Combustão 13 06 2012

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UNIVERSIDADE POSITIVO FACULDADE DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA ENGENHARIA MECÂNICA QUÍMICA Reações Químicas Combustão Relatório da prática realizada no Laboratório de Química sob a orientação do Professor Fernando da Silva Carvalho Neto. Realizada pelo(s) aluno(s): Altevir Bailo, Nycaelly Sampaio e Romario dos Santos Alves em 13 de Junho de 2012. Curitiba 2012 Introdução A nível industrial combustão pode ser definida como a reação química na qual um oxidante (oxigênio) reage com um determinado redutor (combustível), liberando energia. Combustíveis à base de hidrocarbonetos são constituídos principalmente por hidrogênio (H) e carbono (C). A combustão completa desses elementos produz principalmente gás carbônico (CO2) e água (H2O), além de quantidades pequenas de monóxido de carbono (CO). Alguns reagentes de combustão parcial também podem ser formados, tais como os NOx, oriundos da oxidação do nitrogênio. A maioria dos combustíveis convencionais também contém pequenas quantidades de enxofre (SO2) ou trióxido de enxofre (SO3). Os combustíveis podem conter ainda substâncias não oxidantes como matéria não mineral (cinza), água e gases inertes. Tipos de combustíveis e as Características dos combustíveis. Combustíveis são substancias que reagem com o oxigênio e libera energia, geralmente calor. Sólidos: são geralmente fósseis e o seu uso e principalmente na indústria, exemplo carvão mineral, lenha, coque e turfa, etc.; Líquidos: usados em instalações térmicas, automóveis, etc. Exemplos: petróleo, óleo combustível, diesel querosene, álcool, etc.; Gasoso: são de mais fácil combustão que os combustíveis líquidos, há ausência de cinzas, transporte fácil, boa economia de combustão. Exemplos: hidrogênio, etano, propano butano, gás natural, etc.; Essa separação é importante, pois define o meio de transporte, armazenamento e da queima do combustível. São separados ainda como naturais e artificiais ex. lenha, carvão petróleo (naturais), coque diesel gás liquefeito são artificiais. São também qualificados pela velocidade de queima sendo de queima lenta, de queima violenta. Queima lenta há a queima é a reação geralmente entre o oxigênio e um solido genericamente chamado de brasa. Se aumentar o fluxo de ar pode se tornar uma combustão viva. Queima viva e a queima de um combustível e de um vapor e/ou de um volume de ar. Combustão Completa A combustão completa ocorre quando na fornalha há o oxigênio do ar na quantidade suficiente para a oxidação completa de todos os elementos combustíveis do combustível. Neste caso, no processo de combustão na câmara de combustão, os elementos químicos combustíveis do combustível (carbono C; hidrogênio H; enxofre S) reagem com o oxigênio do ar formando os produtos de combustão completa segundo as reações químicas escritas em moles: C + O2 = CO2 + calor de reação; 2H2 + O2 = 2H2O + calor de reação; S + O2 = SO2 + calor de reação. As mesmas reações escritas em quilogramas de reagentes são as seguintes (balanço material): 12 Kg C + 32 Kg O2 = 44 Kg CO2; 4 Kg H + 32 Kg O2 = 36 Kg H2O; 32 Kg S + 32 Kg O2 = 64 Kg SO2. Para queimar 1 Kg de carbono é necessário 32/12 = 2,67 Kg de oxigênio; para queimar 1 Kg do hidrogênio é necessário 32/4 = 8 Kg de oxigênio e para queimar 1 Kg do enxofre é necessário 32/32 = 1 Kg de oxigênio. Então, se tivermos o ar teoricamente necessário em uma combustão, esta será completa e nos produtos de combustão teremos somente CO2 (dióxido do carbono), H2O (vapor d'água), SO2 (dióxido do enxofre) e o N2 (nitrogênio) do ar, que é considerado um gás inerte e não participa das reações químicas. Se tivermos ar em excesso na câmara de combustão, os produtos de combustão irão conter O2 (oxigênio). Combustão Incompleta Se fornecermos à câmara de combustão uma quantidade menor de ar que a necessária, a combustão será dita incompleta. Considera se que o hidrogênio e o enxofre são elementos mais ativos que o carbono. A falta do ar influi sobre a reação da queima do carbono e nos produtos de combustão aparecerá CO (monóxido de carbono) devido à reação 2C + O2 = 2CO + calor de reação. O monóxido de carbono CO é um gás combustível, pois ao reagir com o oxigênio do ar pode liberar calor. Por isso, no caso de combustão incompleta, o aproveitamento do combustível e o rendimento da caldeira irão diminuir. Além do mais o monóxido de carbono é um gás tóxico e provoca a poluição do ambiente. Ele reage com a hemoglobina de sangue causando envenenamento. Desse modo, a combustão incompleta é inadmissível. Combustão Turbulenta Na maioria dos mecanismos práticos de combustão o escoamento é turbulento. A adição de combustão à turbulência aumenta a complexidade e abre novos caminhos de investigação (Liñán e Williams, 1993). A aceleração do processo de combustão e de troca de calor, além de aumentar em muito a taxa de difusão de um escoamento (Silveira Neto, 2002) é uma das implicações da turbulência. Do ponto de vista de aplicações da engenharia, esta é, talvez, a característica mais importante da turbulência. O que distingue um escoamento turbulento de um laminar é a rápida mistura dos elementos de fluido. No experimento de Osborne Reynolds (Reynolds, 1883) injetando corante em um escoamento de água em um duto circular, observaram-se diferentes regimes no escoamento iniciando pelo laminar, onde as camadas de fluidos deslocaram-se umas sobre as outras como se fossem lâminas. Com o aumento da velocidade aumentavam-se as instabilidades que oscilavam no escoamento, até que o corante se misturasse totalmente com a água. É este movimento que causa a mistura, chamado de turbulência, o responsável pela transferência de quantidade de movimento e de massa, na direção transversal do escoamento. Reynolds mostrou que a transição laminar-turbulento era caracterizada com o então denominado hoje, número de Reynolds, mas que dependeria também das condições de entrada e rugosidade do tubo por onde passa o escoamento e também dos ruídos ou vibrações do ambiente as quais o tubo está sujeito. Turbulência em um escoamento é o resultado de instabilidades não amortecidas pela ação da viscosidade e flutuações aleatórias na velocidade do escoamento. Para caracterizar a turbulência é necessário dar não somente as magnitudes e flutuações de velocidade, mas também suas escalas de comprimento. Kolmogorov desenvolveu a idéia de cascata de energia verificada quando os vórtices maiores, por serem instáveis, quebram-se e transferem energia para os vórtices menores que se dissipam pela ação da viscosidade transferindo energia na forma de calor (Pope, 2000). Neste trabalho, não será aprofundada a discussão sobre escalas características além da que foi apresentada neste item. Informações detalhadas podem ser encontradas na literatura, (Liñán e Williams, 1993; Warnatz et al., 2001; Turns, 1996).as the requirements we dictate now. integration software were becoming available for the integration of chemistry, approach and the intrinsic low-dimensional manifold (ILDM) [ Classificação dos Combustíveis Dentre os diversos tipos de classificação, uma das mais utilizadas é segundo os tipos de estado físico: sólido, liquido e gasoso, pois existem grandes diferenças quanto à natureza da combustão e quanto aos meios de armazenagem e transporte, além de suas propriedades específicas. Combustíveis Sólidos Os combustíveis sólidos foram, historicamente, a principal fonte primária de energia utilizada pelo homem. A descoberta do controle do fogo pelo homem foi uma marca importante na história da raça humana e o combustível sólido esteve sempre presente desde então. O nome também é utilizado para se designar o combustível muito utilizado em foguetes espaciais. Neste caso ele é uma união de um combustível com o comburente (oxidante) sólido, que durante a queima fornece oxigénio necessário para a queima do combustível, produzindo gases superaquecidos que se expandem em altas velocidades dentro de uma câmara de combustão e dessa forma fornece o impulso necessário para que o objeto se desloque. O que caracteriza um combustível sólido é a união entre um combustível e um comburente, um oxidante que forneça oxigênio para queima do combustível, em uma reação exotérmica, liberando energia para o sistema. Para que um sólido possa ter valor como combustível é necessário que tenha um poder calorífico tão elevado quanto possível e queime com facilidade, com ou sem chama. Outra propriedade que também os caracteriza em particular é a umidade. Esta dificulta a queima do combustível. Com o aumento da umidade reduz-se o poder calorifico e aumenta o consumo do combustível. Entre os combustíveis sólidos podemos citar como exemplo a lenha, a serragem, o bagaço da cana de açúcar, carvão mineral, turfa, xisto, entre outros. Para que se possa ser usado os combustíveis sólidos é necessário que eles estejam na forma de pó muito fino onde são pulverizados com o oxigênio do ar. Carvão mineral É a segunda fonte de energia mais utilizada do mundo, depois do petróleo, sendo responsável por 23,3% da energia consumida no mundo em 2003 e, no Brasil, por 6,6%. Composto por: carbono (grande parte), oxigênio, hidrogênio, enxofre e cinzas o carvão mineral é um combustível fóssil muito antigo, formado há cerca de 400 milhões de anos. Forma-se a partir de troncos, raízes, galhos e folhas de árvores gigantes que se formaram há cerca de 250 milhões de anos em pântanos rasos. Tais partes vegetais, após morrerem, foram se depositar no fundo lodoso de pântanos e brejos, ficando encobertas. Com a ação do tempo, e mais a pressão exercida pelo material que ali se acumula, surge uma massa negra homogênea, que forma as jazidas de carvão. Uma vez consolidado, torna-se um mineral de cor preta ou marrom altamente combustível, composto primeiramente por átomos de carbono e magnésio sob a forma de betume. Com o passar do tempo, sucessivamente, a matéria orgânica se transforma em turfa, linhito, hulha e antracito. A principal diferença entre eles é a porcentagem de carbono: a madeira possui cerca de 40% de carbono, a turfa 55%, o linhito 70%, a hulha 80% e o antracito de 90 a 96%. (Tabela 1). O carvão mineral é composto por: carbono (grande parte), oxigênio, hidrogênio, enxofre e cinzas. (Tabela 1) Principais tipos de carvão mineral. Fonte: Batista, Mário Benjamin. Conjuntura do Carvão Nacional, in Brasil potência Uma propriedade muito importante do carvão é o teor de composição das cinzas – mistura mecânica de vários óxidos. Diferenciam-se as cinzas próprias do carvão adquiridas durante sua formação, em camadas ao longo dos anos, e as cinzas caídas do carvão da rocha extraídas durante a formação da mina. Tais cinzas são responsáveis pela poluição do ambiente e aumento dos custos nas instalações térmicas. No entanto o carvão mineral não deixa de ser indispensável, pois é mais barato e suas reservas na natureza são enormes.  Xisto O xisto é uma camada de rocha sedimentar, originada sob temperaturas e pressões elevadas, contendo matéria orgânica disseminada em seu meio mineral. É uma rocha impregnada de material oleoso (5% a 10%) semelhante ao petróleo. O xisto é muito abundante na natureza; calcula-se que a quantidade total de óleo que pode ser produzida do xisto é quatro vezes maior que o total das reservas mundiais de petróleo. A grande dificuldade, contudo, é a extração do óleo do xisto: a rocha deve ser escavada, moída e aquecida a cerca de 500 °C para liberar o óleo bruto; em seguida, o óleo bruto deve ser refinado, como acontece com o petróleo. Tudo isso encarece muito o produto obtido. No mundo todo, a exploração do xisto ainda não deslanchou porque, em relação ao petróleo, seu óleo não é economicamente competitivo. No entanto, tendo em vista a contínua diminuição das reservas petrolíferas, o xisto poderá se tornar, no futuro, uma reserva importantíssima de matérias-primas e de energia. Combustíveis Líquidos O combustível líquido tem certas vantagens comparação com os sólidos, tais com poder calorífico elevado, maior facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de consumo. Quase todos os combustíveis líquidos são obtidos a partir do petróleo. Os principais combustíveis líquidos são: gasolina, querosene, óleo diesel e álcool. Gasolina A gasolina é um combustível fóssil produzida a partir do petróleo. É formada, principalmente, por hidrocarbonetos. Porém, possui também em sua composição (em pequena quantidade): produtos oxigenados, enxofre, compostos metálicos e de nitrogênio. A gasolina é altamente inflamável e muito utilizada como combustível para automóveis e motocicletas. É utilizada na forma comum ou aditivada (com aditivos que facilitam a limpeza do sistema de combustível). Por se tratar de um combustível fóssil, a queima da gasolina provoca a emissão de gases poluentes, responsáveis pelo efeito estufa e aquecimento global. Álcool O álcool corresponde a um líquido transparente, com cheiro forte e sem cor, cuja característica principal é a capacidade de ser queimado, ou seja, é um líquido inflamável. Na composição do álcool encontramos átomos dos seguintes elementos: hidrogênio, carbono e oxigênio. A queima do álcool dá origem aos produtos água, gás carbônico e muita energia. Os álcoois mais conhecidos são o metanol e etanol. O metanol é perigoso por ser tóxico, pode provocar cegueira e até matar. O etanol é mais conhecido por álcool etílico, e é produzido por fermentação a partir da cana de açúcar. O processo consiste em fermentar a cana de açúcar pela ação de bactérias e fungos. A cana-de-açúcar não é a única matéria prima existente para a produção de álcool combustível, em outros países, ele é extraído do milho, da beterraba e até da madeira. Biocombustíveis Biocombustíveis são os combustíveis resultantes da biomassa -- montante de matéria orgânica. São fabricados a partir de vegetais, tais como, milho, soja, cana-de-açúcar, mamona, canola, babaçu, cânhamo, entre outros. O lixo orgânico também pode ser usado para a fabricação de biocombustível. Os principais biocombustíveis são: etanol (produzido a partir da cana-de-açúcar e milho), biogás (produzido a partir da biomassa), bioetanol, bioéter, biodiesel, entre outros. A lenha é um biocombustível natural de origem florestal. A madeira verde tem acima de 40% de umidade. Quando estocada, reduz sua umidade para 20% ou menos. A limitação de fontes de fontes de energia resulta na necessidade do aproveitamento integral de toda biomassa florestal, incluindo cacas, ponteiras, raízes e resíduos de tratamento: serragem, lasca, cavaco, estilha e etc. A vantagem do uso dos biocombustíveis é a redução significativa da emissão de gases poluentes. Também é vantajoso, pois é uma fonte de energia renovável ao contrário dos combustíveis fósseis (óleo diesel, gasolina querosene, carvão mineral). Por outro lado, a produção de biocombustíveis tem diminuído a produção de alimentos no mundo. Buscando lucros maiores, muitos agricultores preferem produzir milho, soja, canola e cana-de-açúcar para transformar em biocombustível. Referencias Bibliográficas http://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/4748/000459504.pdf?sequence=1 Vlassov, Dmitri. Combustíveis, Combustão e Câmaras de Combustão. Editora da UFPR, (2001). http://www.suapesquisa.com/o_que_e/biocombustiveis.htm http://www.lcp.inpe.br/Plone/LCP/docs/DISSERTACAORenata.pdf