Trabalho de quimica

Trabalho de quimica

INSTITUTO DE ESTUDO SUPERIOR DA AMAZÔNIA

CURSO DE ENGENHARIA DA PRODUÇÃO

CLÁUDIO FILHO

EP1MA

COMBUSTÃO E COMBUSTÍVEL

BELÉM

2012

INTRODUÇÃO

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.

COMBUSTÃO

Combustão é uma das tecnologias mais antigas da humanidade e tem sido usada por mais de um milhão de anos. Atualmente, a maior parte da energia consumida no mundo (por exemplo, em transporte, geração de energia elétrica, aquecimento) é fornecida pelo processo de combustão. Deste modo, o conhecimento desse processo é de grande importância para muitas áreas.

O processo de combustão envolve diversas reações químicas que liberam energia, na forma de calor e luz. As principais reações desse processo ocorrem entre os componentes do combustível e o oxigênio do ar atmosférico, ou ar de combustão. Entretanto, outras reações são possíveis, como entre os componentes do ar ou entre os componentes do próprio combustível.

Os principais elementos químicos encontrados na maioria dos combustíveis são o carbono e o hidrogênio. Além desses, o enxofre é outro componente normalmente presente, entretanto em quantidades bem menores. Esses elementos químicos reagem com o oxigênio de acordo com as reações (R1) a (R5).

C + O2 → CO2 (R1)

2C + O2 → 2CO (R2)

2H2 + O2 → 2H2O (R3)

S + O2 → SO2 (R4)

2S + 3O2 → 2SO3 (R5)

As reações (R1) a (R5) são chamadas de reações de oxi-redução, nas quais ocorre transferência de elétrons e um reagente sofre redução enquanto o outro sofre oxidação. Carbono, hidrogênio, nitrogênio, enxofre, e outros elementos químicos que compõe os combustíveis, geralmente não se encontram livres, mas unidos através de ligações químicas. Assim, os combustíveis possuem diversos compostos químicos, sendo que os principais compostos são formados por carbono e hidrogênio, chamados de hidrocarbonetos. Por isso, as reações (R1) a (R5) representam simplificações do processo de combustão, sendo que normalmente estão envolvidas reações de oxidação e decomposição dos compostos encontrados nos combustíveis.

Os principais produtos das reações envolvidas na combustão são os gases liberados, que em equipamentos industriais são chamados de gases de exaustão. Os produtos das reações (R1) a (R5) são exemplos de gases de exaustão. No caso de combustíveis sólidos, além dos gases, têm-se como produtos os resíduos sólidos, normalmente denominados de cinzas, lembrando também que dependendo da quantidade de gás oxigênio disponíveis, a combustão pode ser completa ou incompleta. Vejamos o que diferencia as duas:

COMBUSTÃO COMPLETA

A combustão completa ocorre quando existe oxigênio suficiente para consumir todo combustível. No caso de compostos feitos de carbono e hidrogênio (hidrocarbonetos); e de carbono, hidrogênio e oxigênio (como álcoois, cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos, etc.), os produtos são o dióxido de carbono (gás carbônico – CO2) e a água. Para citar um exemplo de hidrocarboneto, temos o metano (CH4), que é o principal constituinte do combustível biogás, e que também está presente no gás natural de petróleo. Observe como ocorre a sua combustão de modo completo:

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) + calor

Outro exemplo que temos é o do gás butano que entra em combustão, por exemplo, quando acendemos um isqueiro comum. A faísca provoca a reação do butano com o oxigênio do ar, resultando em sua chama característica:

2 C4H10(g) + 13 O2(g) → 8 CO2(g) + 10 H2O(g) + calor

Outra forma de descobrir se a reação de combustão é completa é por meio do Nox (número de oxidação) do carbono, pois todas as reações de combustão são de oxirredução, sendo que o combustível sofre oxidação e o comburente sofre redução, conforme mostrado a seguir:

Observe que no CO2 formado, o carbono apresenta o seu Nox máximo (+4). Quando isso ocorre, quer dizer que todo combustível foi consumido e, portanto, é uma reação de combustão completa.

COMBUSTÃO INCOMPLETA

A combustão se dá de forma incompleta quando não houver oxigênio suficiente para consumir todo o combustível. No caso dos compostos orgânicos que estamos considerando, os produtos da combustão incompleta podem ser monóxido de carbono (CO) e água; ou carbono elementar (C) e água. Por exemplo, nos automóveis, a combustão deve ser completa, pois se for incompleta gera o monóxido de carbono, que é extremamente tóxico. Em vários lugares, pessoas já morreram ao inalar esse gás em garagens mal ventiladas. Veja um exemplo desse tipo de combustão incompleta:

- Combustão incompleta do metano: CH4(g) + 3/2 O2(g) → CO(g) + 2 H2O(g)

- Combustão incompleta do gás butano: C4H10(g) + 9 O2(g) → 8 CO(g) + 10 H2O(g)

Se a quantidade de gás oxigênio for menor ainda, o produto será o carbono no lugar do monóxido de carbono. Exemplos:

- Combustão incompleta do metano: CH4(g) + O2(g) → C(s) + 2 H2O(g)

- Combustão incompleta do gás butano: C4H10(g) + 5 O2(g) → 8 C(g) + 10 H2O(g)

Algumas vezes, essa combustão é tão incompleta que o carbono torna-se visível ao sair pelo escapamento dos veículos, na forma de fuligem (uma fumaça escura, formada de minúsculas partículas sólidas de carvão). É por isso que é importante manter o motor bem regulado, para que entre ar suficiente e a combustão seja completa. Em algumas fábricas, como a de produção de carvão ou de negro de fumo, o objetivo é exatamente realizar uma reação de combustão incompleta. Observando o Nox do carbono, vemos que ele não apresenta o seu Nox máximo, portanto, as combustões abaixo são incompletas. Vemos abaixo os exemplos dessa condição.

.

COMBUSTÍVEL

Combustível é qualquer substância capaz de produzir de maneira fácil e econômica, energia térmica por reação química ou nuclear. Geralmente são materiais carbonáceos (Os condritos carbonáceos são um tipo particular de condritos. Apresentam um teor elevado de carbono (até 3%), o qual ocorre na forma de grafite, carbonatos e compostos orgânicos, incluindo aminoácidos) que reagem facilmente com o oxigênio do ar, produzindo calor em grande quantidade.

CLASSIFICAÇÃO DOS COMBUSTÍVEIS

Sólidos

São formados de C, H2, O2, S, H2O e cinzas, sendo combustíveis somente o C, O2, H2 e o S. Entre os combustíveis sólidos, temos os minerais como lenha, serragem, bagaço

de cana, etc.

Os combustíveis sólidos para serem usados devem estar sob forma de pó muito

fino, ele é pulverizado com o ar durante a alimentação do cilindro. O grande problema que apresentam os combustíveis sólidos, é a inaceitável erosão provocada nos pistões, válvulas, cilindros, etc. Isto acontece porque os produtos da combustão contêm partes muito duras, que ao depositarem nestes órgãos, causam estes inconvenientes.

Líquido

Também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são obtidos pela

refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. Os mais usados são a gasolina, o óleo diesel e o óleo combustível. Estes combustíveis são formados de hidrocarbonetos, sendo o óleo diesel C8H17 e a gasolina C8H18. Os combustíveis líquidos não minerais são os álcoois e os óleos vegetais. Entre os álcoois, temos o álcool metílico e o etílico, enquanto que os óleos vegetais são formados de C, H2, O2 e N2.

Gasoso

Além de terem um baixo custo, porque geralmente são gases obtidos como subprodutos, são combustíveis que formam com o ar uma mistura mais homogênea. Esta característica contribui para uma melhor distribuição nos cilindros, aumentando o rendimento do motor. Aumenta também a facilidade da partida a frio do motor.

Os combustíveis gasosos, segundo o seu processo de fabricação podem ser:

Gás natural - é encontrado em locais arenosos que contêm petróleo em várias profundidades do subsolo. Os principais gases naturais são:

· Metano CH4

· Etano C2H6

· Dióxido de carbono CO2

· Nitrogênio N2

Os gases naturais obtidos através da refinaria de petróleo são:

· Propano

· Butano

Gás do gasogênio - estes gases são obtidos através da combustão do carbono.

O emprego dos gases do gasogênio na automobilística foi muito usado no tempo da guerra, devido a inexistência de outros combustíveis. Hoje em dia não é muito utilizado,

por apresentarem os seguintes inconvenientes:

· Alta percentagem de poluição

· Baixo poder calorífico

· Para serem produzidos, são necessários equipamentos de grande porte.

Gás do subproduto - pode ser obtido pelos seguintes processos:

· Processo destinado a produzir coque. A parte volátil do carbono é liberada com o aquecimento dos hidrocarbonetos mais pesados, obtendo assim um gás em H2 e CH4.

· Processo de produção de aço, onde se tem a formação essencialmente do CO e N2.

Combustível Líquido

Os combustíveis líquidos empregados nos motores são constituídos de:

· hidrocarboneto,

· benzol ou

· álcoois

Hidrocarbonetos: São agrupados em quatro classes:

· parafinas

· olefinas

· aromáticos

· naftenos

- Família Parafínica

A série parafinica dos hidrocarbonetos começa com o CH4 (metano) e os termos sucessivos têm um átomo a mais de carbono ligados a dois átomos de hidrogênio e recebem os seguintes nomes de acordo com o número de cabono:

1 carbono - METANO

2 carbonos - ETANO

3 carbonos - PROPANO

4 carbonos - BUTANO

5 carbonos - PENTANO

6 carbonos - HEXANO

7 carbonos - HEPTANO

8 carbonos - OCTANO

9 carbonos - NONANO

10 carbonos - DECANO

- Família das Olefinas

A série das olefinas tem a cadeia aberta como a série parafínica, mas têm uma dupla ligação entre os átomos de carbono. Esta família é caracterizada pela terminação “ENO” e tem a fórmula geral CnH2n. As olefinas podem unir-se com facilidade com o hidrogênio, formando a parafina, ou também pode se unir com o oxigênio, que neste caso formará resíduos indesejáveis comumente chamados de borras.

- Família dos Aromáticos

Possuem a fórmula geral CnH2n-6 para a série benzênica e C2H2(n-6) para a série dos

naftalênicos.

- Família dos Naftenos

A fórmula geral é, evidentemente, CnH2n. É uma família de compostos saturados

com estruturas sólidas. Cada átomo de carbono é ligado a outros dois átomos de carbono, formando assim uma estrutura em anel. Cada carbono tem dois outros elementos ligados a este, que podem ser o hidrogênio, outro carbono ou ambos. Os compostos são denominados, adicionando o prefixo “CICLO” ao nome da parafina correspondente.

Benzol

O benzol é obtido da destilação dos catrames de carbono. Devido a sua alta octonagem (NO = 120) e alto poder calorífico (10000 kcal/kg), é muito indicado para ser usado nos motores à combustão interna.

A sua principal desvantagem é o alto ponto de solidificação (5ºC), que limita o seu emprego, principalmente em países frios. Este inconveniente pode ser minimizado adicionando ao benzol alguns produtos químicos, como por exemplo, a gasolina.

Outro inconveniente é a dificuldade de se evaporar, portanto para que haja uma formação homogênea da mistura ar mais combustível, é necessário que esta sofra um preaquecimento.

Divisão dos combustíveis líquidos segundo a sua volatilidade

Os combustíveis se dividem em:

· carburantes,

· óleo combustíveis.

- Carburantes

Possuem elevada volatilidade e são usados nos motores à ignição por centelha.

Os principais combustíveis que pertencem à classe dos carburantes são:

· gasolina

· benzol

· álcool

- Óleos combustíveis

Dividem-se em:

· óleos combustíveis leves

· óleos combustíveis pesados

Os primeiros chamam-se óleo diesel e são empregados em motores de combustão por compressão de médias e altas rotações, enquanto que os segundos são os óleos APF (alto ponto de fluidez) e BPF (baixo ponto de fluidez), utilizados em motores de grande porte e de baixa rotação.

A diferença que existe entre os óleos combustíveis pesados e leves é sobretudo sua viscosidade, sendo a do óleo menor do que a do pesado.

Em linhas gerais, a característica principal de um óleo combustível é o “retardo de ignição”, e, quando menor for, melhor será o óleo combustível.

Retardo de ignição é o tempo decorrido entre o início do combustível na câmara de

combustão e o início da ignição do óleo de combustível.

Álcool

Podem ser obtidos de produtos agrícolas ou da oxidação parcial do petróleo. Eles são compostos orgânicos que podem considerar-se divididos de um hidrocarboneto, saturado ou insaturado, mediante substituição de um ou mais átomos de hidrogênio com uma mais oxidrilas OH, quando os álcoois contém um ou mais oxidrilas, distinguem-se em monovalentes, bivalentes, etc.

Comentários