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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
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,
Etano 8,03 6,064 5,
Propano 0,78 3,073 0,
Iso-Butano 0,04 0,443 0,
N-Butano 0,03 0,704 0,
Pentano 0,01 0,273 0,
Hexano e superiores - 0,080 -
Dióxido de carbono 0,48 0,157 0,
Nitrogênio 1,28 0,683 1,
Densidade
A densidade de um gás combustível é uma característica importante sob o ponto de vista da segurança, além de participar de muitos cálculos como dimensionamento de tubulações, vazões e fatores de correção.
Os gases com densidades superiores à do ar atmosférico, no caso de vazamento ou drenagem, apresentam a tendência de se acumularem temporariamente em partes baixas, como subsolos e rebaixos no piso ou nas edificações, infiltrando-se ainda em aberturas como bocas de lobo, valetas, poços e galerias subterrâneas.
Já os gases mais leves que o ar, ao serem liberados na atmosfera, tendem a subir e se acumular temporariamente em partes elevadas como abóbadas e ou se infiltrarem em aberturas superiores nas edificações.
O acúmulo de gases combustíveis em ambientes confinados ou mal ventilados pode causar um acidente desde que ocorra uma condição de ignição.
TABELA 3. Densidades dos Gases Combustíveis
GÁS Densidade Absoluta Densidade Relativa
(kg/Nm³) ao ar (adimensional)
Ar 1,29 1,
Hidrogênio 0,09 0,
Metano 0,72 0,
Etano 1,35 1,
Eteno (ou etileno) 1,26 0,
Gás natural de Campos 0,79 0,
Gás natural de Santos 0,83 0,
Gás natural da Bolívia 0,78 0,
Propano 2,01 1,
Propeno (ou propileno) 1,91 1,
n-Butano 2,69 2,
iso-Butano 2,68 2,
Buteno-1 2,58 2,
GLP (médio) 2,35 1,
Acetileno 1,17 0,
Monóxido de carbono 1,25 0,
Número de Wobbe
O Número de Wobbe, também chamado de Índice de Wobbe, representa o calor fornecido pela queima de gases combustíveis através de um orifício submetido a pressões constantes, a montante e a jusante desse orifício. A pressão do gás a montante do orifício é aquela fornecida ao queimador e a pressão a jusante é a da câmara de combustão, normalmente a pressão atmosférica ou valores próximos dela, positivos ou negativos.
Os Números (ou Índices) de Wobbe são definidos como:
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.
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,
Etano 3,0 12,4 3,0 66,
Eteno (etileno) 2,7 36,0 2,9 80,
Propano 2,8 9,5 2,3 45,
Propeno (propileno)
Butano 1,8 8,4 1,8 40,
Monóxido de carbono 12,0^ 75,0^ -^ -
Hidrogênio 4,0 75,0 4,0 94,
Acetileno 2,2 80 / 85(*) 2,8 93,
(*)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,
Propano 0,45 / 0,5 3,3 / 3,
Butano 0,35 3,
Acetileno 1,46 7,
Hidrogênio 2,66 14,
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
o hidrogênio). Também podemos constatar que as velocidades de chama aumentam significativamente na queima com oxigênio puro. A velocidade de chama é uma característica muito importante para o projeto dos bocais dos queimadores. Enquanto as velocidades de saída das misturas ar-gás ou oxigênio-gás nos bocais tendem a expulsar a chama para fora do queimador, a velocidade da chama se desloca no sentido contrário, dirigindo-se ao bocal do queimador. Enquanto houver equilíbrio entre estas velocidades, a chama se manterá estável, definindo assim a faixa de potências de cada queimador. O projeto dos bocais dos queimadores inclui dispositivos para manter a chama estável em uma ampla faixa de potências e respectivas velocidades de saída das misturas ar-gás e oxigênio- gás.
Combustão A queima dos gases combustíveis pode ser feita com ar atmosférico ou com oxigênio puro. A constituição aproximada do ar atmosférico é a seguinte:
1. Em volume , 20,8% O 2 e 79,2% N (^2) 2. Em massa , 23% O 2 e 77% N (^2) As principais reações da combustão estequiométrica são as seguintes:
TABELA 9. Combustão Estequiométrica dos Gases com Ar Atmosférico
GÁS Ar de combustão Produtos da Combustão
(Nm³ ar / Nm³ gás) (Nm³ p.c. / Nm³ gás)
Monóxido de carbono 2,40 2,
Metano 9,62 10,
Acetileno 12,02 12,
Eteno (etileno) 14,42 15,
Etano 16,83 18,
Propeno (propileno) 21,36 23,
Propano 24,04 26,
Buteno 28,85 30,
Butano 31,25 33,
Hidrogênio 2,40 2,
vantagem é a redução do consumo de energia obtida com o uso de um gás combustível, sem tubos radiantes nem muflas.
2. Conformação das mais diversas formas de chama, adequando-as com precisão aos processos e aumentando a eficiência da transmissão de calor. 3. Facilidade de ignição, mesmo com a câmara de combustão fria. 4. Possibilitar regulagens finas nas temperaturas de processos. 5. Reduzir o custo de manutenção das tubulações de distribuição e seus acessórios, do sistema de controle de potência, bloqueio de segurança, medição, dos queimadores e da instrumentação. 6. Dispensar os sistemas de aquecimento e bombeio de óleos combustíveis pesados. 7. Praticar baixo nível de excesso de ar de combustão, otimizando o uso da energia e reduzindo a formação de óxidos de nitrogênio (NOx). 8. Não contaminar o meio ambiente e prejudicar o desempenho e a vida útil dos equipamentos com fuligem, óxidos de enxofre, vanádio, sódio, aldeídos, chumbo etc., como ocorre com combustíveis líquidos. 9. Gerar menos gás carbônico por caloria queimada, contribuindo de uma forma menos acentuada para o efeito estufa.
