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Normas de uso para Gas Natural
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i
COMITÊ BRASILEIRO DE GASES COMBUSTÍVEIS
Av. Brigadeiro Luis Antonio, 1343 – 5º andar –Ala B – Bela Vista – São Paulo – SP
CEP: 01317-910
Telefone/fax: (11) 3177-6612
E-mail: [email protected]
i i
iABNT NBR 15213
i
1.PREFÁCIOA Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) é o Foro
Nacional de Normalização. As Normas Brasileiras, 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 Consulta Nacional conforme Edital nº 01, de 18.01.2008 a 17.03.2008, com o número de Projeto ABNT NBR 15213.
iABNT NBR 15213
i
2.RESUMO DO MÉTODO
Esta Norma especifica um método para cálculo do poder calorífico, densidade absoluta, densidade relativa e índice de Wobbedo 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).
iABNT NBR 15213
i
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.
iABNT NBR 15213
i
2.SIGNIFICADO E USO
NOTA 1: Não mais que 2% pode ser reportado como grupo de componentes, tais como butanos, pentanos e hexanos, ou seja, 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 Físico-químicas para cada componente puro em diversas condições de referência.
iABNT NBR 15213
i
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.
iABNT NBR 15213
i
3. TERMOS E DEFINIÇÕES
i. Poder calorífico superior (PCS): Quantidade de energia liberada na forma de calor, na combustão completa de uma quantidade definida de gás com o ar, à pressão constante e com todos os produtos de combustão retornando à temperatura e pressão iniciais dos reagentes, onde toda a água formada pela reação encontra-se na forma líquida.
ii. Poder calorífico inferior (PCI): Quantidade de energia liberada na forma de calor, na combustão completa de uma quantidade definida de gás com o ar, à pressão constante e com todos os produtos de combustão retornando à temperatura e pressão iniciais dos reagentes, onde toda a água formada pela reação encontra-se na forma gasosa.
iABNT NBR 15213
i
3. TERMOS E DEFINIÇÕES
iii. Densidade absoluta: Quantidade de massa por unidade de volume do gás a uma dada pressão e temperatura.
iv. Densidade relativa: 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.
iABNT NBR 15213
i
3. TERMOS E DEFINIÇÕES
vi. Gás ideal: Gás ideal é aquele que obedece à lei dos gases ideais de acordo com a equação 1.
Eq. 01
vii. Gás real: Gás real é aquele que não obedece à lei dos gases ideais. Para gases reais, a equação 1 deve ser reescrita de acordo com a equação 2.
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.
( )KTRMp ⋅⋅=⋅ ρ
( ) ( )KTRZVp pTm ⋅⋅=⋅ ,
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
i. Fator de compressibilidade:
é o fator de adição do componente j (ver tabela B.2)
Ex:
ABNT NBR 15213
( ) ( )[ ]
9697,0
00894,003924,01
0894,010,00436,090,01
)1,20(
)1,20(
2 )1,20(
=
+−=
×+×−=
°
°
°
atmC
atmC
atmC
Z
Z
Z
i
( )2
1),( 1
⋅−= ∑
=
N
bZ xj
jjpT
jb
= 90%
= 10%
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
ii. Poder calorífico (ideal/real) em base molar (kJ.mol-1):
Ex:
( )
256,865874,142385722
74428110065802900
1atm) C,(20inferior
1atm) C,(20inferior
=+=
×+×=
°
°
,
,.,, ,
PC
PC
ABNT NBR 15213i
( )∑=
⋅=N
j
j
1j PCxPC
= 90 % mol/mol
= 10 % mol/mol( )
122,958141,156981,801
41,561110009891900
1atm) C,(20superior
1atm) C,(20superior
=+=
×+×=
°
°
PC
PC .,, ,
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
iii. Poder calorífico (ideal/real) em base mássica (MJ.kg-1):
Ex:
ABNT NBR 15213i
∑=
⋅⋅=
N
j 1
^
jj
j
^
C M
M C PP x
( )
922,5451,93 4457,17
30,07010,055,545
4457,17
16,04390,0 C
597,4947,51 4457,17
30,07010,050,032
4457,17
16,04390,0 C
4457,1730,0700,1016,0430,90
^
^
=
⋅⋅+⋅⋅=
=
⋅⋅+⋅⋅=
=×+×=
P
P
M
= 90 % mol/mol
= 10 % mol/mol
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
iv. Poder calorífico (ideal) em base volumétrica (MJ.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
[ ]( )K
KiKKi
2
2)]([)),((),( 1221
TR
pPC
~PC TpTVT
⋅⋅=
83039152933145108
325101122958
97035152933145108
325101256865
kPa) 101,325 C,(20superior i,
~
kPa) 101,325 C,(20inferior i,
~
,,,
,,
,,,
,,
=
××=
=
××=
°
°
PC
PC
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
iv. Poder calorífico (ideal) em base volumétrica (método alternativo) (MJ.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
[ ] [ ]),(,)(1
~
1
),(),(1 2p2TVT2p2TVT
~PC
Kj
N
j
jKi PCx∑=
⋅=
( )
( ) 831,3991,641,0044,379,0
969,3539,591,0367,339,0
1atm) C,(20superior i,
~
1atm) C,(20inferior i,
~
=×+×=
=×+×=
°
°
PC
PC
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
v. Poder calorífico (real) em base volumétrica (MJ.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
( )[ ]( )[ ]
)(
2),(2),(1
~
pT,
pTVTZ
PC~PC
p2T2(K),VT1(K),i=KK
076,419697,0
831,39
093,379697,0
969,35
1atm) C,(20superior
~
1atm) C,(20inferior
~
==
==
°
°
PC
PC
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
vi. Densidade relativa do gás ideal :
Ex:
ABNT NBR 15213i
∑=
⋅=
N
M
Md
1j ar
j
ji x
602,09626,28
30,0700,10
9626,28
16,0430,90 =
×+×=id
= 90 % mol/mol
= 10 % mol/mol
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
vii. Densidade relativa do gás real :
Ex:
ABNT NBR 15213i
( ))p,T(mis
)p,T(arip,T
Z
Zdd ×=
( ) 621,09697,0
0,99963602,01,20 =
×=° atmCd
i
( ) ( )
( ) 725,0
4457,1715,293314510,8
325,101
325,101,20
325,101,20
=
×
⋅=
°
°
kPaCi
kPaCi
ρ
ρ
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
viii.Densidade absoluta do gás ideal (kg.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
( ) ( )( )∑
=
⋅
⋅=
N
j
jjpTi MXKTR
p
1,ρ
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
ix. Densidade absoluta do gás real (kg.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
( )( )
( )pTpT mis ,
, Z
ρ
ρpT,i
=
( ) 748,09697,0
725,01,20
==° atmC
ρ
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
x. Índice de Wobbe do gás ideal (MJ.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
( ) ( )( )[ ]( ) ( )( )[ ]
i
pKTVKTi
pKTVKTid
PCsW 221
221
,,
~
,, =
( )[ ] 335,51602,0
830,391,20,20 ==°° atmCVCiW
i
4. PROCEDIMENTO DE CÁLCULO
xi. Índice de Wobbe do gás real (MJ.m-3):
Ex:
ABNT NBR 15213i
( ) ( )( )[ ]( ) ( )( )[ ]
( )22
221
221
,
,,
~
,,
pT
pKTVKT
pKTVKTd
PCsW =
( )[ ] 125,52621,0
076,411,20,20 ==°° atmCVCW
i
5. EXATIDÃO
i. Precisão: A precisão de uma propriedade física calculada representa os erros aleatórios nos procedimentos analíticos e pode ser expressa em termos de repetitividade e/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.
ABNT NBR 15213i
i
5. EXATIDÃO
ii. Metodologia de cálculo:
a. Substituição direta das propriedades físicas
b. Derivação das equações
ABNT NBR 15213i
( )2
1
1i
2i
122
−
−
=∆
∑=
N
Y
Y
NA
[ ]
−×∆=∆ ∑=
21
ji,jmisi,
N
PCPCxPC2
2 )(4
j
CH
i
5. EXATIDÃO
ii. Metodologia de cálculo:
b. Derivação das equações
ABNT NBR 15213i
[ ]
−×= ∑=
21
N
PCPC*j
∆xPC2
2
,, )(j
misjimisi
ar
∆∆
M
Md =
(K)∆
∆TR
pMρ
×
×=
i
5. EXATIDÃO
ii. Metodologia de cálculo:
b. Derivação das equações
ABNT NBR 15213i
( )2
1
N
2j
2
j CH4j∆∆
−×= ∑
=MMxM
( )2
1
N
2j
2
jj∆∆
−×= ∑
=MMxM
21
22
~ 2∆
∆
+
×=d
d
PC
~PC∆
W W
i
5. EXATIDÃO
iii. Expressão dos resultados:
ABNT NBR 15213i
0,0 1 MJ.m-3Índice Wobbe
0,000 1 kg.m-3Densidade
0,000 1Densidade relativa
0,01 MJ.m-3em base volumétricaPoder calorífico
0,01 MJ.kg-1em base mássicaPoder calorífico
0,01 kJ.mol-1em base molarPoder calorífico
Número de algarismos
Propriedade
i
6.ANEXOS
Anexo A (normativo) ���� Símbolos e unidades
Anexo B (normativo) ���� Tabelas das constantes físico-químicas
Anexo C (normativo) ���� Valores das constantes auxiliares
Anexo D (informativo) ���� Análise de gás natural e exemplo de cálculo
Anexo E (informativo) ���� Derivação das equações relacionadas à precisão
Anexo F (informativo) ���� Sistemas de unidades
Anexo G (informativo) ���� Efeitos do vapor d'água sobre o poder calorífico
Anexo H (informativo) ���� Fatores de conversão aproximados entre estados de referência
Anexo I (informativo) ���� Conversão de frações volumétricas para frações molares
ABNT NBR 15213i
i
6. ANEXOS
i. Anexo A: Símbolos e unidades
ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
� Massa molar para os componentes dos gases combustíveis
ABNT NBR 15213i
30,070Etano
16,043Metano
M(kg.kmol-1)
Componente
i
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
ABNT NBR 15213i
b b b
0,089 40,992 00,092 20,991 50,100 00,9900Etano
0,043 60,998 10,044 70,998 00,049 00,9976Metano
ZZZ
20°C, 101,325 kPa15°C, 101,325 kPa0°C, 101,325 kPaComponente
i
6. ANEXOS
ii. Anexo B: Tabelas das constantes físico-químicas
� Valores de poder calorífico para componentes dos gases combustíveis a diferentes condições de referência de combustão para gás ideal em base molar
ABNT NBR 15213i
PC
1.429,121.564,341.428,841.562,141.428,741.561,411.428,641.560,69Etano
802,82892,97802,69891,56802,65891,09802,60890,63Metano
InferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperior
0°C15°C20°C25°C
(kJ.mol-1)Componente
Poder calorífico ideal em base molar
i
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
ABNT NBR 15213i
Poder calorífico ideal em base mássica
^PC
47,5352,0247,5251,9547,5151,9347,5151,90Etano
50,04355,66250,03555,57450,03255,54550,02955,516Metano
InferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperior
0°C15°C20°C25°C
(kJ.kg-1)Componente
i
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
ABNT NBR 15213i
Poder calorífico ideal em base volumétrica~PC
59,3964,8859,3964,9163,7469,6363,7569,6963,7669,7960,4366,07Etano
33,36537,02433,36737,04435,80839,73535,81239,77735,81839,84033,94837,706Metano
InferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperiorInferiorSuperior
25/20° C20/20° C25/0° C15/0° C0/0° C15/15° C
(MJ.m-3)Componente
i
6. ANEXOS
iii. Anexo C: Valores das constantes auxiliares
� Constante molar dos gases
R = (8,314 510 x 103 + 0,000 070) J.kmol -1.K -1
� Constantes críticas e fatores acêntricos
� Propriedades do ar seco
Mar = 28,9626 kg.kmol-1
Zar(273,15 K, 101,325 kPa) = 0,99941 Zar(288,15 K, 101,325 kPa) = 0,99958 Zar(293,15 K, 101,325 kPa) = 0,99963
ρar(273,15 K, 101,325kPa) = 1,292923 kg.m-3
ρar(288,15 K, 101,325kPa) = 1,225410 kg.m-3
ρar(293,15 K, 101,325kPa) = 1,204449 kg.m-3
ABNT NBR 15213i
i
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
ABNT NBR 15213i
iv. Anexo D: Análise de gás natural e exemplo de cálculo
i
6. ANEXOS
v. Anexo E: Derivação das equações relacionadas à precisão
vi. Anexo F: Sistemas de unidades
� Energia
ABNT NBR 15213i
kWhkJ
kJkJBtu
kJBtu
JCcal
Jcal
Jcal
3106,31
055056,120550558526,1)nalinternacio tabela(1
054350,1)catermoquími(1
)5(1855,4)51(1
1868,4)nalinternacio tabela(1
184,4)catermoquími(1
×=
≈=
=
š
=
=
i
6. ANEXOS
vi. Anexo F: Sistemas de unidades
� Temperatura
� Volume
ABNT NBR 15213i
59
32)()( ×
−°=°
FTCT
( )CTKT °+= 15,273)(
33 02831685,01 mft =
33 31467,351 ftm =
i
6. ANEXOS
vi. Anexo F: Sistemas de unidades
� Pressão
ABNT NBR 15213i
kPapsicmkgfatm 325,1016959,14100332,11 23 ==×=
psiatmcmkgf 22,14106784,91 12 =×= −
222 1003,71080,61 cmkgfatmpsi ×=×= −
i
6. ANEXOS
vii. Anexo 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
ABNT NBR 15213i
i
� Alexandre Caldeira – ANP� Antonio DiGiorgio – White Martins� Bruna Maria E. das Chagas – CTGÁS-ER � Elba dos Santos Oliveira – INT� Fátima Dutra Faria – Petrobras� Francisco Carneiro – COMGÁS� Gilberto Alvin – COMGÁS� Heliomar Resende Ferreira – CEG/Gás Natural� Mário Veiga Longa Junior – TBG� Sueilha F. A. de Paula – CTGÁS-ER� Valnei Smarçaro – INMETRO� Vera Rezende – INT
iABNT NBR 15213
AGRADECIMENTOS