Geração, Distribuição e Utilização de Vapor

Geração, Distribuição e Utilização de Vapor

(Parte 1 de 5)

Faculdade de Engenharia Mecânica UNICAMP

EM 722/ES606

Apostila de Curso

Profº Waldir A. Bizzo

1º sem/2003

EM 722 Aulas ministradas pelo prof. Caio Sánchez ES 606 Aulas ministradas pelo prof. Waldir Bizzo

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

Apresentação:

Esta apostila foi elaborada para utilização como notas de aula do curso EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. Além do trabalho do professor, reúne e utiliza alguns textos e figuras emprestados da bibliografia abaixo.

Bibliografia:

Bazzo, E.,1992 "Geração de Vapor", Editora da UFSC, Florianópolis. Pera, H., 1990, "Geradores de Vapor", Editora Fama, São Paulo. Babcock&Wilcox Co., 1978, "Steam, its Generation and Use", N.York.

Telles, P.C.S.,1982, "Tubulações Industriais", Livros Técnicos e Científicos, R.Janeiro.

cap. 1 - Combustão1
2 - Combustíveis.................................... 18
3 - Queimadores..................................... 41
4 - Geradores de Vapor.............................. 6
5 - Cálculo Térmico e Fluidomecânico de Caldeiras... 81
6 - Segurança na Operação de Geradores de Vapor..... 95
7 - Distribuição de Energia Térmica................. 100
8 - Aquecedores..................................... 120

ÍNDICE: 9 - Eficiência de Geradores de Vapor................ 128

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo cap. I - COMBUSTÃO

Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação de energia suficiente para aproveitamento industrial.

Os principais elementos químicos que constituem um combustível são

Carbono, Hidrogênio e em alguns casos, Enxôfre. Estes elementos reagem com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de calor:

1.1 - Composição típica dos combustíveis

A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos, e as composições típicas são de: carbono, hidrogênio e oxigênio. Combustíveis vegetais, produtos de madeira e refugo (bagaço, serragem, cascas, etc.) são carboidratos que contém 1/2 átomo de oxigênio para cada atomo de hidrogenio. Seus produtos de combustão são similares aqueles dos hidrocarbonetos ( CO2 e H2O) mas a energia liberada durante a combustão é comparativamente menor.

Tabela 1.1 - Composição típica de alguns combustíveis C H O N,S,etc.

Gás Natural ~75 ~25 - - Petróleo 84~86 1~14 0~3 0~5

Carvão Mineral 78~95 ~7 1~15 1~5 Lenha 49 6 43 ~1

1.2 - Análise dos combustíveis

Os combustíveis gasosos são usualmente misturas de gases que podem ser identificados individualmente. Combustíveis líquidos destilados tais como a gasolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos simples que podem ser separados e identificados. Carvões, óleos combustíveis residuais e combustíveis vegetais têm estruturas complexas, difíceis de se reduzir a componentes individuais. No entanto, para a maior parte de nossos propósitos a análise ELEMENTAR do combustível é

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo tudo o que é preciso. Dada a análise elementar de um combustível em termos de C, H, O, S, etc., é possível calcular-se o requisito teórico de ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão.

1.3 - Estequiometria da combustão

A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o projeto e contrôle de equipamentos de combustão. A estequiometria química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de combustão.

Os pêsos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão, bem como a composição do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo:

Elemento em massa em volume Elemento Peso Atômico oxigênio 23,2% 21% Carbono 12 nitrogênio 76,8% 79% Hidrogênio 1

Oxigênio 16 Nitrogênio 14 Enxôfre 32

Sabe-se que alguns dos números acima requerem correção decimal. Os erros são pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no contexto da precisão das medições industriais comuns.

O peso molecular de um material é a soma dos pesos atômicos que o constituem. Por exemplo, o peso molecular do monóxido de carbono, CO, é: 12 + 16 = 28

2 + 16 = 18,e assim por diante.

da água, H2O, é:

Não existem unidades comuns, mas uma unidade prática é a moléculagrama, ou grama-mol, escrita normalmente como gmol, que é em efeito, o peso molecular expresso em gramas. Assim a molécula grama, ou o gmol do monóxido de carbono pesa 28 gramas. Análogamente pode ser utilizado a molécula-quilograma, o kgmol, ou a molécula-libra, o lbmol, o equivalente no sistema inglês.

Se uma reação for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas unidades práticas, por exemplo:

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C+ O2 -> CO2

é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma molécula de oxigênio reagem completamente. Em termos práticos ela estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxigênio para formar, no final, 1 kmol de dióxido de carbono. A utilização de pesos atômicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando os cálculos acima forem estudados. Os pesos atômicos são usados para elementos que são gasosos em CNTP. Para produtos e combustíveis gasosos, esta prática pode ser levada um estágio adiante. A teoria de Avogadro estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes sob as mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. Por exemplo, 1 metro cúbico de nitrogênio em CNTP contém tantas moléculas de nitrogênio quanto 1 metro cúbico de dióxido de carbono contém de moléculas de dióxido de carbono a CNTP. Segue-se que a reação molecular, quando escrita para combustíveis gasosos, não só indica a reação e os produtos em termos de moléculas-kg mas também em termos de volumes. Por exemplo, se o metano queima com oxigênio e reage completamente com tudo permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condições de pressão e de temperatura, temos:

1 kmol2 kmol 1 kmol 2 kmol
1 volume2 volumes 1 volume 2 volumes

Os requisitos de energia da grande maioria dos processos industriais são obtidos originalmente de combustíveis convencionais através de uma complexa cadeia de reações denominada combustão. Felizmente para a maioria das aplicações, esta situação de combustão potencialmente complicada pode ser reduzida a uma consideração sobre os materiais de partida - combustível mais oxigênio, normalmente como um componente do ar - e os produtos finais. Tal simplificação facilita por exemplo o cálculo do ar ou do oxigênio necessário para um combustível, o desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos produtos gasosos de combustão produzido. Este último ponto é útil ao inverso, em que uma comparação da composição real de gás de combustão com a composição ideal indica o rendimento do processo de combustão.

1.4 - Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível

Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua composição, uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e portanto de ar, uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para atingir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial. Mais do que essa quantidade, gera perdas excessivas de gás de combustão e da temperatura. Na prática, um pouco mais do que a quantidade teórica é usada por razões posteriormente explicadas. Para um material simples tal como o metano, constituinte principal do gás natural, pode ser escrita a equação de combustão:

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A rigor, o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação. Isto, de fato, significa a separação de parte dos produtos da combustão em outros compostos que não sejam CO2 e H2O, e consequentemente a perda de calor, de acordo com as condições exatas de equilíbrio relacionadas às temperaturas, pressões e concentrações. A dissociação típica do dióxido de carbono é representada por:

Na maioria das condições industriais, a dissociação não está muito em evidência, e, apesar de sua importância ser reconhecida, ela não é levada em conta para os propósitos deste capítulo introdutório. As técnicas de cálculo estabelecidas estão disponíveis na literatura especializada.

Segue-se da equação que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de oxigênio para a reação teórica completa. Portanto, convertendo para uma base de massa, 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxigênio o que, uma vez que o ar contém 23,2% de oxigênio por peso, dá uma proporção teórica de ar/combustível de 17,25: 1. É visto que, em base de volume, 1 volume de metano requer 2 volumes de oxigênio de forma que a proporção volumétrica correspondente de ar/combustível é 9,53 : 1 . Tal mistura quimicamente correta é uma mistura estequiométrica. As situações em que uma equação exata pode ser escrita são poucas e são quase exclusivamente para combustíveis gasosos de composição conhecida ou determinada. Exatamente o mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equações exatas possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os inertes como não-afetados e qualquer oxigênio livre na mistura original como disponível para a combustão.

Exemplo 1.1: Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível para o propano.

O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado elemento, carbono, por exemplo, o número de átomos que existirá nos produtos de combustão é o mesmo número de átomos dos reagentes.

A quantidade "x" é o número de moléculas de O2 necessários a combustão completa do propano. Como a combustão é feita, no caso, com ar atmosférico, para cada molécula de oxigênio do ar, é considerado obrigatóriamente 3,76 moléculas de nitrogênio (a relação de volumes entre os dois gases no ar atmosférico). A necessidade de oxigênio "x" é calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio:

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xy x

Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente:

mistura

É conveniente para os combustíveis gasosos tomar-se uma base arbitrária de 100 volumes, metros cúbicos, ou qualquer unidade que seja apropriada. Para os constituintes ativos, as reações são escritas levando-se em conta o número de volumes presentes por 100 volumes da A proporção estequiométrica de ar/combustível para esta mistura gasosa em uma base de volume é, então, 23,8 : 1. Uma vez que a relação entre volumes, moléculas e moléculas-Kg estejam bem estabelecidas é um problema fácil converter em base de massa. Não é necessário dizer que, todos os volumes relativos precisam ser medidos sob condições semelhantes. No exemplo acima, a relação ar/combustível em massa pode ser calculada com base nos pesos moleculares:

1 mol de propano pesa 4 kg e necessita 23,8 kmol de ar, que pesa 686,4 kg, ou seja, a relação A/C em massa é 15,6 : 1.

A massa de ar necessária foi calculada multiplicando-se diretamente o índice "x" pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio, levando-se em conta a sua devida proporção:

Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos, tais equações exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em alguns casos, devido à sua composição indeterminada. No entanto, uma simplificação pode ser aplicada de tal forma que a análise química básica (quantidade de elementos constituintes) possa ser avaliada, não fazendo nenhuma referência, qualquer que seja, ao modo pelo qual esses elementos são combinados no combustível. Para combustão completa, as exigências de peso líquido de oxigênio são obviamente as mesmas e assume-se que qualquer oxigênio no combustível está disponível para reação. A posição provável para tal oxigênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos combustíveis, tendo assim o mesmo resultado final.A análise básica é comumente determinada em base gravimétrica ou de peso e usada com referência a Kgmol. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo.

Exemplo 1.2 :

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Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono e 14% de hidrogênio por peso. Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível.

Tome uma base arbitrária de 100 Kg de querosene e converta a quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol:

cada 100 kg de combustível possui:

a reação estequiométrica pode ser escrita, fazendo-se o devido balanceamento:

:massa em A/C relação x x yNOHCONOxHC

Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível, Kg/Kg é

14,6:1. Observe que nenhuma referência, qualquer que seja, é feita à maneira em que o carbono e o hidrogênio são ou podem estar combinados no querosene. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e do oxigênio composto.

Exemplo 1.3 :

Um combustível fóssil tem uma composição em peso de:

Carbono, 72,0%; Hidrogênio, 14,0%, Oxigênio, 8,0%; Nitrogênio, 2,8%; Enxofre, 3,2%.

Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo massa do constituinte, kg/100 kg de combustível 72 14 8 2,8 3,2 kgmol de cada 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1 a equação estequiométrica fica:

:massa em A/C relação x x yNSOOHCONOxSNOHC

A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é 12,8:1. Observe que se assume que o conteúdo de enxofre está convertido em dióxido de enxofre. Se um cálculo for feito para incluir uma quantidade de ar em excesso, o procedimento é como o de cima, com um fator de excesso sendo introduzido na última etapa.

Vamos definir aqui o coeficiente de excesso de ar ϕϕϕϕ como a relação entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles estequiométricamente necessário:

2 esteqOrealO esteqOmol realOmol mn &

Por exemplo, se este combustível fosse queimado com 20% de excesso de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a proporção estequiométrica. A proporção ar/combustível com 20% de excesso de ar = 12,8 x 1,20 = 15,36 : 1. Quando um combustível contém cinza ou umidade, estas podem ser tratadas como constituintes inertes para aparecerem como tais nos produtos finais da combustão. Os principios utilizados nestes exemplos podem ser aplicados com igual facilidade a todos os combustíveis.

1.5 - Avaliação do rendimento da combustão

Se a composição do combustível e a composição dos produtos de sua combustão são medidos, o rendimento da combustão pode ser calculado. A quantidade teórica de ar (ou oxigênio) para combustão completa e a composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de combustão; isto pode mostrar:

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer quantidades excessivas de gases de combustão; isto quer dizer que está sendo usado mais ar que o necessário. (Na prática um pequeno excesso sobre o ar estequiométrico é necessário para assegurar uma completa combustão). b) Se parte do combustível está escapando da região de combustão sem estar completamente queimado. Isto é demostrado pela presença de CO, fuligem, combustível não queimado e possivelmente hidrogênio nos produtos combustíveis.

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