTO ATRAVS DAS ANLISES DOS GASES3.1 INTRODUOReaes de combusto so reaes qumicas que envolvem a oxidao completa de um combustvel. Materiais ou compostos so considerados combustveis industriais quando sua oxidao pode ser feita com liberao de energia suficiente para aproveitamento industrial. Os principais elementos qumicos que constituem um combustvel so Carbono, Hidrognio e em alguns casos, Enxfre. Estes elementos reagem com oxignio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberao de calor:

A maior parte dos combustveis fsseis so hidrocarbonetos, e as composies tpicas so de: carbono, hidrognio e oxignio.

Combustveis vegetais, produtos de madeira e refugo (bagao, serragem, cascas, etc.) so carboidratos que contm 1/2 tomo de oxignio para cada atomo dehidrogenio.

Seus produtos de combusto so similares aqueles dos hidrocarbonetos ( CO2 e H2O) mas a energia liberada durante a combusto comparativamente menor.

Os combustveis gasosos so usualmente misturas de gases que podem ser identificados individualmente.

Combustveis lquidos destilados tais como a gasolina ou o querosene tambm so misturas de hidrocarbonetos simples que podem ser separados e identificados. Carves, leos combustveis residuais e combustveis vegetais tm estruturas complexas, difceis de se reduzir a componentes individuais.

No entanto, para a maior parte de nossos propsitos a anlise ELEMENTAR do combustvel tudo o que preciso. Dada a anlise elementar de um combustvel em termos de C, H, O, S, etc., possvel calcular-se o requisito terico de ar e a quantidade e composio dos produtos de combusto.A maioria dos processos industrias de combusto utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxignio para a combusto. O conhecimento das necessidades de ar para combusto, bem como da composio e volume dos produtos de combusto fundamental para o projeto e contrle de equipamentos de combusto. A estequiometria qumica nos fornece os principais dados necessrios aos clculos de combusto.3.2 CONCEITOS SOBRE OS PROCESSOS DE COMBUSTOObjetivo :A energia decorrente da oxidao de elementos combustveis liberada e poder ser utilizada para aquecimento ou realizao de trabalho.

Por meio de Balanos Materiais, determina-se :Quantidade de Combustvel, de Ar, de Fumos e de Resduos.

Combusto normalmente ocorre sob presses prximas da presso atmosfrica :Comportam-se como Gases Perfeitos.

Ocorrem em temperaturas elevadas :Tende acriar condies propcias ocorrncia de grande nmero de reaes laterais s do processo desejado, dificultando aplicao de relaes de equilbrio e dificultando alguns clculos.

Trs tipos de clculos :Clculo da quantidade de ar teoricamente necessrio e de ar real para a combusto completa.Clculo da composio e do volume dos fumos (gases gerados) da combusto.Clculo da porcentagem de ar em excesso utilizada em uma combusto, em razo das anlise dos gases gerados na combusto, frequentemente obtidos por uma anlise de Orsat (CO2, O2, CO).Anlise dos Combustveis

Anlise Elementar :Determinao de Carbono, Nitrognio, Enxfre e demais elementos que constituem o combustvel.

Anlise Imediata : Determinao de Carbono Fixo (CF), Umidade (U - 110 C), Matria Voltil (MV) e da Cinza (Z - 725 C , combusto completa do C)

Matria Voltil (MV) : determinada pelo aquecimento do carvo seco, durante 7 minutos a 950 C e ao abrigo ao ar. Perda de hidrocarbonetos, H2, N2, etc.

Carbono Fixo (CF) : o carbono que ainda fica no combustvel aps a eliminao da matria voltil. praticamente carbono puro.

Hidrognio do Combustvel :Uma parte na gua da umidade, Uma parte na gua de combinao do combustvel (hidrognio que na constituio do combustvel se acha combinado com o oxignio) e Uma parte constitui o hidrognio livre ou combustvel , que durante a combusto produzir energia e consumir oxignio.Poder Calorfico (PC) : igual numericamente entalpia-padro de combusto, PC = - Hcombusto

Poder Calorfico Superior (PCS) : Calor produzido pela combusto completa de certa quantidade de combustvel, a presso constante e 18 C , havendo to-somente formao de CO2 e H2O e ficando toda a gua produzida, mais a inicialmente presente no combustvel, condensada no estado lquido.

Poder Calorfico Inferior (PCI) : o valor obtido quando se considera toda a gua no estado vapor ao final da combusto. O PCI obtido a partir do PCS, subtraindo deste o calor de vaporizao da gua a 18 C multiplicado pela gua total no estado vapor, ou seja, a inicialmente presente no combustvel, mais aquela formada durante a queima. Para clculo do consumo de combustvel utiliza-se o PCI do combustvel com umidade, ou seja, toda o calor produzido pelo combustvel, descontado o calor utilizado para vaporizar a gua.

Como exemplo, mostramos abaixo o PC da madeira de eucalipto :O teor de umidade da madeira afeta diretamente o poder calorfero inferior e, como j comentado, a presena de gua na madeira representa a reduo do poder calorfero inferior em razo da energia necessria para evapor-la. Sendo assim, ocorre reduo na disponibilidade de calor para gerao de vapor nas caldeiras de biomassa.A figura abaixo ilustra a variao no poder calorfero superior e inferior versus a umidade da madeira :Combustveis Gasosos

A estequiometria em volume mais adequada para clculos de combusto quando tanto os reagentes como os produtos sejam gasosos. As propores volumtricas dadas pelo coeficiente da reao de combusto somente sero vlidas para volumes nas mesmas condies de presso e temperatura.

Utiliza-se para converso para outras condies de temperatura e presso a equao de estado de gases perfeitos :P1 V1 = N1 R T1 N1 = N2 P1 . V1 = P2 . V2 P2 V2 = N2 R T2 T1 T2

CNTP :0 C ou 273,15 K 1 atm ou 101,325 kPa1,01325 bar ou 760 mmHgVolume molar de um gs ideal = 22,414 l/mol

No. Moles = Massa (g) , independem das condies de P e T Massa Molecular(g) C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O (v)

1 mol + 5 moles 3 moles + 4 moles

1 litro + 5 litros 3 litros + 4 litros

1,092 l + 5,458 l 3,274 l + 4,366 lAs propores molares 1 : 5 3 : 4 , independem de P e T

As propores volumtricas 1 : 5 3 : 4 , a CNTP : 0 C e 1 atm

As propores volumtricas 1,0921 : 5,458 3,274 : 4,366 , a CNTP : 25 C e 1 atmEXEMPLO-1 : Para a combusto de 1 litro de GLP , necessita-se nas condies de CNTP (0 C , 760 mmHg) de 5,75 litros de O2 e 21,62 de N2 , ou seja, de 5,75+21,62 = 27,37 litros de Ar.Qual ser este volume de ar a 27 e 700 mmHg.(V1 x P1)/T1 = (V2 x P2)/T2

(27,38 x 760)/273 = (V2 x 700)/300

V2 = (27,38 x 760 x 300) / (700 x 273) = 32,67 litros

Volume de Ar real adicionado = 32,67 litros , a 700 mmHg e 27 CQueima de combustveis slidos

Deve-se observar que a composio de um combustvel slido em geral no corresponde a uma frmula qumica definida e, assim sendo, no se pode falar em kmol desse combustvel.

As anlises indicam geralmente as porcentagens em peso dos diversos elementos constituintes ou dos princpais imediatos do combustvel. Por este motivo, uma base de clculo ponderal normalmente mais vantajosa nestas situaes.

Por outro lado, quando a anlise de ORSAT apresentada para os fumos, observa-se que os clculos realizados em kmol so em geral menos trabalhosos.

Deve-se tambm se atentar para a produo de fuligem e alcatro, pois apesar de serem normalmente ignoradas nos clculos, a queima de combustveis slidos conduza normalmente a sua formao. Queima com deficincia de ar

-Alimentao de ar inferior ao terico.-Finalidade de produzir gases parcialmente oxidados, como o CO obtido nos gasognios.-Situaes no desejadas, onde a deficincia de oxignio no intencional, normalmente devido falha operacional.Combusto sem ar

Em muitos processos de interesse prtico a queima de combustvel no realizada com oxignio do ar. Em seu lugar, um oxidante empregado para oxidar os elementos combustveis, porm o resultado final do processo ainda o mesmo : a energia decorrente da oxidao desses elementos liberada e poder ser utilizada para aquecimento ou realizao de trabalho. No caso de processos que utilizam oxignio oriundo de subprocessos para enriquecer o ar de combusto, isto conveniente, pois a quantidade de fumos produzidos ser muito menor. A reduo na quantidade de nitrognio desejvel, por dois motivos principais : em primeiro lugar porque reduzindo a presso parcial do oxignio durante a combusto , dificulta a complementao integral das reaes. Em segundo lugar, porque os fumos, saindo quentes pela chamin, carregam consigo uma quantidade maior ou menor de energia inaproveitvel. A eliminao do nitrognio na alimentao do forno reduz consideravelmente essas perdas. -Em muitos processos o ar no pode ser utilizado para realizar a combusto. o caso de da queima dos combustveis (propelantes) utilizados nos foguetes Oxidantes de maior densidade e maior teor de oxignio so testados e utilizados nesta operao. 3.3 BALANO DE MASSA COM REAES DE COMBUSTOOs psos atmicos dos principais elementos envolvidos em combusto, bem como a composio do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo :

Sabe-se que alguns dos nmeros acima requerem correo decimal. Os erros so pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no contexto da preciso das medies industriais comuns.Se uma reao for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas unidades prticas, por exemplo:

uma equao que indica o que acontece quando um tomo de carbono e uma molcula de oxignio reagem completamente. Em termos prticos ela estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxignio para formar, no final, 1 kmol de dixido de carbono. A utilizao de pesos atmicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando os clculos acima forem estudados. Os pesos atmicos so usados para elementos que so gasosos em CNTP. Para produtos e combustveis gasosos, esta prtica pode ser levada um estgio adiante. A teoria de Avogadro estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes sob as mesmas condies contm um nmero igual de molculas de gs. Por exemplo, 1 metro cbico de nitrognio em CNTP contm tantas molculas de nitrognio quanto 1 metro cbico de dixido de carbono contm de molculas de dixido de carbono a CNTP. Segue-se que a reao molecular, quando escrita para combustveis gasosos, no s indica a reao e os produtos em termos de molculas-kg mas tambm em termos de volumes. Por exemplo, se o metano queima com oxignio e reage completamente com tudo permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condies de presso e de temperatura, temos:

Os requisitos de energia da grande maioria dos processos industriais so obtidos originalmente de combustveis convencionais atravs de uma complexa cadeia de reaes denominada combusto.

Felizmente para a maioria das aplicaes, esta situao de combusto potencialmente complicada pode ser reduzida a uma considerao sobre os materiais de partida - combustvel mais oxignio, normalmente como um componente do ar - e os produtos finais.

Tal simplificao facilita por exemplo o clculo do ar ou do oxignio necessrio para um combustvel, o desprendimento potencial de calor e temperatura e a composio ideal dos produtos gasosos de combusto produzido. Este ltimo ponto til ao inverso, em que uma comparao da composio real de gs de combusto com a composio ideal indica o rendimento do processo de combusto.Qualquer combustvel convencional requer, de acordo com sua composio, uma quantidade especfica e calculvel de oxignio (e portanto de ar, uma vez que este o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reao completa. Menos do que essa quantidade vai produzir combusto incompleta e portanto perda de calor potencial. Mais do que essa quantidade, gera perdas excessivas de gs de combusto e da temperatura.Na prtica, um pouco mais do que a quantidade terica usada por razes posteriormente explicadas. Para um material simples tal como o metano, constituinte principal do gs natural, pode ser escrita a equao de combusto:

A rigor, o fenmeno da dissociao vai alterar um pouco esta reao. Isto, de fato, significa a separao de parte dos produtos da combusto em outros compostos que no sejam CO2 e H2O, e consequentemente a perda de calor, de acordo com as condies exatas de equilbrio relacionadas stemperaturas, presses e concentraes. A dissociao tpica do dixido de carbono representada por : 2 CO2 2 CO + O2Na maioria das condies industriais, a dissociao no est muito em evidncia, e, apesar de sua importncia ser reconhecida, ela no levada em conta para os propsitos deste captulo introdutrio. As tcnicas de clculo estabelecidas esto disponveis na literatura especializada.Segue-se da equao que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de oxignio para a reao terica completa. Portanto, convertendo para uma base de massa, 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxignio o que, uma vez que o ar contm 23,2% de oxignio por peso, d uma proporo terica dear/combustvel de 17,25: 1. visto que, em base de volume, 1 volume de metano requer 2 volumes de oxignio de forma que a proporo volumtrica correspondente de ar/combustvel 9,53 : 1 . Tal mistura quimicamente correta uma mistura estequiomtrica.As situaes em que uma equao exata pode ser escrita so poucas e so quase exclusivamente para combustveis gasosos de composio conhecida ou determinada. Exatamente o mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equaes exatas possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os inertes como no-afetados e qualquer oxignio livre na mistura original como disponvel para a combusto.

Desta forma, a reao de combusto pode ser genericamente representada por :CnHmOp + aT (O2 + 3,76 N2) x CO2 + y H2O + z N2x = n

y = m/2

aT = x + y/2 - p

z = 3,76 . aTonde,EXEMPLO-2 : Expresse a equao da reao de combusto para os seguintes compostos :a.) Metil estearato (C19H38O2)b.) Propano (C3H8)c.) Butano (C4H10)d.) Metanol (CH3OH)e.) Etanol (C2H5OH)f.) Otano (C8H18)g.) C12H26O4

CnHmOp + aT (O2 + 3,76 N2) x CO2 + y H2O + z N2a.) C19H38O2 + 26,5 (O2 + 3,76 N2) 19 CO2 + 19 H2O + 99,64 N2

b.) C3H8 + 5 (O2 + 3,76 N2) 3 CO2 + 4 H2O + 18,8 N2

c.) C4H10 + 6,5 (O2 + 3,76 N2) 4 CO2 + 5 H2O + 24,44 N2

d.) CH3OH : CH4O + 1,5 (O2 + 3,76 N2) 1 CO2 + 2 H2O + 5,64 N2

e.) C2H5OH : C2H6O + 3 (O2 + 3,76 N2) 2 CO2 + 3 H2O + 11,28 N2

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

g.) C12H26O4 + 14,5 (O2 + 3,76 N2) 12 CO2 + 13 H2O + 54,52 N2x = ny = m/2aT = x + y/2 p , quando p=paraT = x + y/2 p/2 , quando p=imparZ = 3,76 . aTEXEMPLO-3 : Determine a proporo estequiomtrica de ar/combustvel para o propano (C3H8).C3H8 + aT (O2 + 3,76 N2) 3 CO2 + 4 H2O + z N2aT = x + y/2 p = 3 + 4/2 0 = 5z = 5 x 3,76 = 18,8C3H8 + 5 (O2 + 3,76 N2) 3 CO2 + 4 H2O + 18,8 N2Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de propano so necessrios 5 mols ou volumes de oxignio e consequentemente:

5 (1+ 3,76) = 23,8 volumes de ar atmosfrico.A proporo estequiomtrica de ar/combustvel em uma base de volume , ento : 23,8 : 1A massa de ar necessria O2N2 : (5x32) + (5x3,76x28) = 686,4 kgA massa de propano C3H8 : (1x3x12) + (1x8x1) = 44,0 kgA proporo estequiomtrica de ar/combustvel em uma base de massa , ento : 686,4/44,0 = 15,6 : 1EXEMPLO-4 : Uma amostra de querosene tem uma anlise bsica de 86% de carbono e 14% de hidrognio por peso. Determine a proporo estequiomtrica de ar/combustvel.Tome uma base de clculo de 100 Kg de querosene e converta a quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol:

eA reao estequiomtrica pode ser escrita, fazendo-se o devido balanceamento:7,17 C + 14 H + aT (O2 + 3,76 N2) 7,17 CO2 + 7 H2O + z N2aT = x + y/2 p = 7,17 + 7/2 0 = 10,67z = 10,67 x 3,76 = 40,127,17 C + 14 H + 10,67 (O2 + 3,76 N2) 7,17 CO2 + 7 H2O + 40,12 N2A massa de ar necessria O2N2 : (10,67x32) + (10,67x3,76x28) = 1464,8 kgA proporo estequiomtrica de ar/combustvel em uma base de massa , ento : 1464,8/100 = 14,6 : 1Observe que nenhuma referncia, qualquer que seja, feita maneira em que o carbono e o hidrognio so ou podem estar combinados no querosene. EXEMPLO-5 : Um combustvel fssil tem uma composio em peso de: Carbono, 72,0%; Hidrognio, 14,0%, Oxignio, 8,0%; Nitrognio, 2,8%; Enxofre, 3,2%. Determine a proporo estequiomtrica de ar/combustvel.Constituintes do combustvel C H O N SKg-constituinte/100 kg de combustvel 72 14 8 2,8 3,2Kg-mol de cada 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1A reao estequiomtrica pode ser escrita, fazendo-se o devido balanceamento:6,0 C + 14,0 H + 0,5 O + 0,2 N + 0,1 S + aT (O2 + 3,76 N2) 6,0 CO2 + 7 H2O + 0,1 SO2 + z N2aT = 6,0 + 7/2 + 0,1 0,5/2 = 9,35 z = 9,35 x 3,76 0,2/2 = 35,16,0 C + 14,0 H + 0,5 O + 0,2 N + 0,1 S + 9,35 (O2 + 3,76 N2) 6,0 CO2 + 7 H2O + 0,1 SO2 + 35,1 N2A massa de ar necessria O2N2 : (9,35x32) + (35,1x28) = 1282 kgA proporo estequiomtrica de ar/combustvel em uma base de massa , ento : 1282/100 = 12,8 : 1Observe que se assume que o contedo de enxofre est convertido em dixido de enxofreEXEMPLO-6 : Para o exemplo-5, qual ser a relao Ar/Combustvel se um excesso de 20% em ar seradicionado para a combusto.Se um clculo for feito para incluir uma quantidade de ar em excesso, o procedimento como o de cima, com um fator de excesso sendo introduzido na ltima etapa.

Vamos definir aqui o coeficiente de excesso de ar como a relao entre o n de moles realmente utilizado na combusto e o n de moles estequiomtricamente necessrio:

A proporo Ar/Combustvel com 20% de excesso de ar = 12,8 x 1,20 = 15,36 : 1EXEMPLO-7 : O GLP apresenta 50% em volume de gs propano (C3H8) e 50% de gs butano (C4H10). Calcular a relao Ar/Combustvel, o volume de ar terico para a combusto de 1 litro de GLP a 27 C e 700 mmHg e a emisso de CO2.0,5 C3H8 + 0,5 C4H10 + aT (O2 + 3,76 N2) 3,5 CO2 + 4,5 H2O + z N2aT = 3,5 + 4,5/2 - 0 = 5,75 z = 5,75 x 3,76 = 21,620,5 C3H8 + 0,5 C4H10 + 5,75 (O2 + 3,76 N2) 3,5 CO2 + 4,5 H2O + 21,62 N2A massa de GLP para a combusto de 1 litro = (0,5x44) + (0,5x58) = 51 kgA massa de ar necessria O2N2 : (5,75x32) + (21,62x28) = 789,36 kgA proporo estequiomtrica de ar/combustvel em uma base de massa , ento : 789,36/51 = 15,5 : 1Para a combusto de 1 litro de GLP , necessita-se nas condies de CNTP (0 C , 760 mmHg) de 5,75 litros de O2e 21,62 de N2 , ou seja, de 5,75+21,62 = 27,37 litros de Ar (T = 0 C = 273 K).

(27,38 x 760)/273 = (V2 x 700)/300 --> V2 = (27,38 x 760 x 300) / (700 x 273) = 32,67 litrosAr real adicionado = 32,67 litros , a 700 mmHg e 27 .

Emisso de CO2 , ECO2 = 3,5 x 44 = 154 kgEXEMPLO-8 : Um sistema de combusto alimentado com uma mistura gasosa (MG) e ar, conforme os dados. Calcular as vazes do sistema.Dados :MG1000mol/minCO40%H220%H2S10%CH410%C2H610%O25%N25%Exc. Ar30%MGArGases deCombustoCombusto400 CO + 200 H2 + 100 H2S + 100 CH4 + 100 C2H6 + 50 O2 + 50 N2 + aT (O2 + 3,76 N2) 700 CO2 + 800 H2O + 100 SO2 + z N2aT = (1400 + 800 + 200 400 - 100)/2 = 950 z = 950 x 3,76 + 50 = 3622400 CO + 200 H2 + 100 H2S + 100 CH4 + 100 C2H6 + 50 O2 + 50 N2 + 950 (O2 + 3,76 N2) 600 CO2 + 800 H2O + 100 SO2 + 3622 N2Ar terico adicionado O2 + N2 = 950 + 3572 = 4572 mol/minExcesso de ar adicionado O2 + N2 = 285 + 1072 = 1357 mol/minAr total adicionado O2 + N2 = 1235 + 4646 = 5881 mol/minc - Fluxograma Final Simplificado do ProcessoMG1000CO400H2200CO2700mol/minH2S100SO2100mol/minCH4100H2O800mol/minC2H6100O2285mol/minO250N24696mol/minN2506581Ar5881O21235N24646d - Relao Ar / CombustvelR = ( 5.881 mol/min / 1.000 mol/min ) = 5,881 e - Emisso de CO2 - ECO2 (kg/h)ECO2 = 700 mol/min . 1 kmol/1000 mol . 44 kg/kmol . 60 min/h = 1.848 kg/hCombustoEXEMPLO-9 : Um motor de automvel est sendo alimentado com alcool metlico puro, utilizando-se 10% de ar em excesso relativamente ao terico. Realizada a queima completa do combustvel, uma amostra de gases de combusto removida do cano de escape e cuidadosamente analisada num aparelho de ORSAT.Que anlise de ORSAT esperamos obter ?

1 CH4O + 1,1.aT (O2 + 3,76 N2) 1 CO2 + 2 H2O + z N2 + e O2aT = 1 + 2/2 1/2 = 1,5e = 1,1x1,5 1,5 = 0,15z = 1,1x1,5x3,76 = 6,2041 CH4O + 1,1 . 1,5 (O2 + 3,76 N2) 1 CO2 + 2 H2O + 6,204 N2 + 0,15 O2EM BASE MIDA : MOL %CO2 1,000 10,70 H2O 2,000 21,40N2 6,204 66,30O2 0,150 1,60Total 9,354 100 EM BASE SECA (ORSAT) : MOL %CO2 1,000 13,60 N2 6,204 84,40O2 0,150 2,00Total 7,354 100 EXEMPLO-10 : Utilizando o PC do Combustvel :Vazo de Cinza = 500 x 0,07 = 35 kg/g ResduoComposio do Resduo : 8% MV , 11% CF e 81% de cinzas.Vazo de Resduo = 35 / 0,81 = 43,2 kg/he Combustvel no Resduo = (0,08 + 0,11) . 43,2 = 8,2 kg/hComposio do Carvo : 31% MV , 42% CF e 7% cinzas CombustvelCombustvel total no carvo = (0,31 + 0,42) . 500 = 365 kg/h% Combustvel que se perde = (8,2/365) . 100 = 2,2% PerdasEnergia Perdida = 500 . 7500 . 0,022 = 82.500 Kcal/hUm carvo com PCI = 7500 kcal/kg, contm 31% de MV, 42% de CF e 7% de cinza.Durante a operao, verifica-se que o resduo contm 8% de MV, 11% de CF e o restante de cinza.Calcular a energia perdida com o combustvel que passa pela grelha numa alimentao de 500 kg/h de carvo.Para verificar o grau de eliminao da MV no resduo, calcula-se a relao (CF/MV) no carvo e no resduo :(CF/MV)carvo = 42/31 = 1,355 e (CF/MV)resduo = 11/8 = 1,355As relaes so praticamente iguais, demonstrando que o carvo passou pela grelha antes de ser coqueificado.

3.4 ESTUDO DA COMBUSTO ATRAVS DAS ANLISES DOS GASESA anlise dos fumos nos permite conhecer, por um balano do nitrognio, o ar alimentado e o excesso de ar empregado.

necessrio apenas que o combustvel no tenha nitrognio em quantidades apreciveis e que todos os elementos gaseificveis do combustvel apaream nos gases, isto , no dever haver perdas de combustvel no resduo, nem na produo de fuligem e alcatro.

Assim sendo, o nitrognio funciona como elemento-chave para relacionar as quantidades e de fumos. Da mesma forma o carbono o elemento chave para relacionar o combustvel com os gases quando todo o carbono gaseificado durante a combusto.

D-se o nome de ar terico de combusto quantidade de ar seco (79% de nitrognio e 21% de oxignio em volume) necessria para queimar completamente o combustvel, passando todo o carbono a gs carbnico e todo o hidrognio a gua. Se o combustvel encerrar enxofre , este elemento passar a SO2.

O ar a mais, alimentado, constitui o excesso, que se mede em porcentagem relativa ao terico. assim, o ar em excesso poder mesmo ser at superior a 100%, desde que se empregue mais do que o dobro do ar terico. Mesmo quando, durante a combusto, uma parte do carbono passa a monxido , o ar em excesso dever ser calculado com base na oxidao de todo carbono a gs carbnico.EM BASE SECA (ANLISE ORSAT)CO2 a O2 = a CO b O2 = bO2 e O2 = eN2 z O2-Total = z x 21/79 H2O - O2(H2O) = (O2Totalabe)Total 100 (c=H2O = 2xO2(H2O)) w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2EM BASE MIDA : c/(1-c) = c c = c.(1-c)a/(1-c) = a a = a.(1-c)b/(1-c) = b b = b.(1-c)e/(1-c) = e e = e.(1-c)z/(1-c) = z z = z.(1-c)Total...........................100aT = a+b/2+c/2 Excesso Ar = [(aT+e)/aT - 1]x100E = (aT+e)/aTw = a+bh = cResumindo, a partir da anlise Orsat (base seca) , calcula-se a quantidade de mol de gua (c), e a partirde c, calcula-se os coeficientes estequiomtricos em base mida. Abaixo, o esquema de clculo :EXEMPLO-11 : Uma caldeira queima leo combustvel seco. Os fumos saem da chamin e sua anlise mdia em base seca 11,2% CO2 , 0,4% CO e 6,2% O2. Admitindo que o leo combustvel seja constitudo inteiramente de hidrocarbonetose desprezando a formao de fuligem, calcular : Porcentagem de Ar em excesso Composio do leo Queimado Fumos por ORSATCO211,2% Ar Seco a 65 FCO0,4% Fumos a 560 FO26,2% PCI 18700 Btu/lbEM BASE SECA :CO2 11,2 O2 = 11,2 CO 0,4 O2 = 0,2O2 6,2 O2 = 6,2N2 82,2 O2-Total = 82,2 x 21/79 = 21,85 H2O - O2 = (21,8511,20,26,2) = 4,25Total 100 (H2O = 8,5 moles) ( c = 8,5) w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2EM BASE MIDA : c/(1-c) = 8,5 c = 8,5x0,915 c = 7,78a/(1-c) = 11,2 a = 11,2x0,922 a = 10,33b/(1-c) = 0,4 b = 0,4x0,922 b = 0,37e/(1-c) = 6,2 e = 6,2x0,922 e = 5,72z/(1-c) = 82,2 z = 82,2x0,922 z = 75,79Total.......................................................10010,70 C + 7,78 H2 + 1,396x14,42 (O2 + 3,76 N2) 10,32 CO2 + 0,37 CO + 7,78 H2O + 75,769N2 + 5,72 O2aT = 10,33 + 0,37/2 + 7,78/2 = 14,41E = (14,41+5,72)/14,41 = 1,397 Excesso de Ar = 39,7%Composio em massa do leo combustvel C/H = (10,70x12)/(7,78x2x1) = 128,4/15,56 C/H = 8,25 = 89,2%/10,8% w = 10,33+0,37 = 10,70h = c = 7,78EXEMPLO-12 : Utilizando Composio dos Combustveis e dos Fumos :Um carvo com 80% de carbono, 6% de umidade e teores desprezveis de enxofre e nitrognio queimado com ar seco, sem perdas, fornecendo fumos cuja anlise de Orsat revela 12% de CO2, 2% de CO e 6% de O2 a presso de 700 mmHg. Calcular a presso parcial do vapor de gua nos fumos. EM BASE SECA :CO2 12,0 O2 = 12,0 CO 2,0 O2 = 1,0O2 6,0 O2 = 6,0N2 80,0 O2-Total = 80,0 x 21/79 = 21,27 H2O - O2 = (21,2712,01,06,0) = 2,27Total 100 (H2O = 4,5 moles) ( c = 4,5) w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2EM BASE MIDA : c/(1-c) = 4,5 c = 4,5x0,955 c = 4,30a/(1-c) = 12,0 a = 12,0x0,957 a = 11,46b/(1-c) = 2,0 b = 2,0x0,957 b = 1,91e/(1-c) = 6,0 e = 6,0x0,957 e = 5,73z/(1-c) = 80,0 z = 80,0x0,957 z = 76,40Total........................................................10013,37 C + 4,30 H2 + 1,393x14,565 (O2 + 3,76 N2) 11,46 CO2 + 1,91 CO + 4,30 H2O + 76,40 N2 + 5,73 O2aT = 11,46 + 1,91/2 + 4,30/2 = 14,565E = (14,565+5,73)/14,565 = 1,393 Excesso de Ar = 39,3%w = 11,46+1,91 = 13,37h = c = 4,30Presso Parcial do Vapor de gua nos Fumos = (4,97/100) x 700 = 34,8 mmHggua contida no carvo = (13,37x12/0,80) x 0,06 = 12,03 kg 12,03/18 = 0,67 , ento o Total gua = 4,30+0,67 = 4,97EXEMPLO-13 : Utilizando Composio dos Fumos :Um hidrocarboneto gasoso puro alimenta-se a 20 C a um forno, onde queimado, fornecendo fumos a 450 C e presso atm, contendo 10,8 % de CO2 e 3,8% de O2, sendo restante constitudo de nitrognio. Calcular :1-A relao entre o C e H do Combustvel e se possvel o nome e frmula do combustvel 2-A relao volumtrica (fumos/combustvel), nas condies de operao 3-A vazo de fumos, em m3/min, sabendo-se que o combustvel alimentado a 210 kg/h .EM BASE SECA :CO2 10,8 O2 = 10,8 O2 3,8 O2 = 3,8N2 85,4 O2-Total = 85,4 x 21/79 = 22,70 H2O - O2 = (22,7010,83,8) = 8,1Total 100 (H2O = 16,2 moles) ( c = 16,2) w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2EM BASE MIDA : c/(1-c) = 16,2 c = 16,2x0,8380 c = 13,58a/(1-c) = 10,8 a = 10,8x0,8642 a = 9,33b/(1-c) = 0,0 b = 0,0x0,8642 b = 0,00e/(1-c) = 3,8 e = 3,8x0,8642 e = 3,28z/(1-c) = 85,4 z = 85,4x0,8642 z = 73,80Total.........................................................1009,33 C + 13,58 H2 + 1,20x16,12 (O2 + 3,76 N2) 9,33 CO2 + 0,00 CO + 13,58 H2O + 73,80 N2 + 3,28 O2aT = 9,33 + 0,00/2 + 13,58/2 = 16,12E = (16,12+3,28)/16,12 = 1,20 Excesso de Ar = 20,0 %w = 9,33+0,00 = 9,33h = c = 13,589,33 C + 13,58 H2 + 1,20x16,12 (O2 + 3,76 N2) 9,33 CO2 + 0,00 CO + 13,58 H2O + 73,80 N2 + 3,28 O21-) Frmula do hidrocarboneto H/C = (13,58x2)/9,33 = 2,91 ~ 3,0 CnH3n : C2H6 , Etano2-) Relao Molar ou Volumtrica (fumos/combustvel), nas condies de operao :4,62 C2H6 + 1,20x16,12 (O2 + 3,76 N2) 9,33 CO2 + 0,00 CO + 13,58 H2O + 73,80 N2 + 3,28 O2Patm . Vf = Nf . R . Tf Vf = Nf . Tf = 100 . (450+273) = 100 x 723 = 53,4Patm . Vc Nc . R . Tc Vc Nc . Tc 4,62 . ( 20+273) 4,62 x 2933-)A vazo de fumos, em m3/min, sabendo-se que o combustvel alimentado a 210 kg/h (C2H6 , PM = 30 kg/kmol) Vfumos (m/min) = 210 kg-comb/h . 1h/60min . 1 kg-mol-comb/30 kg-comb . 22,4 m-f/kg-mol-f . 100 kg-mol-f/4,62 kg-mol-comb . 723 K/293 K Vfumos = 140 m/min EXEMPLO-14 : Utilizando Composio dos Combustveis e dos Fumos :Um turbojato opera a uma altitude onde a presso baromtrica de 500 mmHg, utilizando um combustvel com 87% de carbono, e 13% de hidrognio, em peso. Ar alimentado seco a -10 C.A anlise de Orsat dos gases de combusto foi realizada a 20 C e 750 mm Hg, dando o seguinte resultado : CO2 14,9% , O2 0,9% , N2 84,2% . De sua opinio sobre as anlises acima mencionadas e calcule a relao (m-ar / kg.combustvel) nas condies de operao. EM BASE SECA :CO2 14,9 O2 = 14,9 O2 0,9 O2 = 0,9N2 84,2 O2-Total = 84,2 x 21/79 = 22,38 H2O - O2 = (22,3814,90,9) = 6,58Total 100 (H2O = 13,16 moles) ( c = 13,16) w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2EM BASE MIDA : c/(1-c) = 13,16 c = 13,16x0,8684 c = 11,43a/(1-c) = 14,90 a = 14,90x0,8857 a = 13,20b/(1-c) = 0,0 b = 0,0x0,8857 b = 0,00e/(1-c) = 0,9 e = 0,90x0,8857 e = 0,80z/(1-c) = 84,2 z = 84,2x0,8857 z = 74,60Total............................................................10013,20 C + 11,43 H2 + 1,04x18,92 (O2 + 3,76 N2) 13,20 CO2 + 0,00 CO + 11,43 H2O + 74,60 N2 + 0,80 O2aT = 13,20 + 0,00/2 + 11,43/2 = 18,92E = (18,92+0,80)/18,92 = 1,04 Excesso de Ar = 4,0 %w = 13,20+0,00 = 13,20h = c = 11,43a-) Anlise dos clculos Relao [C]/[H2] do combustvel = (87/12) / (13/2) = 7,25/6,5 = 1,1154 Diferena de 3,5% , Relao [C]/[H2] calculada pelos fumos = (13,2) / (11,43) = 1,1549 b.) Quantidade de Ar = 13,20 + 11,43/2 + 74,60 + 0,80 = 94,32 kmol Volume de Ar = 22,4 m/kmol . 94,32 kmol = 2112,8 Nm (0 e 760 mmHg) Volume de Ar : (760 x 2112,8)/273 = (500 x Vreal)/263 Vreal = (263 x 760 x 2112,8)/(273 x 500) = 3094 m (-10 C e 500 mmHg)

Quantidade de Combustvel = 13,2 kmol . 12 kg-C/kmol . 1 kg-combustvel/0,87 kg-C Quantidade de Combustvel = 182,1 kg-combustvel

Relao (m-Ar / kg-Combustvel) = 3094/182,1 = 17,0 m/kgEXEMPLO-15 : Utilizando Composio dos Fumos :Um combustvel seco, sem nitrognio, queimado num forno, de modo a produzir fumos que , num aparelho de ORSAT , revelam conter 11% de CO2, 3% de CO, 6% de O2 e 80% de N2 . Calcular a porcentagem de ar em excesso empregado na combusto e uma provvel frmula para o combustvel.EM BASE SECA :CO2 11,0 O2 = 11,0 CO 3,0 O2 = 1,5O2 6,0 O2 = 6,0N2 80,0 O2-Total = 80,0 x 21/79 = 21,27 H2O - O2 = (21,2711,01,56,0) = 2,77Total 100 (H2O = 5,54 moles) ( c = 5,54) w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2EM BASE MIDA : c/(1-c) =5,54 c = 5,54x0,945 c = 5,24a/(1-c) = 11,0 a = 11,0x0,948 a = 10,43b/(1-c) = 3,0 b = 3,0x0,948 b = 2,84e/(1-c) = 6,0 e = 6,0x0,948 e = 5,69z/(1-c) = 80,0 z = 80,0x0,948 z = 75,84Total........................................................10013,27 C + 4,30 H2 + 1,393x14,47 (O2 + 3,76 N2) 10,43 CO2 + 2,84 CO + 5,24 H2O + 75,84 N2 + 5,69 O2aT = 10,43 + 2,84/2 + 5,24/2 = 14,47E = (14,47+5,69)/14,47 = 1,393 Excesso de Ar = 39,3%w = 10,43+2,84 = 13,27h = c = 5,24(C)/(H) = 13,27/(4,3x2) = 1,54 [C3H2]n Um motor de automvel, trabalhando a presso atmosfrica, utiliza gasolina que contm 88% de carbono e 12 % de hidrognio em peso. a-) Calcular a anlise de ORSAT dos gases de escape, a massa de ar seco requerida por quilo de combustvel, o volume de ar a 20 C e o volume de gases de escape a 600 C. Considere combusto completa com o ar seco teoricamente necessrio. b-) Repetir os clculos para combusto realizada com 90% do ar terico, em condies tais que o oxignio seja completamente consumido e que a relao molar (CO/H2) nos gases de combusto seja igual a 2.EXEMPLO-16 - Utilizando Composio dos Combustveis :7,33 C + 6,00 H2 + 10,33 (O2 + 3,76 N2) 7,33 CO2 + 6,00 H2O + 38,84 N2Composio do Combustvel em Base Molar (base 100 kg) : C = 88/12 = 7,33 kmol e H2 = 12/2 = 6 kmol a.)EM BASE MIDA : MOL %CO2 7,33 14,05 H2O 6,00 11,50N2 38,84 74,45O2 0,00 0,00Total 52,17 100 EM BASE SECA (ORSAT) : MOL %CO2 7,33 15,88 N2 38,84 84,12O2 0,00 0,00Total 46,17 100 Massa Ar Seco = (10,33x32) + (10,33x3,76x28) = 1418 kgMassa de Combustvel = 100 kgAr/Combustvel = 1418/100 = 14,18Volume de Ar CNTP = 22,4 Nm/kmol . 49,17 kmol = 1101,4 NmVolume de Ar a 20 C = (760x293x1101,4)/(760x273) = 1182 mVolume de Gases CNTP = 22,4 Nm/kmol . 52,17 kmol = 1169 NmVolume de Gases a 600 C = (760x873x1169)/(760x273) = 3738 m7,33 C + 6,00 H2 + 9,30 (O2 + 3,76 N2) 5,96 CO2 + 1,37 CO + 0,69 H2 + 5,31 H2O + 34,97 N2b.) 90% do ar terico e relao molar CO/H2 =2 : Ar terico = 0,90 x 10,33 = 9,30 kmol EM BASE MIDA : MOL %CO2 5,96 12,33CO 1,37 2,84H2 0,69 1,43H2O 5,31 11,00N2 34,97 72,40O2 0,00 0,00Total 48,30 100 EM BASE SECA (ORSAT) : MOL %CO2 5,96 13,86CO 1,37 3,19H2 0,69 1,61N2 34,97 81,34O2 0,00 0,00Total 42,99 100 Massa Ar Seco = (9,30x32) + (9,30x3,76x28) = 1277 kgMassa de Combustvel = 100 kgAr/Combustvel = 1277/100 = 12,77Volume de Ar CNTP = 22,4 Nm/kmol . 44,27 kmol = 991,6 NmVolume de Ar a 20 C = (760x293x991,6)/(760x273) = 1064 mVolume de Gases CNTP = 22,4 Nm/kmol . 48,30 kmol = 1082 NmVolume de Gases a 600 C = (760x873x1082)/(760x273) = 3460 mCO = x kmolO2-terico = 9,30 = (7,33-x) + x/2 + (O2-gua) (O2-gua) = 1,97 + x/2

(H2-gua) = 2 . (O2-gua) = 3,94 + x(H2-livre) = 6,00 (H2-gua) = 6,00 3,94 x = 2,06 x

CO/H2 = 2 = x/(2,06 x) x = 4,12 2.x x = 4,12/3 = 1,37

Calcular as perdas de energia pelos gases de combusto de um forno alimentado com carvo encerrando 80% de carbono e poder calorfero inferior igual a 7900 kcal/kg, sabendo que os mesmos saem pela chamin a 700 C, com a seguinte composio : CO2 = 10% , CO = 2% , N2 = 80% , O2 = 3% e H2O = 5%.D suas recomendaes sobre as possibilidades de reduzir as perdas.CO + 0,5 O2 ----> CO2 H = - 67,9 kcal/molEXEMPLO-17 : Utilizando Composio dos Combustveis e dos Fumos :Dados :Gases de Sada da Combusto 700 C Alimentao com Carvo Composto%100 kmolEntalpia,ref.18C - kcal/kmol.C PCI = 7900 kcal/kgCO212,212,211,35 Com 80% de CarbonoCO2,42,47,35N275,675,67,28O23,73,77,70H2O6,16,18,7614,6 C + 6,1 H2 + 1,224 . 16,5 . (O2 + 3,76 N2) 12,2 CO2 + 2,4 CO + 6,1 H2O + 75,6 N2 + 3,7 O2aT = 12,2+ 2,4/2 + 6,1/2 = 16,5E = (16,5+3,7)/16,5 = 1,224 Excesso de Ar = 22,4%w = 12,2+2,2 = 14,6h = c = 6,1w C + h H2 + E.aT (O2 + 3,76 N2) a CO2 + b CO + c H2O + z N2 + e O2Quantidade de C queimado = 12,2 kmol x 12 kg/kmol = 146,4 kg

Quantidade de Carvo queimado = 146,4 kg / 0,80 = 183 kg

Energia liberada na combusto = 183 kg x 7900 kcal/kg = 1445700 kcal

Entalpia de aquecimento dos gases :Hp = (12,2 x 11,35 + 2,4 x 7,35 + 75,6 x 7,28 + 3,7 x 7,70 + 6,1 x 8,76) . (700 - 18) = 537692 kcal

Entalpia de combusto do CO no-queimadoHco = 2,4 kmol x 67,9 kcal/mol x 1000 mol/kmol = 162960 kcal

Entalpia total dos gases (fumos) = 537692 + 162960 = 700652 kcal

Perda total de energia pela chamin = (700652 x 100) / 1445700 = 48,5 %

Recomendaes para reduzir perdas : -Deve-se alimentar mais ar de combusto, de modo a reduzir a quantidade de CO presente nos fumos reduzindo a perda em 20% -Com a entalpia dos fumos pode-se pr-aquecer o ar alimentado ou produzir vapor.Um forno experimental queima metano com a quantidade terica de ar, no entanto, devido problemas de construo a reao de combusto no se completa integralmente. Dez por cento do carbono queimado formam CO, o restante passando a CO2. No se forma fuligem e alcatro. O metano alimentado a 25 C e o ar, com 30% de umidade, preaquecido a 80 C. Os fumos saem do forno a 450 C.Calcular a porcentagem do metano alimentado que realmente alimentado no forno.Dados :Presso baromtrica : 700 mmHg , Presso de Vapor da gua a 80 C : 355 mmHg Base : 1 kmol de CH4 alimentado. Seja x a frao de metano que realmente se queima no forno. EXEMPLO-18 : Utilizando Composio dos Combustveis e dos Fumos :a-) Equaes do sistema : CH4 + 2 O2 ------> CO2 + 2 H2O CH4 + 1,5 O2 ------> CO + 2 H2OClculos Estequiomtricos :ReagentesProdutosCompkmolO2(kmol)CO2COO2H2ON2CH4x(2.(0,9x) + 1,5.(0,1x) 0,9 x0,1 x2 - O2comb2 xN2O2 .79/21 -.O2 . 79/21TotalTotal O2 terico = 2 kmolAr = 9,52 kmolMetano no queimado = (1-x) N2 = 2 . 79/21 = 7,52 kmol