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???metadata.dc.type???: Dissertação
Title: Avaliação de Modelos Cinéticos para Combustão de Etanol e Butanol e Implicações em Química Atmosférica
Other Titles: Assessment of Kinetic Models for Combustion of Ethanol and Butanol and Applications to Atmospheric Chemistry
???metadata.dc.creator???: Machado, Gladson de Souza 
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Bauerfeldt, Glauco Favilla
First advisor-co: Martins, Eduardo Monteiro
???metadata.dc.contributor.referee1???: Martins, Eduardo Monteiro
???metadata.dc.contributor.referee2???: Baptista, Leonardo
???metadata.dc.contributor.referee3???: Corrêa, Sérgio Machado
???metadata.dc.description.resumo???: Apesar da vantagem econômica relacionada à produção de etanol no Brasil, este biocombustível apresenta algumas desvantagens como higroscopicidade, baixo ponto de fulgor, alta pressão de vapor e corrosividade. Por isso, sua substituição pelo n-butanol se encontra em discussão. Em contrapartida, uma análise comparativa dos perfis de combustão de etanol e butanol ainda não foi relatada na literatura. Neste trabalho foi realizada a análise do mecanismo de combustão do n-butanol através da análise das velocidades das reações e análise de sensibilidade. Foram também avaliados os tempos de ignição e emissão de poluentes (aldeídos, monóxido de carbono, hidrocarbonetos e NOx) na simulação de motores no ciclo Otto para a combustão do butanol e do etanol inciada por centelha. O programa kintecus® foi utilizado para resolver o sistema de equações diferenciais ordinárias provenientes do modelo cinético. A revalidação do modelo cinético foi realizada, através da comparação do tempo de ignição calculado com dados experimentais, sendo obtido excelente acordo. A análise de velocidades das reações do mecanismo e a análise de sensibilidade foram realizadas com uma mistura de n-butanol e oxigênio em proporção estequiométrica diluída em nitrogênio, com temperatura e pressão inicial de 1199K e 3,18 atm. Os resultados destas análises indicam que o mecanismo é iniciado pelas reações de dissociação das ligações CC. Na fase da propagação, os átomos de hidrogênio e radicais hidroxil desempenham um papel fundamental em reações de abstração de hidrogênio. Por fim, na fase da terminação, as reações de formação de espécies estáveis (H2, H2O e CO2) se mostraram dominantes. Além disso, a reação H + O2  OH + O se mostrou de alta relevância para o tempo de ignição. As simulações da combustão de n-butanol e etanol em um ciclo Otto ideal foram realizadas para seis taxas de compressão, variando de 7:1 para 12:1. Foram obtidos tempos de ignição entre 3,1410-5 e 7,0410-5 segundo para o n-butanol e variou entre 5,5910-2 e 8,5910-5 segundo para o etanol. Em relação à emissão de poluentes atmosféricos, o percentual de monóxido de carbono nos gases de combustão do n-butanol variou entre 4,21% e 7,16%, entanto para o etanol a variação foi de 0,69% a 2,73%. A emissão de aldeídos na combustão do butanol variou entre 1,55104 e 4,84104 ppbv, enquanto no etanol variou entre 3,44102 e 8,00103 ppbv. Para a emissão de NOx, o butanol apresentou valores entre 3,46103 e 5,25103 ppm, para o etanol variou entre 2,25103 e 9,01103 ppm. Os menores valores obtidos para emissão de poluentes da combustão do etanol ocorreram na taxa de compressão onde o aumento inicial da temperatura não ocorreu de forma tão acentuada. Dessa forma, conclui-se que ambos os combustíveis possuem perfis de combustão semelhantes e, de acordo com esse mecanismo e com o modelo proposto para centelha, a queima do butanol emite menos NOx, enquanto que a queima do etanol emite menos aldeídos e monóxido de carbono.
Abstract: Despite the economic advantages related to the production of ethanol in Brazil, this biofuel shows some disadvantages as hygroscopicity, low flash point, high vapor pressure and corrosivity. Its substitution by n-butanol is, therefore, under discussion. In contrast, a comparative analysis of the combustion profiles of ethanol and butanol has not been reported in the literature yet. In this work, an analysis of the chemical mechanism for the butanol combustion is performed through rate analysis and sensitivity analysis. Ignition delay times have been evaluated, as well as the emission some pollutants (aldehydes, carbon monoxide, hydrocarbons and NOx), in simulations of both ethanol and butanol combustion in Otto cycle spark-ignition engines. The software kintecus® has been used to solve the set of differential equations related to the kinetic model. The kinetic model has been revalidated, through comparison between simulated and experimental ignition time values, being found a good agreement. Rate and sensitivity analysis have been performed for the combustion of a mixture butanol and oxygen, in stoichiometric relation, diluted in nitrogen and initial temperature and pressure values of 1199 K and 3.18 atm. Results of these analysis indicate that the mechanism is initiated by CC dissociation reactions. During the propagation, hydrogen atoms and hydroxyl radicals play fundamental role in hydrogen abstraction reactions. The termination is governed by stable specie formation reactions (H2, H2O and CO2). Moreover, the H + O2  OH + O reaction is shown to be of great importance for the ignition. Simulations for butanol and ethanol combustion in ideal Otto cycle engines were performed for six compression rates, varying from 7:1 to 12:1. Ignition time values between 3.1410-5 and 7.0410-5 second were observed for butanol, whereas for ethanol, ignition delay times varying from 5.5910-2 to 8.5910-5 second were obtained. In respect to atmospheric pollutants emissions, the carbon monoxide percentage in the final butanol combustion gas mixture varied from 4.21% to 7.16%, whereas for ethanol combustion, values between 0.69% and 2.73% were observed. Aldehydes emissions within butanol combustion gases varied between 1.55104 and 4.84104 ppbv, whereas from 3.44102 to 8.00103 ppbv in ethanol. NOx concentrations were found in the range from 3.46103 to 5.25103 ppm in butanol combustion final gas mixture and from 2.25103 to 9.01103 ppm in ethanol combustion final gas mixture. The smallest values obtained for the pollutant emissions from ethanol combustion are related to the compression rate in which the initial temperature does not rise abruptly. In conclusion, both fuels show similar combustion profiles and, according to the chemical mechanism and the spark-ignition model, the ignition of butanol yields NOx in smaller concentration, whereas the ignition of ethanol yields less aldehydes and carbon monoxide
Keywords: Simulação Numérica
Combustão
Butanol
Numerical Simulation
Combustion
Butanol
???metadata.dc.subject.cnpq???: Química
Language: por
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
???metadata.dc.publisher.initials???: UFRRJ
???metadata.dc.publisher.department???: Instituto de Ciências Exatas
???metadata.dc.publisher.program???: Programa de Pós-Graduação em Química
Citation: Machado, Gladson de Souza. Avaliação de Modelos Cinéticos para Combustão de Etanol e Butanol e Implicações em Química Atmosférica. 2015. [150 f.]. Dissertação( Programa de Pós-Graduação em Química) - Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, [Seropédica-RJ] .
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
URI: https://tede.ufrrj.br/jspui/handle/jspui/3208
Issue Date: 31-Jul-2015
Appears in Collections:MESTRADO EM QUÍMICA

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