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ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA
Complementos de Química aplicada
Fontes renováveis e não renováveis
Combustão
Combustíveis
Comburente
Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI
S.J. dos Campos
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Energia: fontes
renováveis
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Histórico
• Entende-se por energia a capacidade de realizar trabalho.
• Fontes de energia, portanto, são elementos que podem produzir ou multiplicar o
trabalho: os músculos, o sol, o fogo, o vento etc.
• Depois da própria força humana, a primeira fonte de energia que o homem
utilizou foi o fogo (de 50 000 a.C).
• A utilização da força do vento, principalmente para a navegação, deve ter
começado em torno do ano 2 000 a.C.
• O aproveitamento da água, da força hidráulica para mover moinhos, iniciou-se
em torno do século II a.C.
• A partir do ano 1000 d.C. começa a exploração mais intensa do carvão mineral
(a hulha, inicialmente).
• Por volta do final do século XIX, surge a eletricidade, o desenvolvimento dos
motores a gasolina ou demais derivados do petróleo e, conseqüentemente, um notável
desenvolvimento nas explorações petrolíferas.
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Histórico
• Em meados do século XX, surgiu a energia nuclear, sendo que a fissão nuclear
(obtenção da energia nuclear) foi utilizada inicialmente para fins militares,
durante a 2a Guerra Mundial.
• A enorme participação das fontes não-renováveis na oferta mundial de energia
coloca a sociedade diante de um desafio: a busca por fontes alternativas de
energia.
• Deverão coexistir várias fontes de energia, principalmente as renováveis e
pouco poluidoras, e ainda aquelas de origem biológica que deverão conhecer uma
maior expansão nas próximas décadas.
• Na área da engenharia, a administração da energia tornou-se uma das
principais funções do engenheiro, já que a mesma representa, na maioria das
vezes, a maior parcela na composição do custo da produção, além da interação
com todos os processos que envolvem a geração, a transformação, a conservação e
o uso racional da energia.
• A Química estão afetos: o processo de Combustão, que continua sendo o
principal processo de geração de energia usado pela humanidade além da Corrosão
e Proteção contra a Corrosão que se traduz num processo de conservação de
energia.
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Fontes de energia
• Cerca de 99 % da energia térmica utilizada pelos ecossistemas provém
das radiações solares as quais constituem a principal fonte de energia da
Terra.
• O restante da energia é obtido de fontes primárias e transformado
pelo homem em outras formas, como energia mecânica, elétrica, energia
térmica e química.
• Os recursos energéticos primários são classificados em renováveis e não
renováveis.
Fontes renováveis
• Energia limpa
• 1% da geração mundial
• Proposta brasileira para 10% até 2010
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Vídeos 1
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Energia das marés
• Uma das alternativas para a produção de energia elétrica é o aproveitamento
das variações do nível das marés, em lugares onde a diferença é grande.
• Neste século, o aproveitamento das marés para gerar energia elétrica é uma
das alternativas estudadas.
• As usinas que aproveitam as variações de nível entre as marés são chamadas de
usinas maremotrizes.
• No momento, a maior parte das usinas existentes é em escala semi-experimental que
mostraram ser anti-econômico esse tipo de aproveitamento.
• São poucos os locais que permitem aproveitar de forma econômica esse tipo de
energia.
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Energia Geotérmica
• O calor existente no interior da terra tem sido aproveitado há muitos anos nas
regiões vulcânicas constituindo assim uma outra forma de energia alternativa.
• Abrem-se buracos fundos no chão até chegar aos reservatórios de água e
vapor que pode atingir os 370 ºC, são drenados até á superfície por meio de
tubulação apropriada.
• Através da tubulação o vapor é conduzido até central elétrica normal, o vapor
faz girar as lâminas da turbina.
• A energia mecânica da turbina é então transformada em energia elétrica por
meio do gerador.
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Energia Geotérmica
• Após passar pela turbina o vapor é conduzido para um tanque de resfriamento.
A água condensada é novamente canalizada para o reservatório subterrâneo, onde
será naturalmente aquecida pelas rochas quentes, mantendo-se a produção.
• Estima-se que, atualmente, estes tipos de centrais satisfazem as necessidades
energéticas de cerca de 60 milhões de pessoas em 21 países.
• A água aquecida geotermicamente é utilizada para piscicultura, agricultura,
aquecimento de casas, processos industriais (secagem de madeira e de alimentos)
e etc.
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Energia Solar
• A energia solar também pode ser usada para produzir eletricidade.
• Alguns sistemas solares, como o que está na figura, usam um refletor alto e
côncavo como uma parabólica para focar a luz do sol nos tubos; estes aquecem
tanto que a água ferve. O vapor pode ser usado para girar uma turbina e produzir
eletricidade.
• O problema do sistema solar elétrico é que apenas funciona durante o dia,
enquanto o sol aquece. Por isso, com o tempo nublado ou á noite não se gera
energia elétrica.
• Alguns sistemas são duplos, ou seja, durante o dia a água é aquecida pelo sol e
á noite usa-se gás natural para a ferver; deste modo, continua-se a produzir
eletricidade.
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Energia de biogás
• Atribui-se o nome de biogás (também conhecido como gás dos pântanos) à
mistura gasosa combustível, resultante da fermentação anaeróbica da matéria
orgânica.
• De qualquer forma, esta mistura é essencialmente constituída por metano
(CH4), com valores médios na ordem de 55 a 65% em volume, e por dióxido de
carbono (CO2), com aproximadamente 35 a 45% de sua composição.
• O seu poder calorífico está diretamente relacionado com a quantidade de
metano existente na mistura gasosa.
• A produção do biogás é naturalmente encontrada em pântanos, aterros e
esgotos entre outros.
• Atualmente, existem duas situações possíveis para o aproveitamento do biogás.
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Energia de biogás
• O primeiro caso consiste na queima direta (aquecedores, fogões, caldeiras).
• O segundo caso diz respeito à conversão de biogás em eletricidade. Isto
significa que o biogás permite a produção de energia elétrica e térmica.
• Em São Paulo o biogás chegou a ser utilizado, experimentalmente, em
caminhões de coleta de lixo.
• Pode ser considerada uma das fontes energéticas mais econômicas e de fácil
aquisição pelas pequenas propriedades rurais e pode ser usado em motores,
geradores, motopicadeiras, resfriadores de leite, aquecedor de água, geladeira,
fogão, lampião, lança-chamas entre outros.
• Numa análise global, o biogás é um gás incolor, geralmente inodoro (se não
contiver demasiadas impurezas ) e insolúvel em água.
• Devido a presença do metano, é um gás combustível, sendo o seu poder
calorífico inferior (P.C.I.) cerca de 5500 Kcal/m3, quando a proporção em metano
é aproximadamente 60 %.
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Energia de biogás
• É um gás de baixa densidade, mais leve que o ar, e contrariamente ao butano e
ao propano, traz menores riscos de explosão já que sua acumulação se torna mais
difícil.
• O biogás, em condições normais de produção, devido ao seu baixo teor de
monóxido de carbono (inferior a 0,1 %) não é tóxico. Por outro lado, o metano
obtido é muito corrosivo devido às impurezas que contém.
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Energia de biomassa
• É o conjunto de organismos que podem ser aproveitados como fontes de energia: a
cana-de-açúcar, o eucalipto e a beterraba (dos quais se extrai álcool), diversos tipos de
árvores (lenha e carvão vegetal), alguns óleos vegetais (mamona, amendoim, soja,
dendê), etc
• Provavelmente as principais fontes de energia do século XXI serão de origem
biológica, produzidas a partir da biotecnologia.
• Trata-se de matéria vegetal produzida pelas radiações solares, por meio da
fotossíntese. Pode ser queimada no estado sólido, como no caso da lenha, ou ser
convertida em combustível gasoso ou líquido como metanol e etanol.
• A grande quantidade de umidade existente na biomassa, bem como a produção de
monóxido de carbono (CO) e material particulado na queima da madeira, são aspectos
desvantajosos.
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Energia de biomassa
• No Brasil, na década de 70, em conseqüência da crise do petróleo, foi desenvolvido o
Proálcool, com a produção de álcool etílico carburante a partir da cana de açúcar.
• O Brasil possui um enorme potencial de fontes de biomassa: bagaço de cana,
resíduos agrícolas, apara de madeira, esgoto e lixo. A maior parte é queimada a
céu aberto, gerando poluição ambiental.
• Desse modo, a mesma fonte de combustível atende a duas finalidades: produz o
vapor e a energia elétrica.
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Energia Aeólica
• A energia cinética do vento é uma fonte de energia abundante e renovável, limpa e
disponível em todos os lugares.
• A utilização desta fonte para a geração de eletricidade, em escala comercial, teve
início há pouco mais de 30 anos e pode ser transformada em energia mecânica e
elétrica.
• No Brasil, o aproveitamento dos recursos eólicos tem sido feito tradicionalmente
com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento de água.
• O vento forte pode rodar as lâminas de uma turbina adaptada para o vento (em vez
do vapor ou da água é o vento que faz girar a turbina).
• A ventoinha da turbina está ligada a um eixo central que contém em cima um fuso
rotativo. Este eixo chega até uma caixa de transmissão onde a velocidade de rotação é
aumentada.
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Energia Aeólica
• O gerador ligado ao transmissor produz energia elétrica.
• A capacidade instalada no Brasil não chega atualmente a 25 MW, com turbinas
eólicas de médio e grande porte conectado à rede elétrica.
• Em janeiro de 2004 foram instaladas pela Petrobrás na praia de Soledade, no
município de Macau, Rio Grande do Norte, 3 turbinas eólicas que juntas vão gerar 1,8
MW.
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Gás hidrogênio
• Apesar de o hidrogênio ser uma grande fonte de energia, a idéia do seu uso
como combustível passou a ser cogitada a partir da década de 1970, com a crise
provocada pelo aumento do preço do petróleo.
• A crise e os níveis alarmantes de poluição ambiental mobilizaram a comunidade
internacional, trazendo à tona a conversão eletroquímica de energia, com o uso de
células a combustível.
• São sistemas eletroquímicos que convertem a energia química diretamente em
energia elétrica, a partir de um combustível (hidrogênio) e um oxidante (oxigênio).
• São sistemas que apresentam inúmeras vantagens, tais como: alta
eficiência, operação limpa e silenciosa,
resposta rápida de carga,
confiabilidade, manutenção reduzida e flexibilidade
quanto
ao
combustível.
• O grande problema do uso desse tipo de combustível é o custo da produção do
mesmo, que pode ser feita a partir de carvão ou gás natural, calor e eletricidade.
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Gás hidrogênio
• Além disso, apresenta balanço energético negativo, ou seja, a quantidade de energia
gerada na sua queima é menor que a quantidade gasta na sua produção. Assim, somente
a produção em larga escala poderá viabilizar seu uso de forma ampla.
• Outro problema é o fato de ser altamente explosivo.
• Muitos estudos são desenvolvidos para encontrar formas seguras de armazenar,
manusear e disponibilizar esse combustível.
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Energia hidrelétrica
• Produzida por quedas d’água, a energia hidráulica permite o acionamento de
turbinas que movimentam geradores elétricos, produzindo energia em grande ou
pequena escala.
• Hoje, um quinto de toda energia elétrica do mundo é produzido pelo aproveitamento
dos cursos de água. Mais de 90% da energia que o Brasil consome provém do uso da
energia hidráulica.
1 - Reservatório (Montante)
2 - Barragem de Terra
3 - Barragem de Concreto
4 - Casa de Máquinas
5 - Sala de Comando
6 - Subestação
7 - Vertedouro
8 - Saída d´água (Jusante)
9 - Tomada d'água
10 - Turbina
11 - Eixo da Turbina
12 - Gerador
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Energia hidrelétrica
• As centrais hidrelétricas de grande porte apresentam problemas de impacto
ambiental, já que requerem grandes inundações de terras com modificação do
ecossistema, e com o deslocamento de comunidades.
• Mesmo assim, a preferência atual por hidrelétricas não existe por acaso. Sua
atratividade está na energia mais barata, já que o combustível é a água.
• Em média o custo é de U$ 500 para cada quilowatt ( KW ) instalado. Isso significa
em torno de U$ 16 o MWh, bem diferente dos quase U$ 32 da energia das
termoelétricas movidas a gás natural (fonte ANEEL).
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Energia: fontes não
renováveis
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Vídeo 2
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Petróleo
• Mistura de hidrocarbonetos parafínicos, aromáticos e naftênicos.
• O petróleo originou-se de restos de plantas e animais marinhos inferiores, que se
acumularam no fundo de antigos mares, e foram soterrados por movimentos da crosta
terrestre.
• Encontra-se confinado em grandes profundidades no sub-solo dos continentes e dos
mares.
• Além dos combustíveis automotivos e industriais que são obtidos, o petróleo é fonte
de matérias primas para as indústrias de produtos químicos, de fertilizantes,
pesticidas, tintas, plásticos, fibras sintéticos remédios e muitas outras.
• Os principais países produtores de petróleo são a Rússia, a Arábia Saudita, o Irã, o
Kuwait, o Iraque e os Emirados Árabes.
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Xisto betuminoso
• Destaca-se pelo fato de o Brasil possuir grande parte das reservas mundiais até
hoje conhecida.
• Suas ocorrências localizam-se em São Paulo (Tremembé), Paraná, Santa Catarina, Rio
Grande do Sul, Ceará, Maranhão e Amazonas.
• Trata-se de rocha de natureza argilosa ou calcária impregnada com substâncias
orgânicas combustíveis, em teores que variam entre 30 e 50%, constituindo um resíduo
fóssil de natureza sedimentar mais recente que o petróleo.
• Os produtos obtidos do xisto são mais caros que os similares obtidos dos derivados
de petróleo.
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Alcatrão
Alcatrão bruto de hulha
• O alcatrão é um produto líquido, mais ou menos viscoso de composição variável e
muito complexa e de cor preta.
• É originário do processo de coqueificação do carvão, onde as partes voláteis do
carvão são separadas durante o aquecimento formando gases.
• Essa massa de gases contém alcatrão, arrastado ou em forma de vapor, que é
condensado e decantado formando o alcatrão de hulha.
• Dois tipos de produtos são obtidos pela destilação do alcatrão: produtos puros, como
o naftaleno, e misturas complexas, como os creosotos e piches; estes últimos
constituem a fração mais importante.
• Devido a vasta quantidade de produtos derivados do alcatrão, ele tem grande valor
na indústria química, já que seus derivados têm muitas aplicações nas mais variadas
áreas.
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Alcatrão
Alcatrão de madeira
• Subproduto da queima da madeira para a produção de carvão, o alcatrão é
obtido a partir da recuperação dos gases eliminados durante o processo de
carbonização.
• Antes eliminado como fumaça na atmosfera, ele é condensado e transforma-se
em matéria-prima do asfalto. A principal vantagem do seu uso é a substituição
dos derivados de petróleo, produtos de origem fóssil não-renováveis.
• Ele é o responsável, por exemplo, pelo sabor e pelo cheiro de defumado em diversos
embutidos, além de ser empregado também na fabricação de balas e biscoitos.
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Gás natural
• Constituído
de
metano
misturado
com
hidrocarbonetos
parafínicos
(principalmente etano, propano e outros mais pesados), ocorre nas formações
geológicas petrolíferas.
• Apresenta poder calorífico da ordem de 8.500 a 9.000 kcal/m3.
• Utilizado também como matéria prima para uma série e de sínteses químicas
(metanol, formaldeido e outros) ou como fontes de H2 e de enxofre.
• Este gás pode ser liquefeito a baixas temperaturas para ser transportado em navios.
• Atualmente o maior produtor é a Rússia.
• O rendimento do gás natural é bastante alto enquanto seu o custo é baixo quando se
compara com outras fontes.
• O gás natural é uma fonte de energia limpa, confiável e eficiente. É um dos
combustíveis preferidos para geração de energia. Liquefeito, é seguro e fácil de
transportar.
• O transporte é feito em tanques especiais que podem viajar com segurança por
milhares de quilômetros.
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Carvões fósseis
• É resultante da transformação da madeira de florestas soterradas há milhões
de anos, sujeitas à ação da pressão, temperatura e bactérias.
• São os combustíveis sólidos mais importantes, com especial destaque para a
hulha.
• Quanto maior o grau de transformação sofrido pela madeira, mais carbono e
menos hidrogênio e oxigênio possui o carvão.
• Dos elementos constituintes (C, H, O, N, S, P), teores elevados de carbono e
hidrogênio (quando livre), dão melhor rendimento térmico.
• O oxigênio e o nitrogênio não contribuem para a queima, sendo que o oxigênio
diminui o rendimento térmico.
• O enxofre e o fósforo embora gerem calor, são prejudiciais pelo fato de
produzirem substâncias tóxicas e corrosivas (SO2 e P2O5).
• Carvões de boa qualidade são apenas britados após extração, de forma a
uniformizar sua granulometria.
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Carvões fósseis
• A presença de elevados teores de enxofre, como no caso dos carvões
brasileiros, pode até impedir sua utilização na forma como extraído, obrigando a
um refino do mesmo.
• O enxofre apresenta-se, geralmente, como piritas de ferro (FeS2), o que pode
acarretar uma diminuição do ponto de fusão das cinzas, com a possibilidade de
formação de um aglomerado vítreo que impede a combustão do carvão.
• O refino do carvão após sua extração consiste na colocação do carvão britado
em grandes quantidades de água, para que pedaços de matéria mineral e de pirita
se separem por densidade.
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Energia nuclear
• Uma usina nuclear consiste basicamente de uma usina térmica na qual o calor é
produzido por reação de fissão nuclear.
• O combustível mais utilizado é o urânio 235, cuja ocorrência na natureza
corresponde a 0,7 %, enquanto o urânio 238 corresponde a 99,3%.
• Em apenas 50 anos de desenvolvimento a energia nuclear aumentou sua
participação na produção de energia mundial partindo de um valor extremamente
pequeno, 0,1 %, para um valor substancial de 7%.
• Em 1997 havia 437 reatores em operação no mundo, com uma potência
instalada de 340 GW. Desse total, 28% estão nos EUA, 18% na França e 12 %
no Japão.
• No final de 2002, segundo dados da Agência Internacional de Energia Atômica,
havia em operação 441 usinas nucleares em 34 países, perfazendo uma capacidade
instalada líquida de 358 GW.
• Os impactos ambientais e os acidentes de Chernobyl em 1986 e de Tokaimura no
Japão em 1999, que mostraram as letais conseqüências radiativas dessa tecnologia,
parecem agir como freio na evolução do uso da energia nuclear.
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Energia nuclear
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Energia nuclear
• No Brasil, a participação da energia nuclear não atinge 1% do valor total. A
experiência brasileira nesse campo mostrou-se onerosa tanto técnica como
economicamente.
• A capacidade da usina Angra I é de 657 MW, enquanto Angra II está prevista para
gerar 1300 MW.
• Uma das desvantagens mais importantes é o lixo nuclear, para o qual não existe
tratamento sem risco de contaminação, pelo menos até o momento, e que permanece
radiativo por milhares de anos.
• A produção de lixo tóxico pelos países industrializados é estimada em 300 milhões
de toneladas por ano.
Participação da energia nuclear na produção de energia elétrica
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Energia nuclear
Lituânia
80%
Rep. Coréia
39 %
Canadá
12 %
França
78 %
Hungria
36 %
Romênia
10 %
Bélgica
57 %
Japão
35 %
Argentina
7%
Rep. Eslovaca
55 %
Alemanha
30 %
África do Sul
6%
Bulgária
47 %
Finlândia
30 %
Brasil
4%
Suécia
46 %
Espanha
26 %
Holanda
4%
Ucrânia
46 %
Rep. Checa
25 %
Índia
4%
Armênia
41 %
Reino Unido
22 %
México
4%
Eslovênia
41 %
Estados Unidos
20 %
Paquistão
3%
Suíça
40 %
Rússia
16 %
China
1%
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Combustão
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Combustão
• Combustão é uma reação química, mais especificamente como sendo uma reação de
oxidação a alta temperatura, e assim sendo, necessitando de uma energia de ativação,
obtida normalmente pela elevação de temperatura em um ponto de combustível;
• Assim sendo, para que ocorra uma reação de combustão, devem estar presentes
simultaneamente, o combustível, o comburente e a energia de ativação;
• O calor liberado pela reação em um ponto do combustível serve como energia de
ativação e o processo se torna auto–ativante e continua até o término de todo o
combustível;
• Toda combustão é uma reação de oxidação-redução (transferência de elétrons);
• O combustível atua sempre como fonte de elétrons;
• O comburente recebe e fixa os elétrons cedidos pelo combustível, agindo como
oxidante.
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Combustão
• Genericamente pode-se representar a reação de combustão da seguinte forma:
Combustão
Combustível
+ comburente  combustão
Hidrocarbonetos +
O2
 Produtos
As reações de combustão são exotérmicas, liberam
grandes quantidades de energia (na forma de luz ou
calor), que possui várias aplicações: iluminação,
funcionamento de motores, cozimento dos alimentos, etc.
Os produtos dependem do tipo de combustão que
ocorre.
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Reação de combustão
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Reação de combustão
• De forma geral, a reação de combustão se dá em fase gasosa.
• Combustíveis líquidos são previamente vaporizados. A reação de combustão se
dá entre o vapor do liquido e o oxigênio intimamente misturado.
• No caso de combustíveis sólidos existe um certo grau de dificuldade, pelo
fato de a reação ocorrer na interface sólido - gás.
• É necessária a difusão do oxigênio através dos gases produzidos na
combustão (os quais envolvem o sólido), para atingir a superfície do
combustível;
• Além disso, a superfície fica normalmente recoberta de cinzas, o que
representa mais uma dificuldade para o contato combustível - comburente.
• De forma simples podemos representar o processo de combustão da seguinte
maneira:
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Tipos de combustão
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Tipos de combustão
Dependendo das quantidades relativas combustíveis e comburentes alimentadas
no processo, podem ocorrer três tipos de combustão:
Incompletas: quando a quantidade de oxigênio alimentada é menor que
quantidade estequiometricamente necessária, para oxidar totalmente todas as
frações do combustível. formação de carbono na forma de fuligem (C) e água.
Teoricamente completa: quando a alimentação de oxigênio é feita com a
quantidade estequiométrica necessária, para oxidar totalmente todas as
frações do combustível. Formação de monóxido de carbono (CO) e água (H2O)
Completas: quando se alimenta uma quantidade de oxigênio maior que a
quantidade estequiométrica necessária para oxidar totalmente todas as
frações do combustível. Produz gás carbônico (CO2) e água na forma de vapor
(H2O).
• A composição dos fumos varia de acordo com o tipo de combustão, nos
permitindo ter uma indicação da combustão obtida.
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Tipos de combustão
• Nas combustões teoricamente completas verifica-se a presença de pequena
quantidade de CO nos fumos e quantidade desprezível (ou nula) de oxigênio.
• Em combustões completas haverá a presença de oxigênio nos fumos, em
maior ou menor quantidade (dependendo do combustível queimado e do excesso
empregado) e quantidade desprezível (ou nula) de CO.
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Combustíveis
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Combustíveis
• Combustível é qualquer substância capaz de produzir de maneira fácil e
econômica, energia térmica por reação química ou nuclear;
• Geralmente são materiais carbonáceos que reagem facilmente com o oxigênio
do ar, produzindo calor em grande quantidade.
1.Classificação dos combustíveis:
Sólidos:
• Naturais: carvões fósseis, madeira, lenha;
• Preparados: coque, carvão vegetal, resíduo industrial;
Líquidos:
•Naturais: petróleo cru, gasolina natural;
•Preparados: álcool, querosene, óleo diesel, gasolina;
Gasoso:
•Naturais: gás natural;
•Preparados: GLP, gases derivados de petróleo;
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Combustíveis
1.Principais Características dos Combustíveis mais Comuns
1.1. “Combustíveis Sólidos”
1.1.1. Lenha
• Perdeu a importância como combustível industrial:
- Baixa rentabilidade térmica
- Crescente interesse como fonte de celulose
• Após corte  teor de umidade oscila: 50 e 70%;
• Seca ao ar  teor reduz cerca de 15%  PCI = 2500 a 3500 Kcal/Kg;
• Baixo poder calorífico  Pirólise* Resíduo: carvão vegetal  PCI = 7200 a
8000 Kcal/Kg (15% voláteis, 8% de cinzas);
• Produtos destiláveis: ácido pirolenhoso e alcatrão ( matérias primas  ácido
acético, metanol, acetona...).
OBS.: * Pirólise  ruptura da estrutura molecular original pela ação do calor.
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Combustíveis
1.1.2. Carvões fósseis
• Consideradas: rochas orgânicas combustíveis;
• Combustíveis Sólidos mais importantes (destaque: Hulha);
• Resultante: transformação da madeira (florestas) soterrada a milhões de anos;
• Sujeitas a ação: pressão, temperatura e bactérias;
• > grau transformação sofrida pela madeira  + C e - H e O possui o carvão;
• % C na composição: funciona como escala da evolução da transformação da
madeira.
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Combustíveis
• Dos elementos constituintes (C, H, O, N, S, P): teores elevados de C e H 
melhor rendimento térmico;
• S e P: produz substâncias tóxicas e corrosivas (SO2 e P2O5);
• Carvão de boa qualidade: após extração são apenas britados (uniformizar
granulometria);
• Carvões brasileiros: devido elevados teores de enxofre (S) podem impedir sua
utilização na forma como é extraído  refino;
• Refino: consiste na colocação do carvão britado em grandes quantidades de
água, para que pedaços de matéria mineral e pirita se separem por densidade.
a) Hulhas: são carvões que apresentam maior interesse como combustível
industrial.
• Hulha gorda: apresenta brilhante escura e produz por pirólise grande
quantidade de destilado oleoso, deixando um coque bem aglomerado e resistente
a compressão.
• Hulha magra: produz destilado mais aquoso, e o coque é friável.
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Combustíveis
• Hulhas gordas de chama longa: dão grande volume de gases combustíveis. O
coque obtido é utilizado como combustível. São as preferidas para fabricação
do gás de hulha combustível;
• Hulhas gordas de chama curta: dão coque de alta resistência a compressão.
São as mais adequadas para as coquerias de siderúrgicas;
• Hulhas magras de chama longa: dão chamas luminosas e fuliginosas.
Utilizadas em fornos quando se necessita de aquecimento radiante;
• Hulhas magras de chama curta: São as que possuem o maior poder calorífico.
Adequadas para fornos industriais e para produção de vapor de água;
• Carvão: normalmente armazenado ao ar livre e as pilhas bem compactadas
(evitar que sofra combustão lenta). Em geral: nos 20 dias que antecedem o uso
é deixado em silos (para secagem ao ar).
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Combustíveis
1.1.1. Coque:
O aquecimento das hulhas em ambiente fechado (fora do contato do ar) 
denomina carbonização ou decomposição térmica do carvão  faz que haja o
desprendimento das matérias voláteis produzindo:
• Combustível gasoso: gás de hulha (constituído de hidrocarbonetos parafínicos,
hidrogênio e pequenas quantidades de CO, CO2 e Hidrocarbonetos insaturados;
• Combustível líquido: Contento hidrocarbonetos
combustíveis do alcatrão da hulha;
mais
pesados
e
óleos
• Combustível sólido dito coque: constituído pelo carbono fixo e pelas cinzas do
carvão;
• Coque metalúrgico: parte-se de hulhas gordas e a temperatura atinge valores entre
1.100 e 1.300°C e o gás produzido é usado para aquecer forno de coqueificação;
• Poder calorífico: 7.000 Kcal/Kg
• O coque pode ser usado: como combustível e nos altos fornos para redução do minério
de ferro. Nesse caso, o coque deve ter alta resistência a compressão e ser muito poroso,
deve apresentar pouco enxofre e fósforo (para evitar que esses elementos passem para o
ferro).
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Combustíveis
1.2. “Combustíveis Líquidos”
• Os combustíveis líquidos podem ser classificados nos seguintes grupos:
1-Petróleo e seus derivados
2-Derivados do alcatrão de hulha ou do linhito
3-Destilados dos xistos betuminosos
4-Hidrocarbonetos sintéticos
5-Álcool etílico
1.2.1. Derivados do Petróleo
1.2.1.1 Gasolina
• Mistura de hidrocarbonetos contendo: 6 -12 átomos de carbono;
• Pode ser: Natural ou Petróleo;
• Poder calorífico: 11.000 Kcal/Kg;
• Ponto de fulgor - 40º C (gasolina automotiva) e - 46 ºC (gasolina de
aviação);
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Combustíveis
• Índice de Octanagem: determinada pela % de octano existente na gasolina.
Mede o poder anti-detonante da mesma;
• Este índice é medido em motor padrão, variando-se a relação de compressão
até que ocorra a pré-detonação ou “batida de pinos”;
• A seguir: substitui-se a gasolina por uma mistura de iso-octano e n-heptano
que apresenta pré-detonação com a mesma relação de compressão que a
gasolina testada. A porcentagem de iso-octano na mistura equivalente, nos
dará o índice de octanas ou octanagem da gasolina. Assim, se a mistura
apresenta o mesmo comportamento da gasolina em teste, contiver 80% de isooctano e 20% de heptano, a gasolina em teste será 80;
Esse método se baseia na convenção de que:
- Iso-octano: possui poder anti-detonante igual a 100 (melhor
comportamento)
- Heptano: possui poder anti-detonante igual a 0 (pior comportamento)
• A partir da mistura dos mesmos, obtêm-se os valores intermediários de
octanagem;
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Combustíveis
• O poder anti-detonante (octanagem) pode ser aumentado pela adição:
- de combustíveis mísciveis com a gasolina (ex: álcool etílico, benzol, gasolinas
naturais...);
- de produtos aditivos especiais: chumbo tetra-etila (no caso da gasolina de
aviação, que possuem índice de octana de 140 ou 160).
Curiosidades:
Gasolina Aditivada ou Gasolina Comum?
• A Gasolina comum ao passar pelas partes do motor do carro (nas válvulas e no pistão)
deixa resíduos, sujeiras que são uma espécie de goma.
• Com o passar do tempo, o acúmulo desta goma, dificulta a mistura da gasolina com o ar,
que provoca a queima e gera energia para o motor funcionar. Diminuindo, assim, a
eficiência do carro.
• Diferente do que muitas pessoas pensam o aditivo não aumenta a potência da gasolina.
• A grande diferença da gasolina aditivada para a gasolina comum, é que a aditivada
possui uma espécie de detergente.
• Este detergente (aditivo) ao passar pelo motor dissolve a goma, evitando o acúmulo de
mais resíduos, assim a sujeira vai junto com o combustível e também é queimada.
(fonte:
http://www.brasilescola.com/curiosidades/gasolina-aditivada-e-gasolinacomum.htm)
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Combustíveis
1.2.1.2 Querosene
• Primeiro derivado do petróleo de valor comercial;
• Mistura de hidrocarbonetos contendo: 14 - 19 átomos de carbono;
• Incolor, menos volátil que a gasolina;
• Excelente poder de solvência;
• Importância: turbinas de avião a jato, alguns motores de combustão interna;
• 84% de C e 16% de H em massa;
• Ponto de fulgor 40ºC;
• Poder calorífico: 11.500 Kcal/Kg.
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Combustíveis
1.2.1.3 Óleo Diesel
• Empregado: motores de compressão; combustível industrial; geração de energia;
• Poder calorífico: 10.100 Kcal/Kg;
• Ponto de fulgor 38 ºC (diesel automotivo), 60 ºC (diesel marítimo) e 100 ºC (biodiesel
 segundo ANP);
• Índice de Cetanas (Cetanagem): Índice que descreve as características de ignição do
combustível óleo diesel, ou seja, quanto maior for o número de cetanas, menor será o
retardo de ignição e por conseguinte melhor será sua capacidade de incendiar-se;
• Óleos com índice de cetanas superior a 50 são empregados em motores diesel de alta
velocidade. Para velocidades médias utiliza-se cetenagem 45. Para baixa velocidade
aceitam óleos com índice 25;
• Cetano
é
um
hidrocarboneto
parafínico
(alcano)
de
fórmula
química CH3(CH2)14CH3 (C16H34) usado como padrão na avaliação das propriedades
ignitoras do diesel (o número de cetano).
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Combustíveis
1.2.2. Derivados do Alcatrão
Benzeno (C6H6) - principal
• Poder calorífico: 10.500 Kcal/Kg
• Índice de octano = 88
• Principal utilização: aditivo para gasolina
1.2.3. Destilados de Xistos betuminoso
• Fornecem por destilação seca até 12% de produtos condensáveis (20% tipo
gasolina e 50% do tipo óleo diesel).
1.2.4. Hidrocarbonetos sintéticos
• Utilizados: Processo de síntese;
• Obtém-se: hidrocarbonetos parafínicos (baixo poder anti-detonante).
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Combustíveis
1.2.5. Álcool Etílico
• Brasil: > produtor de etanol (Nos últimos trinta anos, a produção de etanol
da cana-de-açúcar avançou para 17 milhões de metros cúbicos, com
perspectivas de atingir 35,7 milhões de metros cúbicos em 2012-2013);
• Matérias primas: cana (Brasil), milho (USA), beterraba (Alemanha), sorgo
sacarino (África), trigo (Europa)...
• Poder calorífico: 6.500 Kcal/kg;
• Ponto de fulgor 13ºC;
• Exige menor quantidade de ar para combustão;
• Álcool etílico anidro (isento de água): utilizado na faixa de 20 a 25% em
mistura com a gasolina;
• Álcool etílico hidratado: utilizado como combustível automotivo (em média
95% etanol + 5% água);
•Alto poder anti-detonante.
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Combustíveis
1.3. “Combustíveis Gasosos”
• Na temperatura ambiente e na pressão atmosférica, apresentam numerosas
vantagens sobre os demais combustíveis:
1.Maior facilidade na reação de combustão
2.Maior facilidade de regular a entrada de ar
3.Maior extensão da chama
4.Maior facilidade de transporte
5.Maior facilidade de pré-aquecimento
6.Ausência de cinzas
• São sempre misturas gasosas;
• Composição varia:
- forma de produção (combustíveis preparados) ou
- fonte de obtenção (no caso de combustíveis naturais)
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Combustíveis
• Os constituintes mais comuns são os da tabela a seguir:
Destaques:
1.3.1. Gás natural: Combustível fóssil: Metano (CH4) + Hidrocarbonetos
Parafínicos (etano, propano e outros mais pesados)  Ocorre: formações
geológicas
petrolíferas.
Possui
aplicações
domésticas,
industriais
e
automotivas.
Poder calorífico: 8.993 Kcal/kg;
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Combustíveis
Incolor e inodoro, o gás natural dissipa-se facilmente na atmosfera em
caso de vazamento, por ser mais leve que o ar. Para inflamar é preciso
que seja submetido a uma temperatura superior a 620°C. Além disso, o
gás natural queima com uma chama quase imperceptível. Por questões de
segurança, o gás natural comercializado é odorizado com enxofre.
1.3.2. Gás liquefeito de petróleo (GLP): Propano (C3H8) + Butano (C4H10)
Utilizado: Combustível industrial, doméstico... São mais densos que o ar e
em caso de vazamento, tendem a se depositar apresentando o perigo de
explosão e/ou asfixia.
Poder calorífico: 11.500 Kcal/kg;
OBS.: Normalmente comercializado em botijões no estado líquido,
tornando-se gasoso à pressão atmosférica e temperatura ambiente na hora
de sua utilização em fogão. Por ser um produto inodoro por natureza, um
composto à base de enxofre é adicionado, dando-lhe um cheiro bastante
característico para facilitar a detecção de possíveis vazamentos.
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Combustíveis
1.3.3. Gás de hulha: Obtido: destilação seca da hulha, em ausência de ar,
resultando ainda um resíduo combustível  coque. Uma tonelada de hulha
gera em média 300 a 350 m3 de gás. Poder calorífico: 4.000 a 5.000
Kcal/m3, 50 Kg de alcatrão, 700 a 750 Kg de coque e 80 Kg de águas
amoniacais (fonte de NH3).
1.3.4. Gás de ar: “Gás Pobre”, devido seu baixo poder calorífico (1.200 a
1.600 kcal/m3. Obtido: Oxidação parcial do carbono, a partir do coque,
carvões minerais ou vegetais;
1.3.5. Gás de água: Apresenta em média: CO2 5,1%; CO 40,2%; H2
50%; CH4 0,7 % e N2 4,0% em volume. Poder calórico: 2500 a 2700
Kcal/m3. Obtido: injeção de vapor de água sobre carvão incandescente;
1.3.6. Gases carburados: Gás de água ou gás misto enriquecido com
vapores de hidrocarbonetos, obtidos  craqueamento de um óleo
combustível pesado. Poder calorífico: 5.400 Kcal/m3;
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Combustíveis
1.3.7. Gás de alto forno: Possui cerca de 30% de CO e pequena
quantidade de H. Resultante: utilização parcial do CO para redução do
minério de ferro dentro do alto forno. CO é produzido pela queima do
coque com insuficiência de oxigênio durante o processo. Poder calorífico:
900 Kcal/m3 (utilizado na própria siderúrgica, misturado ao gás de
coqueira);
1.3.8. Gás de tratamento de esgoto: Produzido: durante a digestão
anaeróbica dos esgotos municipais. Contém 65 – 80% de metano (CH4) e
poder calorífico: 5.800 a 6.500 Kcal/m3.
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Composição química dos
combustíveis
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Combustíveis
2. Composição dos combustíveis:
2.1.Elementos essenciais: Carbono e hidrogênio.
• São muito freqüentes na composição dos combustíveis respondendo pela geração
de calor e pela função redutora;
• Podem estar presentes na forma isoladas (substância simples) ou combinados na
forma de hidrocarbonetos (Ex; GLP, CH4 etc);
Reações de combustão: carbono
C(grafite) + O2  CO2 + 94 kcal (reação completa)
C(grafite) + CO2  2 CO + 40,8 kcal (reação parcial pela falta de O - endotérmica)
C(grafite) + ½ O2  CO + 26,6 kcal (reação incompleta)
Reações de combustão: hidrogênio
H2(gás) + ½ O2  H2O (vapor) + 57,8 kcal
H2(gás) + ½ O2  H2O (líquido) + 68,3 kcal
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Combustíveis
Composição dos combustíveis:
2.2. Elementos Secundários: O, N, S e P.
Reações de combustão: Oxigênio
• A presença de oxigênio nos combustíveis acarreta sistematicamente uma
redução na geração de calor;
• Combustíveis oxigenados geram menos quantidade de calor;
• Em suma, é indesejável e desvantajosa a presença desse elemento na
constituição dos combustíveis.
C + O2  CO2 + 94 kcal (reação completa)
CO + ½ O2  CO2 + 69,9 kcal
CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O + 200 kcal
CH4O + 3/2 O2  CO2 + 2 H2O + 160 kcal
Admite-se que o oxigênio presente em um combustível, anule por oxidação parcial,
preferencialmente o hidrogênio em lugar do carbono; ou como se a parte do C e do H2
do combustível tivesse sido queimada previamente pelo O2 de constituição
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Combustíveis
Reações de combustão: nitrogênio
• O nitrogênio apresenta grande inércia química, caracterizada por uma baixa
tendência de combinação, inclusive nos processos usuais de combustão;
• O nitrogênio presente num combustível não se oxida durante o processo de
combustão e assim, em nada contribui para a geração de calor;
• Entretanto o nitrogênio como uma espécie material possui massa, e sua
presença no combustível aumenta a massa total do mesmo;
• O Poder Calorífico de um combustível é a relação entre a quantidade de
calor gerado e a unidade de massa (ou de volume) do combustível queimada:
PC 
Qgerado
m assa(volum e)queim ado
• Conclui-se que a presença deste elemento contribui apenas para o aumento
da massa (ou de volume), é desvantajosa, pois acarreta uma diminuição do
Poder Calorífico do combustível.
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Combustíveis
Reações de combustão: enxofre
Durante uma combustão, o enxofre presente em um combustível, se oxida de
acordo com as reações:
S
S
+
+
O2

3/2 O2 
SO2
+ 72 kcal
SO3 + 105,5 kcal
• Então, sob o aspecto energético, não há dúvida que a presença de enxofre
apresenta interesse, porém, paralelamente, há um aspecto altamente negativo
que anula esta vantagem e torna a presença desse elemento inconveniente. São
os produtos da sua oxidação;
• Tanto o SO2 como o SO3 são substâncias extremamente tóxicas e corrosivas,
constituindo-se em poderosos agentes poluentes;
• Mesmo sob condições favoráveis de umidade do ar externo o SO2 reage com a
água presente nos produtos da combustão, formando o ácido sulfuroso (H2SO3).
O SO3 dá origem ao ácido sulfúrico (H2SO4).
SO2
SO3
+
+
H2O
H2O


H2SO3
H2SO4
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Combustíveis
Reações de combustão: fósforo
• O fósforo presente no combustível se oxida de acordo com a reação:
P4
+
5 O2
P4O10

+
360 kcal
• O produto formado em contato com a umidade do ar externo, forma o ácido
fosfórico (H3P04) que sendo corrosivo, torna indesejável a presença de fósforo
no combustível.
P4O10
+
6 H2O

4 H3PO4
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Combustíveis
Calculo das frações do elementos combustíveis no processo de
combustão
Deduções , formulações e exercícios
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Combustíveis
Assim, deve-se subtrair da quantidade total de hidrogênio a parcela já
queimada, chamando de:
Convenção:
• HT (hidrogênio total) a quantidade total de hidrogênio presente no combustível;
• HC (hidrogênio combinado) a parcela oxidada pelo oxigênio do combustível; e
• HL (hidrogênio livre) a quantidade de hidrogênio útil para o processo de
combustão.
A quantidade de hidrogênio de um combustível pode ser representado por:
HT  HC  H L
• O cálculo das quantidades de hidrogênio livre e combinado num combustível é
feito pela fórmula e na reação da água que é produto formado na oxidação do
hidrogênio.
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Combustíveis
Assim para efeito de geração de calor na combustão, considera-se que cada
átomo de O presente na formula do combustível anule 2 átomos de H, então
a relação fica:
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Combustíveis
Mol (quantidade de matéria): origina-se do latim  monte e pilha;
•Por definição é quantidade de matéria de um sistema que contém tantas
entidades elementares (partículas = átomos, moléculas, íons, elétrons entre
outras partículas) quantos átomos existentes em um elemento químico.
m[ g ]
n
M .M .[ g / m ol]
Onde m é a massa em gramas e M.M é a massa molar em g/mol.
Massa molar do: H2 = 2
O2 =32
S = 32
H2O = 18
=> Cte
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Combustíveis
EXEMPLO:
Combustível
H2
H2 livre
H2combinado
C
S
Fumos
O2
H2 O
Formada
etc
Comburente
Ar
Combinado
N2 79%
O2 21%
CO2
SO2
etc
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Combustíveis
IMPORTANTE: Como cada átomo de Oxigênio anula (reage) com dois
átomos de Hidrogênio
do próprio combustível (combinado) e o
hidrogênio restante que é considerado útil para o processo de
combustão (livre), para o cálculo da quantidade de água, pode-se dizer
que:
H
o Hidrogênio livre produzirá nos fumos, a água formada;
H
o Hidrogênio combinado produzirá nos fumos, a água combinada;
H
o Hidrogênio total produzirá água total presente nos fumos;
( se o combustível possui água na forma de umidade, também deve ser
considerada)
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Combustíveis
EXEMPLO DE CÁLCULO
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Combustíveis
EXEMPLO DE CÁLCULO
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ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA
1ª Lista
1) O que é energia e qual o papel do engenheiro?
2) O que são fontes renováveis?
3) Quais a vantagens e desvantagens das seguintes fontes renováveis:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
energia das marés
energia geotérmica
energia solar
energia de biogás
energia de biomassa
energia aeólica
gás hidrogênio
energia hidrelétrica
4) O que são fontes não renováveis e dê alguns exemplos.
5) O que é combustão?
6) Quais são os tipos de combustão?
7) O que são combustíveis e como são classificados?
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ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA
1ª Lista
8) O que são elementos elementares e secundários de um combustível e quais as suas influências?
9) Deduzir as equações de massa e quantidade de matéria (mol) da relação de hidrogênio livre e
combinado. Dados: HL = HC + HL
10) Um combustível apresenta a seguinte composição em 1kg:
Para 1kg de combustível, pede-se:
a) a quantidade de matéria e em massa, as quantidades de hidrogênio livre e conbinado;
b) as massas de água formada, combinada e total nos fumos da combustão;
c) a massa de água do combustível;
d) a massa de combustível capaz de gerar calor.
11) Considere os combustíveis “X” e “Y” de composições percentuais em massa:
a)
b)
c)
d)
em qual deles a porcentagem de hidrogênio combinado é maior?
em qual deles a porcentagem de hidrogênio livre é maior?
qual o mais agressivo a aparelhagem?
em qual deles a quantidade de água nos produtos da combustão é maior?
12) Quais são as principais características dos combustíveis líquidos, sólidos e gasosos, dê exemplos
desses combustíveis?
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NP1
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ENGENHARIA PRODUÇÃO E MECATRONICA
Comburente
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Comburente
 Embora outras substâncias possam atuar como comburente, recebendo e fixando os
elétrons cedidos pelo combustível, industrialmente, quase que na totalidade dos casos,
o comburente é o oxigênio e sua fonte, normalmente, o ar atmosférico.
A composição média
nitrogênio
oxigênio
argônio
dióxido de carbono
hidrogênio
percentual (volumétrica ou em mols) do ar seco é:
(N2)
 78,03%
(02)
 20,99%
(Ar)
 0,94%
(CO2)
 0,03%
(H2)
 0,01%
(os demais gases nobres encontram-se em proporções desprezíveis).
Pode-se considerar apenas duas frações:
• Oxigênio (comburente) = 20,99%
• Inertes (nitrogênio e gases raros) = 79,01%
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Comburente
• Para efeito de cálculos práticos de combustão, considera-se a composição
volumétrica ou em mols do ar seco como:
Oxigênio (O2) 21%
e Nitrogênio (N2) 79%
• A fração considerada como "nitrogênio" abrange todos os gases raros e o
dióxido de carbono.
• Para efeito de cálculos estequiométricos considera-se a massa molar dessa
fração como 28 g/mol, em vista das pequenas proporções dos outros gases.
• Em conseqüência desta simplificação a massa molar média do ar seco será:
M = 0,21 x 32 + 0,79 x 28 = 28,84 g/mol
• Pode-se considerar, portanto, em cálculos estequiométricos, que em 100 L de
ar atmosférico seco tem-se 21 L de O2 e 79 L de N2.
• E ainda que uma quantidade de matéria de 100 mols de ar atmosférico seco
possui 21 mols de O2 e 79 mol de N2.
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Comburente
• Portanto, pode-se considerar que 1 L de oxigênio captado do ar atmosférico
seco virá acompanhado de nitrogênio, na seguinte proporção:
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Comburente
EXEMPLOS DE CÁLCULO:
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Comburente
EXEMPLOS DE CÁLCULO:
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Comburente
EXEMPLOS DE CÁLCULO:
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Razões do uso de excesso de
comburente em processos de
combustão
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Quando num processo de combustão, se fixa a proporção de alimentação de
combustível e comburente de modo a obter-se uma combustão estequiométrica,
nota-se que, invariavelmente, recai-se numa combustão incompleta ou parcial.
As combustões estequiométricas são portanto teóricas ou ideais.
Na prática, para obter-se combustões completas, é necessário alimentar
comburente em excesso.
Duas são as razões da necessidade do excesso:
a) Contato combustível - comburente
À medida que se aumenta a quantidade de moléculas de O2, aumenta a
probabilidade de choque com as moléculas do combustível (ou com suas
partículas finamente divididas). Assim, cresce a taxa de conversão dos
reagentes em produtos da reação.
b) Deslocamento do equilíbrio químico das reações.
As reações de combustão ocorrem em fase gasosa, e são reações de equilíbrio
químico (reversíveis).
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Os equilíbrios ocorrem como decorrência das temperaturas atingidas sendo
impossível evitar que se estabeleçam.
a 1.500 °C CO + ½ O2
a 1.700 °C H2 + ½ O2
a 2.500 °C C + ½ O2
 CO2
 H2O
 CO
Como já foi visto, as reações diretas (sentido para a direita) são exotérmicas,
liberam calor. Em decorrência, as reações inversas (sentido para a esquerda)
são endotérmicas.
Num processo de combustão sempre se atinge temperaturas elevadas, o que
acarreta o estabelecimento do equilíbrio químico.
Com o aumento da concentração de oxigênio no sistema, evitamos o
deslocamento do equilíbrio no sentido da reformação dos reagentes (ou seja,
para a esquerda).
A porcentagem de ar em excesso é expressa em relação à quantidade teórica,
estequiometricamente calculada.
Trata-se de uma parcela a ser alimentada além da quantidade teórica (ou
estequiométrica).
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Ordem de Grandeza do Excesso de Comburente
• Para que se obtenha um rendimento máximo do processo, a quantidade de
excesso deve ser limitada ao valor que propicie ganho do calor.
• O que nota é que a partir de uma certa quantidade, o aumento do excesso
apresenta como resultado uma diminuição na temperatura da câmara de
combustão. Isto ocorre porque o comburente alimentado em excesso exagerado
além de não contribuir para o aumento da energia gerada, rouba calor do
sistema, aquecendo-se.
• Sabe-se que a força propulsora da transferência do calor de uma fonte
quente para uma fria, é a diferença de temperatura.
• Assim, se, no limite, resfria-se a câmara de combustão até a temperatura
da fonte fria, perde-se capacidade de transferir calor (aquecer), embora
tenha-se geração de calor no processo.
• A quantidade adequada do excesso a ser aplicado depende do tipo de
combustível, da construção da instalação e das condições de operação.
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
• Levando-se em conta somente o estado físico do combustível, o excesso
recomendado varia conforme segue:
•
combustíveis gasosos 5 a 30% de ar em excesso;
•
combustíveis líquidos 20 a 40% de ar em excesso;
•
combustíveis
sólidos
30
a
100% de ar em excesso.
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Ordem de Grandeza do Excesso de Comburente
• O controle tem como objetivo, verificar se uma combustão está sendo
efetuada com a porcentagem correta de ar em excesso, de acordo com o
combustível queimado e demais condições do processo.
• Os fumos são analisados no aparelho de Orsat, obtendo-se as porcentagens
volumétricas de CO2, O2, CO e N2 em base seca (isenta do vapor de água).
• O excesso adequado de ar e fatores como o tipo de queimador, a atomização
do combustível e o efetivo controle do processo, contribuem para o aumento
da eficiência na geração de calor.
• Na combustão com insuficiência de comburente a fumaça geralmente
apresenta coloração negra e contém fuligem, em conseqüência da queima
incompleta do carbono.
• Quando o excesso de ar é adequado a coloração oscila entre cinza e marrom
claro, na maior parte das vezes.
• Quando a quantidade de ar é excessiva, a fumaça apresenta normalmente
coloração branca.
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Conceitos e Definições sobre o comburente.
Oxigênio Teórico: é a quantidade estequiométrica de oxigênio necessária
para oxidar totalmente todas as frações do combustível.
• Quando se calcula o oxigênio teórico, deve-se impor queima completa
(oxidação total) da quantidade total de todas as frações do combustível,
mesmo que se disponha de informações sobre ocorrência de oxidação parcial,
ou perda de combustível no processo de combustão.
• Se o combustível contém oxigênio na sua constituição, deve-se subtrair da
quantidade estequiometricamente calculada, a parcela existente no
combustível.
• De forma resumida pode-se definir o oxigênio teórico por meio da relação
a seguir, a qual é válida tanto para quantidades de matéria como para
volumes:
O2 teórico = O2 para a combustão completa - O2 do combustível
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
• Para efeito de cálculos estequiométricos de combustão considera-se a
seguinte seqüência de reações:
C + 1 O2  CO2
H2 + ½ O2  H2O
S + 1 O2  SO2
• Assim, se ocorrer insuficiência na alimentação de oxigênio (não havendo a
quantidade necessária para oxidar totalmente o carbono e o hidrogênio),
considera-se que o oxigênio disponível queimará todo o hidrogênio e oxidará
todo o carbono a CO.
•
Uma parte do CO formada será oxidada a CO2 pelo oxigênio restante.
• Nesses casos, há perda de calor latente nos fumos, pois perde-se
combustível sem queimar, o que não é interessante na prática.
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Ar Teórico: é a quantidade de ar que contém a quantidade de oxigênio
teórico.
Oxigênio em Excesso: é a quantidade adicional de comburente além da teórica,
aplicada para garantir a combustão completa.
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Razões do uso de excesso de comburente em processos de combustão
Ar em Excesso: é a quantidade de ar que contém o oxigênio em excesso.
Oxigênio real: é a quantidade total de oxigênio aplicada ao processo.
Ar real: é a quantidade de ar que contém o oxigênio real.
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Gases residuais
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Gases residuais
Gases Residuais ou fumos:
• As substâncias gasosas produzidas pela reação dos elementos químicos
constituintes combustíveis com o oxigênio constituem os fumos da combustão,
sendo estes, o veículo transporte da maior parte do calor gerado na combustão;
• CO2, SO2, CO, O2, N2 e vapor de água são os componentes normalmente
presentes nos fumos;
• A composição dos fumos pode ser apresentada em porcentagens em massa, em
mols em volumes dos componentes.
• Os fumos podem ainda ser considerados em base seca (quando se despreza o
vapor água presente na mistura), ou em base úmida (quando o vapor de água
presente r fumos é considerado um dos seus componentes).
• A fumaça normalmente vista nas chaminés é uma mistura dos fumos com
neblinas e poeiras. As neblinas são constituídas por partículas de líquidos em
suspensão (água hidrocarbonetos pesados condensados pelo resfriamento dos
gases).
• As poeiras são formadas por partículas sólidas em suspensão (cinzas ou
partículas sólida do combustível arrastada pelos gases).
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Cinzas
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Cinzas
• É o resíduo sólido da combustão de um combustível sólido. As cinzas de um
carvão podaram ser intrínsecas ou acidentais.
• As intrínsecas são constituídas pela matéria mineral que estava presente no
material, vegetal que deu origem ao carvão.
• As acidentais são constituídas por argila, ou outra matéria inorgânica,
depositada juntamente com o carvão.
• Não existe uma composição padrão para as cinzas de um carvão, pois a
composição varia de local para local de onde o carvão é extraído.
• A matéria mineral é normalmente constituída por piritas de ferro (FeS2),
silicatos hidratados de alumínio, carbonatos de cálcio e magnésio, cloretos
alcalinos e outros compostos inorgânicos.
• As cinzas são constituídas pelo resíduo que permanece após a queima total
do carvão. Sua massa é normalmente menor que a massa da matéria mineral
original. Isto se deve ao fato de que a matéria mineral original sofre
decomposição parcial durante o processo de combustão.
• Carvões de boa qualidade apresentam teor de cinzas que varia de 7 a 12%
em massa.
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Estequiometria do
processo de combustão
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Estequiometria do processo de combustão
Introdução:
• Visa a determinação da quantidade de ar necessário à reação química, bem
como da composição qualitativa e quantitativa dos fumos e do resíduo da
combustão.
• São aplicadas as técnicas de balanço material associadas a estequiometria
das reações químicas, para se obter os valores procurados.
• Podem ser utilizadas as equações de estado dos gases perfeitos, pois pelo
fato das reações ocorrerem em pressões próximas da atmosférica, os gases
envolvidos comportam-se como ideais.
• As unidades empregadas nos balanços materiais podem ser de massa ou de
volume, porém na maior parte das vezes, as quantidades de matéria são as
que oferecem maior facilidade.
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Estequiometria do processo de combustão
Roteiro para a Solução de Exercícios:
A) Adotar uma base de cálculo quando não for especificada.
•
Como regra geral, adota-se para combustíveis sólidos e líquidos, 1000 g de
combustível.
•
Para combustíveis gasosos, pode-se adotar 100 mols do combustível ou 1 m3 de gás
a CNTP;
B) escrever as reações de combustão completa das espécies químicas e/ou frações
combustíveis;
•
•
•
•
•
Importante: nas reações de combustão completa:
todo o carbono é oxidado a C02;
todo o hidrogênio é oxidado a H20;
o enxofre presente é oxidado a 502;
se houver CO, será oxidado a C02
a combustão completa de hidrocarbonetos, álcoois, cetonas etc. produz C02 e H20.
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Estequiometria do processo de combustão
Roteiro para a Solução de Exercícios:
C) como base na estequiometria das reações e da quantidade de matéria de cada
espécie 1 fração combustível, determinar a quantidade de matéria de oxigênio
teórico para o processo, lembrando que:
O2 TEÓRICO = O2 PARA COMBUSTÃO COMPLETA - O2 DO COMEUSTIVEL
de todo o combustível
D) com base na informação do problema, calcular a quantidade de matéria de
oxigênio em excesso e a quantidade real.
•
Lembrar que a quantidade de matéria de oxigênio em excesso é uma
porcentagem da quantidade teórica, e que a quantidade real é a soma da quantidade
de matéria teórica com a quantidade de matéria em excesso;
E) para encontrar as correspondentes quantidades de ar (em quantidade de
matéria ou volume), basta dividir as quantidades de 02 encontradas, por 0,21;
nAR = O2
0,21
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Estequiometria do processo de combustão
Roteiro para a Solução de Exercícios:
F) se ocorrer queima incompleta, re-escrever as reações de combustão, de acordo
com os dados fornecidos;
G) desenhar um fluxograma do processo, marcando as correntes de entrada (ar e
combustível) e as de saída (fumos e resíduo);
H) com base nos produtos das reações, composição do ar e do combustível,
especificar os componentes de cada corrente;
I) encontrar as quantidades de matéria de cada componente dos fumos, com base
nas respectivas equações de combustão e a composição do combustível e do
comburente.
Lembrar que, nas combustões completas, a quantidade de matéria de 02 nos fumos
coincide com a quantidade de matéria de 02 em excesso.
Nas incompletas, a quantidade de matéria de 02 nos fumos deve ser obtida por
meio da expressão:
O2 NOS FUMOS
= O2 ALiMENTADO - O2 CONSUMIDO NAS REAÇÕES
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2ª Lista
1) O que é comburente e qual e a porcentagem de oxigênio e nitrogênio no ar atmosférico?
2) Qual a razão entre a quantidade de matéria e o volume, a quantidade de ar que contém
certa quantidade de O2.
3) Qual a razão entre a quantidade de matéria e o volume, a quantidade de ar que contém
certa quantidade de N2.
4) Que volume de ar, medido na CNTP, contém 1 kg de O2.
5) Que massa de ar contém 1 m3 de O2 medidos na CNTP.
6) Qual a quantidade de matéria de O2 contida na massa de ar que contém 1568g de N2.
7) Que volume de ar contém 1 m3 de O2.
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2ª Lista
8) Um combustível sólido apresenta a seguinte composição em porcentagem em massa:
Considere a queima de 1kg desse combustível com 60% de ar em excesso, calcular:
a) quantidade de matéria de O2teórica;
b) quantidade de matéria de ar teórico;
c) quantidade de matéria de O2 em excesso;
d) quantidade de matéria de O2 real; e
e) quantidade de matéria de ar real
9) Com base da composição química do combustível do exercício (8), considerando a
queima de 1kg desse combustível com 30% de ar em excesso, calcular:
a) quantidade de matéria de O2teórica;
b) quantidade de matéria de ar teórico;
c) quantidade de matéria de O2 em excesso;
d) quantidade de matéria de O2 real; e
e) quantidade de matéria de ar real
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2ª Lista
10) Explique como funciona o aparelho de Orsat (análise dos fumos de uma combustão e
que gases são analisados?
11) O que são gases residuais ou fumos e cinzas de um processo de combustão?
12) Monte o esquema do processo de combustão básico.
13) Um carvão possui a seguinte composição em porcentagem mássica:
São empregados 68% de ar em excesso e considerando como base de calculo 1kg de
carvão e que todo o carbono desse carvão se transformou em CO2 , calcule:
a) quantidade de matéria de O2teórica;
b) quantidade de matéria de O2 em excesso;
c) quantidade de matéria de O2 real;
d) quantidade de matéria de ar real;
e) quantidade de matéria de O2 nos fumos;
f) quantidade de matéria de N2 nos fumos e;
g) massa de água nos fumos.
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2ª Lista
14) Um carvão possui a seguinte composição em porcentagem mássica:
Carbono = 72,36% Hidrogênio = 12% Oxigênio = 11,52% Cinza = 4,12%
Deve ser queimado com 50% de ar em excesso e considerando como base de calculo 1kg
de carvão e que todo o carbono desse carvão se transformou em CO2 , calcule:
a) quantidade de matéria de ar real;
e) quantidade de matéria de de cada componente nos fumos;
f) quantidade de matéria total nos fumos.
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2ª Lista
Dados: para os exercícios 8,9, 13 e 14 utilize as seguintes reações químicas do C, H e S
C
+
O2 =
CO2
1mol
1mol
1mol
H2
+ ½
O2 =
1mol
½ mol
S
+
1mol
Massa atômicas :
Mol n = m [g]
O2 =
1mol
H2O
1mol
SO2
1mol
C = 12; H = 1; O = 16; S = 32
/ M [g/mol]
onde m = massa
M = massa atomica ou massa molar
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NP2
Energia (calor) fornecida
Assim, quanto maiores forem as interações entre
as moléculas, mais fortemente unidas estarão e
mais difícil será a mudança de estado físico.
(A) Gás
(B) Líquido
(C) sólido