Baixe Gases Combustíveis e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Petróleo, somente na Docsity! Gases Combustíveis por Fernando Cörner© Índice: 1 Tipos de Gases Combustíveis 2 Composição 2 Tabela 1 - Composição Volumétrica dos Gases Naturais (%) 3 Poder Calorífico 3 Tabela 2 - Poderes Caloríficos dos Gases Combustíveis 4 Densidade 4 Tabela 3 - Densidade dos Gases Combustíveis 4 Número de Wobbe 5 Tabela 4 - Números de Wobbe dos Gases Combustíveis 5 Temperatura Adiabática de Chama 6 Tabela 5 - Temperaturas Adiabáticas de Chama (ºC) 6 Temperatura Mínima de Auto-Ignição 6 Tabela 6 - Temperaturas Mínimas de Auto-Ignição na Pressão Atmosférica (ºC) 6 Campo de Inflamabilidade 7 Tabela 7 - Campos de Inflamabilidade 7 Velocidades de Chama 7 Tabela 8 - Velocidades de Chama 8 Principais Reações de Combustão Estequiométrica 8 Tabela 9 - Combustão Estequiométrica dos Gases com Ar Atmosférico 9 Tabela 10 - Combustão Estequiométrica dos Gases com Oxigênio Puro 9 Principais Tipos de Chama 10 Vantagens do Uso de Gases Combustíveis > V 1 Gases Combustíveis Os principais gases combustíveis comercializados no Brasil são os gases liqüefeitos do petróleo e o gás natural. Existe ainda o gás manufaturado reformado, com área de atuação restrita à cidade do Rio de Janeiro, e outros gases combustíveis com aplicações específicas como o gás de refinaria, o gás de coqueria, o gás de alto forno, o acetileno, o hidrogênio, o gás de decomposição anaeróbica e os gases oriundos da gaseificação da madeira, do carvão vegetal e do carvão mineral. Composição Os gases liqüefeitos do petróleo são comercializados sob diversas denominações, de acordo com suas composições: 1. GLP propriamente dito, distribuído em larga escala, é composto por uma mistura de hidrocarbonetos parafínicos (propano, n-butano e iso-butano) e olefínicos (propeno, n-buteno e iso-buteno), nas mais variadas proporções. Pode ocorrer também a presença de traços de etano, eteno, iso-pentano e butadieno-1,3. 2. Propano especial, de distribuição restrita, composto basicamente por propano (mínimo 90 %), propeno (máximo 5 %), butanos e butenos, também com a presença de traços dos hidrocarbonetos mais próximos, como no GLP. 3. Propano comercial, cuja composição apresenta preferencialmente propano e ou propeno. 4. Butano comercial, destinado a aplicações especiais como em aerossóis e isqueiros a gás. Sua composição contém predominantemente butanos e ou butenos, de forma que sua pressão de vapor não ultrapasse 5 kgf/cm² a 37,8ºC. 5. Propileno (ou propeno) grau químico (95%) ou grau polímero (99,8%) que, além de sua utilização como matéria prima, é também usado em pequena escala como gás para oxi-corte e aplicações afins. O gás natural distribuído para consumo, após seu processamento nas UPGNs, é uma mistura composta basicamente por metano (cerca de 90 %), etano (de 5 a 8 %), propano e traços de hidrocarbonetos mais pesados. Além disso, apresenta gases inertes como nitrogênio, gás carbônico e, às vezes, hélio. A composição do gás natural também apresenta algumas variações, de acordo com a sua origem e o seu processamento. TABELA 1. Composição Volumétrica dos Gases Naturais (%) Componente GN de Campos GN de Santos GN da Bolívia Metano 89,35 88,321 91,800 Etano 8,03 6,064 5,580 Propano 0,78 3,073 0,970 Iso-Butano 0,04 0,443 0,030 N-Butano 0,03 0,704 0,020 Pentano 0,01 0,273 0,100 Hexano e superiores - 0,080 - Dióxido de carbono 0,48 0,157 0,800 Nitrogênio 1,28 0,683 1,420 2 As unidades dos Números de Wobbe são as mesmas unidades que expressam o poder calorífico, já que a densidade relativa ao ar é adimensional. Porém, apesar de possuírem as mesmas unidades, as conceituações físicas do Número de Wobbe e do Poder Calorífico são diferentes. TABELA 4. Números de Wobbe dos Gases Combustíveis GÁS Nº de Wobbe Superior Nº de Wobbe Inferior (kcal/Nm³) (kcal/Nm³) Hidrogênio 11528 9714 Metano 12735 11452 Etano 16298 14931 Eteno (ou etileno) 15253 14344 Gás Natural de Campos 12837 11597 Gás Natural de Santos 13307 12043 Gás Natural da Bolívia 12834 11591 Propano 19376 17814 Propeno (ou propileno) 18413 17180 n-Butano 22066 20336 iso-Butano 21980 20247 Buteno-1 21142 19728 GLP (médio) 20755 19106 Acetileno 14655 14141 Monóxido de carbono 3060 3060 O Número de Wobbe tem diversas aplicações como cálculo de injetores de gases combustíveis para queimadores e cálculo de misturas de ar propanado para substituição de gás natural. Temperatura Adiabática de Chama A temperatura adiabática de chama é aquela que seria atingida na condição hipotética onde a combustão ocorreria em um sistema termicamente isolado, sendo todo o calor liberado pela queima utilizado no aquecimento dos produtos da combustão. Na realidade, as temperaturas efetivas da chama são inferiores às respectivas temperaturas adiabáticas pois, a partir do momento em que a chama se estabelece, inicia-se um processo de troca de calor da chama com o meio onde ela se propaga, fazendo com que apenas parte do calor liberado seja utilizado para o aquecimento dos produtos da combustão. 5 A Tabela 5 fornece a temperatura adiabática de chama de alguns gases combustíveis, assumindo a hipótese de que o combustível e o comburente estejam na temperatura ambiente de 20ºC. TABELA 5. Temperaturas Adiabáticas de Chama, em ºC GÁS a 20ºC COMBURENTE a 20ºC Ar (ºC) Oxigênio (ºC) Metano 1957 2810 Etano 1960 - Propano 1980 2820 Butano 1970 - Hidrogênio 2045 2660 Acetileno 2400 3100 Temperatura Mínima de Auto-Ignição A temperatura mínima de auto-ignição é uma temperatura limite, a partir da qual uma mistura de um gás combustível e um comburente se inflamam espontaneamente, quer dizer, sem a presença de uma chama piloto ou centelha. TABELA 6. Temperaturas Mínimas de Auto-Ignição na Pressão Atmosférica, em ºC GÁS COMBURENTE Ar (ºC) Oxigênio (ºC) Metano 580 555 Etano 515 - Propano 480 470 Butano 420 285 Monóxido de carbono 630 - Hidrogênio 570 560 Acetileno 305 296 Essa temperatura é muito importante para o estabelecimento das condições de proteção contra a falta de chama no interior de câmaras de combustão. As normas da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas – estabelecem a temperatura de 750ºC nas superfícies internas da câmara de trabalho como fronteira entre os processos de baixa e alta temperatura. Nos processos acima de 750ºC, estando garantida a auto-ignição da mistura ar-gás com alguma margem de segurança, as exigências aos sistemas de proteção contra falta de chama são menos intensas. Campo de Inflamabilidade O campo de inflamabilidade define a faixa de proporções onde uma mistura gás-comburente se inflamará quando submetida a uma condição de ignição. O campo de inflamabilidade também é chamado de campo de explosividade. A ocorrência de uma inflamação ou de uma explosão 6 dependerá do grau de confinamento da mistura inflamável e sua capacidade de aliviar a expansão dos gases gerada pela combustão. A Tabela 7 indica a percentagem do combustível na mistura, em base volumétrica, estando ambos na temperatura de 20ºC e na pressão atmosférica. TABELA 7. Campos de Inflamabilidade GÁS COMBURENTE Ar Oxigênio Limites >> Inf. (%) Sup. (%) Inf. (%) Sup. (%) Metano 5,0 15,0 5,0 60,0 Etano 3,0 12,4 3,0 66,0 Eteno (etileno) 2,7 36,0 2,9 80,0 Propano 2,8 9,5 2,3 45,0 Propeno (propileno) 2,0 11,1 2,1 52,8 Butano 1,8 8,4 1,8 40,0 Monóxido de carbono 12,0 75,0 - - Hidrogênio 4,0 75,0 4,0 94,0 Acetileno 2,2 80 / 85(*) 2,8 93,0 (*)Valores apresentam divergência em diferentes literaturas. Abaixo do limite inferior de inflamabilidade a mistura é chamada pobre (em combustível) e não se inflama. Acima do limite superior de inflamabilidade a mistura é chamada rica e, também, não se inflama. Velocidades de Chama A determinação da velocidade de chama de uma mistura gás-comburente, também chamada de velocidade de ignição, é um processo experimental e os valores encontrados dependem das condições do teste e dos métodos de medição. Portanto, os valores indicados na Tabela 8 podem apresentar divergências, de acordo com a literatura consultada. TABELA 8. Velocidades de Chama GÁS COMBURENTE Ar Oxigênio (m/seg) (m/seg) Metano 0,4 3,9 Propano 0,45 / 0,5 3,3 / 3,9 Butano 0,35 3,3 Acetileno 1,46 7,6 Hidrogênio 2,66 14,35 A Tabela 8 mostra que os gases combustíveis podem ser divididos em dois grupos: gases de baixa velocidade (como o GLP e o gás natural) e gases de alta velocidade (como o acetileno e 7