Liquefação de Linde

Prévia do material em texto

1 Universidade Federal de Minas Gerais 
Departamento de Engenharia Química
Curso de Engenharia Química
A liquefação, um dos quatro processos de
transformação física da matéria, consiste na
mudança do estado gasoso para o líquido
O processo de Linde foi proposto em 1895 pelo
engenheiro alemão Carl von Linde
Liquefação de gases por efeito Joule-Thomson
https://www.infopedia.pt/dicionarios/lingua-portuguesa/O
https://www.infopedia.pt/$liquefacao-de-gases?intlink=true
https://www.infopedia.pt/$efeito-joule?intlink=true
Fundamental no processo de separação dos componentes do ar de
maneira fracionada. 
Aplicação na captura do dióxido de carbono oriundo dos processos
fermentativos da produção de etanol, da combustão de material fóssil ou
de reações químicas em escala industrial, minimizando a emissão de gás
carbônico. 
Alta importância no ciclo produtivo do gás natural liquefeito/ comprimido
(GNC/GNL), aplicado quando o uso de gasodutos para fornecimento e
distribuição é ineficiente ou pouco vantajoso economicamente. 
Pode ser empregada para
diferentes gases em amplas
condições de temperatura e
pressão
Alta flexibilidade operacional 
Torna-se robusto à medida em que
condições mais específicas ou
extremas são buscadas 
Grande aumento do custo de
acordo com a complexidade do
processo
Compressão: o gás a temperatura
e pressão ambientes (ponto 1) é
comprimido até o ponto 2. OBS: Em
um sistema real, esse processo
seria dividido em duas etapas: uma
compressão adiabática irreversível,
seguida de um resfriamento até a
temperatura ambiente.
Troca de calor: o gás passa por
um trocador de calor ideal (em que
não ocorre variação na pressão),
onde troca calor com o fluxo de gás
de baixa pressão que retorna do
tanque de acumulação, alcançando
o ponto 3.Esquema do processo de liquefação de Linde
Expansão: Do ponto 3 ao ponto 4
a pressão é liberada em uma
válvula de expansão e o fluxo de
gás resfria-se e se liquefaz
parcialmente.
Separação de ar (retificação):
Fluido no estado líquido é retirado
do ciclo para ser separado. Os
diferentes pontos de ebulição de
seus constituintes são usados para
decompor este gás liquefeito. 
Repetição do ciclo: O fluido não
liquefeito após a expansão é
retorna ao ciclo e passa pelo
trocador de calor. É adicionado
mais ar ao ciclo e o fluxo é
comprimido novamente.Esquema do processo de liquefação de Linde
Gás natural liquefeito
(GNL): armazenamento
de grandes quantidades
de gás natural em
pequenos volumes sem
a necessidade de
construir gasodutos.
Gás natural
Benefícios ambientais e
econômicos e grande
quantidade de reservas.
Alternativa ao
transporte por
gasodutos
convencionais
Reduzir
dependência do
gás boliviano
Operação das
usinas
termelétricas
Distribuição de gás natural rápida e imediata para
mercados pequenos ou emergentes
Forma de armazenamento de gás natural em situações
de variações sazonais e diárias da demanda
Matriz Elétrica Brasileira (2019) Matriz Energética Brasileira (2019)
Diversifica as fontes de suprimento de gás; 
Possibilita a construção de termelétricas
relativamente perto dos principais portos de
entrega do GNL;
 Flexibiliza a operação das térmicas
Gás Natural Liquefeito no Brasil
As usinas térmicas presentes no sistema elétrico
brasileiro possuem um papel complementar em
função da predominância de usinas hidrelétricas.
Sazonalidade da geração hidrelétrica
O montante de energia gerado pelos
empreendimentos termelétricos varia em
função do montante gerado pelas usinas
hidrelétricas.
O GNL se insere como
uma opção para
flexibilizar a oferta de gás
natural, especialmente
para o setor elétrico.
Depende do nível dos
reservatórios, da vazão
dos rios e das condições
meteorológicas.
 - Objetivo principal de fornecer gás natural às termelétricas do Ceará.
2008 - Petrobras inaugurou seu primeiro terminal de regaseificação de GNL em Pecém/CE.
2009 - foi concluído o segundo terminal de GNL da Petrobras, na Baía de Guanabara, no Rio de
Janeiro/RJ.
 - Objetivo principal de prover a flexibilidade necessária para diversas termelétricas do Sudeste.
2014 - inaugurado o terceiro terminal da Petrobras, na Baía de Todos os Santos, no município de São
Sebastião do Passé/BA.
 - Objetivo de aumentar a capacidade de importação de GNL e otimizar processos logísticos da
companhia.
2019 - entrou em operação no Brasil mais um terminal de GNL, em Barra dos Coqueiros/SE, das
Centrais Elétricas de Sergipe (CELSE).
 - Objetivo de abastecer o parque termelétrico que vem sendo desenvolvido pela CELSE.
Terminais brasileiros
Baixo preço do GNL no
mercado internacional
Maturidade da tecnologia de
armazenamento deste combustível
em embarcações menores
Projetos de menor escala no Brasil
Logística de distribuição do GNL no transporte por barcaças e caminhões.
Evolução do seu marco legal e regulatório!
Pandemia da Covid-19 ???
Década de 2020-2030: período crucial para
implantação de programas de monetização e de
infraestruturas de gás natural - ciclo econômico de
20 anos, antes do atingimento das metas
internacionais de neutralidade de emissões de
carbono.
Hibernação de 33 campos: 7 são
campos de gás não associados – ativos
que produziram 6,7 milhões MMm3/d
em 2019.
Terminal da Celse, em Sergipe e Terminal do
Porto do Açu (RJ): importar GNL independente
da Petrobras - nenhum têm acesso à rede
interligada de gasodutos. 
Projetos de terminais de regaseificação em
estudo: podem ser impulsionados pela atual
janela de oportunidades para compradores no
curto e médio prazos.
Diminuir a necessidade de
despacho das térmicas a
gás natural.
Ajustes na oferta: cortes de
produção e/ou redução das
importações.
Cenário pós pandemia
Queda da demanda de
energia elétrica 
Esquema do processo de Liquefação de Linde Diagrama Temperatura x Entropia do
processo de Liquefação de Linde
Processo de Liquefação de Linde - Volume de Controle 1
1ª lei TD 
2ª lei TD 
Trabalho necessário para uma unidade
de massa de gás comprimido
Processo de Liquefação de Linde - Volume de Controle 2
1ª lei TD 
Trabalho necessário para uma unidade
de massa de gás liquefeito
Processo de Liquefação de Linde
1ª lei TD 
Coeficiente de Performance (COP) 
Equipamentos não ideais
Irreversibilidade do sistema
Perdas térmicas
- Pré-resfriamento
Melhoria do desempenho termodinâmico
do sistema a partir da entrada de gás no
trocador de calor a uma temperatura
menor que a temperatura ambiente. 
Gás pré-resfriado por um sistema de
refrigeração independente antes da sua
entrada no trocador de calor, aumentando
a eficiencia do processo.
A temperatura crítica do refrigerante auxiliar
deve ser superior à temperatura ambiente,
de forma que este possa ser condensado
através da troca de calor com o ar
atmosférico ou com água à temperatura
ambiente. 
- Dupla Pressão
Nesse sistema, parte do gás é expandido a
uma pressão intermediária, diminuindo a
razão entre as pressões e reduzindo o
trabalho total requerido, assim
aumentando a eficiência.
O trabalho requerido para uma compressão
isotérmica reversível (Wt) é proporcional ao
logaritmo da razão entre as pressões
envolvidas Wt α ln (p2/p1) 
Metano é liquefeito em um sistema
Linde simples, conforme mostrado
na figura. O metano entra no
compressor, de eficiência 75%, a 1
bar e 300 K, e após compressão até
60 bar é resfriado, atingindo
novamente os 300 K. Seu trabalho
real de compressão é estimado em
1.000 kJ/kg de metano. O produto é
metano líquido saturado a 1 bar.
Problemas Resolvidos 
Exemplo 15.2 (páginas 478 a 481) - Livro ‘Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química’
7ª edição. J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott.
 O metano não-liquefeito, também a
1 bar, retorna atravessando um
trocador de calor onde é aquecido
até 295 K pelo metano a alta
pressão. Considera-se que haja no
trocador de calor uma "fuga"
térmica do ambiente para o seu
interior, correspondente a 5 kJ/kg de
metano alimentado no compressor.
 Efetue uma análise termodinâmica
do processo para uma temperaturana vizinhança de T𝛔 = 300 K. 
Problemas Resolvidos 
Exemplo 15.2 (páginas 478 a 481) - Livro ‘Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química’
7ª edição. J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott.
A base de todos os cálculos e das vazões é
1 kg de metano alimentado no processo.
Fração do metano (z) que é liquefeita:
*Dados utilizados: Perry, R. H.; Green, D. W.. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edição.
Balanço de Energia:
*Q: "fuga" térmica proveniente da vizinhança
*Dados utilizados: Perry, R. H.; Green, D. W.. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edição.
O trabalho ideal depende das mudanças globais no metano ao atravessar o processo de liquefação
*Dados utilizados: Perry, R. H.; Green, D. W.. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edição.
Taxa de geração de entropia e trabalho perdido para cada etapa do processo:
COMPRESSÃO/REFRIGERAÇÃO
TROCADOR
ESTRANGULAMENTO
*Dados utilizados: Perry, R. H.; Green, D. W.. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edição.
Assim, a maior perda de
trabalho ocorre na etapa
de estrangulamento. A
substituição desse
processo altamente
irreversível por uma turbina
resulta em um aumento
considerável na eficiência.
Metano seco é fornecido por um sistema
compressor/pré-resfriador ao resfriador
de um sistema Linde de metano líquido, a
180 bar e 300 K. O metano a baixa
pressão deixa o resfriador a uma
temperatura 6ºC abaixo da temperatura
da corrente a alta temperatura nele
alimentada. O separador opera a 1 bar, e
o produto é líquido saturado nessa
pressão. Qual é a fração máxima do
metano alimentado no resfriador que
pode ser liquefeita?
Problemas Resolvidos 
Exercício 9.15 (página 250) - Livro ‘Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química’, 7
edição. J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott.
*Dados utilizados: Perry, R. H.; Green, D. W.. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edição.
Balanço de Massa:
Balanço de Energia:
Fração mássica do metano:
Dados relativos aos estados:
SMITH, J. M.; NESS, H. C.; ABBOTT, M. M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 7ª edição. 
 Disponível em: http://docshare02.docshare.tips/files/26968/269689534.pdf. Acesso em: 17 de março de 2021.
PERRY, R. H.; GREEN, D. W.. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7ª edição. New York, McGraw-Hill Book Co.,
1997.
SHEN, Débora Mei. Estudo da viabilidade técnica de um ciclo de liquefação de gás natural de pequena escala.
2006. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São
Paulo, 2006. Disponível em: http://www.mecanica-poliusp.org.br/wp-
content/uploads/2012/08/TCC_005_2006.pdf. Acesso em: 18 mar. 2021.
Yılmaz, Ceyhun. (2019). THERMODYNAMIC PERFORMANCE ANALYSIS OF GAS LIQUEFACTION CYCLES FOR
CRYOGENIC APPLICATIONS. Journal of Thermal Engineering. 62-75. 10.18186/thermal.513038. 
CÔRTES, Tatiane Moraes. ANÁLISE DOS CONDICIONANTES PARA A INTRODUÇÃO DE PLANTAS A GNL NO SETOR
ELÉTRICO BRASILEIRO. Dissertação de Mestrado da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro,
2010.
AZAMBUJA, Caio Manfrão. Modelagem, simulação e análise de eficiência de uma planta de separação de ar.
2017. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre, 2017. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/handle/10183/165589. Acesso em: 18 mar. 2021.
1.
2.
3.
4.
5.
6.