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O gás natural é, como o próprio nome indica uma substância em estado gasoso nas condições ambiente de temperatura e pressão. Por seu estado gasoso e suas características físico– químicas naturais, qualquer processamento desta substância, seja compressão, expansão, ev ap or ão, variação de temp er atura, liquef ão ou tr ansp or te ex igir á um tratamento termodinâmico como qualquer outro gás. Apresentamos a seguir as características do gás natural que permitem a compreensão sob o enfoque da sua condição de substância no estado gasoso. 1.Composição do Gás A compo si çã o do gás natural bruto é fu ão de uma séri e de fatores na tu rais que determinaram o seu processo de formação e as condições de acumulação do seu reservatório de origem. O gás natural é encontrado em reservatórios subterrâneos em muitos lugares do planeta, tanto em terra quanto no mar, tal qual o petróleo, sendo considerável o número de reservatórios que contém gás natural associado ao petróleo. Nestes casos, o gás recebe a designação de gás natural associado. Quando o reservatório contém pouca ou nenhuma quantidade de petróleo o gás natural é dito não associado. 1.1.Composição do Gás Natural Bruto Os processos naturais de formação dos gás natural são a degradação da matéria orgânica por bactérias anaeróbias, a degradação da matéria orgânica e do carvão por temperatura e pressão elevadas ou da alteração térmica dos hidrocarbonetos líquidos. A matéria orgânica fóssil é também chamada de querogêneo e pode ser de dois tipos: querogêneo seco, quando proveniente de matéria vegetal e querogêneo gorduroso, quando proveniente de algas e matéria animal. No processo natural de formação do planeta ao longo dos milhões de anos a transformação da matéria orgânica vegetal, celulose e lignina, produziu o querogêneo seco que ao alcançar maiores profundidades na cr osta terrestre sofr eu um pr oc esso gr ad ual de co zi ment o, transformando-se em linhito, carvão negro, antracito, xisto carbonífero e metano e dando origem às gigantescas reservas de carvão do planeta. A transformação da matéria orgânica animal ou querogêneo gorduroso não sofreu o processo de cozimento e deu origem ao petróleo. Nos últimos estágios de degradação do querogêneo gorduroso, o petróleo apresenta-se como condensado volátil associado a hidrocarbonetos gasosos com predominância do metano. Por esta razão é muito comum encontrar-se reservas de petróleo e gás natural associados. Assim, o gás natural como encontrado na natureza é uma mistura variada de hidrocarbonetos gasosos cujo componente preponderante é sempre o Metano. O gás natural não associado apresent a os maiores teor es de Me tano, enquanto o gás natural associado aprese nta proporções mais significativas de Etano, Propano, Butano e hidrocarbonetos mais pesados. Al ém dos hidroc ar bonetos fa zem pa rte da co mp os ão do s na tu ral bruto ou tr os componentes, tais como o Dióxido de Carbono (CO 2 ), o Nitrogênio (N 2 ), Hidrogênio Sulfurado (H2S), Água (H2O), Ácido Clorídrico (HCl), Metanol e impurezas mecânicas. A presença e proporção destes elementos depende fundamentalmente da localização do reservatório, se em terra ou no mar, sua condição de associado ou não, do tipo de matéria orgânica ou mistura do

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O gás natural é, como o próprio nome indica uma substância em estado gasoso nas condiçõesambiente de temperatura e pressão. Por seu estado gasoso e suas características físico–químicas naturais, qualquer processamento desta substância, seja compressão, expansão,evaporação, variação de temperatura, liquefação ou transporte exigirá um tratamentotermodinâmico como qualquer outro gás.

Apresentamos a seguir as características do gás natural que permitem a compreensão sob

o enfoque da sua condição de substância no estado gasoso.

1.Composição do Gás

A composição do gás natural bruto é função de uma série de fatores naturais quedeterminaram o seu processo de formação e as condições de acumulação do seu reservatóriode origem.

O gás natural é encontrado em reservatórios subterrâneos em muitos lugares do planeta, tantoem terra quanto no mar, tal qual o petróleo, sendo considerável o número de reservatórios quecontém gás natural associado ao petróleo. Nestes casos, o gás recebe a designação de gás

natural associado. Quando o reservatório contém pouca ou nenhuma quantidade de petróleo ogás natural é dito não associado.

1.1.Composição do Gás Natural Bruto

Os processos naturais de formação dos gás natural são a degradação da matéria orgânica por bactérias anaeróbias, a degradação da matéria orgânica e do carvão por temperatura epressão elevadas ou da alteração térmica dos hidrocarbonetos líquidos.

A matéria orgânica fóssil é também chamada de querogêneo e pode ser de dois tipos:

querogêneo seco, quando proveniente de matéria vegetal e querogêneo gorduroso, quandoproveniente de algas e matéria animal.

No processo natural de formação do planeta ao longo dos milhões de anos a transformação damatéria orgânica vegetal, celulose e lignina, produziu o querogêneo seco que ao alcançar maiores profundidades na crosta terrestre sofreu um processo gradual de cozimento,transformando-se em linhito, carvão negro, antracito, xisto carbonífero e metano e dandoorigem às gigantescas reservas de carvão do planeta.

A transformação da matéria orgânica animal ou querogêneo gorduroso não sofreu o processode cozimento e deu origem ao petróleo. Nos últimos estágios de degradação do querogêneo

gorduroso, o petróleo apresenta-se como condensado volátil associado a hidrocarbonetosgasosos com predominância do metano. Por esta razão é muito comum encontrar-se reservasde petróleo e gás natural associados.

Assim, o gás natural como encontrado na natureza é uma mistura variada de hidrocarbonetosgasosos cujo componente preponderante é sempre o Metano. O gás natural não associadoapresenta os maiores teores de Metano, enquanto o gás natural associado apresentaproporções mais significativas de Etano, Propano, Butano e hidrocarbonetos mais pesados.

Além dos hidrocarbonetos fazem parte da composição do gás natural bruto outroscomponentes, tais como o Dióxido de Carbono (CO2), o Nitrogênio (N2), Hidrogênio Sulfurado

(H2S), Água (H2O), Ácido Clorídrico (HCl), Metanol e impurezas mecânicas. A presença eproporção destes elementos depende fundamentalmente da localização do reservatório, se emterra ou no mar, sua condição de associado ou não, do tipo de matéria orgânica ou mistura do

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qual se origino, da geologia do solo e do tipo de rocha onde se encontra o reservatório, etc.

Para exemplificar a diversidade e a variabilidade da composição do Gás Natural Bruto, bemcomo a predominância do gás Metano, apresentamos a seguir a Tabela 1 – Composição doGás Natural Bruto em Alguns Países.

Tabela 1 – Composição do Gás Natural Bruto em Alguns Países

1.2 Composição do Gás Natural Comercial

A composição comercial do gás natural é variada e depende da composição do gás naturalbruto, do mercado atendido, do uso final e do produto gás que se deseja. Apesar destavariabilidade da composição, são parâmetros fundamentais que determinam a especificaçãocomercial do gás natural o seu teor de enxofre total, o teor de gás sulfídrico, o teor de gáscarbônico, o teor de gases inertes, o ponto de orvalho da água, o ponto de orvalho doshidrocarbonetos e o poder calorífico.

Apresentamos à seguir as normas para a especificação do Gás Natural a ser comercializadono Brasil, de origem interna e externa, igualmente aplicáveis às fases de produção, de

transporte e de distribuição desse produto, determinadas pela Agência Nacional do Petróleo –ANP na Portaria N.º 41, de 15 de Abril de 1998. O Gás Natural deverá atender à especificaçõesapresentadas na Tabela 2.

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Tabela 2 – Especificação para o Gás Natural Comercializado no Brasil

Obs.: (1) - Limites especificados são valores referidos a 20ºC a 101,33 kPa (1 atm), exceto

onde indicado.(2) - Para as Regiões Norte e Nordeste, admite-se o valor de 3,5.(3) - Para as Regiões Norte e Nordeste, admite-se o valor de 6,0.(4) - Para as Regiões Norte e Nordeste, admite-se o valor de - 39.

Fonte: Agência Nacional do Petróleo – ANP, Regulamento Técnico ANP N.º 001/98

 Além de obedecer aos índices da Tabela 2, o produto deve estar sempre livre de poeira, águacondensada, odores objetáveis, gomas, elementos formadores de goma, glicóis,hidrocarbonetos condensáveis, compostos aromáticos, metanol ou outros elementos sólidos oulíquidos que possam interferir com a operação dos sistemas de transporte e distribuição e àutilização pelos consumidores.

O gás natural pode ser transportado sem odorização, exceto quando requerido por normas desegurança aplicáveis, porém, é obrigatória a presença de odorante na distribuição.

A determinação das características do produto far-se-á mediante o emprego de normas daAmerican Society for Testing and Materials (ASTM) e da International Organization for Standardization (ISO), segundo os Métodos de Ensaio listados à seguir:

ASTM D 1945 - Standard Test Method for Analysis of Natural Gas by GasChromatography;• ASTM D 3588 Calculating Heat Value, Compressibility Factor, and Relative Density

(Specific Gravity) of Gaseous Fuels;

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• ASTM D 5454 - Standard Test Method Water Vapor Content of Gaseous Fuels UsingElectronic Moisture Analyzers;

• ASTM D 5504 - Standard Test Method for Determination of Sulfur Compounds in NaturalGas and Gaseous Fuels by Gas Chromatography and Chemiluminescence;

• ISO 6326 - Natural Gas - Determination of Sulfur Compounds, Parts 1 to 5;• ISO 6974 - Natural Gas - Determination of Hydrogen, Inert Gases and Hydrocarbons up

to C8 - Gas Chromatography Method;

Para adquirir as características comerciais desejadas o gás natural bruto passa por tratamentoem uma Unidade de Processamento de Gás Natural – UPGN, que efetua a retirada deimpurezas e a separação dos hidrocarbonetos pesados.

Como podemos ver na Tabela 3 – Produtos Comercializáveis, que apresenta os principaisprodutos derivados dos hidrocarbonetos e sua classificação geral, os hidrocarbonetos maispesados originam produtos de alto valor comercial. Sendo assim, o gás natural comercializadoé composto basicamente por Metano e as quantidades de Etano e Propano presentes sãoapenas suficientes para elevar o poder calorífico e alcançar o valor desejado, uma vez que opoder calorifico do Etano 1,8 vezes maior que o do Metano e o do Propano é mais de 2,6 vezes

superior ao do Metano, como poderá ser visto na Tabela 4 – Constante Físicas dosHidrocarbonetos no item 1.3 Características do Gás Natural abaixo.

Tabela 3 – Produtos Comercializáveis

Fonte: GAS ENGINEERS HANDBOOK1.3.Características do Gás Natural

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quais a mistura não irá inflamar-se e permanecer em combustão. O limite inferior representa amenor proporção de gás em mistura com o ar que irá queimar sem a aplicação continua decalor de uma fonte externa. Em proporções menores ao limite inferior a combustão cessaquando interrompida a aplicação de calor. O limite superior é a proporção de gás na mistura apartir da qual o gás age como diluente e a combustão não pode se auto-propagar. Para o GásNatural, os limites de inflamabilidade inferior e superior são, respectivamente, 5% e 15% do

volume;2.Equação de Estado do Gás

O comportamento das variáveis pressão, temperatura e volume dos gases reais é bastantedifícil de descrever e para modela-lo utiliza-se a Lei do Gás Perfeito ou Ideal. A partir deobservações experimentais foi estabelecido que o comportamento das variáveis pressão,temperatura e volume dos gases à baixa densidade pode ser representado com bastanteprecisão pela seguinte equação de estado, chamada “Equação de Estado dos Gases Ideais”:

Onde:P = Pressão [Pa = N/m2];V = Volume [m3];n = N.º de Moles;R (Constante Universal dos Gases Ideais) = 8,3144 N m / (mol K);T = Temperatura Absoluta [K];

O peso molecular do Metano (CH4) é 16,04, o que significa dizer que cada mol de CH4 pesa16,04 gramas. Assim, conhecida massa de gás, pode-se calcular o número de moles.Em densidades muito baixas, todos os gases e vapores reagem de maneira bastante próxima àrelação P-V-T da equação de estado dos gases ideais.Como a densidade é uma função da pressão e da temperatura, verifica-se que em pressõesmuito baixas e temperaturas superiores tal comportamento se verifica.Em pressões maiores, o comportamento dos gases pode desviar-se substancialmente daequação de estado dos gases ideais. Para corrigir-se este desvio introduz-se, então, um fator de correção variável chamado Fator de Compressibilidade (z), e equação de estado dos gasesreais:

Tal fator pode ser uma função gráfica ou matemática de temperatura, pressão e composição dogás.Para um gás perfeito, z = 1; para o gás natural pode-se considerar o fator de compressibilidadedo metano dado no seu diagrama de compressibilidade4.Expansão do Gás

A expansão do gás natural tem algumas aplicações importantes como a liquefação do gás empequenas proporções e a realização de trabalho recuperando energia do gás natural liqüefeito

quando da sua vaporização.Assim como ocorre na compressão, a expansão de um gás se aproxima de uma expansãoadiabática e obedece à equação teórica abaixo:

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Os processos termodinâmicos são semelhantes, com a única diferença de que a expansãolibera energia enquanto a compressão consome energia.Assim, se a expansão é feita através de uma turbina (turbo-expansor), pode-se realizar trabalho útil vencendo uma resistência (carga) sobre seu eixo.Neste processo de expansão adiabática as variáveis de estado (P-V-T) comportam-se de talforma que a temperatura final é significativamente menor que a inicial, permitindo sua aplicaçãoem processos de liquefação.

3.Compressão do Gás

A compressão do gás natural tem papel importante em toda sua cadeia, desde a produção atéo consumo, seja para desenvolver as atividades de transporte, armazenagem ou alimentaçãode equipamentos.Conhecido o comportamento das variáveis pressão, temperatura e volume para o gás naturalpode-se calcular a potência teoricamente necessária para comprimi-lo através de expressõesanalíticas que consideram o desvio dos gases reais da Lei de Estado dos Gases Ideais.Quando está disponível, pode-se obter este valor diretamente no Diagrama de Mollier paragases reais.Quando um gás real é comprimido em um único estágio a compressão se aproxima de umprocesso adiabático, ou seja, praticamente sem troca de calor entre o gás comprimido e oambiente.Os cálculos teóricos de uma compressão adiabática resultam no máximo trabalho teóriconecessário para comprimir o gás entre dois níveis de pressão. Por outro lado, os cálculosteóricos de uma compressão isotérmica, ou seja, na qual a temperatura do gás comprimido nãose altera com a elevação de pressão, determinam o valor do mínimo trabalho necessário parase efetuar a compressão.Portanto, estes dois resultados indicam os limites inferiores e superiores da potêncianecessária para a compressão do gás.A dedução das expressões analíticas para o cálculo do trabalho necessário para a compressãode um gás parte sempre da equação abaixo, considerando-se o inexistência de variações na

energia cinética, potencial e de perdas.

Onde:W é o trabalho requerido para comprimir o gás do estado 1 ao 2;

V é o volume;p1 e p2 são as pressões inicial e final;

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Para calcular de forma prática a potência necessária à compressão do gás natural pode-seutilizar as fórmulas abaixo. Na primeira são levados em conta o fator de compressibilidade dogás e a eficiência do compressor e, na segunda, uma fórmula mais simples e adequada apressões superiores a 2 kg/cm ², é considerada a característica do compressor.

i.Primeira Equação

Onde:W é a potência de compressão [kW];Q é a vazão [Nm3/h];z é o fator de compressibilidade;

h é a eficiência do compressor;k é a razão entre os calores específicos do gás (Cp/Cv). Para o gás natural é 1,31;P1 e P2 são as pressões de entrada e saída;

ii.Segunda Equação

Onde:W é a potência de compressão [kW];K é a característica do motor-compressor e varia de 0,1 a 0,16;Q é a vazão de descarga [m³/h];

4. Expansão do Gás

A expansão do gás natural tem algumas aplicações importantes como a liquefação do gás empequenas proporções e a realização de trabalho recuperando energia do gás natural liqüefeitoquando da sua vaporização.

Assim como ocorre na compressão, a expansão de um gás se aproxima de uma expansãoadiabática e obedece à equação teórica abaixo:

Os processos termodinâmicos são semelhantes, com a única diferença de que a expansãolibera energia enquanto a compressão consome energia.

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Assim, se a expansão é feita através de uma turbina (turbo-expansor), pode-se realizar trabalho útil vencendo uma resistência (carga) sobre seu eixo.

Neste processo de expansão adiabática as variáveis de estado (P-V-T) comportam-se de talforma que a temperatura final é significativamente menor que a inicial, permitindo sua aplicaçãoem processos de liquefação.

5.Variação de Temperatura do Gás

O fenômeno de variação de temperatura que ocorre com um gás quando da sua compressãoou expansão, pode ser facilmente calculado através da seguinte expressão:

Onde:T2 e T1 são as temperaturas de saída e entrada [K];P2 e P1 são as pressões de saída e entrada;k é a razão entre os calores específicos do gás (Cp/Cv). Para o gás natural é 1,31, Cp é o calor específico a pressão constante e Cv é o calor específico a volume constante;

6.Liquefação do Gás

A liquefação consiste em processos termodinâmicos que promovem a mudança de estado dosgases para o estado líquido. Devido às características de alguns gases, o Metano entre eles, a

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mudança para o estado líquido não ocorrer com a elevação da pressão, sendo necessário aadoção de resfriamento. Para tais gases, chamados criogênicos, a temperatura acima da qualnão existe uma mudança distinta das fases líquido e vapor, a temperatura crítica, se encontraabaixo da temperatura ambiente.

O Gás Natural Liqüefeito (GNL)‚ uma mistura, em fase líquida de vários constituintes. Seu

comportamento, na presença dos vapores destes componentes obedece às leis datermodinâmica do equilíbrio de fases das misturas. Na prática, são usadas as curvas e tabelasdo componente de maior proporção, o metano. Para representar comportamentotermodinâmico são usados os diagramas de entropia (temperatura/entropia), entalpia( entalpia/pressão) e de Mollier (entalpia/entropia) do metano com excelente aproximação, paraGNL de alto teor de metano, no cálculo das mudanças de fase gas-GNL.

A liquefação do gás natural permite estoca-lo e transporta-lo sob forma condensada emcondições técnico-econômicas viáveis. Como pesa menos de 500 Kg/m3, não necessita deuma estrutura mais forte do que se fosse para água. Se o gás fosse comprimido, a estruturanecessitaria de mais aço.

6.1.Composição e Características Físicas do GNL

A composição do gás natural liqüefeito, igualmente à do gás natural comercial dependefundamentalmente do seu reservatório de origem. Antes da liquefação é necessário submeter ogás natural bruto a tratamentos que dependem das características originais do gás enormalmente consistem dos seguintes processos:

• desidratação total para evitar o risco de formação de hidratos ou a formação de gelo;• dessulfurização, para evitar riscos de corrosão dos equipamentos;• descarbonatação e eliminação dos C5+, para evitar a formação de partículas abrasivas;• separação eventual do mercúrio cuja condensação pode provocar estragos nas

canalizações de alumínio;• retirada de hélio;

Dentre as características relevantes do Gás Natural Liqüefeito, podemos ressaltar:

• incolor;• temperatura do líquido à pressão atmosférica é entre (-165) ºC e (-155) ºC, dependendo

da composição;• pressão operacional da planta entre poucos mbar até 75 bar;•

densidade relativa entre 0,43 a 0,48, conforme a composição;• calor de vaporização latente de 120 Kcal/Kg;

• elevada taxa de expansão. A vaporização de 1 m3 de GNL produz entre 560 e 600 Nm3

de gás.