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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Departamento de Arquitetura e Construo

APOSTILA

SISTEMA PREDIAL DE GS COMBUSTVEL

Fonte/Autores: Marina S. de Oliveira Ilha ltima atualizao: maro/2002

EC-712 - Instalaes Prediais Hidrulicas e Sanitrias 1 semestre de 2006

Profa. Dra.: Marina S. de Oliveira Ilha BIPED: Marcus A. S. Campos

Campinas, SP

SISTEMAS PREDIAIS DE GS COMBUSTVEL(*) 1)TIPOS DE GASES COMBUSTVEIS a) Gs liqefeito de petrleo (GLP) Teoricamente, os GLP ou Gases Liqefeitos de Petrleo so constitudos de propano ou butano ou de uma mistura destes. Na prtica, o GLP constitudo por hidrocarbonetos que so produzidos durante os processamentos do Gs Natural ou durante os processamentos convencionais de refino de petrleo. Os hidrocarbonetos predominantes no GLP so gasosos presso atmosfrica mas se liqefazem facilmente, ao serem aplicadas presses relativamente baixas. Ao ser liqefeito, o gs tem reduzido o seu volume, o que facilita o seu transporte em vasilhames. Composio Tpica do Gs Liqefeito de Petrleo Componentes ETANO PROPENO PROPANO BUTENOS BUTANOS PENTANOS TOTAL b) Gs de Nafta A produo de gs combustvel a partir de nafta foi a soluo encontrada para o suprimento de regies onde no existia gs natural. Os processos utilizados pela COMGS para obteno de gs de nafta so dois: o processo CRG (Catalytic Rich Ga ), que produz gs a alta presso (250 psi) em unidades contnuas e o processo HTR (Hare, Taylor e Robinson) que produz gs a baixa presso em unidades cclicas. Composio Tpica do Gs de Nafta Componentes Frmula Processo CRG COMPOSIO EM VOLUME % 32,8 43,2 2,5 20,9 ------------0,6 Processo HTR COMPOSIO EM VOLUME % 6,5 59,3 18,0 6,3 1,0 0,5 8,4 Frmulas C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 C5H12 Comp.em Volume (%) 0,03 30,47 14,34 31,76 23,33 0,07 100,00

METANO HIDROGNIO MON. DE CARBONO DIX. DE CARBONO NITROGNIO OXIGNIO HIDROCARBONETOS NAFTA LEVE

CH4 H2 CO CO2 N2 O2 CH

(*) Este texto foi adaptado a partir da seguinte publicao: ILHA, M. S. O; GRAA, M. A.; GONALVES, O. M. Sistemas prediais de gs combustvel. Apostila da disciplina PCC463 instalaes na construo civil I, EPUSP, 1993.

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c ) Gs Natural O gs natural uma mistura de hidrocarbonetos leves, no estado gasoso, encontrados nas camadas superiores de poos petrolferos (gs associado ao petrleo) ou em poos de gs (gs no associado ao petrleo). O transporte do Gs Natural, desde a regio de sua produo at os pontos de consumo, feito por meio de gasoduto. Para que o gs possa percorrer grandes distncias, necessrio imprimir ao mesmo presses elevadas, que se reduzem ao longo do caminho, em funo das perdas de carga existentes. Por esta razo, alm das estaes de compresso instaladas nos pontos de produo, so colocadas, ao longo dos gasodutos, estaes recompressoras de gs. Quando a distncia entre o ponto de obteno do gs e os pontos de consumo so to elevadas que no compense economicamente ou, ainda, no seja possvel a construo de gasodutos, o Gs Natural pode ser transportado na forma lquida (GNL - Gs Natural Liqefeito), sendo resfriado temperatura de 160oC negativos. Em geral este transporte feito por via martima utilizando-se navios metaneiros especialmente construdos para este fim, podendo ainda ser transportado por via terrestre utilizando-se caminhes tanques. Vale destacar que o Gs Natural nestas condies (liqefeito), apresenta um volume que eqivale 600 vezes o volume gasoso. Quando o Gs Natural chega s regies de consumo, passa por Estaes Redutoras de Presso, que promovem a reduo da presso do gs, das condies de transportes para as de distribuio. A tabela a seguir apresenta a composio tpica do Gs Natural, extrado da Bacia de Campos - RJ, aps o processamento nas UPGN. Composio Tpica do Gs Natural Processado nas UPGN Componentes METANO ETANO PROPANO I. BUTANO N. BUTANO N. PENTANO DIX. DE CARBONO NITROGNIO 2 ) PROPRIEDADES DOS GASES(*) As propriedades dos gases que afetam o comportamento de sua queima em um equipamento so conhecidas pelo termo geral de "CARACTERSTICAS DE COMBUSTO". Assim, espera-se de um queimador a gs que, aps sua instalao de forma correta, o mesmo proporcione resultados satisfatrios e seguros por um longo tempo. Para que isto possa ocorrer necessrio que o queimador tenha sido projetado de forma a satisfazer as propriedades e caractersticas de um gs que so relacionadas abaixo : - Densidade Relativa - Poder Calorfico - Nmero de WobbeTexto elaborado a partir da seguinte fonte: 3

Frmula CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C4H10 C5H12 CO2 N2

Composio em Volume ( % ) 89,35 8,03 0,78 0,04 0,03 0,01 0,48 1,28

(*)

- Temperatura de Chama - Velocidade de Chama Densidade Absoluta e Relativa Densidade ou densidade absoluta de um gs a relao entre a massa deste gs e a unidade de volume. Em unidades mtricas, esta relao expressa em Kg/m3 estando o gs 15C de temperatura e 1 atmosfera ( 1,013 bar ). Densidade relativa (do) de um gs a relao existente entre a densidade deste gs e do ar nas mesmas condies de temperatura e presso, ou a relao entre a massa deste gs e a massa de igual volume de ar nas mesmas condies de temperatura e presso: expressa sob a do = de um nmero adimensional. forma

massade um volume V de gs 15 C e 1 atmosfera massade um volume V de ar 15 C e 1 atmosfera

Os gases naturais e manufaturados so mais leves que o ar, enquanto que os gases liqefeitos de petrleo so mais pesados que o ar. Mais especificamente, os gases naturais e manufaturados tm densidade relativa variando entre 0,4 e 0,8, enquanto que os gases liqefeitos de petrleo tm densidade maior que 1. DENSIDADE ABSOLUTA E RELATIVA DE ALGUNS GASES Tipos Metano ( CH4 ) Propano ( C3H8 ) Butano ( C4H10 ) Dix. de Carbono ( CO2 ) Nitrognio ( N2 ) Gs Natural GLP1 2 1

Densidade Absoluta ( Kg / m3 ) * 0,679 1,865 2,458 1,861 1,145 0,750 0,700 2,139o

Densidade Relativa 0,554 1,522 2,006 1,519 0,967 0,613 0,560 1,746

Gs de Nafta (COMGS)

* - Considerando 15 C e 1 atm ( 1,013 bar ). - Gs Natural recebido pela COMGAS e passando pela UPGN. 2 - GLP - considerando a composio apresentada no tem 1a ). PODER CALORFICO O poder calorfico de um gs combustvel a quantidade de calor desenvolvida pela combusto completa da unidade de volume (ou massa) deste gs, estando ele e o comburente nas condies normais de temperatura e presso, e sendo os produtos da combusto trazidos s mesmas condies". Assim, quando uma mistura de gases queima, uma quantidade de calor gerada pela combusto de seus componentes. A quantidade de calor gerada pela queima de 1 Nm3 de gs chamado de Poder Calorfico do Gs. Por exemplo, a queima do gs metano ( CH4 ) expressa por: CH4 + 202 = C02 + 2 H20 O Poder Calorfico incluindo o calor de evaporao da gua denominado PODER CALORFICO SUPERIOR ( PCS ). Se esta quantidade de calor devido evaporao da gua for subtrada do4

Poder Calorfico Superior, temos o chamado PODER CALORFICO INFERIOR, expresso em Kcal/Nm3. A combusto completa de 1 Nm3 de CH4 gera 2 Nm3 de H20 ( vapor ). Assumindo-se o Poder Calorfico Inferior do CH4 igual 8550 Kcal/Nm3 o calor total gerado ser de aproximadamente: 8550 + 480x2 = 9510 Kcal/Nm3 O poder calorfico normalmente expresso nas seguintes unidades: a - kcal/Nm3 (quilocalorias por normal metro cbico ) b - Kcal/Kg (quilocalorias por quilo de gs) PODER CALORFICO DOS GASES COMBUSTVEIS Tipo de Gs Gs Natural Gs Nafta Gs Carvo GLP VELOCIDADE DE CHAMA Velocidade de chama a velocidade na qual a chama atravessa uma mistura ar-gs. tambm chamada de Velocidade de Queima ou Velocidade de Ignio. As velocidades de queima variam de acordo com o tipo de gs e a quantidade de ar na mistura. Assim, por exemplo, o hidrognio queima muito rpido ( 9,3 ps/seg ) enquanto que o metano um gs de baixa velocidade ( 0,9 ps/seg ). importante salientar que a quantidade de ar na mistura ar-gs influi na velocidade de chama da mesma. A velocidade de chama pode ser expressa em cm/seg e alguns valores so dados na tabela abaixo. VELOCIDADE DE CHAMA DOS GASES COMBUSTVEIS Tipo de gs Gs Natural Gs Nafta / Carvo GLP TEMPERATURA DE CHAMA Teoricamente, entende-se por temperatura de chama, a temperatura qual seriam levados os produtos de combusto, se toda a energia trmica desenvolvida pela reao fosse utilizada para aquec-los. Trata-se, ento da temperatura terica mxima alcanada pelos produtos de combusto em Condies Adiabticas. Velocidade de chama (cm/s) 34 100 20 PCS Kcal/Nm3 9.675 4.750 4.715 27.725 PCI Kcal/Nm3 8.710 4.220 4.195 25.282 PCS Kcal/Kg 13.100 6.410 6.500 12.075 PCI Kcal/Kg 11.800 5.700 5.800 11.025

5

TEMPERATURA DE CHAMA DOS GASES COMBUSTVEIS TIPO GS NATURAL GS NAFTA ( COMGAS ) GS DE CARVO GLP NMERO DE WOBBE ( W ) O poder calorfico de um gs no , como muitas vezes se pensa, o nico elemento que serve para medir a quantidade de calor a ser fornecida por um queimador. A densidade, tambm chamada por alguns de densidade especfica ou densidade relativa ao ar, afeta tambm a quantidade de calor a ser fornecida por um queimador, j que a mesma tem influncia sobre a vazo pelo orifcio do queimador e portanto sobre a quantidade de gs liberada pelo mesmo na unidade de tempo. Sob presso constante, um gs com baixa densidade flui em maior quantidade atravs de um orifcio do que um gs com densidade mais elevada. Assim, para valores menores de densidade, o calor liberado pelo queimador aumenta. Estas variaes so importantes e devem ser consideradas quando se estuda a intercambiabilidade de sistemas de queima. Na prtica, a quantidade de calor fornecido inversamente proporcional raiz quadrada da densidade e diretamente proporcional ao poder calorfico de um gs combustvel presso constante, ou seja: Temperatura de chama COM AR (oC) 1.920 1.980 1.950 1.930 COM O2 (oC) 2.700 2.700 2.660 2.720

W como Nmero de Wobbe, ndice de Wobbe ou ndice de Wobbe da Esta expresso conhecida = Quantidade de Calor Fornecido. densidaderel

Apostila Gas Combustivel

Jul 16, 2015

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Departamento de Arquitetura e Construo

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SISTEMA PREDIAL DE GS COMBUSTVEL

Fonte/Autores: Marina S. de Oliveira Ilha ltima atualizao: maro/2002

EC-712 - Instalaes Prediais Hidrulicas e Sanitrias 1 semestre de 2006

Profa. Dra.: Marina S. de Oliveira Ilha BIPED: Marcus A. S. Campos

Campinas, SP

SISTEMAS PREDIAIS DE GS COMBUSTVEL(*) 1)TIPOS DE GASES COMBUSTVEIS a) Gs liqefeito de petrleo (GLP) Teoricamente, os GLP ou Gases Liqefeitos de Petrleo so constitudos de propano ou butano ou de uma mistura destes. Na prtica, o GLP constitudo por hidrocarbonetos que so produzidos durante os processamentos do Gs Natural ou durante os processamentos convencionais de refino de petrleo. Os hidrocarbonetos predominantes no GLP so gasosos presso atmosfrica mas se liqefazem facilmente, ao serem aplicadas presses relativamente baixas. Ao ser liqefeito, o gs tem reduzido o seu volume, o que facilita o seu transporte em vasilhames. Composio Tpica do Gs Liqefeito de Petrleo Componentes ETANO PROPENO PROPANO BUTENOS BUTANOS PENTANOS TOTAL b) Gs de Nafta A produo de gs combustvel a partir de nafta foi a soluo encontrada para o suprimento de regies onde no existia gs natural. Os processos utilizados pela COMGS para obteno de gs de nafta so dois: o processo CRG (Catalytic Rich Ga ), que produz gs a alta presso (250 psi) em unidades contnuas e o processo HTR (Hare, Taylor e Robinson) que produz gs a baixa presso em unidades cclicas. Composio Tpica do Gs de Nafta Componentes Frmula Processo CRG COMPOSIO EM VOLUME % 32,8 43,2 2,5 20,9 ------------0,6 Processo HTR COMPOSIO EM VOLUME % 6,5 59,3 18,0 6,3 1,0 0,5 8,4 Frmulas C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 C5H12 Comp.em Volume (%) 0,03 30,47 14,34 31,76 23,33 0,07 100,00

METANO HIDROGNIO MON. DE CARBONO DIX. DE CARBONO NITROGNIO OXIGNIO HIDROCARBONETOS NAFTA LEVE

CH4 H2 CO CO2 N2 O2 CH

(*) Este texto foi adaptado a partir da seguinte publicao: ILHA, M. S. O; GRAA, M. A.; GONALVES, O. M. Sistemas prediais de gs combustvel. Apostila da disciplina PCC463 instalaes na construo civil I, EPUSP, 1993.

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c ) Gs Natural O gs natural uma mistura de hidrocarbonetos leves, no estado gasoso, encontrados nas camadas superiores de poos petrolferos (gs associado ao petrleo) ou em poos de gs (gs no associado ao petrleo). O transporte do Gs Natural, desde a regio de sua produo at os pontos de consumo, feito por meio de gasoduto. Para que o gs possa percorrer grandes distncias, necessrio imprimir ao mesmo presses elevadas, que se reduzem ao longo do caminho, em funo das perdas de carga existentes. Por esta razo, alm das estaes de compresso instaladas nos pontos de produo, so colocadas, ao longo dos gasodutos, estaes recompressoras de gs. Quando a distncia entre o ponto de obteno do gs e os pontos de consumo so to elevadas que no compense economicamente ou, ainda, no seja possvel a construo de gasodutos, o Gs Natural pode ser transportado na forma lquida (GNL - Gs Natural Liqefeito), sendo resfriado temperatura de 160oC negativos. Em geral este transporte feito por via martima utilizando-se navios metaneiros especialmente construdos para este fim, podendo ainda ser transportado por via terrestre utilizando-se caminhes tanques. Vale destacar que o Gs Natural nestas condies (liqefeito), apresenta um volume que eqivale 600 vezes o volume gasoso. Quando o Gs Natural chega s regies de consumo, passa por Estaes Redutoras de Presso, que promovem a reduo da presso do gs, das condies de transportes para as de distribuio. A tabela a seguir apresenta a composio tpica do Gs Natural, extrado da Bacia de Campos - RJ, aps o processamento nas UPGN. Composio Tpica do Gs Natural Processado nas UPGN Componentes METANO ETANO PROPANO I. BUTANO N. BUTANO N. PENTANO DIX. DE CARBONO NITROGNIO 2 ) PROPRIEDADES DOS GASES(*) As propriedades dos gases que afetam o comportamento de sua queima em um equipamento so conhecidas pelo termo geral de "CARACTERSTICAS DE COMBUSTO". Assim, espera-se de um queimador a gs que, aps sua instalao de forma correta, o mesmo proporcione resultados satisfatrios e seguros por um longo tempo. Para que isto possa ocorrer necessrio que o queimador tenha sido projetado de forma a satisfazer as propriedades e caractersticas de um gs que so relacionadas abaixo : - Densidade Relativa - Poder Calorfico - Nmero de WobbeTexto elaborado a partir da seguinte fonte: 3

Frmula CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C4H10 C5H12 CO2 N2

Composio em Volume ( % ) 89,35 8,03 0,78 0,04 0,03 0,01 0,48 1,28

(*)

- Temperatura de Chama - Velocidade de Chama Densidade Absoluta e Relativa Densidade ou densidade absoluta de um gs a relao entre a massa deste gs e a unidade de volume. Em unidades mtricas, esta relao expressa em Kg/m3 estando o gs 15C de temperatura e 1 atmosfera ( 1,013 bar ). Densidade relativa (do) de um gs a relao existente entre a densidade deste gs e do ar nas mesmas condies de temperatura e presso, ou a relao entre a massa deste gs e a massa de igual volume de ar nas mesmas condies de temperatura e presso: expressa sob a do = de um nmero adimensional. forma

massade um volume V de gs 15 C e 1 atmosfera massade um volume V de ar 15 C e 1 atmosfera

Os gases naturais e manufaturados so mais leves que o ar, enquanto que os gases liqefeitos de petrleo so mais pesados que o ar. Mais especificamente, os gases naturais e manufaturados tm densidade relativa variando entre 0,4 e 0,8, enquanto que os gases liqefeitos de petrleo tm densidade maior que 1. DENSIDADE ABSOLUTA E RELATIVA DE ALGUNS GASES Tipos Metano ( CH4 ) Propano ( C3H8 ) Butano ( C4H10 ) Dix. de Carbono ( CO2 ) Nitrognio ( N2 ) Gs Natural GLP1 2 1

Densidade Absoluta ( Kg / m3 ) * 0,679 1,865 2,458 1,861 1,145 0,750 0,700 2,139o

Densidade Relativa 0,554 1,522 2,006 1,519 0,967 0,613 0,560 1,746

Gs de Nafta (COMGS)

* - Considerando 15 C e 1 atm ( 1,013 bar ). - Gs Natural recebido pela COMGAS e passando pela UPGN. 2 - GLP - considerando a composio apresentada no tem 1a ). PODER CALORFICO O poder calorfico de um gs combustvel a quantidade de calor desenvolvida pela combusto completa da unidade de volume (ou massa) deste gs, estando ele e o comburente nas condies normais de temperatura e presso, e sendo os produtos da combusto trazidos s mesmas condies". Assim, quando uma mistura de gases queima, uma quantidade de calor gerada pela combusto de seus componentes. A quantidade de calor gerada pela queima de 1 Nm3 de gs chamado de Poder Calorfico do Gs. Por exemplo, a queima do gs metano ( CH4 ) expressa por: CH4 + 202 = C02 + 2 H20 O Poder Calorfico incluindo o calor de evaporao da gua denominado PODER CALORFICO SUPERIOR ( PCS ). Se esta quantidade de calor devido evaporao da gua for subtrada do4

Poder Calorfico Superior, temos o chamado PODER CALORFICO INFERIOR, expresso em Kcal/Nm3. A combusto completa de 1 Nm3 de CH4 gera 2 Nm3 de H20 ( vapor ). Assumindo-se o Poder Calorfico Inferior do CH4 igual 8550 Kcal/Nm3 o calor total gerado ser de aproximadamente: 8550 + 480x2 = 9510 Kcal/Nm3 O poder calorfico normalmente expresso nas seguintes unidades: a - kcal/Nm3 (quilocalorias por normal metro cbico ) b - Kcal/Kg (quilocalorias por quilo de gs) PODER CALORFICO DOS GASES COMBUSTVEIS Tipo de Gs Gs Natural Gs Nafta Gs Carvo GLP VELOCIDADE DE CHAMA Velocidade de chama a velocidade na qual a chama atravessa uma mistura ar-gs. tambm chamada de Velocidade de Queima ou Velocidade de Ignio. As velocidades de queima variam de acordo com o tipo de gs e a quantidade de ar na mistura. Assim, por exemplo, o hidrognio queima muito rpido ( 9,3 ps/seg ) enquanto que o metano um gs de baixa velocidade ( 0,9 ps/seg ). importante salientar que a quantidade de ar na mistura ar-gs influi na velocidade de chama da mesma. A velocidade de chama pode ser expressa em cm/seg e alguns valores so dados na tabela abaixo. VELOCIDADE DE CHAMA DOS GASES COMBUSTVEIS Tipo de gs Gs Natural Gs Nafta / Carvo GLP TEMPERATURA DE CHAMA Teoricamente, entende-se por temperatura de chama, a temperatura qual seriam levados os produtos de combusto, se toda a energia trmica desenvolvida pela reao fosse utilizada para aquec-los. Trata-se, ento da temperatura terica mxima alcanada pelos produtos de combusto em Condies Adiabticas. Velocidade de chama (cm/s) 34 100 20 PCS Kcal/Nm3 9.675 4.750 4.715 27.725 PCI Kcal/Nm3 8.710 4.220 4.195 25.282 PCS Kcal/Kg 13.100 6.410 6.500 12.075 PCI Kcal/Kg 11.800 5.700 5.800 11.025

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TEMPERATURA DE CHAMA DOS GASES COMBUSTVEIS TIPO GS NATURAL GS NAFTA ( COMGAS ) GS DE CARVO GLP NMERO DE WOBBE ( W ) O poder calorfico de um gs no , como muitas vezes se pensa, o nico elemento que serve para medir a quantidade de calor a ser fornecida por um queimador. A densidade, tambm chamada por alguns de densidade especfica ou densidade relativa ao ar, afeta tambm a quantidade de calor a ser fornecida por um queimador, j que a mesma tem influncia sobre a vazo pelo orifcio do queimador e portanto sobre a quantidade de gs liberada pelo mesmo na unidade de tempo. Sob presso constante, um gs com baixa densidade flui em maior quantidade atravs de um orifcio do que um gs com densidade mais elevada. Assim, para valores menores de densidade, o calor liberado pelo queimador aumenta. Estas variaes so importantes e devem ser consideradas quando se estuda a intercambiabilidade de sistemas de queima. Na prtica, a quantidade de calor fornecido inversamente proporcional raiz quadrada da densidade e diretamente proporcional ao poder calorfico de um gs combustvel presso constante, ou seja: Temperatura de chama COM AR (oC) 1.920 1.980 1.950 1.930 COM O2 (oC) 2.700 2.700 2.660 2.720

W como Nmero de Wobbe, ndice de Wobbe ou ndice de Wobbe da Esta expresso conhecida = Quantidade de Calor Fornecido. densidaderel