Comb-gas-1

Combustveis Gasosos

Rubens Stuginski [email protected]

Universidade de Passo FundoFaculdade de Engenharia e Arquitetura

Engenharia MecnicaGerao e Utilizao de Vapor

V02R2013

Stuginski Jr, R. (FEAR/UPF) Combustveis Gasosos Abril/2013 1 / 35

Introduo

Composio

Combustveis Gasosos so compostos por:

Hidrocarbonetos:metano (CH4);etano (C2H6);propano (C3H8);butano (C4H10),...

Monxido de carbono (CO)Gases inertes:

dixido de carbono CO2,nitrognio N2,...


Introduo

Combustveis com interesse industrial

Gs Natural: todo hidrocarboneto que permanea em estado gasosonas condies atmosfricas normais, extrado diretamente a partir dereservatrios petrolferos ou gaseferos, incluindo gases midos,secos, residuais e gases raros;

Lei 9478 - Art 6o, inciso II

Composio varia de acordo com a origem. Basicamente, umamistura composta por:

metano (CH4) (cerca de 90%),etano (C2H6) (de 5 a 8%),propano e traos de hidrocarbonetos mais pesados.gases inertes: N2, CO2, He (eventual)


Introduo


GLP: Formado por hidrocarbonetosparafnicos: propano, n-butano e iso-butanoolefnicos: propeno, n-buteno e iso-buteno, em proporesvariadas.Traos de etano, eteno, iso-pentano e butadieno-1,3.

Propano especial: Distribuio restrita. Composto basicamente por:propano (mnimo 90%),propeno (mximo 5%),butanos ebutenos,traos de outros hidrocarbonetos mais prximos, como no GLP.


Notes

Notes

Notes

Notes

Introduo


Propano comercial: Composto por propano e ou propeno.


Introduo


Butano comercial: destinado a aplicaes especiais como emaerossis e isqueiros a gs.Composio butanos e/ou butenos.Contm predominantemente butanos e ou butenos. = pressode vapor menor que 5 kgf/cm2 a 37,8C.

Propileno (ou propeno): grau qumico (95%) ou grau polmero(99,8%) que, alm de sua utilizao como matria prima, tambmusado em pequena escala como gs para oxi-corte e aplicaes afins.


Caractersticas Importantes

Caractersticas Importantes

Composio qumica (elementos, massa molar, etc);Poder calorfico (superior e inferior);Velocidade de chama;ndice de Wobbe;Limite de inflamabilidade;Temperatura (adiabtica) de chama.


Caractersticas Importantes Composio Qumica

Composio Qumica

fornecida em base volumtrica (m3/m3);gases de formao (hidrocarbonetos e outros)base seca;massa molecular. Dada por:

Mg =j

Xj Mj , com

Mj = massa molar do gs j .

Xj =(VjVg

)frao volumrica

Massa especfica do gs:

g =j

Xj j , com j =(

Mj22,4

)na CNTP


Notes

Notes

Notes

Notes

Caractersticas Importantes Poder calorfico

Poder Calorfico

Poder calorfico a quantidade de calor produzida pela combustocompleta do combustvel.

Procure por: Calor de combusto, heat of combustion, heating value,energy value

Poder calorfico superior PCS o calor produzido na queima docombustvel quando os gases de combusto deixam a cmara de com-busto a uma temperatura tal que toda gua produzida na combusto condensada.

Procure por: higher heating value (HHV), gross energy, upper heatingvalue, gross calorific value (GCV), higher calorific value (HCV)



Poder Calorfico

Poder calorfico inferior PCI o calor produzido na queima docombustvel quando os gases de combusto deixam a cmara de com-busto a uma temperatura tal que toda gua produzida na combustodeixa a cmara de combusto na forma de vapor.

Procure por: lower heating value (LHV), net calorific value (NCV),lower calorific value (LCV).



Valores de Poder calorfico para alguns combustveisgasosos



Poder calorfico

Normalmente fornecido em base volumtrica (MJ/m3n)Valores tpicos:

Combustvel FrmulaPCS PCi

MJ/m3n MJ/m3nHidrognio H2 12,77 10,76Metano CH4 39,89 35,87Etano C2H6 69,91 64,05Eteno ou etileno C2H4 63,21 59,44Propano C3H8 101,30 93,14Propeno ou propileno C3H6 93,77 87,49n-Butano C4H10 133,53 123,07iso-Butano C4H10 132,70 122,23Monxido de carbono CO 12,62 12,62


Notes

Notes

Notes

Notes


Poder calorfico

Para combustvel composto por vrios gases vale:

PCi ou s =nj=1

Xj PCj

Exemplo: Gs natural da Bacia de Campos possui a composio:

Composio volumtricaGs % Gs %

Metano 89,35 N-Butano 0,03Etano 8,03 Dixido de carbono 0,49Propano 0,78 Nitrognio 1,28Iso-Butano 0,04



Poder calorfico

O seu poder calorfico inferior (PCi),

PCi = 0,8935 PCiCH4 + 0,0803 PCiC2H6 + 0,0078 PCiC3H8+ 0,0004 PCiC4H10 + 0,0003 PCiC4H10+ 0,0049 PCiCO2 + 0,0128 PCiN2

PCi = 0,8935 35,87 + 0,0803 64,05 + 0,0078 93,14+ 0,0004 122,23 + 0,0003 123,07+ 0,0049 0 + 0,0128 0

PCi = 32,86 MJ/m3n


Caractersticas Importantes Velocidade de chama

Velocidade de chama

Velocidade de chama a velocidade de propagao da frente dechama de uma mistura ar/combustvel, sob determinas condies.

Depende:Composio qumica do combustvel;relao ar/combustvel da mistura;

Determina:descolamento da chama

Vmistura > Vchama

retorno de chama

Vmistura < Vchama



Velocidade de chama

Velocidades de alguns gases combustveis no ar:

Gs H2 CO CH4 C2H6 C3H8 C4H10Vg (cm/s) 330 46 35 40,1 39 38

Fator de velocidade de chama de Weaver ou ndice de Weaver - uma maneira conveniente de se medir a velocidade de chama de umgs. Apesar de a medida experimental, da velocidade de chama, ser,em geral, mais precisa, muito difcil de ser medida e muito depen-dente dos instrumento utilizados.Esse ndice, junto com o ndice de Wobbe usado para determinar aintercambiabilidade do gs.


Notes

Notes

Notes

Notes


Velocidade de chama

ndice de Weaver para uma mistura de gases:

S =

i Xi FiA + 5Z 18,8 Q + 1

com:

F =

(Velocidade de queima da frao gasosa

em condio estequiomtrica de ar

)(

Velocidade de queima do hidrognioem condio estequiomtrica de ar

) (V i + 1)100onde: Xi frao molar (ou volumtrica) do gs

V i relao A/C estequiomtrica para a frao gasosaA relao A/C estequiomtrica (= V ar ) para o combustvelZ frao de inertes (N2, CO2)Q frao de oxignio no combustvel



Velocidade de chama Fator F para alguns gases

Gs F V arH2 338 2,387CO 61 2,387CH4 148 9,546C2H6 301 16,71C3H8 398 23,87C4H10 513 31,03C2H4 454 14,32C4H6 674 21,48


Caractersticas Importantes ndice de Wobbe

ndice de Wobbe

Goffredo Wobbe (Bolonha, 1927) observou que, para um orifcio ope-rando sobre presso constante e mesmo dimetro:

O calor fornecido por um queimador proporcional vazovolumtrica;A velocidade do fluxo atravs do orifcio, proporcional massaespecfica do gs;O poder calorfico de um gs proporcional densidade relativado gs.

Assim:

qcomb = Vcomb PCi

Vcomb = CD A

2pcomb

= qG = CD A

2pcomb

PCi



ndice de Wobbe

com:PCi poder calorfico do gs, em MJ/m3n;CD coeficiente de descarga do orifcio de passagem do gs;A rea de do orifcio;p perda de carga atravs do orifcio.

A vazo volumtrica de ar que passa no mesmo orifcio :

Var = CD A

2par

a vazo relativa do gs, num mesmo orifcio e para um mesmo p,fica:

VcombVar

=CD A

2pcomb

CD A

2par

=

arcomb

=

1Dr

com Dr =combar


Notes

Notes

Notes

Notes


ndice de Wobbe

O ndice de Wobbe fica definido como:

IW =PC(i ou s)

Dr

Unidades: megajoules por metro cbico normal (MJ/m3n ou MJ/Nm3)British Thermal Units (BTU) por p cbico normal

(BTU/cfn ou BTU/ncf) (1000 BTU/ncf = 37,3 MJ/m3n)

ndice de Wobbe ou nmero de Wobbe de um combustvel ga-soso representa o valor da capacidade de produo de calor de umgs que chega a um orifcio (gicl) do queimador.

Pode-se dizer que o ndice de Wobbe representa a energia por unidadede massa que passa por um orifcio com a mesma queda de presso.



ndice de Wobbe

Trs famlias de gases (baseado no IW):1a famlia inclui os gases manufaturados;2a famlia inclui os gases naturais (com dois subgrupos);3a famlia inclui os gases de petrleo liquefeito (GLPs).

Os equipamentos de combusto so projetados para operar dentro decada famlia:

Famlia ndice de Wobbe (MJ/m3n) Exemplos1 22,5 30 Gs de cidade/(Syngas)

2 L 39 45 Gs Natural2 H 45,5 553 73,5 87,5 GLP

Alm do IW, deve-se observar velocidade de queima (ndice de Wea-ver) entre outras caractersticas na intercambiabilidade.



ndice de Wobbe - Alguns valores

Gsndice de Wobbe

Superior InferiorMJ/m3 MJ/m3

Hidrognio 48,23 40,65Metano 53,28 47,91Etano 68,19 62,47Etileno 63,82 60,01Gs natural 53,71 48,52Propano 81,07 74,54Propileno 77,04 71,88n-Butano 92,32 85,08iso-Butano 91,96 84,71GLP 86,84 79,94Acetileno 61,32 59,16Monxido de carbono 12,80 12,80



ndice de Wobbe

Variao de 4% no ndice de Wobbe


Notes

Notes

Notes

Notes

Caractersticas Importantes Limite de Inflamabilidade

Limite de Inflamabilidade

Limite de Inflamabilidade, Limite de Exploso ou Limite de Explosi-vidade o valor da relao entre combustvel e oxidante que determinase a mesma inflamvel ou no.Uma mistura s queimar se a concentrao do combustvel estiverentre os Limite de Inflamabilidade Inferior LI e Limite de Inflamabi-lidade Superior LS.

L(I/S) =volume de combustivel

volume de combustvel + volume de oxidante 100

ou

L(I/S) =1

1 + Vox 100 Vox = Volume de oxidante




Para queima no ar:

L(I/S) =1

1 + VAr 100

Para queima apenas oxignio:

L(I/S) =1

1 + VO2 100




Gs Frmula LI LS CE Var

(%) (%) (%) (m3n/m3n)Hidrognio H2 4,0 74,2 29,6 2,38Monxido de carbono CO 12,5 74,2 29,6 2,38Metano CH4 5,0 15,0 9,5 9,52Etano C2H6 3,0 12,4 5,7 16,66Etileno C2H4 3,1 32,0 6,5 14,28Acetileno C2H2 2,5 80,0 7,8 11,90Propano C3H8 2,1 9,5 4,0 23,80Propileno C3H6 2,4 11,0 4,5 21,42n-Butano C4H10 1,6 8,4 3,1 30,94iso-butano C4H10 1,6 8,4 3,1 30,94iso-pentano C5H12 1,4 8,3 5,0 35,70ter dimetlico CH3OCH3 3,4 27,0 6,5 14,28

CE =1

1 + V arconcentrao estequiomtrica



Comparao do Limite de Inflamabilidade

Comparao do Limite de Inflamabilidade

GsLI (%) LS (%)

Ar O2 Ar O2Hidrognio 4 4 74 94Monxido de carbono 12,5 16 74 94Amnia 15 15 28 79Metano 5 5 15 61Propano 2 2 10 55


Notes

Notes

Notes

Notes


Limite de Inflamabilidade - Mistura de Gases

Para alcanos queimando em outras temperaturas:

LIt = LI25C 3,15(T 25)

H

Limite de Inflamabilidade - Mistura de GasesPara uma mistura de gases vale a lei de Chatelier:

c1LI1

+c2LI2

+c3LI3

+ + cnLIn

=100

LImistura

ou

LImistura =100

c1LI1

+c2LI2

+c3LI3

+ + cnLIn



Exemplos

Determinar o volume de propano C3H8 que pode vazar em um forno,que possui um volume de 10 m3, sem que haja risco de exploso du-rante o procedimento de ignio do mesmo.

a 25C{

LI = 2,1% = 0,021LS = 9,5% = 0,095

A concentrao de propano na mistura (c) dada por:

c =Vp

Vp + VarNote que Vp = Var = Vforno = 10 m3

Assim, volume de propano pode ser calculado:

c (Vp + Var ) = Vp = Vp = c Vf



Exemplo

Vp = c Vf

onde:c concentrao de propano na mistura ar+propano (m3/m3)Vp volume de propano na mistura (m3)Var volume de ar na mistura (m3)Vf volume do forno (m3)

Assim o volume crtico de gs no interior do forno ser:

Vp = 0,021 10 = 0,21 m3Vp = 0,095 10 = 0,95 m3

Na prtica, por questo de segurana limita-se a concentrao de umcombustvel em 25% do LI.



Temperatura de chama

Temperatura adiabtica de chama a temperatura que os gases decombusto teriam se todo calor gerado na queima completa do com-bustvel fossem usado para aquecer os gases.

Balano de energia:(Energia fornecidapelo combustvel

)=

Energia usadapara aquecer osgases de exausto

(

Energia fornecidapelo combustvel

)= mcomb (PCi + hch

+mar (har + warhvp)) Energia usadapara aquecer osgases de exausto

= mghg + mzhzStuginski Jr, R. (FEAR/UPF) Combustveis Gasosos Abril/2013 32 / 35

Notes

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Temperatura de chama

Simplificando e arrumando tudo:

Tad = Tar +mcbPCimg cpg

http://en.wikipedia.org/wiki/Adiabatic_flame_temperature



Temperatura adiabtica de chama - Gases

Combustvel Frmula Oxidante Tad (C)Acetileno (C2H2) ar 2500Acetileno (C2H2) oxignio 3480Butano (C4H10) ar 1970Cianognio (C2N2) oxignio 4525Dicianoacetileno (C4N2) oxignio 4990Etano (C2H6) ar 1955Hidrognio (H2) ar 2210Hydrognio (H2) oxignio 3200Metano (CH4) ar 1950Gs natural ar 1960Propano (C3H8) ar 1980Propano (C3H8) oxignio 2526Metil acetileno (C3H4) ar 2010Metil acetileno (C3H4) oxignio 2927



Temperatura adiabtica de chama - lquidos e slidos

Combustvel Oxidante Tad (C)Madeira (lenha) ar 1980Querosene ar 2093Light fuel oil ar 2104Medium fuel oil ar 2101Heavy fuel oil ar 2102Carvo betuminoso ar 2172Carvo antracito ar 2180Carvo antracito oxignio 2900

http://www.doctorfire.com/flametmp.htmlhttp://elearning.cerfacs.fr/combustion/n7masterCourses/adiabaticflametemperature/index.phphttp://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node111.htmlhttp://hypertextbook.com/facts/1998/JamesDanyluk.shtml

http://www.engr.colostate.edu/~allan/thermo/page12/adia_flame/Flamemain.

html - CalculadoraStuginski Jr, R. (FEAR/UPF) Combustveis Gasosos Abril/2013 35 / 35

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IntroduoCaractersticas ImportantesComposio QumicaPoder calorficoVelocidade de chamandice de WobbeLimite de Inflamabilidade

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