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COMITÊ BRASILEIRO DE GASES COMBUSTÍVEIS Av.. Bri Av Briga gadei deiro ro Lu Luis is Ant Anton onio io,, 1343 1343 – 5º an anda darr – Ala B – Bela Vista – São Paulo – SP CEP: 01317-910 Telefone/fax: (11) 3177-6612 E-mail:
[email protected]
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ABNT NBR 15213
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1.PREFÁCIO A Associação Associação Brasileir Brasileiraa de Normas Normas Técnicas Técnicas (ABNT) (ABNT) é o Foro Nacional de Normalização. Normalização. As Normas Normas Brasileiras, Brasileiras, cujo cujo conteúdo é de responsabilidade dos Comitês Brasileiros (ABNT/CB), dos Organismos de Normalização Setorial (ABNT/ONS) e das Comissões de Estudo Especiais (ABNT/CEE), são elaboradas por Comissões de Estudo (CE), formadas por representantes dos setores envolvidos, delas fazendo parte: produtores, consumidores e neutros (universidade, laboratório e outros). A ABNT NBR 15213 foi elaborada no Comitê Brasileiro de Gases Combustíveis (ABNT/CB-09), pela Comissão de Estudo de Laboratório (CE 09:203.01). O seu Projeto de revisão circulou em Consultaa Nacional Consult Nacional conforme conforme Edital nº nº 01, de 18.01.2008 18.01.2008 a 17.03.2008 17.03.2008,, com o número de Projeto ABNT NBR 15213.
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2.RESUMO DO MÉTODO Esta Norma especifica um método para cálculo do poder calorífico, densidade absoluta, densidade relativa e índice de Wobbe do gás natural seco e outros combustíveis gasosos, a partir da composição molar do gás obtida por cromatografia gasosa (ASTM D 1945, ISO 6974 e ABNT NBR 14903).
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2.SIGNIFICADO E USO Esta norma permite o cálculo das propriedades de misturas gasosas em condições métricas usuais de referência. O cálculo requer valores das diversas propriedades físicas dos componentes puros. Estes valores são fornecidos nas tabelas B.1 a B.5. Os procedimentos para o cálculo destas propriedades nas bases mássica, molar ou volumétrica são aplicáveis a misturas gasosas combustíveis (ver nota 1). Para o cálculo dos valores das propriedades em base volumétrica, os procedimentos são restritos a gases combustíveis constituídos preponderantemente de metano, ou seja, com concentração superior ou igual a 50% mol/mol.
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2.SIGNIFICADO E USO NOTA 1: Não mais que 2% pode ser reportado como grupo de componentes, compon entes, tais tais como como butanos, pentanos e hexanos, ou seja, reportar reportar no mínimo 98% da amostra como componentes individuais. O anexo A desta Norma apresenta um procedimento para a estimativa de exatidão das propriedades calculadas, bem como seus símbolos e unidades. O anexo B apresenta as Tabelas das Constantes Físicoquím qu ímica icass pa para ra cada cada comp compone onente nte pur puroo em di dive vers rsas as cond condiçõ ições es de referência.
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2.SIGNIFICADO E USO O anexo C apresenta os valores das constantes auxiliares (ex: constante molar dos gases, propriedades do ar seco, entalpia de vaporização da água, etc.). O anexo D apresenta um exemplo de cálculo das propriedades fisico-químicas. Os anexos G, M e I apresentam, respectivamente, informações sobre o efeito do vapor d' água sobre o poder calorífico, os fatores de conversão aproximados entre estados de referência e a conversão de frações volumétricas para frações molares.
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3. TERMOS E DEFINIÇÕES i. Poder ca calorífico su superior (P (PCS): Quantidade de energia liberada na forma de calor, na combustão completa de uma quantidadee definida quantidad definida de gás com o ar, à pressão constant constantee e com todoss os produt todo produtos os de com combust bustão ão retorn retornando ando à tem tempera peratura tura e pressão iniciais dos reagentes, onde toda a água formada pela reação encontra-se na forma líquida. ii.. Pode ii Poderr cal calor oríf ífic icoo inf infer erio iorr (PC (PCI) I):: Quantidade de energia liberada na forma de calor, na combustão completa de uma quantidade definida defi nida de de gás com com o ar, ar, à pre pressão ssão const constant antee e com todos todos os produtos prod utos de combu combustão stão reto retornan rnando do à tem tempera peratura tura e press pressão ão iniciais dos reagentes, onde toda a água formada pela reação encontra-se na forma gasosa.
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3. TERMOS E DEFINIÇÕES iii. Densidade absoluta: Quantidade de massa por unidade de volume do gás a uma dada pressão e temperatura. iv.. Dens iv Densid idad adee rel elat ativ iva: a: Relação entre a densidade absoluta de um gás e a densidade absoluta do ar seco com composição padronizada, nas mesmas condições de temperatura e pressão v. Índice de Wobbe: Quociente entre o poder calorífico superior e a raiz quadrada da densidade relativa sob as mesmas condições de temperatura e pressão.
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3. TERMOS E DEFINIÇÕES vi. Gás ideal: Gás idea ideall é aque aquele le que que obede obedece ce à lei dos gase gasess ideais ideais de acordo com a equação 1. p ⋅ M = ρ ⋅ R ⋅ T (K )
Eq. 01
vii. vi i. Gá Gáss re real al:: Gá Gáss rea reall é aq aque uele le qu quee não não ob obed edec ecee à le leii dos dos ga gase sess ideais. Para gases reais, a equação 1 deve ser reescrita de acordo com a equação 2. p ⋅ V m
(K )
= Z (T , p ) ⋅ R ⋅ T
Eq. 02
viii.Fator de compressibilidade: Volume real de uma dada massa de gás, a uma dada temperatura e pressão, dividida pelo seu volume, nas mesmas condições, calculado a partir da equação do gás ideal.
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO i. Fator de de co compressibilidade:
= 1 − ∑ (x j ⋅ j 1 N
Z (T , p )
=
b j
Ex:
b j )
2
é o fator de adição adição do componen componente te j (ver (ver tabela tabela B.2) Z ( 20°C ,1atm ) = 1 − [(0,90 × 0,0436 ) + (0,10 × 0,0894)] Z ( 20°C ,1atm ) = 1 − 0,03924 + 0,00894 Z ( 20°C ,1atm ) = 0,9697
2
= 90% = 10%
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO ii.. Pod ii Poder er calo calorí rífi fico co (i (ide deal/ al/re real) al) em bas basee mola molarr (kJ (kJ.m .mol ol-1): N
PC = ∑ (x j ⋅ PC j ) j =1
Ex: PCinferior (20°C, 1atm) = (0 ,90
×
802 ,65 + 0 ,10 ×1.428 ,74)
PCinferior (20°C, 1atm) = 722 ,385 + 142,874 = 865,256 = 90 % mol/mol
PCsuperior (20°C, 1atm) = (0 ,90
×
891 ,09 + 0 ,10 ×1.561,41)
PCsuperior (20°C, 1atm) = 801,981 + 156,141 = 958,122
= 10 % mol/mol
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO iii. Pode Poderr calorí calorífico fico (ide (ideal/ al/rea real) l) em base más mássica sica (MJ (MJ.kg .kg-1): M j ^ PC = ∑ x j ⋅ ⋅ PC j M j 1 ^
N
=
Ex: M = (0,90 ×16,043 + 0,10 × 30,070) = 17,4457
16,043 30,070 ⋅ 50,032 + 0,10 ⋅ ⋅ 47,51 = 49,597 17,4457 17,4457 ^ 16,043 30,070 PC = 0,90 ⋅ ⋅ 55,545 + 0,10 ⋅ ⋅ 51,93 = 54,922 17,4457 17,4457 ^
PC
=
0,90 ⋅
= 90 % mol/mol
= 10 % mol/mol
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO iv. Pode Poderr calor calorífi ífico co (ide (ideal) al) em base volu volumét métric ricaa (MJ. (MJ.m m-3): ~ PC i [T 1 ( K ),V (T 2 ( K ),p 2 ) ] = PC i[T 1 ( K )] ⋅
p 2 R ⋅ T 2 (K )
Ex: 101 ,325 PC i,inferior (20 C, 101,325 kPa) = 865 ,256 × = 35 ,970 8 ,314510 × 293 ,15 ~ 101 ,325 PC i,superior (20 C, 101,325 kPa) = 958 ,122 × = 39 ,830 8 ,314510 × 293 ,15 ~
°
°
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO iv. Poder Poder calorí calorífic ficoo (idea (ideal) l) em em base volu volumét métric ricaa (métod (métodoo alternativo) (MJ.m-3): ~ PC i [T 1( K ),V (T 2 , p 2 ) ] =
~
N
∑1 x
j
⋅
PC j [T 1( K ) ,V (T 2 , p 2 ) ]
j =
Ex: ~
PCi,inferior (20°C, 1atm)
=
(0,9 × 33,367 + 0,1× 59,39) = 35,969
=
(0,9 × 37,044 + 0,1× 64,91) = 39,831
~
PCi,superior (20° C, 1atm)
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO v. Po Pode derr calo calorí rífi fico co (re (real al)) em em bas basee volu volum mét étri rica ca (MJ (MJ.m .m-3): ~
~ PC i [T1(K),V (T2(K), p2 )] PC [T 1(K ), V (T 2 (K ), p 2 )] = Z (T, p )
Ex: 35,969 = 37,093 0,9697 ~ 39,831 PCsuperior (20 C, 1atm) = = 41,076 0,9697 ~
PCinferior (20°C, 1atm) = °
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO vi.. De vi Dens nsid idad adee rel relat ativ ivaa do gá gáss idea ideall : = ∑ x j j 1 N
d i
=
⋅ M ar M j
Ex: = 90 % mol/mol
16,043 30,070 d i = 0,90 × + 0,10 × = 0,602 28,9626 28,9626
= 10 % mol/mol
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO vii. Dens Densidad idadee relat relativa iva do do gás real : Z ar ( T,p) d (T,p ) = d i × Z mis( T,p)
Ex: 0,99963 d (20 C ,1atm ) = 0,602 × = 0,621 0,9697 °
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO viii.Densidade absoluta do gás ideal (kg.m-3): ρ i (T , p )
p N = R ⋅ T (K ) ∑ ( X j ⋅ M j ) j 1 =
Ex:
101,325 × (17,4457 ) 8,314510 ⋅ 293,15 ρ i ( 20 C ,101, 325 kPa ) = 0,725 ρ i ( 20°C ,101, 325 kPa ) = °
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO ix. De Densi nsidad dadee ab absol solut utaa do do gá gáss rea reall (kg (kg.m .m-3):
(T , p ) =
ρ
ρ i(T, p )
Z mis (T , p )
Ex:
0,725 = 0,748 (20°C ,1atm ) 0,9697
ρ
=
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO x. Índice de Wobbe do gás ideal (MJ.m-3): ~
W i [T 1 ( K ),V (T 2 ( K ), p2 )]
=
PCs i [T 1 ( K ),V (T 2 ( K ), p2 )] d i
Ex: W i [20°C ,V (20°C ,1atm )]
=
39,830 0,602
=
51,335
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4. PROCEDIMENTO DE DE CÁ CÁLCULO xi.. Ín xi Índi dice ce de Wob obbe be do gá gáss re real al (M (MJ. J.m m-3): ~
W [T 1 ( K ),V (T 2 ( K ), p2 )]
=
PCs [T 1 ( K ),V (T 2 ( K ), p2 )] d (T 2 , p2 )
Ex: W [20°C ,V ( 20°C ,1atm )]
=
41,076 = 52,125 0,621
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5. EXATIDÃO i. Precisão: A precisão de uma propriedade física calculada representa os erros aleatórios nos procedimentos analíticos e pode po de se serr ex expr pres essa sa em te term rmos os de re repe peti titi tivi vida dade de e/ e/ou ou reprodutibilidade. a. Repetitividade – Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando, efetuadas nas mesmas condições de medição. b. Reprodutibilidade – Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas de um mesmo mensurando, efetuadas sob condições variadas de medição.
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5. EXATIDÃO ii. Metodologia de de cá cálculo: a. Su Subs bsti titu tuiç ição ão di dire reta ta da dass pro propr prie ieda dade dess fí físi sica cass ∆Y =
1 2 N 2 ∑ (Y i − A ) 2 2 i=1 N −1
b. Derivação da das eq equações ∆PC i,mis
N = ∑ j 2 =
[ x
(
∆ j × PC i, j − PC CH 4
1 2
)]2
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5. EXATIDÃO ii. Metodologia de de cá cálculo: b. Derivação da das eq equações PC i ,mis
N * = ∑ ∆x × (PC i , j j 2 j
[
=
∆d =
∆ ρ =
∆M
M ar
∆M × p
R × T (K)
− PC mis
2
]
)
1 2
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5. EXATIDÃO ii. Metodologia de de cá cálculo: b. Derivação da das eq equações ∆M =
N ∑ ∆x j j=2
×
N ∑ ∆x j j=2
1 2 2
(M j − M CH4 )
1 ~ 2 2 ∆PC ∆d 2 ∆W = W × + ~ 2d PC
∆M =
×
(M j − M )
1 2 2
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5. EXATIDÃO iii.i. Ex ii Expr pres essã sãoo dos dos res resul ulta tado dos: s:
Número de algarismos Poder calorífico em base molar 0,01 kJ.mol-1 Poder calorífico em base mássica 0,01 MJ.kg-1 Poder calorífico em base volumétrica 0,01 MJ.m-3 Densidade relativa 0,000 1 Densidade 0,000 1 kg.m-3 Índice Wobbe 0,0 1 MJ.m-3 Propriedade
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6.ANEXOS Anexo A (normativo) Anexo B (normativo) Anexo C (normativo) Anexo D (informativo) Anexo E (informativo) Anexo F (informativo) Anexo G (informativo) Anexo H (informativo)
Símbolos e unidades Tabelas das constantes físico-químicas Valores das constantes auxiliares Análise de gás natural e exemplo de cálculo Derivação vação das equações equações relacionad relacionadas as à prec precisão isão Deri Sistemas de unidades Efeitos do vapor d'água sobre o poder calorífico Fatores de conversão aproximados entre estados de referência Anexo I (informativo) Conversão de frações volumétricas para frações molares
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6. ANEXOS i. Anexo A: Símbolos e unidades ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
Massa molar para os componentes dos gases combustíveis Componente Metano Etano
M (kg.kmol-1) 16,043 30,070
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6. ANEXOS ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
Fatores de compressibilidade e de adição para componentes dos gases combustíveis sob diversas condições de medição de referência
Componente Metano Etano
0°C, 101,325 kPa 15°C, 101,325 kPa 20°C, 101,325 kPa b b b Z Z Z 0,9976 0,9900
0,049 0 0,100 0
0,998 0 0,991 5
0,044 7 0,092 2
0,998 1 0,992 0
0,043 6 0,089 4
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6. ANEXOS ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
Componente Metano Etano
Valores de poder calorífico para componentes dos gases combustíveis a diferentes condições de referência de combustão para gás ideal em base molar Poder calorífico ideal em base molar (kJ.mol-1)
PC 25°C 20°C Superior Inferior Superior Inferior 890,63
802,60
891,09
1.560,69 1.428,64
1.561,41
15°C
0°C
Superior Inferior Superior Inferior 802,65 891,56 802,69 892,97 802,82
1.428,74
1.562,14 1.428,84
1.564,34 1.429,12
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6. ANEXOS ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
Valores do poder calorífico para componentes dos gases combustíveis sob diferentes condições de referência de combustão para gás ideal em base mássica Poder calorífico ideal em base mássica
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Componente
Metano Etano
PC (kJ.kg-1)
25°C 20°C 15°C 0°C Superior Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior Inferior 55,516 50,029 55,545 50,032 55,574 50,035 55,662 50,043 51,90 47,51 51,93 47,51 51,95 47,52 52,02 47,53
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6. ANEXOS ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
Valores do poder calorífico para componentes dos gases combustíveis sob diferentes condições de referência de combustão e de medição para gás ideal em base volumétrica Poder calorífico ideal em base volumétrica ~ PC (MJ.m-3)
Componente
Metano Etano
15 15/15 /15°° C
0/0° 0/0° C
15/0 15/0°° C
25/0 25/0°° C
20 20/20 /20°° C
25 25/20 /20°° C
Superior
Inferior
Superior
Inferior
Superior
Inferior
Superior
Inferior
Superior
Inferior
Superior
Inferior
37,706
33,948
39,840
35,818
39,777
35,812
39,735
35,808
37,044
33,367
37,024
33,365
66,07
60,43
69,79
63,76
69,69
63,75
69,63
63,74
64,91
59,39
64,88
59,39
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6. ANEXOS iii. Anexo C: Valores das constantes auxiliares
Constante molar dos gases R = (8,314 510 x 103 + 0,0 0,000 00 070 070)) J.kmo J.kmoll -1.K -1
Constantes críticas e fatores acêntricos
Propriedades do ar seco M ar = 28,9626 kg.kmol-1 Z ar(273,15 K, 101,325 kPa) = 0,99941 Z ar(288,15 K, 101,325 kPa) = 0,99958 Z ar(293,15 K, 101,325 kPa) = 0,99963 ρ ar(273,15 ρ ar(288,15
K, 101,325kPa) = 1,292923 kg.m-3 K, 101,325kPa) = 1,225410 kg.m-3 ρ ar(293,15 K, 101,325kPa) = 1,204449 kg.m-3
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6. ANEXOS iii. Anexo C: Valores das constantes auxiliares
Entalpia de vaporização da água Li (273,15 K) = 45,074 kJ.mol-1 Li (288,15 K) = 44,433 kJ.mol-1 Li (293,15 K) = 44,224 kJ.mol-1 Li (298,15 K) = 44,016 kJ.mol–1
iv. Anexo D: Análise de gás natural e exemplo de cálculo
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6. ANEXOS v. Anexo E: Deriva Derivação ção das equações relac relacionadas ionadas à precisão vi. Anexo F: Sistemas de unidades Energia 1cal ( termoquímica ) = 4,184 J 1cal ( tabela internacional) = 4,1868 J 1cal (15°C ) ≈ 4,1855(5) J 1 Btu ( termoquímica ) = 1,054350kJ 1 Btu ( tabela internacional) = 1,05505585262kJ ≈ 1,055056kJ 1kJ = 3,6 ×103 kWh
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6. ANEXOS vi. Anexo F: Sistemas de unidades
Temperatura T ( K ) = 273,15 + T (°C ) T (°C ) =
Volume 1m 3 1 ft 3
= =
T (° F ) − 32
9
×
5
35 ,31467 ft 3
0 ,02831685 m 3
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6. ANEXOS vi. Anexo F: Sistemas de unidades
Pressão
1atm = 1,0332 ×103 kgf cm2 =14,6959 psi = 101,325kPa 1 kgf cm 2 = 9,6784 ×10 1 atm = 14,22 psi −
1 psi = 6,80 ×10 2 atm = 7,03 ×10 2 kgf cm 2 −
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6. ANEXOS vii. Anex exoo G: G: Efeitos do vapor d'água sobre o poder calorífico
Efeito do volume excluído
Efeito do calor latente (entálpico)
Efeito do fator de compressibilidade
viii.Anexo H: Fatores de conversão aproximados entre estados de referência ix. Anexo I: Conversão de frações volumétricas para frações molares
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AGRADECIMENTOS Alexandre
Caldeira – ANP Antonio DiGiorgio – White Martins Chaga s – CTGÁS-ER Bruna Maria E. das Chagas Elba dos Santos Oliveira – INT Fátima Dutra Faria – Petrobras Francisco Carneiro – COMGÁS ilberrto Al Alvin – COMGÁS MGÁS Gilbe Heliomar Resende Ferreira – CEG/Gás Natural Mário Veiga Longa Junior – TBG Suei eilh lhaa F. A. A. de Paul Paulaa – CTGÁ CTGÁSS-ER ER Su lneei Smarçaro – INME NMETRO Valn Vera Rezende – INT
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