Química Aplicada

QAP0001

Licenciatura em Química

Profa. Dra. Carla Dalmolin

carla.dalmolin@udesc.br

carla.dalmolin@gmail.com

Combustíveis

Reações de Combustão

Reação química entre uma substância (combustível) e um gás

(comburente), geralmente o oxigênio (O2), que libera calor

CH4 + 2 O2CO2 + 2 H2O ΔH0 = -802 kJ/mol

ΔH < 0

Reação Exotérmica

RESPIRAÇÃO: processo de combustão

C6H12O6 + 6 O26 CO2 + 6 H2O

Tipos de Combustão

O reagente queima totalmente na presença de oxigênio formando apenas

CO2 e H2O

Combustíveis contendo átomos de N ou S, formam também os óxidos NOx

e SOx, respectivamente

Normalmente, esse tipo de combustão é difícil de se atingir, a menos que a

reação ocorra em situações controladas (ex. laboratório)

COMBUSTÃO COMPLETA

CH4 + 2 O2CO2 + H2O ΔHc

0 = -802 kJ/mol

É importante conhecer a quantidade de calor liberada pelos

combustíveis para que seja possível comparar o valor

energético entre eles.

Tipos de Combustão

Entalpia de combustão padrão de alguns combustíveis:

Combustível Fórmula ΔHc0 / kJ.mol-1

Carbono (carvão) C(s) -393,5

Metano (gás natural) CH4(g) -802

Propano (componente do gás de cozinha) C3H8(g) -2220

Butano (componente do gás de cozinha) C4H10(g) -2878

Octano (componente da gasolina) C8H18(l) -5471

Acetileno (gás de maçarico) C2H2(g) -1300

Etanol (álcool) C2H5OH(l) -1368

Hidrogênio H2(g) -286

A entalpia de combustão considera que a queima de combustível foi completa, por isso

indica o calor máximo que pode ser liberado por cada substância.

Tipos de Combustão

O suprimento de oxigênio não é suficiente para completar a reação

Ocorre a queima do combustível, mas este pode formar uma série de

produtos

Há também a liberação de átomos de carbono na forma de fuligem

COMBUSTÃO INCOMPLETA

CH4 + O2C + 2 H2O

CH4 + 3/2 O2CO + 2H2O ΔH0= -520 kJ/mol

ΔH0= -408 kJ/mol

Calor liberado é menor que na

combustão completa

Tipos de Combustão

Ocorre a baixas temperaturas, sem emissão de luz.

Ex. Respiração celular

Produz luz, conhecida como fogo. A chama se forma quando os gases combustíveis se

misturam com o oxigênio do ar.

No caso de combustíveis sólidos, observa-se a incandescência na superfície e formação

de brasas.

COMBUSTÃO LENTA

COMBUSTÃO VIVA

EXPLOSÃO

COMBUSTÃO VIOLENTA

Resultado da combustão de misturas de gases ou partículas finamente divididas com o ar,

numa composição bem definida (chamada de mistura explosiva ou detonante), que se propaga

rapidamente.Neste caso, a mistura ocupa todo o espaço onde está confinada, e no momento

da explosão, provoca o aumento violento da temperatura e pressão

Caracterizada por fluxos turbulentos que ajudam o combustível a se misturar com o

comburente.

Ex. Turbinas de gás, motor a diesel

Combustíveis

Combustíveis Fósseis:

Misturas de compostos orgânicos extraídas do subsolo, originárias de seres

vivos fossilizados. Ex.: petróleo, GLP, gasolina, diesel

Carboidratos e Lipídios:

Principais combustíveis utilizados pelos seres vivos, queimados para gerar

energia com auxílio da respiração.

Substância que reage com o oxigênio (ou outro comburente)

liberando energia na forma de calor e luz (chamas, fogo).

Combustão

em caldeiraAquecimento

de águaGeração de

vapor d’água

Movimentação de

máquinas a vaporCalefação

Carvão:

Combustíveis Gasosos

Gás natural ou metano (CH4)

GLP – gases liquefeito de petróleo

Etano (C2H6)

Propano (C3H8)

Butano (C4H10)

Devido a baixa relação entre o número de moléculas de carbono e hidrogênio,

produzem mais água e menos CO2.

Misturam-se facilmente ao ar, formando misturas fáceis de queimar

Baixa propagação da chama

Ambientalmente mais amigáveis

Necessitam de maior energia de ignição

Combustíveis Líquidos

A combustão de um combustível líquido em uma atmosfera de O2 ocorre,

na verdade, nos vapores liberados pelo líquido. A mistura dos vapores do

líquido combustível com o ar é chamada de Mistura Inflamável.

Um líquido só libera vapores capazes de formar uma mistura inflamável

acima de uma determinada temperatura, denominada Ponto de Fulgor.

Um líquido é considerado combustível quando tem a temperatura de

fulgor entre 70oC e 90oC.

Na temperatura de fulgor, o combustível líquido não evapora com a

rapidez necessária para sustentar a queima, caso a fonte de calor seja

removida. Apenas quando atinge o Ponto de Combustão é que a fonte

de calor pode ser removida, e a reação de combustão ocorre até o

consumo dos reagentes.

Combustíveis Líquidos

Ponto de fulgor

Menor temperatura na qual um combustível liberta vapor em quantidade

suficiente para formar uma mistura inflamável por uma fonte externa de calor. O

ponto de fulgor não é suficiente para que a combustão seja mantida.

Ponto de combustão

É a temperatura mínima necessária para que um combustível desprenda vapores

ou gases combustíveis que, combinados com oxigênio do ar e em contato com

uma chama ou centelha (agente ígneo) externa, se inflamam; e mantém-se

queimando, mesmo com a retirada do agente ígneo, face a quantidade de

vapores liberados àquela temperatura, bem como o aumento da temperatura

provocada pela queima.

Ponto de ignição

Consiste na temperatura (muito acima dos pontos de fulgor e de combustão) à

qual os vapores desprendidos entram em combustão espontânea

(independentemente de qualquer chama direta).

Combustíveis Sólidos

A queima de combustíveis sólidos ocorre em três etapas:

Pré-Aquecimento

O combustível não queimado é aquecido até o ponto de fulgor e, depois, para o

ponto de combustão.

Destilação ou Fase gasosa

Começa a liberação de gases que se misturam com o oxigênio do ar, dando

início à reação, ocorrendo a produção de energia na forma de calor e luz (fogo).

Fase de carvão ou Fase sólida

A liberação de gases inflamáveis é pequena para manter a chama, mas o

combustível carbonizado continua queimando lentamente. O sólido fica

incandescente e continua a arder, sem a produção de chamas.

Propriedades dos Combustíveis

Estequiometria da Reação

Ponto de Ebulição

Calor de Vaporização

Ponto de Fulgor

Limites de Flamabilidade

Ponto de Ignição

Temperatura Adiabática de Chama

Poder Calorífico

Produção de CO2

Estequiometria da Reação

Para a queima de um combustível é necessária uma certa quantidade de ar

para que a reação ocorra.

A quantidade exata de ar (contendo aproximadamente 23% de O2) necessária

para a reação de combustão depende da fórmula química do combustível.

Assim, a massa de ar necessária para que ocorra a combustão completa

será:

mO2 0,23.mar

A

F

mar

mcombustível1

0,23.MMO2

MMcombustível

Relação Ar/Combustível

Estequiometria da Reação

MISTURA ESTEQUIOMÉTRICA:

As massas de ar e combustível seguem exatamente a relação (A/F)

MISTURA POBRE

A massa de ar é maior que a prevista pela relação (A/F)

MISTURA RICA

A massa de combustível é maior que a prevista pela relação (A/F)

COEFICIENTE DE EXCESSO DE AR: RIQUEZA DA MISTURA:

AF

real

AF

esteq

AF

esteq

AF

real

Misturas pobres Misturas ricas

Ponto de Ebulição

Temperatura em que um combustível líquido passa para seu estado vapor numa

determinada pressão.

Combustíveis formados por apenas um componente apresentam um valor de

temperatura de ebulição bem definido.

Entretanto, a maioria dos combustíveis são uma mistura de vários componentes, e

apresentam uma curva de destilação, onde o volume de líquido evaporado é

acompanhado com o aumento da temperatura.

Limites de Flamabilidade

Para que ocorra a combustão completa de um combustível é necessário

que a razão entre o volume de ar e combustível esteja dentro de certos

limites, conhecidos como:

Limite Inferior de Flamabilidade (LIF), e

Limite Superior de Flamabilidade (LSF)

É interessante notar que estes valores são apresentados em forma de porcentagem volumétrica, e não mássica como acontece para a relação (A/F).

LIF (%V) LSF (%V) LSF/LIF

Metano 5,3 14,0 2,6

Propano 2,4 9,5 4,0

Butano 2,0 8,5 5,3

Gasolina 1,4 7,6 5,4

Acetileno 4 75 18,8

Etanol 4,3 19 4,4

Poder Calorífico

É a quantidade de energia química no combustível, que pode ser representado

pela massa de combustível (Poder Calorífico do Combustível), ou

pela massa da mistura ar-combustível (Poder Calorífico da Mistura).

O poder calorífico é apresentado em unidades de J/m3 (para combustíveis gasosos)

ou J/kg (para combustíveis sólidos e líquidos).

Um dos problemas dos combustíveis para veículos é que estes precisam ser

transportados. Por isso é importante saber quanta energia pode ser transportada

num dado volume.

Combustível Poder Calorífico (MJ/kg)

Diesel 36

Gasolina 33

Etanol 21

Bateria Pb-ácido 0,3

Produção de CO2

Parâmetro estudado devido ao aumento da preocupação com o efeito estufa.

De maneira geral, o potencial de emissão de CO2 de um combustível é maior quanto

maior a quantidade de carbono em sua composição

Mistura de Hidrocarboneto

Emissão de CO2

Gasolina 100

Diesel 102

GLP 87

Gás Natural 75

Hidrogênio 0

Gasolina

Produto da destilação do petróleo

Mistura de hidrocarbonetos com temperaturas de ebulição na faixa de 25oC a

250oC

Capaz de ser submetida a altas pressões e temperaturas, sem que ocorra

auto-ignição

Índice de Octano ou Octanagem: parâmetro de qualidade da gasolina

Indica a taxa de compressão possível sem que haja detonação

Também conhecido como Poder Antidetonante

GASOLINA

AR (O2)

MOTOR Compressão Ignição COMBUSTÃO Expansão

Diesel

Produto da destilação do petróleo

Mistura de hidrocarbonetos com ponto de ebulição entre 180oC e 360oC

Não evapora facilmente

Pode ocorrer precipitação dos hidrocarbonetos mais pesados na mistura

em baixas temperaturas (t < -10oC)

Auto-inflamável (tignição = 250oC – 300oC)

Alto teor de S (quando comparado à gasolina)

A capacidade de uma mistura de diesel de se auto-inflamar é medida pelo

índice de cetano (IC)

Biodiesel

Mistura de ésteres produzidos a partir da reação de transesterificação de

óleos vegetais ou gorduras animais (triglicerídeos)

Possui índice de cetano superior ao diesel

Baixa emissão de poluentes

Biodegradável

Processo de fabricação ineficiente

Reagem levemente com polímeros e borrachas

Alto custo

Poder calorífico cerca de 10% menor que o diesel