02 - nbr-15213 - - ctgas-er

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]

iABNT NBR 15213

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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.

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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 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).

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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.

iABNT NBR 15213

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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.

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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 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


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.

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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


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


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


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


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


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


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


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


viii.Densidade absoluta do gás ideal (kg.m-3):

Ex:

ABNT NBR 15213i

( ) ( )( )∑

=

⋅

⋅=

N

j

jjpTi MXKTR

p

1,ρ

i


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


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


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



ABNT NBR 15213i

[ ]

−×= ∑=

21

N

PCPC*j

∆xPC2

2

,, )(j

misjimisi

ar

∆∆

M

Md =

(K)∆

∆TR

pMρ

×

×=

i

5. EXATIDÃO



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


� 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


� 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


� 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


� 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

×=

≈=

=

≈°

=

=

i

6. ANEXOS


� Temperatura

� Volume

ABNT NBR 15213i

59

32)()( ×

−°=°

FTCT

( )CTKT °+= 15,273)(

33 02831685,01 mft =

33 31467,351 ftm =

i

6. ANEXOS


� 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

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