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Nos seminários que ministro, freqüentemente me perguntam a respeito da diferença entre gás e vapor:

– Dizer que um determinado gás está na fase gasosa ou na fase vapor é a mesma coisa?

E sempre respondo:

– Não! Apesar de parecidos, os significados não são os mesmos e dependem de um referencial de temperatura.

Essa confusão deve-se às similaridades entre ambos os estados. Tanto na fase gasosa como na fase vapor, as moléculas superaram a atração mútua que as mantinham no estado líquido, aumentando muito a distância entre elas, de forma que o volume ocupado pela mesma massa de moléculas passa a ser centenas de vezes maior. Por esta razão, o gás e o vapor apresentam densidades e viscosidades muito baixas em relação ao líquido.

Outra similaridade entre as fases gasosa e vapor é que suas moléculas ocupam todo o volume do recipientes que as contém, pois seu movimento é livre, sendo limitado apenas pelas colisões com outras moléculas ou com as paredes do recipientes.

Até aqui o comportamento de gases e vapores é similar e, portanto, poderia nos levar a crer tratar-se de sinônimos. Vejamos agora as diferenças.

A denominação de vapor é dada quando o fluido estiver submetido a uma temperatura na qual o vapor possa coexistir com sua fase líquida mediante apenas uma condição de pressão, temperatura esta portanto abaixo da sua temperatura crítica. Neste caso, as variações da pressão causarão a condensação do vapor em líquido ou a vaporização do líquido em vapor.

Já os gases em fase gasosa estão submetidos a uma temperatura na qual não poderão se liqüefazer apenas sob pressão, não importando quão elevadas elas sejam. Isso porque sua temperatura é superior à temperatura crítica, ou seja, a temperatura acima da qual eles não podem existir na fase líquida.

Conclusão: os conceitos de fase gasosa e fase vapor estão relacionados à uma temperatura de referência em relação à temperatura crítica do fluido. Ou seja, o mesmo fluido pode estar no estado gasoso ou no estado de vapor, dependendo da temperatura considerada, acima ou igual / abaixo da temperatura crítica, respectivamente.

Por exemplo, as fases líquida e vapor do GLP podem coexistir dentro de um recipiente, nas temperaturas ambientes, mediante apenas uma determinada condição de pressão, chamada pressão ou tensão de vapor para aquela temperatura. Se, neste recipiente, a fase vapor for comprimida, parte dela irá se liqüefazer mantendo sua tensão de vapor naquela temperatura. Por outro lado, se a fase vapor for descomprimida parte da fase líquida irá se vaporizar buscando a manutenção de sua pressão de vapor para a respectiva temperatura. Portanto, nas temperaturas ambientes, o GLP que se vaporizou está na fase vapor e não na fase gasosa. Note que, evidentemente, as temperaturas críticas das principais frações do GLP estão acima das temperaturas encontradas na atmosfera, a saber: n-butano, 152,0ºC; propano, 96,8ºC.

Agora se considerarmos o mesmo GLP, porém a 300ºC, ele não mais estará na fase vapor e sim na fase gasosa, pois encontra-se acima da temperatura crítica e não poderá ser condensado apenas por elevação da pressão, por maior que ela seja.

Já o metano, o oxigênio, o nitrogênio e o argônio são considerados gases (e não vapores) nas temperaturas ambientes porque não podem ser liqüefeitos apenas por elevação da pressão, por maiores que sejam tais pressões. Sua liqüefação só será possível mediante a redução da temperatura, a partir do ponto que atinja sua temperatura crítica, valores esses muito abaixo das temperaturas encontradas na atmosfera.

Por exemplo, a temperatura crítica do metano é -82,1ºC. Acima desta temperatura não é possível liqüefazer o metano apenas por elevação da pressão e, nestas condições, o metano é considerado gás. Mesmo na temperatura de -82,1ºC, o metano só estará no estado líquido se submetido simultaneamente à pressão mínima de 4 640 kPa absoluta (673,3 psia = 658,6 psig = 45,4 bar), chamada pressão crítica. Para manter o metano no estado líquido, na pressão atmosférica, seria necessário baixar sua temperatura a -161,49ºC. Assim, a manutenção do metano em fase líquida entre as temperaturas de -82,1ºC e -161,49ºC só seria possível mediante combinações entre temperatura x pressão.

Se agora consideramos um tanque criogênico com metano a -160ºC, poderá haver a coexistência das duas fases: líquida e vapor.

Assim, metano, gás natural, ar, monóxido de carbono, oxigênio, nitrogênio, argônio, nas temperaturas ambientes, estão muito acima de suas temperaturas críticas sendo portanto considerados gás.

E amônia, propano, propeno, butanos, butenos, GLP, propadieno, butadieno apresentam fase vapor nas temperaturas ambientes.

Bibliografia

AGA Gas Handbook, editado por Kersti Ahlberg, Lidingö, Suécia, 1985.

A determinação da vazão de um gás ou de um líquido através de válvulas é uma necessidade freqüente durante o projeto de sistemas de fluidos.

Os fabricantes normalmente informam, em seus catálogos técnicos, os coeficientes de vazão das suas válvulas conhecidos como "CV", o qual é usado nos cálculos de dimensionamento ou de verificação.

Esse coeficiente foi definido com base na vazão de água. Assim, "CV" é o número que exprime a vazão, em galões norte-americanos por minuto (GPM), de água na temperatura de 70º F (21,1ºC), fluindo através de uma válvula com uma perda de pressão de 1 psi.

Vazão de Líquidos

As fórmulas recomendadas pelo "Fluid Controls Institute" para os cálculos das vazões de líquidos são:

(1) QG = CV (DP / D)^1/2

(2) CV = QG (D / DP)^1/2

(3) DP = (QG² . D) / Cv²

onde:

QG : vazão em GPM (1 GPM = 3,7854 litros/min)
CV : coeficiente de vazão (informado pelo fabricante)
DP : perda de pressão entre a entrada e a saída da válvula (psi)
D : densidade do líquido na temperatura de trabalho em relação à densidade da água a 70ºF (21,1ºC)

Na realidade, as fórmulas acima são derivadas da mesma equação, onde foram explicitadas as incógnitas a calcular.

Exemplo:

Calcular a vazão de propano líquido a 20ºC através de uma válvula que apresenta o CV = 5, para um DP de 2 psi.

(1) QG = CV (DP / D)^1/2 = 5 (2 / 0,499)^1/2 = 10,0 GPM = 37,9 L/min

Cabe observar que a única propriedade do líquido considerada nas fórmulas é a densidade relativa à água. Porém a viscosidade pode afetar a precisão dos cálculos. Entretanto, uma razoável precisão pode ser obtida das fórmulas quando a viscosidade dos líquidos não diferir muito da viscosidade da água.

Vazão de Gases

As fórmulas para cálculo da vazão de gases em válvulas são diferentes das usadas no cálculo de líquidos devido, basicamente, à propriedade da compressibilidade dos gases.

Embora o "CV" tenha sido definido tomando-se por base a vazão de água, ele também é usado para o cálculo com gases.

Para isso, o "Fluid Controls Institute" recomenda o uso das fórmulas seguintes:

Aplicável quando P2 > 0,53 P1 :

(4) QF = 16,05 . CV [ ( P1² - P2² ) / ( d . TR ) ] ^1/2

Aplicável quando P2 = ou < 0,53 P1 :

(5) QF = 13,61 . CV . P1 [ 1 / (d . TR) ] ^1/2

Aplicável quando P2 > 0,53 P1 :

(6) CV = 0,06231 . QF [ (d . TR) / ( P1² - P2² ) ] ^1/2

Aplicável quando P2 = ou < 0,53 P1 :

(7) CV = 0,07348 . (QF / P1 ) . [ ( d . TR ) ] ^1/2

Onde:

P1 : pressão absoluta do gás na entrada da válvula (psia)
P2 : pressão absoluta do gás na saída da válvula (psia)
QF : vazão em SCFM
d : densidade do gás na pressão atmosférica e na temperatura de trabalho em relação à densidade do ar na pressão atmosférica e na temperatura de 70ºF (21,1ºC)
TR : temperatura absoluta do gás em Rankine (ºF + 460)

Exemplo:

Calcular o CV mínimo necessário para um regulador de pressão atender à vazão de 250 m³/hora de metano a 300 K. As pressões manométricas do metano são:

a) na entrada do regulador: 1,5 bar;
b) na saída do regulador: 0,2 bar.

P1 manométrica = 1,5 bar = 1,5 x 14,5 psig = 21,75 psig
P1 absoluta = 21,75 + 14,7 = 36,45 psia

P2 manométrica = 0,2 bar = 0,2 x 14,5 psig = 2,90 psig
P2 absoluta = 2,90 + 14,7 = 17,60 psia

P2 / P1 = 17,60 / 36,45 = 0,48

P2 = 0,48 P1

Então,

P2 = ou < 0,53 P1 , portanto deverá ser usada a fórmula (7):

(7) CV = 0,07348 . (QF / P1 ) . [ ( d . TR ) ] ^1/2

Onde:

QF = 250 m³/h a 300 K = 240 m³/h a 15,6ºC
QF = 240 x 35,315 / 60 = 141,26 SCFM

densidade do metano na pressão atmosférica a 300 K (26,85ºC): 0,652
densidade do ar a 70ºF (21,1ºC): 1,203
d = 0,652 / 1,203 = 0,542

TR = 300 K = 26,85ºC = 80,33ºF = 540,33ºR

(7) CV = 0,07348 . ( 141,26 / 36,45 ) . [ ( 0,542 . 540,33 ) ] ^1/2

(7) CV = 4,873

Conclusões

A determinação do coeficiente de vazão ("CV") adequado permite assegurar a vazão máxima através das válvulas selecionadas, de acordo com as premissas de projeto do sistema.

No caso da especificação de válvulas para controle de fluxo, a observação do coeficiente de vazão é muito mais crítica. Se esse coeficiente fosse muito maior do que o necessário a regulagem seria difícil pois, uma pequena abertura da válvula já permitiria a passagem do fluxo desejado, dificultando a sensibilidade da regulagem. Caso o "CV" da válvula seja inferior ao valor mínimo necessário, não seria possível atingir a vazão desejada nas condições estipuladas, mesmo com a válvula totalmente aberta. A situação ideal seria aquela em que o "CV" da válvula exigisse sua abertura total na condição de fluxo máximo. Como esta situação ideal é muito difícil de ser encontrada, na prática costuma-se escolher uma válvula cujo "CV" esteja um pouco acima da necessidade, onde a vazão máxima seria obtida quando a abertura da válvula estiver na faixa de 80 a 100%.

Por esta razão, freqüentemente as válvulas de controle apresentam um diâmetro nominal inferior ao diâmetro da tubulação na qual está instalada ou, então, possuem um orifício de passagem reduzido.

Agora o gás natural liqüefeito (GNL) já não é mais uma possibilidade, mas sim uma realidade. A partir de 2005, quando a planta de liqüefação da joint-venture entre a Petrobrás e a White Martins estiver concluída, uma nova era do gás no Brasil terá início: a era do gás natural criogênico.

A capacidade informada da citada planta seria de 380.000 m³ de gás natural por dia, o que corresponde a 9.000 ton de GLP por mês.

Muitos aspectos serão abordados nesta mudança de panorama, tanto na área comercial como na área técnica. O mercado mais visado continuará sendo o do GLP, não mais estando a área de atuação do gás natural limitada às proximidades dos gasodutos, mas sim às distâncias da planta de liqüefação conjugadas com a qualidade das estradas. As distribuidoras de GLP deverão, portanto, rever todas as suas estratégias a curto, médio e longo prazos.

Além disso, o GNL poderá competir também com o GNC e outros combustíveis. Caso a planta seja instalada no estado de São Paulo, sua área de mercado poderia da mesma forma atingir estados mais próximos como Paraná, Minas Gerais, Goiás e Rio de Janeiro.

Na área técnica, a disponibilidade de GNL possibilitará mudar profundamente conceitos como, por exemplo, a compressão do gás no estado gasoso a altas pressões, tanto para uso veicular como para armazenagem e transporte – o gasoduto virtual atualmente em desenvolvimento.

A compressão do gás criogênico pode ser feita a partir de uma pequena bomba de deslocamento positivo, resultando numa grande economia de capital e num baixo consumo de energia elétrica. Enquanto um compressor convencional consome 100 unidades de energia, a bomba criogênica despende apenas de 10 a 15 unidades de energia para realizar o mesmo trabalho de compressão. Além disso, o custo de manutenção das bombas é muito mais baixo que o dos compressores, podendo ser estimada uma economia da ordem de 85%. Mesmo considerando o investimento global na estação de compressão a partir de GNL, incluindo o tanque criogênico, ainda assim a redução do custo de capital situa-se na faixa de 15 a 70%, de acordo com a configuração eleita.

Além das vantagens citadas, a disponibilidade do GNL possibilita desenvolver estratégias como a viabilização de futuros ramais de gasoduto, com a formação antecipada da matriz de consumo, seja uma cidade ou um distrito industrial, onde seria instalada a central criogênica. E, olhando para o futuro, o GNL possibilitaria também a instalação de centrais para peak shaving em gasodutos, evitando ou retardando investimentos.

Este é um assunto que gera sempre muita polêmica: o condomínio compra o GLP pagando o valor em quilogramas e cobra do condômino com base na leitura do medidor em metros cúbicos.

Em primeiro lugar, os abastecimentos de gás não correspondem exatamente aos totais dos consumos indicados nas leituras dos medidores, pois são fatos que ocorrem em ocasiões não simultâneas.

Por outro lado, a densidade do GLP usada na conversão de volume para massa pode variar significativamente em função da composição do gás e da temperatura ambiente. A FISPQ – Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico – do GLP, emitida pela Petrobrás em 18/03/2002, informa que a composição do gás pode variar desde 60% de propano + 40% de butano até 40% de propano + 60% de butano. Além disso, a composição do gás apresenta variações durante seu consumo quando sua vaporização é natural, entre abastecimentos, devido a um fenômeno do tipo destilação fracionada, tornando sua densidade mais elevada. As variações de pressão nos medidores são pequenas, não causando erros significativos na medição. Vejamos como se comportariam as densidades de diferentes composições do GLP em função das temperaturas:

Portanto, é fácil ver que a faixa de variações das densidades é ampla, da ordem de 20% entre seus extremos. Se levarmos em conta o citado fenômeno da destilação ocorrendo em um GLP inicialmente com 60% de butano, essa faixa ficaria ainda mais ampla pois a densidade seria superior a 2,42 kg/m³ na temperatura de 0ºC e assim respectivamente para outras condições.

Caso o condomínio opte por um fator de conversão inferior ao fator médio real em determinado período, o montante arrecadado não seria suficiente para repor o gás consumido. Portanto, recomenda-se o emprego de uma densidade superior ao valor médio esperado, de forma que o condomínio não sofra com a insuficiência de verba, gerando um pequeno superávit. Na região sudeste, é comum a utilização de densidades na faixa de 2,35 a 2,40 kg/m³.

É claro que seria possível monitorar continuamente todas essas variáveis de forma a minimizar os erros. Mas seriam necessários investimentos cujos custos não seriam certamente recompensados pelos benefícios.