Analise Termodinamica

SOLICITAÇÃO DE ANÁLISE TERMODINÂMICA

O Departamento de Engenharia de Processos (DEP) da UNIMEP ChemicalCompany acaba de receber a solicitação da análise de um sistema de compressão de METANO. Neste sistema 7500 Nm3/h de METANO, inicialmente a 2,3 bar e 25ºC deve ser comprimido 10 vezes. Por motivos de segurança operacional, a temperatura do gás na descarga do compressor não deve ser superior a 60ºC. Portanto, entre os estágios de compressão deve haver um trocador de calor isobárico capaz de resfriar o gás comprimido até 40ºC.

Para este sistema, compare os resultados dos itens abaixo para os modelos de gás ideal, gás de Van der Waals e gás de Riedlich-Kwong:

Qual o número de compressores necessários para satisfazer a restrição de segurança?

Qual a potência de compressão requerida por cada compressor (em KW)?

Qual a quantidade de calor de resfriamento de cada trocador de calor?

Qual a potência total consumida para o serviço de compressão?

Qual a quantidade de calor total que deve ser removida neste sistema?

Compare os valores acima calculados sem a restrição de segurança, ou seja, se a compressão do gás fosse realizada em um único estágio.

Tabela1: Normas para funcionamento dos compressores

Pré requisitos

Pressão inicial 230kPa

Temperatura inicial 298,15K

Temperatura Máxima 333,15K

Temperatura após resfriamento 313,15K

Pressão Final 2300KPa

Constate universal dos gases perfeitos 8,314462 J • K−1 • mol−1

Volume 7500Nm³/h

Gás Metano

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1.METANO

O composto orgânico Metano tem a fórmula molecular CH4 e se apresenta como um gás incolor, inodoro e muito inflamável.

O metano pode ser formado em pântanos através da fermentação anaeróbica. Vegetais em processo de deterioração e outros resíduos orgânicos constituem o chamado gás dos pântanos.

Entende-se por fermentação anaeróbica aquela que se dá pela ausência de oxigênio, ela também ocorre em depósitos de lixo e nos esgotos pela atividade de bactérias que se multiplicam nesses ambientes. Por isso, nestes locais o gás metano se faz presente. A extração do metano pode ser feita ainda a partir de derivados do petróleo como: gás natural, petróleo, xisto betuminoso e hulha.

Mas esse gás ganha destaque quando é produzido de forma a colaborar com o meio ambiente. Os gases poluentes produzidos em aterros podem ser canalizados por tubulações e recolhidos para servir de combustíveis. O chamado biogás é uma mistura gasosa formada principalmente por metano usado como combustível de veículos e indústrias (nas caldeiras).

Por outro lado, pesquisas recentes apontam que o gás metano é cerca de vinte vezes mais poluente que o dióxido de carbono (CO2) quando o assunto é efeito estufa. Nesse caso, se faz presente na atmosfera decorrente da ação humana.

Propriedades

Densidade (fase gasosa ) 1,816 kg/m3

Massa molar 16,043 kg/kmol

Temperatura Critica 190.56 K

Pressão Critica 4599 kPa

Densidade critica 162,7 kg/m3

Formula estrutural CH4

Tabela 2: Propriedades adotadas durante os cálculos

FORMULAÇÃO

3.1 GÁS IDEAL

Para iniciar todo o processo recorremos a equação geral dos Gases perfeitos:

P*V=n*R*T

Eq (1)

A partir desta equação é possível encontrar o número de mols presentes no fluido n= 303,7 kmol/h.

Para definir o valor da Entalpia (Δh) aplica-se a seguinte equação:

dh=(Cp) ̅(T_2-T_1 )

Eq (2)

A entropia (Δs) pode ser calculada a partir da equação:

ds=(Cp) ̅ln(T_2/T_1 )-Rln(P_2/P_1 )

Eq (3)

Para se calcular a potência (W):

W=Ndh

Eq (4)

Calor (H), representado pela equação :

H=Cp(T_f-T_i )

Eq (5 )

Razão de compressão, representada pela equação :

Rc= P_sai/P_entra

Eq (6)

3.2. GÁS DE VAN DER WAALS

O método de van der Waals é bem similar ao dos gases ideais exceto por conter constantes que aproximam mais o resultado do que se é obtido durante um experimento real sendo assim os cálculos com van der waals se comparados aos realizados com os gases ideais devem ser mais próximos da realidade. Para aplicar o método de van der Waals utilizam-se as seguintes equações:

Pressão, (Pa;Kpa) neste momento a equação de pressão é modificada em relação ao volume e duas novas constantes aparecem:

P=RT/(v-b)-a/v^2

Eq (7)

Parâmetro de interação a, e Co-volume b, são representados pelas respectivas equações:

a=27/64 (R^2 〖Tc〗^2)/Pc

Eq (8)

b=1/8 RTc/Pc

Eq (9)