AULA 5 - CONCEITOS FUNDAMENTAIS - PROPRIEDADES DO GAS NATURAL_20170327-1703

Prévia do material em texto

1
Engenharia de Gás Natural
Mario Sergio da Rocha Gomes, M. Sc.
1
Engenharia de Petróleo - 80 Período
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
2
2
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL VALORES
Massa molar relativa 17-20
Teor de carbono 73,3% 
Teor de hidrogênio 23,9%
Teor de oxigênio 0,4%
Relação H/C 3,0-4,0
Densidade relativa, 15 ◦C 0,72-0,81
Ponto de ebulição, ◦C -162
Temperatura de auto-ignição, ◦C 540-560
Número de Octano 120-130
Número de metano 69-99
Relação ar / combustível 17,2
Limites de inflamabilidade do vapor, % em volume 5-15
Limites de inflamabilidade 0,7-2,1
Poder Calorífico, MJ/Kg 38-50
3
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Temperatura de auto-ignição
•Nenhuma substância “queimará” a não ser que seja aquecida a
uma temperatura suficientemente elevada para permitir que a
velocidade de sua reação com o oxigênio exceda um valor crítico,
no qual se liberta calor pela reação mais rapidamente do que se
perde ao ambiente.
• A reação torna-se auto-suficiente, e pode ser designada çomo
uma “combustão” se distinguindo de uma simples “oxidação”.
Essa temperatura necessária é conhecida como temperatura de
ignição.
4
TEMPERATURAS DE AUTO-IGNIÇÃO AO AR
COMBUSTÍVEL OC
Coque (baixa resistência) 425-500
Hidrogênio 580-590
Metano 650-750
Querosene 295
3
Poder Calorífico – É a quantidade de energia liberada pela
combustão completa de uma unidade de massa (ou quantidade de
matéria ou volume) de um combustível em condições padrões.
- Poder Calorífico Superior ou bruto (PCS) – é a
quantidade de energia liberada na forma de calor, na combustão
completa de uma quantidade definida de gás com o ar à pressão
constante. Os produtos de combustão são considerados na mesma
temperatura dos reagentes, visto que a água formada está no estado
líquido.
- Poder Calorífico Inferior (PCI) – Idem ao anterior, mas á
água formada está no estado gasoso, ou seja, toda água formada na
reação química sai no estado vapor com os gases de combustão.
5
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
 Poder Calorífico (PC) –
Cada componente hidrocarboneto do gás natural possui um valor de PC,
o qual aumenta com o aumento da molécula.
O PC, portanto, é variável conforme a composição de cada gás
natural.
6
PCS PCI
KJ/mol kJ/kg kJ/mol kJ/kg
CH4 890,35 55 508 802,53 50 033
C2H6 1 559,90 51 876 1 428,17 89 038
C3H8 2 220,05 50 353 2 044,41 127 457
iC4H10 2 868,80 49 360 2 649,25 165 165
nC4H10 2 878,52 49 527 2 658,97 165 771
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
4
A diferença entre o PCS e o PCI está na quantidade de
calor latente que o vapor d’água nos produtos combustão
possui, que foi fornecida pelo combustível e que não será
aproveitada.
Pode-se ter uma estimativa do valor do poder calorífico de
um combustível, por meio e dois tipos de determinação:
1. A partir da composição do combustível e dos calores de
combustão das frações combustíveis;
2. A partir de fórmulas empíricas para combustíveis sólidos,
conhecendo-se a análise elementar ou a análise
imediata.
7
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Exemplo: Combustão do metano
CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l)
( Q = 890.350 kJ/kmol, T = 20°C, P = 1 atm ) 
ou ( Q = 37.013 kJ/m³, T = 20°C, P = 1 atm )
Na reação acima, quando o estado físico da água é gás (g), o calor
gerado corresponde ao PCI (poder calorífico inferior).
No caso de uma mistura de gases, deve-se ponderar o PCS (em
base molar) de cada componente com a fração molar.
8
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
5
Exemplo
Determinar o poder calorífico inferior de uma mistura gasosa de 60% em
volume de propano e 40% em volume de n-butano, a partir dos calores
de combustão seguintes:
9
mol
kcal
OHCOOHC
mol
kcal
OHCOOHC
vaporvapor
vaporvapor
38,635545,6
53,488435
)(222)(104
)(222)(83


PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
EQUIVALÊNCIA ENERGÉTICA
10
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
6
COMPOSIÇÃO DO GÁS NATURAL NO BRASIL
Composição
(% vol.)
Ceará/Rio
Grande do 
Norte
Sergipe/
Alagoas
Bahia Espírito 
Santo
Rio de 
Janeiro
São Paulo Amazonas
C1 74,53 81,32 81,14 88,16 79,69 87,98 68,88
C2 10,40 8,94 11,15 4,80 9,89 6,27 12,20
C3 5,43 3,26 3,06 2,75 5,90 2,86 5,19
C4 2,81 1,84 1,39 1,55 2,13 1,16 1,80
C5 1,30 0,74 0,72 0,44 0,77 0,27 0,43
C6
+ 1,40 0,42 0,30 0,44 0,44 0,07 0,18
N2 1,39 1,51 1,43 1,62 0,80 1,16 11,12
CO2 2,74 1,97 0,81 0,24 0,50 0,23 0,20
H2S
(mg/m3)
1,50 7,50 7,60 7,50 6,70 Traços ------
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
11
Problema
Determinar o poder calorífico superior da mistura gasosa
obtida nas jazidas dos estados do Rio de Janeiro e São
Paulo, após a mistura ser condicionada e especificada,
conforme a resolução da ANP no 16 :
Processos Termodinâmicos - Recuperação
Refrigeração Simples – ( 100 % do butano)
Joule-Thompson – (recupera até 75% do Propano)
Turbo-Expansão – (85% do etano)
Absorção Refrigerada – (50% do etano; 95% do Propano)
12
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
7
13
PCS PCI
KJ/mol kJ/kg kJ/mol kJ/kg
CH4 890,35 55 508 802,53 50 033
C2H6 1 559,90 51 876 1 428,17 89 038
C3H8 2 220,05 50 353 2 044,41 127 457
iC4H10 2 868,80 49 360 2 649,25 165 165
nC4H10 2 878,52 49 527 2 658,97 165 771
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
COMPOSIÇÃO DO GÁS NATURAL NO BRASIL
Composição
(% vol.)
Ceará/Rio
Grande do 
Norte
Sergipe/
Alagoas
Bahia Espírito 
Santo
Rio de 
Janeiro
São Paulo Amazonas
C1 74,53 81,32 81,14 88,16 79,69 87,98 68,88
C2 10,40 8,94 11,15 4,80 9,89 6,27 12,20
C3 5,43 3,26 3,06 2,75 5,90 2,86 5,19
C4 2,81 1,84 1,39 1,55 2,13 1,16 1,80
C5 1,30 0,74 0,72 0,44 0,77 0,27 0,43
C6
+ 1,40 0,42 0,30 0,44 0,44 0,07 0,18
N2 1,39 1,51 1,43 1,62 0,80 1,16 11,12
CO2 2,74 1,97 0,81 0,24 0,50 0,23 0,20
H2S
(mg/m3)
1,50 7,50 7,60 7,50 6,70 Traços ------
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
14
8
RESOLUÇÃO ANP Nº 16, DE 17.6.2008 - DOU 18.6.2008
CARACTERÍSTICA UNIDADE LIMITE (2) (3)
Norte Nordeste Centro- Oeste, Sudeste e Sul
Poder calorífico superior(4) kJ/ m³ 34.000 a 38.400 35.000 a 43.000
kWh/m³ 9,47 a 10,67 9,72 a 11,94
Índice de Wobbe (5) kJ/m³ 40.500 a 45.000 46.500 a 53.500
Número de metano, mín. (6) 65 
Metano, min. % mol. 68,0 85,0 (86,0)
Etano, máx. % mol. 12,0 12,0 (10,0)
Propano, máx. % mol. 3,0 6,0 (3,0)
Butanos e mais pesados, 
máx.
% mol. 1,5 3,0 (1,5)
Oxigênio, máx. (7) % mol. 0,8 0,5
Inertes (N2+CO2), máx. % mol. 18,0 8,0 6,0
CO2, máx. % mol. 3,0
Enxofre Total, máx. (8) mg/m3 70
Gás Sulfídrico (H2S), máx. mg/m3 10 13 10
Ponto de orvalho de água a 
1atm, máx. (9)
ºC -39 -39 -45
Ponto de orvalho de 
hidrocarbonetos a 4,5 MPa, 
máx. (10)
ºC 15 15 0
Mercúrio, máx. (11) µg/m³ anotar
15
Observações:
(1) O gás natural não deve conter traços visíveis de partículas sólidas ou líquidas.
(2) Os limites especificados são valores referidos a 293,15K (20ºC) e 101,325kPa (1atm) em base seca, exceto os pontos de orvalho
de hidrocarbonetos e de água.
(3) Os limites para a região Norte se destinam às diversas aplicações exceto veicular e para esse uso específico devem ser atendidos
os limites equivalentes à região Nordeste.
(4) O poder calorífico de referência de substância pura empregado neste Regulamento Técnico encontra se sob condições de
temperatura e pressão equivalentes a 293,15K, 101,325 kPa, respectivamente em base seca.
(5) O índice de Wobbe é calculado empregando o poder calorífico superior em base seca. Quando o método ASTM D 3588 for
aplicado para a obtenção do poder calorífico superior.
(6) O número de metano deverá ser calculado de acordo com a última versão da norma ISSO 15403-1. Na versão ISO 15403-
1:2006(E), considera-se o método GRI do Anexo D. Calcula-se inicialmente o Número de Octano Motor – MON a partir da
equação linear empírica, função da composição dos componentes discriminados. Em seguida com o valor determinado para o
MON calcula-se o número de metano ou NM a partir da correlação linear entre NM e MON.
(7) Caso seja usado o método da norma ISO 6974, parte 5, o resultado da característica teor de oxigênio deverá ser preenchido com
um traço (-).(8) É o somatório dos compostos de enxofre presentes no gás natural. Admite-se o limite máximo de 150 mg/m³ para o gás a ser
introduzido no início da operação de redes novas ou então a trechos que em razão de manutenção venham a apresentar rápido
decaimento no teor de odorante no início da retomada da operação.
(9) Caso a determinação seja em teor de água, a mesma deve ser convertida para (ºC) conforme correlação da ISO 18453. Quando os
pontos de recepção e de entrega estiverem em regiões distintas, observar o valor mais crítico dessa característica na
especificação.
(10) Pode-se dispensar a determinação do ponto de orvalho de hidrocarbonetos – POH quando os teores de propano e de butanos e
mais pesados forem ambos inferiores a 3 e 1,5 por cento molares respectivamente de acordo com o método NBR 14903 ou
equivalente. Anotar nesse caso 'passa' no referido campo. Se um dos limites for superado, analisar o gás natural por
cromatografia estendida para calcular o ponto de temperatura cricondenterma – PTC (definida como a máxima temperatura do
envelope de fases) por meio de equações de estado conforme o método ISO 23874. Caso o PTC seja inferior ao POH
especificado em mais que 5ºC, reportar o POH como sendo esse valor. Quando o PTC não atender a esse requisito, determinar o
POH pelo método ISO 6570. O POH corresponde à acumulação de condensado de 10 miligramas por metro cúbico de gás
admitido ao ensaio. Quando os pontos de recepção e entrega estiverem em regiões distintas, observar o valor mais crítico dessa
característica na especificação.
(11) Aplicável ao gás natural importado exceto o gás natural liquefeito, determinado semestralmente. O carregador deverá
disponibilizar o resultado para o distribuidor sempre que solicitado.
RESOLUÇÃO ANP Nº 16, DE 17.6.2008 - DOU 18.6.2008
16
9
 Índice de Wobbe (IW):
É uma medida da quantidade de energia disponibilizada em um sistema
de combustão através de um orifício injetor. A quantidade de energia
disponibilizada é uma função linear do índice de Wobbe. Dois gases que
apresentem composições distintas, mas com o mesmo índice de Wobbe
disponibilizarão à mesma quantidade de energia através de um orifício
injetor à mesma pressão.
17
g
PCS
IW


PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Problema
Determinar o Índice de Wobbe (IW) para as misturas
gasosas citadas no exercício anterior, utilizando o PCS
calculado.
18
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
10
 Poder anti-detonante:
É a capacidade do combustível resistir na aplicação veicular,
sem detonar, aos níveis de temperatura e pressão reinantes na
câmara de combustão do motor, proporcionados pela
compressão a que é submetida a mistura ar/combustível.
Ponto de Orvalho (água e hidrocarbonetos):
Temperatura que ocorre a formação da primeira gota de líquido
quando o gás é resfriado ou comprimido. Conforme
RESOLUÇÃO ANP Nº 16, DE 17.6.2008 - DOU 18.6.2008.
20
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
 Número de Metano (NM):
Indica a capacidade antidetonante do gás natural resultante de
suas características na aplicação veicular, sendo seus limites
passíveis de comparação com a octanagem da gasolina.
Calcula-se inicialmente o Número de Octano do Motor – MON
em função da composição dos componentes discriminados. Em
seguida calcula-se o número de metano ou NM a partir da
correlação linear entre NM e MON.
onde x é a fração molar dos componentes metano, etano,
propano, butano, CO2 e N2.
21
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
42,103)(445,1  MONXMN
11
Problema
Determinar o número de metano das misturas gasosas
especificadas anteriormente, conforme a resolução da ANP
no 16.
22
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Mais leve que o ar. Se dispersa rapidamente;
Isento de enxofre, vanádio e sódio. Ausência de processo
corrosivo;
Maior relação H/C (4:1). Queima limpa com baixa emissão de
poluentes;
Característica antidetonante. Suporta altas taxas de compressão;
Menor formação de depósitos, maior duração do lubrificante, menor
desgaste do motor;
Odorizado com produtos do tipo mercaptanas para segurança.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DO GÁS ESPECIFICADO
24
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
12
RAZÃO GÁS-ÓLEO (RGO)
É a relação entre a vazão instantânea de gás pela vazão
instantânea de óleo, ambas medidas nas condições padrão. No
Brasil, a Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e
Biocombustíveis (ANP) adota a condição BR, ou seja, de 101 325
Pa (1 atm) e 20ºC.
• Reservatório de Óleo – RGO < 900m3/m3
• Reservatório de Gás Condensado – 900 < RGO < 18 000 m3/m3
• Reservatório de Gás – RGO > 18 000 m3/m3
Onde : Vg = Vazão de Gás
Vo = Vazão de Óleo
25
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Vo
Vg
RGO 
EXEMPLOS DE RGO DE ALGUNS CAMPOS 
CAMPOS
Juruá
Merluza
Rio Urucu
Tubarão
Albacora
Marlim
Fazenda Belém
RGO
> 10000
4100
500
400
120
90
10
26
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
13
MEDIÇÃO DE GÁS
Condições Normais de Temperatura e Pressão – CNTP (antiga)
273,15 K (0oC) e 101 325 Pa (1 atm)
União Internacional de Química Pura e Aplicada – IUPAC (Recomenda)
Condições Normais de Temperatura e Pressão – CNTP (Atual)
273,15 K (0oC) e 100 000 Pa (1 bar)
Indústria do Petróleo
Padrão Americano – Condições Standard
288,75 K (519,67 R ou 60º F) e 101 325 Pa (14,7 psia ou 1 atm)
Regulamentação da ANP – Condições BR
293,15 K (20º C) e 101 325 Pa (1 atm)
27
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Comportamento das Fases do Gás Natural
• Diagrama de Fases de uma Substância Pura
– O comportamento PVT de uma substância pura é importante
para fins de entendimento dos processos de transformação de
fases, que são responsáveis por significativa parte do processos
de separação e tratamento do gás natural.
28
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
14
Comportamento das Fases do Gás Natural
• Diagrama de Fases de uma Mistura de
Hidrocarbonetos
– Dependendo das de P e T, o gás pode estar na forma gasosa,
líquida ou bifásica. A curva de equilíbrio que representa essa
situação é denominada de diagrama de fases.
• O Estado vapor ocorre na região de baixa pressão e alta temperartura;
• O Estado líquido ocorre na região de alta pressão e baixa temperatura;
29
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
30
DIAGRAMA BIFÁSICO DO GÁS RICO 
BOLÍVIA
15
31
DIAGRAMA BIFÁSICO DO GÁS 
IMPORTADO - BOLÍVIA
Comportamento das Fases Água e Hidrocarbonetos
• Normalmente, na indústria do gás natural, a umidade
do gás é expressa como: ponto de orvalho (de
água), teores e frações.
• O gás apresenta água na sua composição desde o
momento em que está no reservatório geológico.
• Ao longo do escoamento do reservatório até a sua
chegada a superfície, ocorre redução simultânea de
pressão e temperatura da mistura gasosa;
32
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
16
Comportamento das Fases Água e Hidrocarbonetos
• Em várias instalações de produção de petróleo,
verifica-se que o primeiro componente da mistura
gasosa a se condensar (água ou hidrocarbonetos)
depende das condições operacionais e da
composição química.
• Nesse instante, a temperatura de orvalho da água se
iguala à temperatura da mistura gasosa, e pode-se
verificar sua presença na forma líquida dentro do
separador se 1º estágio ou por meio de análise
química.
• Os hidrocarbonetos presentes na mistura gasosa se
condensam posteriormente à água, com temperatura
de orvalho de 35 ºC na pressão de 2 700 kPa.
33
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
Comportamento das Fases Água e Hidrocarbonetos
Ponto de orvalho da água e de hidrocarbonetos
Se a primeira gota a ser formada for de uma
hidrocarboneto, tal temperatura é denominada
“temperatura de orvalho do hidrocarboneto”. No caso de a
da água, a temperatura será denominada “temperatura de
orvalho d’água”.
34
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
17
Comportamento das Fases Água e Hidrocarbonetos
Teor de umidade do gás natural
• O gás natural oriundo do sistema de separação primário,
está na condição de saturação. Dessa forma, a fase vapor
contém a máxima quantidade de água para uma dada
condição de T e P de saturação (temperaturade orvalho ou
ponto de orvalho).
• Valores elevados de teor de umidade são obtidos em
condições de alta temperatura e baixa pressão (condições
que favorecem o estado vapor). Porém, baixos valores de
teor de umidade são obtidos nas condições da baixa
temperatura de alta pressão (condições que favorecem o
estado líquido).
• Os teores de água são usualmente expressos na indústria
do petróleo e gás natural da seguinte forma: lb/MMscf e
mg/m3. 35
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
37
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
18
? Pesquisar ?
 Métodos utilizados para medir a umidade e
ponto de orvalho da água, em unidades de
processamento de gás natural.
Válvulas utilizadas para medir a vazão de
gás natural.
PROPRIEDADES DO GÁS NATURAL
38
FIM
39