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QUÍMICA II _ COMBUSTÍVEIS
2º ANO do CFO – CBMERJ / ESTUDO DIRIGIDO - Combustíveis Esta ferramenta, objetiva que os estudantes executem as etapas de compreender, interpretar, analisar, avaliar e criar/aplicar o conteúdo abordado em aula, ampliando o conhecimento de foma mais autônoma em seu percurso de aprendizagem, agregando habilidades importantes para o seu desenvolvimento no âmbito da disciplina e do curso.
1 - Combustíveis
Definição - combustíveis são substâncias que liberam energia sob forma de luz ou calor. 1.1 - Fontes de Combustíveis
- Não - renováveis - são encontrados na natureza em quantidades limitadas, assim uma vez esgotados seus estoques não há como repor. Além de consideradas poluentes. O crescimento populacional, sugere que as este tipo de fonte, é finito. - Renováveis - são aquelas que possuem um ciclo de renovação em escala de tempo humana, energias limpas causam pouco ou nenhum impacto ambiental. Quanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e estudá-los quanto a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases. 1.2 - Composição dos combustíveis Os combustíveis industriais apresentam em sua composição alguns dos seguintes elementos ou compostos: Carbono C, Hidrogênio H, Oxigênio O, Enxôfre S, Nitrogênio N Água HO , e Cinzas (Z). Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o poder calorífico dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em combustíveis vegetais , sendo que sua presença diminui o poder calorífico do combustíveis, bem como as exigências teóricas de ar de combustão. Embora o enxôfre seja também combustível, este traz consequências prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos:
- seu poder calorífico é menor que o carbono e hidrogênio
- os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de umidade formam ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação. O H2SO4 é o principal causador de "chuva ácida", com consequências desastrosas ao meio ambiente. - se a atmosfera da combustão for redutora, pode haver formação de H2S, ou outros compostos, que são perigosos e produzem mal cheiro. O enxôfre nos combustíveis líquidos é encontrado na forma de mercaptanas (um radical R-S-H) ou também na forma de dissulfetos( radicais R-S-R). Nitrogênio é responsável pela formação de diversos óxidos: N2O, NO e NO2, que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de reagirem com o ozona da atmosfera (O3). Outros elementos ocorrem eventualmente nos combustíveis em concentrações muito pequenas, porém de efeitos não menos importantes. Os metais são mais frequentes: Níquel, Vanádio, Cálcio, Sódio, Potássio e Manganês.
O vanádio forma um óxido: V2O5, que é catalisador da reação de formação de ácido sulfúrico, agravando as consequencias de corrosão com combustíveis que contenham enxofre. Sódio e potássio (metais alcalinos) contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de baixo ponto de fusão, pdendo inclusive atacar materias refratários. A água é normalmente encontrada em todos os combustíveis, principalmente nos combustíveis sólidos, na forma de umidade, e traz duas consequências:
- diminui o poder calorífico,
- aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, aumentando os problemas de corrosão. 1.3 - Reação Global de Combustão A reação através da qual os combustíveis nos fornecem sua energia armazenada., é uma reação química exotérmica entre um combustível e um comburente, produzindo luz e calor”. Entretanto, para maior operacionalização deste conceito, entendamos que as reações químicas que ocorrem na combustão são muito complexas, havendo na maioria dos casos reações simultâneas, antes de chegar ao produto final da combustão. Acontecem em vários estágios e dependem de vários fatores como as características físicoquímicas do combustível, a proporção entre combustível e oxigênio, a temperatura, entre outros.
A matéria volátil é a parte do combustível que se separa em forma gasosa durante o aquecimento do mesmo. É composto de hidrocarbonetos eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases, que são formados num processo de pirólise, tais como o hidrogênio, monóxido de carbono e metano. O teor de voláteis tem influência no comprimento de chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha. O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do material volátil. Compõem-se principalmente de carbono, embora possa conter outros elementos não liberados durante a volatilização. As cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de magnésio, etc. A umidade presente no combustível sólido é importante para determinação de seu poder calorífico inferior. Carvão Mineral - carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção de energia termoelétrica e na indústria cimenteira. Devido ao seu alto teor de cinzas e enxôfre, não é muito utilizado industrialmente, a não ser nas localidades próximas a minas produtoras. Lenha - é um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de vapor, principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada por baixo teor de cinzas, ausência total de enxôfre e umidade variável, a qual depende do tempo e método de aramzenagem. A lenha quando cortada possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a qual, dependendo da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A análise elementar da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra geral para todo material celulósico. Bagaço de cana O bagaço da cana-de-açucar é o combustível das usinas de açucar e alcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser fornecido a terceiros, "in natura" ou sêco e enfardado. O bagaço é queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem ser tomadas como similares, exceto é claro, quanto a sua forma física. 3 - COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria pelas facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações. A caracterização dos combustíveis líquidos compreende a medição de algumas propriedades aplicáveis a estes, as quais serão definidas a seguir. O poder calorífico de combustível, é aplicável a todos os tipos de combustíveis. Propriedades de combustíveis líquidos. Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo, provoca uma ignição e combustão transitória. Importante propriedada para a segurança de armazenamento. Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. Temperatura de auto-ignição:
temperatura mínima de uma mistura ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a presença de uma chama escorvadora. Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o combustível se torne um fluido. Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as temperaturas de armazenamento, bombeamento ecônomico e pulverização (atomização) para combustão. Outras propriedades de combustíveis líquidos são aplicáveis apenas a combustíveis automotivos (gasolina, óleo diesel), tais como a octanagem, o período de indução e a cetanagem, e não serão tratadas neste texto. Todas as propriedades tem normas e métodos de medição e algumas podem variar em resultado conforme o método utilizado. 3.1 - PETRÓLEO O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta composição variável e dependente de fatores geológicos tais como localização da jazida, idade, profundidade, etc. Os principais elementos que constituem o petróleo são:
- Alcanos (ou parafinas), cadeias carbônicas retas, de fórmula geral CnH2n+2 e seus isômeros.
- Ciclanos (ou naftênicos), de fórmula geral CnH2n , são compostos de anéis saturados, tais como o ciclo pentano e ciclo-hexano.
- Aromáticos, os quais contém o anel benzênico, e de baixo peso molecular.
- Compostos sulfurados, presentes em todos os tipos de óleo cru, mas em geral, quanto maior a densidade do petróleo, maior o teor de enxôfre.
- Compostos nitrogenados, presentes nas frações mais pesadas, ocasionam problemas no processamento de petróleo por envenenamento de catalizadores de processo.
- Compostos oxigenados, também se concentram nas frações mais pesadas, e são responsáveis pela acidez, escurecimento e o forte odor dos derivados de petróeleo.
- Compostos metálicos, são compostos organo-metálicos e também predominam nas frações mais pesadas. - Impurezas inorgânicas, ficam em solução ou suspensão na água emulsionada ou no corpo do petróleo: sais minerais, argila, areia e óbviamente a água. Constitui um líquido oleoso que possui densidade menor que a da água, cuja cor varia de incolor a preto, podendo ser verde e marrom. Figura 1 – Amostras de dois tipos de óleos: a esquerda, petróleo do Campo de Namorado, localizado na costa do Rio de Janeiro; e a direita, petróleo do Campo de Urucu, localizado no Amazonas. Amostras do Museu de Ciências da Terra (MCTer).
4 - COMBUSTÍVEL NUCLEAR
Conceito - a energia nuclear é a energia interna no núcleo atômico, isto é, a parte central de um átomo. Os átomos são as menores partículas nas quais um material pode ser dividido. O núcleo de um átomo é composto de duas subpartículas: nêutrons e prótons. Essas subpartículas são mantidas juntas devido a ligações de energia. Semelhante à energia química, porém mais intensa, na ordem de milhões. 4.1 - Energia Nuclear A matéria prima para este modo de produção de energia é, na grande maioria, o minério de urânio, um metal pouco menos duro que o aço, encontrado em estado natural nas rochas da crosta terrestre. Desse minério é utilizado o átomo de urânio na geração de energia nuclear. É obtida através da grande energia liberada da reação em cadeia gerada devido à fissão de milhares de núcleos de átomo de urânio. Cada fissão é gerada pela colisão de um nêutron com um átomo de urânio. Neste processo surgirão outros nêutrons que colidirão em outros átomos de urânio, formando assim uma reação em cadeia. Os benefícios em se utilizar os nêutrons para gerar a fissão nuclear são estes não possuírem carga, e, consequentemente, não serem repelidos pelos núcleos atômicos. A energia nuclear é considerada limpa por emitir baixos volumes de gases contribuintes para o efeito estufa em toda sua cadeia produtiva (da extração do urânio à geração de energia elétrica). Entretanto, todo o processo de produção é permeado pela radioatividade cujos níveis são monitorados e controlados. No entanto, ainda não se conseguiu encontrar uma solução definitiva para os dejetos radioativos que ficam na maioria dos casos, temporariamente estocados em piscinas de resfriamento cheias de água. 4.2 - Fissão Dentro do reator nuclear, há o vaso do reator, recipiente que contém o combustível e onde ocorrem as reações nucleares. É necessário haver o controle da reação nuclear pois sua intensificação pode provocar um superaquecimento, que funde os combustíveis e cessa a reação em cadeia. Esse controle é feito introduzindo ou retirando as barras de controle de dentro do reator, já que estas controlam a quantidade de nêutrons presentes no reator. Um fluído refrigerante transmite a energia térmica do interior do reator para o gerador de vapor. No gerador de vapor, o calor conduzido pelo fluido refrigerante é transferido para a água, que entra em ebulição e gira uma turbina. que está acoplada por um eixo diretamente a um gerador elétrico.
A rotação da turbina provoca a rotação do gerador elétrico, ocorrendo o processo de conversão de energia mecânica em energia elétrica. Depois de passar pela turbina o vapor de água passa pelo condensador, o que faz baixar sua temperatura. O condensador recebe água fria proveniente de um rio, oceano, ou de torres de refrigeração. Essa água fria entra em contato com o vapor de água quente oriunda da turbina, e lhe retira calor. O vapor resfriado, agora em estado líquido, acaba voltando para o gerador de calor, formando um ciclo. 4.3- Composição e estabilidade nuclear Todo átomo possui um núcleo atômico formado por prótons e nêutrons, ambos conhecidos coletivamente como núcleons. O núcleo mais leve existente é o de hidrogênio e recebe o nome de próton. Este núcleo tem uma carga positiva unitária e a sua massa é quase exatamente igual a um na escala de massas atômicas. Descobriu - se que, por consequência do bombardeamento de berílio com partículas alfa, uma partícula chamada nêutron de massa quase exatamente igual a do próton, entretanto sem carga elétrica. Sabe- se que a interação entre prótons é repulsiva e entre nêutrons e prótons é atrativa. A força atrativa nuclear é de curto alcance enquanto a interação elétrica enfraquece com o quadrado da distância de separação, sendo uma força de alcance relativamente longo. Em núcleos pequenos, a proximidade dos prótons faz com que a força nuclear domine facilmente a força elétrica. 4.4- Decaimentos radioativos É uma propriedade do átomo, mais especificamente do núcleo atômico. A frequência com que uma amostra contendo núcleos radioativos emite partículas não depende do estado químico ou físico desta amostra, assim como fatores externos como pressão e temperatura. Os únicos fatores que influenciam nesta frequência é a espécie do átomo e número de núcleos presentes. A fim de procurar entender porque alguns núcleos são estáveis ao passo que outros não o são, analisam-se as variações de energia que ocorrem quando do processo de desintegração radioativa. A desintegração pode ocorrer quando a energia do núcleo “pai” é maior do que a energia dos núcleos que se formam. A partícula emitida terá uma certa quantidade de energia cinética. Como o processo de emissão da partícula, isto é, de desintegração do núcleo ocorre sem a interferência de nenhum agente externo, a energia cinética da partícula deve provir da energia existente no núcleo “pai” em si mesmo. Todos os núcleos de todos os átomos de um certo elemento químico possuem o mesmo número de prótons, pois o que caracteriza o elemento químico é o seu número atômico, mas podem ter diferentes números de nêutrons. Os núcleons que guardam essa relação são chamados de isótopos e cada tipo de núcleo é chamado de nuclídeo. A tendência de todos os isótopos é atingir a estabilidade e acabar emitindo partículas ou radiação para atingi-la. Essa liberação de partículas ou energia de maneira espontânea pelo núcleo chama-se decaimento radioativo. Um exemplo de fissão nuclear é descrito pela equação a seguir: 235 𝑈 + 1𝑛 → 141𝐵𝑎 + 92𝐾𝑟 + 3 ( 1𝑛) 4.5 - Ciclo do combustível nuclear
