Fundamentos Sobre Gases Combustíveis - PARTE 1

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	91,800
Etano	8,03	6,064	5,580
Propano	0,78	3,073	0,970
Iso-Butano	0,04	0,443	0,030
N-Butano	0,03	0,704	0,020
Pentano	0,01	0,273	0,100
Hexano e superiores	-	0,080	-
Dióxido de carbono	0,48	0,157	0,800
Nitrogênio	1,28	0,683	1,420

Poder Calorífico

O poder calorífico é a característica que mais desperta a atenção em um gás combustível, podendo ser expresso tomando-se por base uma massa unitária (kg) ou um volume unitário (m³). No caso da base ser volumétrica, é necessário referir-se às condições de temperatura e de pressão: Nm³, normal metro cúbico, a 760 mm Hg (1 atm abs) e 0ºC; Sm³ ou m³, metro cúbico standard, a 760 mm Hg e 15,6ºC (existem também referências a temperaturas de 20ºC, 21,1ºC ou 25ºC). No Brasil costuma-se exprimir o poder calorífico de um gás em kcal/Nm³, kcal/m³ ou kcal/kg, muito embora o correto fosse usar unidades do sistema internacional (kJ/Nm³).

O poder calorífico superior (PCS) de um gás combustível é o calor total obtido da queima de uma determinada quantidade unitária do gás com a correspondente quantidade de ar estequiométrico, ambos a 15,6ºC (60ºF) antes da queima, calor esse liberado até que os produtos da combustão sejam resfriados a 15,6ºC. Assim, a água gerada pela queima do hidrogênio presente no combustível estará no estado líquido.

O poder calorífico inferior (PCI) de um gás combustível é obtido pelo seguinte cálculo: poder calorífico superior menos o calor latente de vaporização da água formada pela combustão do hidrogênio presente no combustível.

Portanto, um gás combustível que não possua hidrogênio em sua composição, apresenta o mesmo valor para o PCS e o PCI, como por exemplo o monóxido de carbono (ver Tabela 2).

 

TABELA 2. Poderes Caloríficos dos Gases Combustíveis

GÁS

kcal/Nm³

kcal/kg

	PCS	PCI	PCS	PCI
Hidrogênio	3050	2570	33889	28555
Metano	9530	8570	13284	11946
Etano	16700	15300	12400	11350
Eteno ou etileno	15100	14200	12020	11270
Gás natural de Campos	10060	9090	16206	14642
Gás natural de Santos	10687	9672	15955	14440
Gás natural da Bolívia	9958	8993	16494	14896
Propano	24200	22250	12030	11080
Propeno ou propileno	22400	20900	11700	10940
n-Butano	31900	29400	11830	10930
iso-Butano	31700	29200	11810	10900
Buteno-1	29900	27900	11580	10830
iso-Pentano (líquido)	-	-	11600	10730
GLP (médio)	28000	25775	11920	10997
Acetileno	13980	13490	11932	11514
Monóxido de carbono	3014	3014	2411	2411

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	1,00
Hidrogênio	0,09	0,07
Metano	0,72	0,56
Etano	1,35	1,05
Eteno (ou etileno)	1,26	0,98
Gás natural de Campos	0,79	0,61
Gás natural de Santos	0,83	0,64
Gás natural da Bolívia	0,78	0,60
Propano	2,01	1,56
Propeno (ou propileno)	1,91	1,48
n-Butano	2,69	2,09
iso-Butano	2,68	2,08
Buteno-1	2,58	2,00
GLP (médio)	2,35	1,82
Acetileno	1,17	0,91
Monóxido de carbono	1,25	0,97

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.

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.

A Tabela 5 fornece a temperatura adiabática de chama de alguns gases combustíveis, assumindo a hipótese de que o combustível e o comburente estejam na temperatura ambiente de 20ºC.