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Compressores Industriais Aula 5_Transporte de Fluidos Profa. Janaína S. Ferreira Princípios de funcionamento • Compressores volumétricos: Também conhecidos como compressores de deslocamento positivo, reduzem o volume ocupado para o gás para elevar a pressão. Do ponto de vista do gás sendo comprimido, é possível identificar 4 fases no processo de compressão: admissão, compressão, descarga e expansão. • Compressores dinâmicos: Também conhecidos como turbocompressores, transferem energia para o gás (em sua maior parte) na forma de energia cinética através de um elemento rotativo (impelidor). Posteriormente o gás escoa através de um elemento estacionário (difusor) que converte a energia cinética em entalpia, conseqüentemente aumentando a pressão do gás. Operação contínua. Volumétricos RotativosAlternativos Diafragma Pistão Compressores Dinâmicos Centrífugos Axiais Mixto Térmicos EjetoresPalhetas Parafuso Lóbulos Espiral Princípios de funcionamento Anel líquido • Compressores alternativos (reciprocating compressor): Ciclo de compressão do gás dividido em quatro etapas reguladas pela abertura e fechamento das válvulas de admissão e descarga. Acionado através de uma biela-manivela para converter o movimento rotacional de um eixo no movimento de translação do pistão. Princípios de funcionamento • Compressores alternativos (reciprocating compressor): Princípios de funcionamento • Compressores de diafragma (diaphragm compressor): Projeto alternativo do compressor alternativo, onde a compressão é realizada através de uma membrana, não havendo contato entre o pistão e o gás de processo. Usualmente utilizado para gases tóxicos ou explosivos. Princípios de funcionamento • Compressores palhetas (vanes compressor): Rotor excêntrico em relação à carcaça com palhetas móveis radiais. O gás capturado entre duas palhetas é comprimido entre o rotor e o estator ao longo de uma revolução. • Utilizado em unidades de refrigeração, incluindo geladeiras e aparelhos de ar condicionado domésticos. Princípios de funcionamento • Compressores parafuso (rotary screw compressor): Dois rotores em forma de parafuso com geometria e rotação opostas (macho e fêmea). O gás é comprimido no espaço entre os rotores, que diminui ao longo do compressor. Pode ser do tipo seco ou molhado, com a injeção de óleo para lubrificação, vedação e resfriamento. Pode lidar com pequenas frações de líquido. Utilizado como recuperador de vapores de óleo em unidades offshore Princípios de funcionamento • Compressores lóbulos (lobe compressor): Dois rotores com rotação em sentidos opostos. Conduz o gás de uma região de baixa pressão para uma região de alta pressão sem comprimi-lo internamente. Compressores com esta característica possuem menor eficiência termodinâmica. Princípios de funcionamento • Compressores espiral (scroll compressor): Consiste de uma espiral fixa e outra com movimento orbital excêntrico. Utilizado freqüentemente em pequenos ciclos de refrigeração. Princípios de funcionamento • Compressores de anel líquido (liquid-ring compressor): Similar ao compressor de palhetas, porém com as pás integrais ao rotor. Líquido injetado na carcaça forma uma anel excêntrico ao rotor, proporcionando a mudança de geometria para o gás. Pode requerer um sistema de separação gás-líquido na descarga. Princípios de funcionamento • Compressores dinâmicos: Efeito difusor e efeito bocal O escoamento através de uma tubulação com variação de áreas apresentará uma pressão menor na região de menor área. Como a vazão mássica é constante através do trecho de tubulação, no trecho de menor área a velocidade aumenta. Conseqüentemente, ao aumentar a velocidade, aumenta-se a parcela de energia cinética do fluido. Para manter a energia do fluido constante, outra parcela de energia deve ser reduzida, resultando na redução da pressão. V1 V2 V2V1 Princípios de funcionamento • Compressores centrífugos (centrifugal compressor): Utiliza um ou mais impelidores (parte rotativa – rotor) para fornecer energia cinética ao gás. Posteriormente, esta energia cinética é convertida em pressão do gás, através de difusores (parte estacionária – estator). O fluxo do gás é radial nos impelidores Princípios de funcionamento • Compressores axiais (axial compressor): Semelhante aos compressores centrífugos, possuem uma parte rotativa (roda de palhetas móvel) que fornece energia cinética ao gás e uma parte estacionária (palhetas estatoras) que converte a energia cinética adquirida em pressão. O Diferentemente dos compressores centrífugos, o fluxo de gás é axial. Princípios de funcionamento • Compressores axiais (axial compressor): Princípios de funcionamento Princípios de funcionamento • Compressores de fluxo misto (mixed flow compressor): Não muito comuns, estes compressores são intermediários entre os compressores centrífugos e os compressores axiais, possuindo no seu interior fluxo de gás diagonal, entre o fluxo radial e o fluxo axial. Princípios de funcionamento • Ejetores (ejector): Utilizando o mesmo princípio dos compressores dinâmicos, porém sem partes móveis, os ejetores utilizam a despressurização de um fluido motor para acelerar o fluido de interesse. A mistura posteriormente passa por uma seção difusora para o que ocorra o aumento de pressão. Princípios de funcionamento • Seleção por tipo de compressor: Princípios de funcionamento • Seleção por tipo de compressor: Princípios de funcionamento Fundamentos da compressão de gases • Estado Condição de equilíbrio do sistema, onde suas propriedades são constantes. Para gases ou misturas gasosas, 2 propriedades intensivas são suficientes para determinar seu estado. • Processo termodinâmico Processo pelo qual o estado de uma substância é modificado. • Processo de compressão O serviço de compressão é um processo termodinâmico onde o estado final do gás apresenta uma pressão maior do que o estado inicial. Trabalho Mecânico V P T Fundamentos da compressão de gases • Parâmetros de serviço: Os estados finais de um serviço de compressão não são únicos para cada compressor (características construtivas definidas), eles dependem dos parâmetros de serviço a que este compressor está sujeito: – Pressão de sucção (Ps) – Temperatura de sucção (Ts) – Composição do gás – Pressão de descarga (Pd) Para o mesmos parâmetros de serviço, dois compressores diferentes podem apresentar diferentes estados finais do gás - Pressão - Temperatura - Gás - Pressão Fundamentos da compressão de gases • Equações de estado: As equações de estado determinam as propriedades termodinâmicas de um gás em um dado estado termodinâmico. O estado termodinâmico de um gás é determinado pelo conhecimento de duas (no caso de substâncias puras e misturas conhecidas de gases) de suas propriedades termodinâmicas, como pressão, temperatura, volume específico, densidade, etc. Fundamentos da compressão de gases • Equações de estado: Equações de estado para um gás ideal: mRTPV TRnPV RTP RTPv densidade"" - ][kg/m específica massa /kg][m específico volume [kg] massa [K] absoluta ra temperatu moles de nº ][m volume [Pa] absoluta pressão 3 3 3 v m T n V P [kg/kmol]molecular peso ]K[kJ/kg gas do constante KkJ/kmol 8,314 gases dos universal constante MW MW R R R R R Fundamentos da compressão de gases • Modelo termodinâmico da compressão: A compressão de gases em compressores industriais é modelada com a uso do conceito de volume de controle: uma região no espaço limitada por uma superfície imaginária que define o nosso objeto de interesse, no caso o compressor. Através desta superfície temos fluxos de massa e fluxos de energia (trabalho e calor). sm dm W Q VC Fundamentos da compressão de gases • Conservação de massa: Em operação contínua é comum termos situações que podem ser caracterizadas como regime permanente. Isso significa que o estado do gás em qualquer ponto dosistema, assim como os fluxos de energia e massa através do volume de controle não mudam. Nesta situação não há acúmulo de massa no interior do volume de controle, o que implica que o mesmo fluxo de massa entrando no sistema está saindo deste. Em outras palavras, temos a conservação da massa. ds mm Fundamentos da compressão de gases • Conservação de energia: Energia armazenada Uma substância pode armazenar energia de diferentes maneiras, como: -energia cinética -energia potencial gravitacional -energia potencial de fluxo -energia interna entre outras. Logo, a energia total armazenada por uma substância é a soma de todas essas parcelas de energia. UEEEE phcintotal Fundamentos da compressão de gases • Conservação de energia: Transferencia de energia Existem 2 maneiras de transferir energia: -calor (Q): por diferença de temperatura. -trabalho (W): por qualquer outra diferença de potencial Q W 11 emE 22 emE Fundamentos da compressão de gases • Conservação de energia: Em regime permanente, não há acúmulo de energia no sistema. Assim, o somatório dos fluxos energéticos através do volume de controle deve ser zero. “Tudo que entra tem que sair” Por unidade de massa: A energia contida em uma unidade de massa de um fluxo é caracterizada por suas parcelas: energia interna, energia potencial de fluxo, energia cinética e energia potencial gravitacional. 12 EEQW 12 eeqw gz c pvue 2 2 Fundamentos da compressão de gases • Conservação de energia: Assim, temos para o nosso volume de controle: Em se tratando de compressores industriais, as duas últimas parcelas são muito menores do que as demais. Voltando para o conceito de conservação de energia temos: 12 2 1 2 2 11122212 2 zzg cc vpuvpuee 11122212 vpuvpuee 111222 vpuvpuqw Fundamentos da compressão de gases • Conservação de energia: A entalpia é definida como a soma da energia interna com o produto da pressão pelo volume específico. A entalpia de um gás é determinada pelo seu estado termodinâmico (por exemplo, pela pressão e temperatura em que ele se encontra). No caso de um gás que se comporte como um gás ideal, é simples avaliar a sua variação de entalpia. )( sdp d s psd TTcdTchh pvuh Fundamentos da compressão de gases • Processo de compressão Definido o conceito de entalpia, podemos simplificar o balanço de energia para um processo de compressão: Existem compressores cujo processo de compressão ocorre em paralelo com um processo de resfriamento. Nestes casos, a troca de calor por unidade de massa q assume valor diferente de zero. Para os compressores sem resfriamento simultâneo (q = 0), não há troca de calor, logo: 12 hhqw 12 hhw Fundamentos da compressão de gases • Trabalho de compressão O trabalho de compressão por unidade de massa w também é denominado HEAD. Um compressor será mais eficiente quanto menor for o HEAD necessário para realizar um mesmo serviço. A eficiência pode ser calculada comparando o HEAD requerido pelo compressor com o HEAD que seria necessário para realizar o mesmo processo de maneira ideal. Existe mais de uma possibilidade para definir o processo considerado ideal. idealidealsd wqhhw Fundamentos da compressão de gases HEAD HEAD IDEAL A qualidade do projeto de um compressor passa pela sua eficiência. A eficiência de compressão é a comparação entre o trabalho ideal utilizado para comprimir o gás e o trabalho real necessário para comprimir um gás na mesma relação de compressão. Fundamentos da compressão de gases • Processo Ideal (Reversível) -Não há degradação de energia (atrito) -O processo é suficientemente lento para evitar outras perturbações no sistema -As diferenças de temperatura e pressão entre o meio e as vizinhanças são infinitamente pequenas Fundamentos da compressão de gases • Modelo ideal isentrópico: A compressão isentrópica é um modelo de processo ideal. Neste modelo a compressão ocorre em um processo quasi- estático, sem trocas térmicas e sem a geração de irreversibilidades (processo adiabático reversível). Neste caso, pode-se demonstrar que para este processo: Assim: Onde: ctePvk 1 1 1 1 21 12 k k k p p MW TR k k hhH [kJ/kg] oisentrópic headkH oisentrópic ecoeficient v p c c k Fundamentos da compressão de gases • Modelo ideal isentrópico: O head (H) é a energia por unidade de massa que é transferida para o gás durante o processo de compressão. O head isentrópico (Hk) é a energia por unidade de massa que seria transferida, caso o processo de compressão fosse o processo ideal isentrópico. A razão entre estes valores, é uma medida da distância entre o processo real e o processo ideal, ou seja, uma medida de eficiência. k k k k Hm W H H Fundamentos da compressão de gases • Modelo ideal politrópico: O segundo modelo de referência é a compressão ideal politrópica. O processo politrópico é todo aquele em que: Onde n é uma constante qualquer (o processo isentrópico é um caso particular do processo politrópico). Sendo assim: Onde: ctePvn 1 1 1 1 21 12 n n p p p MW TR n n hhH [kJ/kg] opolitrópic headpH opolitrópic ecoeficientn Fundamentos da compressão de gases • Modelo ideal politrópico: Ao contrário do coeficiente isentrópico, o coeficiente politrópico não é uma propriedade do gás em um dado estado. Ele é dependente apenas do processo: )log( )log(1 1 2 1 2 p p T T n n Fundamentos da compressão de gases • Modelo ideal politrópico: De maneira análoga ao processo isentrópico, pode-se definir uma eficiência politrópica de determina o distanciamento entre o processo real e o processo ideal politrópico: Com a vantagem desta eficiência poder ser obtida de maneira mais simples. p p p p Hm W H H pk k n n 11 * Válido para pequenas variações do Cp entre a sucção e a descarga. Fundamentos da compressão de gases • Compressão real: Utilizando o conceito de rendimento apresentado anteriormente, pode-se então definir a potência necessária para um serviço de compressão, a energia transferida para o fluido durante o processo de compressão. Se adicionarmos a energia dissipada por conta dos atritos mecânicos no compressor, por exemplo em seus mancais, teremos a potência necessária na ponta de eixo, ou seja, a potência que o acionador precisa entregar para o compressor. p p k k HmHm W mecp p meck k BHP HmHm W Fundamentos da compressão de gases • Gás real: Os modelos apresentados até agora foram baseados na premissa de um gás se comportando como um gás ideal, onde vale a equação de estado Esta premissa é verdadeira para gases monoatômicos e com baixa densidade (alta temperatura e baixa pressão). Na industria do petróleo é usual o processamento de gases próximos das condições de saturação, para os quais a premissa acima implica em erro significativo. Para tratar estes casos, utiliza-se um fator de correção: o fator de compressibilidade. RTPv ZRTPv Fundamentos da compressão de gases • Fator de compressibilidade: Relação entre o volume ocupado por um gás real comparado com o volume ocupado pelo mesmo gás se este se comportasse como um gás ideal. O fator de compressibilidade é uma função da pressão e temperaturas reduzidas. Pode ser obtido através de um diagrama geral de compressibilidade. ideal real v v Z c r p p p c r T T T Fundamentos da compressão de gases • Gás real: A definição do head para o gás ideal implicaria uma integração do fator de compressibilidade ao longo do processo de compressão. Como esta definição não é prática, é usual a utilização de uma das seguintes aproximações: 1 2 )( 1 1 1 1 1 22111 1 2 1 1 n n p n n p p pZZ MW TR n n H p p Z MW TR n n H Fundamentos da compressão de gases • Exemplo: Calcule a potência de compressão para 30 kg/s de gás metano entre as condições: Sucção: P=700 kPag Descarga: P=2100kPag T=35°C T=115°C Z=0,95 Z=0,93 Considere k=1,25 e MW=16kg/kmol. Fundamentos da compressão de gases • Exemplo: )log( )log(1 1 1 11 1 2 1 2 1 1 21 p p T T n n p p p p n n p p MW TR n n H k k n n Hm W Fundamentos da compressão de gases • Exemplo: kWW kgkJH H n n p p p 3,222.6 877,0 9,18130 /9,181 1 3,101700 3,1012100 16 )27335(314,8 228,0 1 %7,87 228,025,1 125,1 228,0 )log( )log(1 228,0 )3,101700( )3,1012100( )27335( )273115( Fundamentos da compressão de gases • Equações de estado: Diversos modelos permitem a definição do fator de compressibilidade para fluidos em uma dada condição. Cada um é mais adequado para fluidos em uma dada região do diagrama de fases. Como exemplo, alguns comumente usados na indústria: • Gás ideal: gases com baixa densidade • Redlich-Kwong: relativamente simples e adequada para hidrocarbonetos, mas inacurada para a fase líquida e equilíbrio gas-líquido. • Soave-Redlich-Kwong: modificação da anterior, adequada para gases e líquidos. • Peng-Robinson: bastante utilizado na indústria, foi desenvolvida especialmente para o processamento de gás natural. • Benedict-Webb-Rubin-Starling: equação empírica também bastante utilizada no processamento de gás natural. Fundamentos da compressão de gases • Vazão: O termo vazão representa a quantidade de fluido movimentado por unidade de tempo. Entretanto, é importante diferenciar vazão mássica e vazão volumétrica. Vazão mássica se refere à taxa temporal com que massa atravessa uma seção do escoamento. De forma análoga, a vazão volumétrica (ou vazão actual) se refere à taxa temporal com que volume passa por uma seção do escoamento. Como os gases são compressíveis, o volume ocupado por uma determinada massa de gás depende das condições de temperatura e pressão que este gás se encontra. As propriedades termodinâmicas que relacionam massa e volume é o volume específico, v [m3/kg] e a massa específica (ou densidade), [kg/m3] . Fundamentos da compressão de gases • Vazão: Essas propriedades permitem relacionar as vazões mássica e volumétrica: É importante ressaltar que estas propriedades devem ser avaliadas em termos das condições (P e T) na seção em questão. Desta forma, enquanto a vazão mássica se mantém constante através de um compressor, a vazão volumétrica é maior na entrada do que na saída, devido ao aumento da densidade com a pressão. V v V m Fundamentos da compressão de gases • Vazão: Na indústria do petróleo é usual a referência a vazões em condições padrões, como Nm3/d. Ela representa a vazão volumétrica de um escoamento que uma dada vazão mássica apresentaria caso ocorresse nas condições padrões de pressão e temperatura. Neste sentido, o conceito de vazão normal representa na realidade um vazão mássica. Assim para um gás ideal: pad pad pad pad pad TR MWp V v V m Fundamentos da compressão de gases • Vazão: Condições de referência: IUPAC – 0°C e 100 kPa ISO 13443* – 15°C e 101,325 kPa OPEC – 60°F e 14,73 psi Petrobras – 20°C e 101,325 kPa *ISO 13443 – Natural Gas: Standard reference conditions Fundamentos da compressão de gases • Vazão: Exemplo: Um compressor succiona 500 Nm3/s (@ 20°C, 1 atm) de metano à 800 kPag e 35°C. Determinar as vazões mássica e volumétrica deste escoamento. Fundamentos da compressão de gases • Vazão: Exemplo: Um compressor succiona 500 Nm3/s (@ 20°C, 1 atm) de metano à 800 kPag e 35°C. Determinar as vazões mássica e volumétrica deste escoamento. smV kmolkgkPa KKkmolkJ skgV PMW TR mvmV skgm KKkmolkJ kmolkgkPa sNmm TR MWP V v V m pad pad pad pad pad /1,59 /16325,901 15,308/314,8 /6,332 /6,332 15,293/314,8 /16325,101 /500 3 3 Fundamentos da compressão de gases • Mistura de gases: Na indústria, são raros os casos em que se lida com gases puros. Na indústria do petróleo, a maior parte dos gases processados são misturas de hidrocarbonetos. Portanto, para uma correta análise dos processos de compressão, é necessário obter as propriedades físicas de uma mistura de gases. Isto é possível conhecendo as frações de cada gás na mistura e as suas propriedades individuais. As propriedades da mistura será uma média das propriedades individuais de seus componentes ponderada pelas suas proporções na mistura. É importante ressaltar a necessidade de manutenção base utilizada, seja ela molar ou mássica. Fundamentos da compressão de gases • Mistura de gases: – Base molar Exemplo: Massa molar de uma mistura de 0,6 kmol/kmol de metano e de 0,4 kmol/kmol de etano. – Base mássica Exemplo: Constante de uma mistura de 0,45 kg/kg de metano e de 0,55 kg/kg de etano. k i iim y 1 k i iim m 1 kmol kg m kmol kg kmol kmol kmol kg kmol kmol kmol kg m CCCCm M M MyMyM 65,21 07,304,004,166,0 2211 Kkg kJ m Kkg kJ kg kg Kkg kJ kg kg Kkg kJ m CCCCm R R RmRmR 384,0 276,055,0518,045,0 2211 Fundamentos da compressão de gases • Potência de compressão A quantidade de energia fornecida ao gás por unidade de massa de foi definida como: O fluxo total de energia cedido ao gás, ou Potência de Compressão 12 hhw p pHm hhmwm 12gasPot Fundamentos da compressão de gases Sistemas de Compressão • Especificação de serviço: Foi dito anteriormente que a operação de um dado compressor depende dos parâmetros de serviço no qual ele está incluído: • Pressão de sucção (Ps) • Temperatura de sucção (Ts) • Composição química do gás • Pressão de descarga (Pd) Para a especificação de um compressor, além destes dados, é necessária a definição da vazão requerida (Q) nestas condições. Algumas outras informações também podem ser especificadas, como a estratégia de controle de capacidade. • Curvas características: Cada compressor possui curvas características relacionando os parâmetros do serviço no qual ele está incluído e a vazão que ele consegue fornecer naquelas condições. O assunto voltará a ser abordado junto a compressores centrífugos. Vazão H e a d Centrífugo Alternativo Axial Sistemas de Compressão • Curvas características: De maneira análoga o sistema de compressão também possui uma curva característica com as condições que são impostas ao sistema. A curva do sistema pode ser decomposta em duas componentes, uma estática, relativa às pressões de referência do sistema, e outra dinâmica e função da vazão, referente à perda de carga no sistema. Vazão H e a d componente estático componente dinâmico Sistemas de Compressão • Curvas características: O ponto de operação do compressor será aquele onde o head fornecido para uma dada vazão de gás é igual ao head requerido pelo sistema para a mesma vazão. Em outras palavras, no cruzamento entre as curvas do compressor e do sistema. Vazão H e a d Sistemas de Compressão • Pós e pré-resfriamento: É usual encontrarmos resfriadores nos sistemas de compressão industriais. Quando instalados antes do compressor, o seu objetivo é reduzir o head necessário para a realização de uma dada relação de compressão e obter uma temperatura de descarga que não exija materiais especiais no compressor e linhas. Quando instalados após o compressor o seu objetivo é aumentar a densidade do gás, reduzindo o porte da tubulação necessária para a distribuição. Sistemas de Compressão • Compressão em estágios: É usual que grandes elevações de pressão não possam ser realizadaspor apenas um estágio de compressão. Normalmente o principal limitante ao estágio único são as altíssimas temperaturas que seriam atingidas pelo gás, o que exigiria a utilização de materiais especiais ou mesmo impossibilitaria a construção do compressor. Desta forma, é usual a compressão em estágios, com a utilização de resfriadores inter-estágios para a manutenção da temperatura de descarga de cada estágio em níveis aceitáveis (usualmente menores que 200°C). Sistemas de Compressão • Típico sistema de compressão off-shore: Separação Flare Gaslift Export. Sistemas de Compressão Bibliografia • RODRIGUES, P.S.B. – Compressores Industriais. Ed. Didática e Científica, 1991. • LAPINA, R.p. – Process Compressor Technology – Volume 1: Estimating Centrifugal Compressor Performance. Gulf Publishing Company, 1982. • API Std 617 – Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services. 2002. • API Std 618 – Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services. 2007. • API Std 670 – Machinery Protection Systems. 2003. • ASME PTC 10 – Performance Test Code. 1997. Obrigada! contato: ferreira.janaina@ufms.br