Combustão

Versão 1.0


Combustão ou queima é a sequência de reações químicas exotérmicas entre um combustível e um oxidante acompanhada pela produção de calor e de conversão de produtos químicos. A libertação de calor pode produzir luz na forma  incandescência ou de uma chama. Combustíveis de interesse muitas vezes incluem compostos orgânicos (especialmente hidrocarbonetos ) do gás , líquido ou sólido.
Numa reação de combustão completa, um composto reage com um elemento oxidante, tal como o oxigênio ou o flúor, e os produtos são compostos de cada elemento do combustível com o elemento oxidante. Por exemplo:

CH ₄ + 2 O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O + energia

Um exemplo simples pode ser visto na combustão de hidrogénio e oxigénio , que é uma reação normalmente utilizados em motores de foguete :

2 H ₂ + O ₂ → 2 H ₂ O (g) + calor

O resultado é a água em vapor.

A combustão completa é quase impossível de alcançar. Na realidade, como as reações de combustão atuais tendem serem equilibradas estequiometricamente há uma grande possibilidade de haver reações indesejáveis,  tais como o monóxido de carbono,carbono ( fuligem ou cinza). Além disso, qualquer combustão em ar atmosférico, que tem 79% nitrogênio, vai criar também várias formas de óxido de nitrogênio.

Tipos de combustão:

completa e incompleta

Em uma combustão completa, o reagente queima com o oxigênio resultando um número limitado de produtos. Quando um hidrocarboneto queima em oxigênio, a reação só irão produzir dióxido de carbono e água. Quando acontece uma queima com ar atmosférico ha formação principalmente de óxidos. Carbono produzirá dióxido de carbono , nitrogênio, irá produzir o dióxido de nitrogênio  o enxofre irá produzir dióxido de enxofre , ferro e irá produzir óxido de ferro (III) .
A combustão não é necessariamente favorável para o grau máximo de oxidação e pode ser dependente da temperatura. Por exemplo, o trióxido de enxofre não é produzido quantitativamente em combustão de enxofre. Os óxidos de nitrogênio  para formar começa acima 2800 ° F (1540 ° C) e os óxidos de nitrogênio são produzidas em temperaturas mais elevadas. Abaixo dessa temperatura, o nitrogênio molecular (N 2 ) é favorecida. É também uma função de excesso de oxigênio.
Na maioria das aplicações industriais e de incêndios , o ar é a fonte de oxigênio (O 2 ). No ar, cada mol de oxigênio é misturado com cerca de 3,76 mole de nitrogênio.  nitrogênio não participa na combustão, mas a temperaturas elevadas, parte do nitrogênio serão convertidos em NO x , normalmente entre 1% e 0,002% (2 ppm). Além do mais, quando há alguma combustão incompleta, algum carbono é convertido para monóxido de carbono . Um conjunto mais completo de equações para a combustão do metano no ar é, por conseguinte:

CH ₄ + 2 O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

2 CH ₄ + 3 O ₂ → 2 CO + 4 H ₂ O

N ₂ + O ₂ → 2 NO

N ₂ + 2 O ₂ → 2 NO ₂

A combustão incompleta só irá ocorrer quando não há oxigênio suficiente para permitir que o combustível para reagir completamente para produzir dióxido de carbono e água. Isso também acontece quando a combustão é extinta por um dissipador de calor, tal como uma superfície sólida ou corta-chama.
Para a maioria dos combustíveis, como o óleo diesel, carvão ou madeira, pirólise ocorre antes da combustão. Na combustão incompleta, os produtos de pirólise permanecem não seja queimado e contamina com fumo com partículas e gases nocivos. Compostos parcialmente oxidadas são também uma preocupação; oxidação parcial do etanol pode produzir prejudicial acetaldeído , e carbono podem produzir o tóxico monóxido de carbono .
A qualidade da combustão pode ser melhorada através da concepção de aparelhos de combustão, como queimadores e motores de combustão interna . Outras melhorias podem ser alcançadas por redução catalíticas após queima de dispositivos (tais como conversores catalíticos ) ou pelo simples retorno parcial dos gases de escape para o processo de combustão. Tais dispositivos são exigidos por legislação ambiental para veículos, na maioria dos países, e pode ser necessário em dispositivos de grandes instalações de combustão, tais como centrais térmicas , para alcançar legais normas de emissão .
O grau de combustão podem ser medidos e analisados, com o equipamento de teste. Bombeiros e engenheiros utilizam analisadores de combustão para testar a eficiência de um queimador durante o processo de combustão. Além disso, a eficiência de um motor de combustão interna pode ser medido deste modo, e alguns estados e municípios estão usando análise de combustão para definir e avaliar a eficiência dos veículos na estrada.

Latente é uma queima lenta, de baixa temperatura de forma, sem chama de combustão, sustentado pelo calor libertado quando o oxigénio ataca directamente a superfície de um combustível de fase condensada. É uma reacção de combustão incompleta tipicamente. Materiais sólidos que podem sustentar uma reação latente incluem a celulose, carvão, madeira, algodão, tabaco, turfa, húmus, espumas sintéticas, polímeros de carbonização, incluindo espuma de poliuretano, e poeira. Os exemplos comuns de fenômenos de queimas desse tipo são o início de incêndios residenciais em mobiliário estofado por fontes de calor fracas (por exemplo, um cigarro, um fio de curto-circuito) e a combustão da biomassa persistente por trás da frente de chamas.

Combustão rápida é uma forma de combustão, também conhecido como um fogo , no qual grandes quantidades de calor e de luz em forma de energia são libertados, o que muitas vezes resulta em uma chama . Este é utilizado na forma de máquinas, tais como os motores de combustão interna e, em armas termobáricas . Algumas vezes, um grande volume de gás é libertado na combustão além da produção de calor e luz. A evolução repentina de grandes quantidades de gás cria pressão excessiva que produz um ruído alto. Tal combustão é conhecida como uma explosão . A combustão não precisa envolver o oxigênio  por exemplo: queimadores de hidrogênio em cloro, para formar cloreto de hidrogênio com a libertação de calor e de luz característicos de combustão.

Combustão, resultando em uma chama turbulenta é a mais utilizada para aplicação industrial (por exemplo, turbinas a gás, motores a gasolina, etc), devido à turbulência ajuda o processo de mistura entre o combustível e o oxidante.

Os processos de combustão se comportam de maneira diferente em um ambiente de microgravidade do que em gravidade da terra de condições devido à falta de flutuabilidade . Por exemplo, a chama de uma vela toma a forma de uma esfera. pesquisa Microgravidade combustão contribui para a compreensão de diversos aspectos da física de combustão.

Os processos de combustão que ocorrem em volumes muito pequenos são considerados micro-combustão . O rácio de superfície para volume elevado aumenta a perda de calor específico. Extinção desempenha um papel vital na estabilização da chama na câmara de combustão deste tipo.

Geralmente, a equação química para estequiométrica de uma combustão de um hidrocarboneto em oxigênio é a seguinte:

Por exemplo, a queima estequiométrica de propano em oxigênio é a seguinte:

A equação simples palavra para a combustão estequiométrica de um hidrocarboneto em oxigênio é a seguinte:

                           Combustível + Oxigênio --> Calor + Água +Dióxido de Carbono

Nitrogênio podem também oxidar-se quando existe um excesso de oxigênio  A reação é favorecida termodinamicamente somente a uma temperatura elevada. motores a diesel funcionam com um excesso de oxigênio para a combustão de pequenas partículas, que tendem a formar com apenas uma quantidade estequiométrica de oxigênio  necessariamente produzir emissões de óxido de nitrogênio  as emissões de óxido de nitrogênio, que exigem um uso de catalisador ou de tratamento dos gases de escape com ureia

A combustão incompleta de um hidrocarboneto em oxigênio
Geralmente, a equação química da combustão incompleta de hidrocarboneto em oxigênio é a seguinte:

Por exemplo, a combustão incompleta do propano é:

A equação simples palavra para a combustão incompleta de um hidrocarboneto ar é a seguinte:

                         Combustível + Ar --> Calor + Água + Dióxido de Carbono + Nitrogênio

Combustíveis

Substâncias ou materiais que sofrem combustão são chamados combustíveis. Os exemplos mais comuns são o querosene, diesel, gasolina, carvão vegetal, carvão, madeira, etc
Um bom combustível é um que está prontamente disponível, é barato, queima com facilmente no ar e a uma taxa moderada, tem um alto valor calorífico e é favorável ao meio ambiente.
 Os combustíveis líquidos
A combustão de um combustível líquido em atmosfera oxidante, na verdade, ocorre na fase gasosa. É o vapor que não queima, o líquido portanto normalmente pega fogo somente acima de uma certa temperatura: o seu ponto de inflamação . O ponto de inflamação do combustível líquido é a temperatura mais baixa à qual se pode formar uma mistura inflamável com o ar. Também é a temperatura mínima à qual não é suficiente combustível evaporado no ar para iniciar a combustão.
 Os combustíveis sólidos
O ato de combustão consiste em três fases relativamente distintas, mas que se sobrepõem:
Pré-aquecimento fase , quando a queimada de combustível é aquecido até seu ponto de fulgor e ponto de combustão . Gases inflamáveis ​​começam a ser desenvolvido em um processo semelhante para a destilação seca .
Fase de destilação ou fase gasosa , quando a mistura de gases inflamáveis ​​evoluíram com o oxigênio é inflamada. A energia é produzida sob a forma de calor e luz. Chamas são frequentemente visíveis. A transferência de calor a partir da combustão para o sólido mantém a evolução de vapores inflamáveis.
Fase carvão ou de fase sólida , em que a saída de gases inflamáveis ​​a partir do material é muito baixo para a presença persistente de chama e o cinzas. O combustível não queima rapidamente e apenas acende e depois  queimar


o mecanismo de reação

Combustão do oxigênio é uma reação em cadeia, onde muitos radicais  participam. A elevada energia necessária para a iniciação é explicado pela estrutura da molécula bi-oxigênio.  A configuração de menor energia da molécula bi-oxigênio é um bi-radical, estável​​relativamente não reativo em um estado de spin tripleto . A ligação pode ser descrito com três pares de elétrons de ligação e dois elétrons  cuja disposição dos spins estão alinhados, de tal forma que a molécula tem momento total diferente de zero angular. A maioria dos combustíveis, por outro lado, estão em um estado singleto, com spins emparelhados e momento total de zero angular. Interação entre os dois é mecânica quântica uma " transição proibida ", isto é possível com uma probabilidade muito baixa. Para iniciar a combustão, é necessária energia para forçar bi-oxigênio em um estado de spin pareado, ou oxigênio singleto. Este intermediário é extremamente reativo  A energia é fornecida como calor . A reação produz calor, o que mantém a reação.
A combustão de hidrocarbonetos é pensado para ser iniciado por um átomo de hidrogênio abstração (não abstração do próton  a partir do combustível para o oxigênio  para dar um radical de hidroperóxido (HOO). Este reage ainda para dar hidroperóxidos, que quebram-se para dar os radicais hidroxilo . Há uma grande variedade de tais processos que produzem radicais de combustível e de radicais oxidantes. Espécies oxidantes incluem oxigênio singleto, hidroxila, oxigênio monoatômico, e hidroperóxido . Tais intermediários são de curta duração e não pode ser isolado. No entanto, não radicais intermediários são estáveis ​​e são produzidos na combustão incompleta. Um exemplo é o acetaldeído produzido na combustão do etanol . Um intermediário na combustão de carbono e de hidrocarbonetos, monóxido de carbono , é de importância especial, porque é um gás venenoso , como também economicamente útil para a produção de gás de síntese .
Sólidos e pesados ​​combustíveis líquidos também passam por um grande número de pirólise reações que dão mais facilmente oxidado, combustíveis gasosos. Estas reações são endotérmico e requer entrada de energia constante a partir das reações de combustão. A falta de oxigênio ou outro mal projetado condições resultam nesses produtos nocivos e cancerígenos de pirólise sendo emitidos como um espesso fumo.
A taxa de combustão é a quantidade de um material que sofre de combustão durante um período de tempo. Pode ser expresso em gramas por segundo (g / s) ou em quilogramas por segundo (kg / s).

Temperatura
Antoine Lavoisier realizando uma experiência relacionada combustão gerada por luz solar amplificado.
Assumindo que as condições de combustão perfeitas, tais como a combustão completa sob adiabáticos condições (isto é, sem perda ou ganho de calor), a temperatura de combustão adiabática pode ser determinada. A fórmula que produz esta temperatura baseia-se na primeira lei da termodinâmica e toma nota do facto de que o calor de combustão é utilizado para o aquecimento de todo o combustível, o ar de combustão ou de oxigênio  e os gases de combustão dos produtos (normalmente referido como o de gases de combustão ).
No caso dos combustíveis fósseis queimados no ar, a temperatura de combustão depende de todos os seguintes:
o valor de aquecimento ;
o ar estequiométrico a proporção de combustível  ;
o calor específico de combustível e ar;
as temperaturas de entrada de ar e de combustível.
A temperatura de combustão adiabática (também conhecido como a temperatura de chama adiabática ) aumenta para valores maiores de aquecimento e de ar de entrada e as temperaturas de combustível e para proporções estequiométricas de ar que se aproximam um.
Mais geralmente, as temperaturas de combustão adiabáticas de carvões estão em torno de 2200 ° C (3992 ° F) (para entrada de ar e de combustível à temperatura ambiente e para a ), cerca de 2150 ° C (3902 ° F) para o óleo e 2000 ° C (3632 ° F) para o gás natural .
Em industriais aquecedores , centrais elétricas , geradores de vapor e de grandes turbinas a gás , a maneira mais comum de expressar a utilização de mais ar do que combustão é estequiométrica tendo excesso de ar na combustão. Por exemplo, o ar de combustão em excesso de 15 por cento significa que os 15 por cento a mais de ar estequiométrico requerido está a ser utilizado.

Instabilidades
Instabilidades de combustão são normalmente violentas oscilações de pressão em uma câmara de combustão. Essas variações de pressão que pode ser tão alta quanto 180 dB, e de longo prazo da exposição a estas pressões cíclicas e as cargas térmicas reduz a vida útil dos componentes do motor. Em foguetes, tais como o F1 utilizado no programa de V Saturn, instabilidades conduziu a graves danos da câmara de combustão e os componentes circundantes. Este problema foi resolvido com a re-desenhar o injetor de combustível. Em motores a jato de líquido o tamanho das gotículas e a distribuição pode ser usado para atenuar as instabilidades. Instabilidades de combustão são uma grande preocupação em solo baseados em turbinas a gás por causa das emissões de NOx. A tendência é para ser executado pobre, uma razão equivalente a menos de 1, para reduzir a temperatura de combustão e, assim, reduzir a emissão de NOx, no entanto, executar a combustão pobre torna muito susceptível a instabilidade de combustão.
O critério de Rayleigh é a base para a análise da instabilidade de combustão termoacústicos e é avaliada usando o Índice de Rayleigh ao longo de um ciclo de instabilidade.

onde q ' é a taxa de libertação de calor de perturbação e p' é a flutuação de pressão. Quando as oscilações de libertação de calor estão em fase com as oscilações de pressão, o Índice de Rayleigh é positiva e a amplitude da instabilidade acústica é termo maximizada. Por outro lado, se o Índice de Rayleigh é negativo, então o amortecimento termoacústicos ocorre. O critério de Rayleigh implica que a instabilidade pode ser otimamente termoacústicos controlada por ter oscilações de libertação de calor de 180 graus fora de fase com as oscilações de pressão na mesma frequência. Isto minimiza o Índice de Rayleigh.