Combustão
Problemas para as aulas práticas
1ª aula - sexta-feira 5 e terça-feira 9 de Março
Problema 1
Escreva a fórmula química e represente esquematicamente a molécula dos seguintes combustíveis:
metano, n-heptano, iso-octano, butanol, propeno, etino, benzeno
Problema 2
Escreva a equação da combustão da mistura estequiométrica propano / oxigénio
Problema 3
Escreva a equação da combustão de uma mistura estequiométrica de um hidrocarboneto genérico
CmHn e ar
Problema 4
Escreva a equação da combustão de uma mistura etanol / ar para uma razão de equivalência de
0,80 (nota – considere que a reacção se dá em condições ideais e sem dissociação)
Problema 5
Escreva a equação da combustão de uma mistura de um octano e ar para um coeficiente de excesso
de ar de 0,80
Problema 6
Escreva a equação da combustão de uma mistura de um octano e ar para um coeficiente de excesso
de ar de 0,65
Problema 7
Determine a razão de equivalência abaixo da qual não se tem carbono nos produtos e acima da qual
já se tem na combustão de um octano em ar
Problema 8
Determine as relações ar / combustível em volume e em massa para a combustão estequiométrica
de butano
Problema 9
Determine a percentagem de CO nos produtos de combustão de uma mistura heptano / ar para uma
razão de equivalência de 1,10
2ª aula - sexta-feira 12 e terça-feira 16 de Março
Analisar e discutir os problemas que ficaram por resolver na aula anterior
Problema 10
Um mecanismo proposto para a pirólise do etano é o seguinte:
(1)
C2H6 → 2 CH3
(2)
CH3 + C2H6 → CH4 + C2H5
C2H5 → C2H4 + H
(3)
(4)
H + C2H6 → C2H5 + H2
(5)
2 C2H5 → C4H10
⎛ 368000 ⎞
⎟⎟
k1 = 1016,5 exp ⎜⎜ −
R
T
0
⎝
⎠
⎛ 42000 ⎞
⎟⎟
k 2 = 108 exp ⎜⎜ −
⎝ R0 T ⎠
m3⋅kmol-1⋅s-1
⎛ 168000 ⎞
⎟⎟
k 3 = 1013 exp ⎜⎜ −
R
T
0
⎠
⎝
⎛ 25000 ⎞
⎟⎟
k 4 = 10 9 exp ⎜⎜ −
⎝ R0 T ⎠
k 5 = 1010, 25 exp (0 )
s-1
s-1
m3⋅kmol-1⋅s-1
m3⋅kmol-1⋅s-1
A hipótese de estado estacionário é aplicável a H, CH3, e C2H5.
a) Mostre que
d [C 2 H 6 ]
−
= 3 k1 [C 2 H 6 ] + k 3
dt
⎛ k1 ⎞
⎜⎜ ⎟⎟
⎝ k5 ⎠
0,5
[C 2 H 6 ] 0,5
b) Mostre que as concentrações de H e CH3 são muito inferiores à de C2H5. Considere a reacção a
volume constante e com uma temperatura e pressão iniciais de 900 K e 0,10 atm, respectivamente. (Nota: com R0 = 8,3143 kJ⋅kmole-1⋅K-1)
c) Considerando que de início apenas C2H6 se encontra presente, calcule o tempo necessário para
que se dê a reacção de 10% de C2H6 (apresente a resposta em função das constantes k).
3ª aula - sexta-feira 19 e terça-feira 23 de Março
Analisar e discutir os problemas que ficaram por resolver na aula anterior
Problema 11
A reacção química que traduz a decomposição do dióxido de azoto na ausência de N2 é:
2NO2 → 2NO + O2
a) Escreva a equação da taxa de reacção.
b) Qual é a ordem desta reacção ?
c) Quais são as unidades da constante na expressão da taxa de reacção ?
d) À temperatura de 592 K, o valor de kf é 498 nas unidades da c). Qual é a taxa de decomposição
do dióxido de azoto a esta temperatura se a sua concentração for 3,00 mole⋅cm-3 ?
e) Calcule a energia de activação da reacção sabendo que:
T (K)
kf
(unidades da c))
603,5
775
627
1810
651,5
4110
656
4740
Problema 12
O mecanismo de reacção proposto para a decomposição do etano (C2H6) na presença de monóxido
de azoto (NO) é o seguinte:
C2H6 + NO
k1
C2H5 + HNO
⎯⎯→
2
C2H5 ⎯⎯→
H + C2H4
k
3
H + C2H6 ⎯⎯→
C2H5 + H2
k
H + NO
k4
HNO
⎯⎯→
5
HNO ⎯⎯→
H + NO
k
6
C2H5 + HNO ⎯⎯→
C2H6 + NO
k
a) Escreva a reacção química global que é descrita pelo mecanismo de reacção acima indicado.
b) Aplicando a hipótese de estado estacionário às espécies químicas C2H5, H e HNO, mostre que:
⎛
⎞
d
[C 2 H 4 ] = ⎜⎜ k1k 2 k 3 k 5 ⎟⎟
dt
⎝ k4 k6 ⎠
1
2
[C 2 H 6 ]
4ª aula - sexta-feira 26 e terça-feira 30 de Março
Analisar e discutir os problemas que ficaram por resolver na aula anterior
Problema 13
Um queimador de secção circular de
0,80 cm2 tem à saída um escoamento
com um perfil uniforme de velocidade
(despreza-se a camada limite). A mistura é de ar/propano, a temperatura é
de 25ºC e a pressão é de 1,00 bar.
a) Qual a altura da chama quando
φ = 1,10 e a velocidade do escoamento é de u = 1,20 m⋅s-1 ?
b) Pretende-se manter a altura de chama. Qual deverá ser a velocidade do
escoamento se a mistura passar
para φ = 1,30 ?
Problema 14
Admita que o escoamento no queimador anterior é turbulento, e que a
intensidade de turbulência é de
0,50 m⋅s-1. Se a altura de chama se
mantiver relativamente à do problema
anterior, qual seria a nova velocidade
do escoamento para φ = 1,10 ?
Problema 15
Se a temperatura ambiente passar de 25ºC para 100ºC, qual será a altura de chama para o escoamento laminar com φ = 1,10, nas seguintes condições:
a) a velocidade à saída do queimador mantém o valor de u = 1,20 m⋅s-1;
b) o que se mantém é o caudal mássico.
5ª aula - sexta-feira 9 e terça-feira 13 de Abril
Analisar e discutir os problemas que ficaram por resolver na aula anterior
Problema 16
Foi visto na aula teórica quão sensível era o tempo de ignição à temperatura inicial T0 para um combustível com uma temperatura de activação de 20 000 K. Considere-se este valor de TE como um
limite superior. Também foi visto na aula que para um número considerável de alcanos se pode considerar uma temperatura de activação de 3800 K no modelo AnB para a ignição espontânea. Considere-se este último valor de TE como um limite inferior.
Verifique quão sensível é um combustível com TE = 3800 K relativamente a um com TE = 20 000 K.
Apresente o cálculo como melhor entender, não esquecendo que o objectivo é comparar a sensibilidade de tig com T0 nestes dois casos extremos.
Problema 17
Uma determinada Norma para ensaio de resistência de tecidos ao fogo impõem que as amostras de
tecido sejam queimadas em condições regulamentadas. Uma dessas condições refere que a amostra deve ser queimada por uma chama de pré-mistura laminar de 25 mm de altura. São também
impostas algumas (poucas) condições relativamente ao combustível a usar. Um determinado laboratório de ensaios dispõe de um combustível constituído por uma mistura de hidrocarbonetos leves que
está nas condições impostas pela Norma. Dispõe também de um queimador cuidadosamente projectado, contendo um tubo extremamente curto de diâmetro interno igual a 12 mm e precedido por uma
contracção. As propriedades conhecidas do combustível são as seguintes: M = 28,5 kg/kmol,
C/H = 5,33…, λ/cp = 1,61x10-5 kg/(m⋅s) e R fu = 6,2 moles/dm3⋅s.
a) Calcule o caudal volumétrico de ar e de combustível para obter a chama com a altura especificada, usando uma mistura estequiométrica.
b) Se se mantiver o caudal de ar e diminuir o caudal de combustível o que acontecerá à altura da
chama? E se o caudal de combustível aumentar em vez de diminuir ? Explique. Pode retirar
alguma conclusão do comportamento da chama ?
c) Diga quais as aproximações usadas na resolução da alínea a). O resultado obtido na alínea
a) será obtido por excesso, por defeito, ou não é possível saber ?
5ª aula - sexta-feira 16 e terça-feira 20 de Abril
Analisar e discutir os problemas que ficaram por resolver na aula anterior (não problemas
novos para esta aula)
5ª aula - sexta-feira 23 e terça-feira 27 de Abril
Analisar e discutir os problemas que ficaram por resolver na aula anterior
Problema 18
O dispositivo representado na figura permite realizar ensaios de combustão a pressão constante (o
êmbolo A é móvel) num meio turbulento e adiabático. A turbulência é criada durante a admissão forçada da mistura combustível. Quando a admissão termina e a mistura é inflamada pela vela de ignição I, a turbulência pode ser considerada homogénea e admite-se que se mantém assim durante
todo o período de combustão. No instante em que a combustão termina, uma amostra de produtos é
recolhida por uma sonda junto à vela de ignição, sendo a amostra arrefecida rapidamente, “congelando” assim a sua composição.
a) Calcule a velocidade de propagação da chama SC.
b) Calcule a velocidade da frente de chama SF.
c) Mostre que a velocidade do êmbolo SE é dada por: S E =
ρu − ρb
SC
ρb
d) Estime a concentração de NO na amostra (admitindo que a sua difusão é desprezável durante o
período da combustão) sabendo que a seguinte expressão é válida para misturas pobres:
( )0,5
d p NO
= 1,03 1016 pO2
dt
p N2
⎛ 571 000 ⎞
1
⎟⎟
exp⎜⎜ −
T
⎝ 8,3143 T ⎠
Condições de ensaio:
Mistura/ar propano com φ = 0,80
Tu = 380 ºC
Tb = 2340 K
p = 7,5 bar
Intensidade de turbulência, u’ = 2,00 m/s
L = 0,100 m
Ref: Metghalchi M & Keck J C: Laminar Burning Velocity of
Propane-Air Mixtures at High Temperature and Pressure, Combustion and Flame, 38: 143-154 (1980)
(p em bar)