Universidade Federal Rural do Semi rido Campus AngicosCurso: Bacharelado em Cincia e TecnologiaDisciplina: Termodinmica Aplicada Engenharia QumicaDocente: Andra Galindo Carneiro RosalDiscente: Wallas Douglas de Macdo Souza

Processos de Liquefao: Processo Linde Processo Claude

Angicos/RN

Trabalho elaborado para a disciplina Termodinmica Aplicada Engenharia Qumica, lecionada pela Professora Andra G. C. Rosal, como parte da avaliao do aprendizado relativo III Unidade do Curso Bacharelato em Cincia e Tecnologia, UFERSA Campus Angicos.

SUMRIO

SUMRIO31. INTRODUO42. REVISO DA LITERATURA52.1. Processo De Liquefao53. PROCESSOS DE LIQUEFAO LINDE E CLAUDE63.1. Processo Linde63.1.1. Breve Histrico63.1.2. O Processo63.1.3. Liquefao com resfriamento abaixo da Temperatura Crtica (Tc)83.2. Processo Claude104. OUTROS PROCESSOS DE LIQUEFAO124.1. O ciclo termodinmico ideal:124.2. Sistema Linde-Hampson simples:124.3. Sistema em cascata:125. CONCLUSO136. REFERNCIAS:14

1. INTRODUOCompreende-se atravs de estudos experimentais que o processo de Liquefao de gases um caso especial de refrigerao destes gases. Desta forma, faz-se importante ressaltar para o entendimento de tal processo: como, quando, onde e por meio de qu este ocorre.Neste sentido, levamos em considerao que o processo de Liquefao pode ocorrer das seguintes formas: Transferncia de calor presso constante; Processo de expanso do qual trabalho obtido e por Processo de estrangulamento, onde cada etapa possui caractersticas peculiares.Neste trabalho, almeja-se ento explicar conceitos concernentes a Liquefao, especificamente no que diz respeito a dois casos particulares: O Processo Linde e o Processo Claude, bem como a demonstrao de algumas de suas aplicabilidades.

2. REVISO DA LITERATURA

2.1. Processo De LiquefaoEste processo consiste em mudanas de caractersticas termodinmicas que por sua vez, promovem a mudana de estado dos gases para o estado lquido. Citamos ento o exemplo do Metano, onde a mudana para o estado lquido no ocorre com a elevao da presso, sendo necessria a adoo de resfriamento. Esses gases so ento, conhecidos como criognicos.Podemos assim explicar o processo de Liquefao da seguinte forma, temos um gs que passa por um processo de compresso a uma presso elevada em um compressor de temperatura ambiente. Este gs de alta presso transmitido por meio de um trocador de calor contracorrente a uma vlvula de estrangulamento ou motor de expanso. Aps a expanso para a presso mais baixa, o resfriamento pode ocorrer, e um pouco de lquido pode ser formado. O frio, a baixa presso de gs retorna para a entrada do compressor para repetir o ciclo. Verifica-se que o propsito do trocador de calor contracorrente aquecer o gs de baixa presso antes de recompresso, e, simultaneamente, para resfriar o gs de alta presso para a temperatura mais baixa possvel antes de expanso. Os princpios termodinmicos de refrigerao e liquefao so idnticos. No entanto, a anlise e o projeto dos dois sistemas so bastante diferentes, devido condio de fluxo equilibrado na geladeira e fluxo desequilibrado em sistemas de liquidificador. Uma aplicabilidade o exemplo de liquefao do GNL (Gs Natural Liquefeito), onde se visualiza que por meio de tal procedimento consegue-se estoc-lo e transport-lo sob forma condensada em condies tcnico-econmicas viveis. Na indstria, o uso de gs liquefeito e comprimido sob uma presso alta de primordial relevncia, podemos citar ainda como exemplos: (I) A amnia lquida e dixido de enxofre lquido so utilizados como refrigerantes. (II) o dixido de carbono lquido encontra uso em fontes soda. (III) de cloro lquido usado para fins de branqueamento e desinfetante. (IV) o ar lquido uma importante fonte de oxignio em foguetes e avies a jato e bombas.

3. PROCESSOS DE LIQUEFAO LINDE E CLAUDE

3.1. Processo Linde

3.1.1. Breve Histrico

O processo Linde foi proposto em 1895 pelo engenheiro alemo Karl Von Linde. Este processo utilizado para liquefao de gases por efeito Joule-Thomson, que se caracteriza pela viabilizao da passagem do gs atravs de uma vlvula estreita (processo de estrangulamento), gerando no lado da entrada uma presso superior existente no lado da sada. Assim, o gs expande-se e aumenta o volume. Com a ajuda deste efeito, pode-se alcanar em uma expanso uma grande descida da temperatura, ainda que limitada. Para compreendermos tal fato vejamos o exemplo da liquefao do ar, onde este libertado do dixido de carbono a uma presso de 150 atmosferas. O gs comprimido obrigado a percorrer um enrolamento de cobre at um tubo de expanso no interior de uma garrafa de Dewar. O ar emergente arrefecido por efeito Joule-Thomson, quando se expande, e ento passa novamente em sentido contrrio pelo interior de um segundo enrolamento de cobre que envolve o primeiro. Deste modo, o gs expandido arrefece o gs prximo por um processo regenerativo. 3.1.2. O ProcessoReformulando assim, o mtodo Linde baseado no efeito Joule-Thomson, que leva em considerao a seguinte premissa: "Quando um gs se expande adiabaticamente de uma regio de alta presso para uma regio de presso extremamente baixa, acompanhados de arrefecimento." Vejamos uma ilustrao que demonstra o ciclo pelo qual realizado o processo:Figura 1 Processo de Liquefao LindeO processo de liquefao Linde depende de uma expanso por estrangulamento. A figura pode ser descrita como:Alimentamos com gs certo processo, esse gs comprimido e logo aps pr-resfriado at uma temperatura ambiente. O importante que esse gs seja o mais resfriado possvel, pois quanto menor tivermos a temperatura do gs ao entrar na vlvula de estrangulamento, maior ser sua frao liquefeita. E ainda, parte desse gs retornado at a alimentao de gs para ser reaproveitado.Vale ressaltar que, caso desejssemos um processo de liquefao mais eficiente, deveramos substituir a vlvula de estrangulamento por um expansor, porm tal operao numa regio bifsica seria impraticvel.Analisemos uma figura que se caracteriza entre a relao deste mtodo com o efeito Joule-Thomson:

Figura 2. Sistema e temperatura-entropia diagrama de um ciclo de liquefao de gs baseado no efeito Joule-Thomson: (C) compressor, (H1), (H2), e trocadores (H3), calor e (Th) da vlvula de estrangulamento A Figura 2 mostra o esquema de design e um diagrama do ciclo de acelerao de liquefao de um gs. Podemos explic-la da seguinte maneira:Aps a compresso (1-2), o gs resfriado sucessivamente nos trocadores de calor (2-3-4) e depois expandido (estrangulado) atravs da vlvula (4-5). Aqui, parte do gs liquefeito e se acumula em um coletor, onde posteriormente passado para os trocadores de calor, esfriando assim o gs comprimido. Para liquefazer um gs por um ciclo de estrangulamento, a temperatura do gs comprimido antes da admisso ao principal trocador de calor H3 deve ser inferior temperatura de inverso. Um trocador de calor com um agente de resfriamento externa (trocador de H2) realiza este resfriamento. Se a temperatura de inverso do gs est acima da temperatura ambiente (nitrognio, argnio, oxignio), ento o esquema basicamente vivel mesmo sem trocadores de calor H1 e H2. O uso de refrigerantes estrangeiros, neste caso, tem a finalidade de aumentar a colheita de lquido.

3.1.3. Liquefao com resfriamento abaixo da Temperatura Crtica (Tc)Liquefao realizada por gases de resfriamento abaixo da temperatura crtica (Tc) com subseqente condensao, como resultado da remoo do calor de vaporizao (condensao). Resfriamento do gs abaixo da Tc necessrio para atingir a gama de temperaturas em que o gs pode se condensar (quando T> T c, um lquido no pode existir).

Figura 3. Temperatura entropia-diagrama para um ciclo ideal de liquefao de gs Aqui vemos um processo ideal para a liquefao de gases, em que temos uma Isbara 2-1 que corresponde ao resfriamento do gs para o incio de condensao, e uma Isoterma de 2-0 para a condensao do gs. A rea abaixo l-2-0 equivalente quantidade de calor que devem ser removidos do gs durante a sua liquefao, e a rea delimitada pela curva de l-2-0-3, onde 1-3 a compresso isotrmica de do gs e 3-0 uma expanso adiabtica. A liquefao industrial de gases com temperaturas crtica (Tc) acima da temperatura do ambiente, por exemplo, amnia e cloro, realizada atravs de compresso do gs em um compressor e uma subsequente condensao do gs em um trocador de calor resfriado com gua ou salmoura. Mais frequentemente, para a liquefao de gases com baixa Tc, ciclos de refrigerao baseado no estrangulamento de um gs comprimido (uso do efeito Joule-Thomson), a expanso do gs comprimido com a produo de trabalho externo em um expansor, e a expanso de um gs a partir de um volume constante sem a realizao de trabalho externo (bomba de calor mtodo) so usados. Observemos ento a tabela:

Tabela 1. Valores do ponto de ebulio T b (a 760 mm Hg), a temperatura crtica Tc e mnima (Lmin) e trabalho (Lagir) reais realizado na liquefao de certos gases

Gs Tb ( K) Tc ( K) Lmin (kW-hr/kg) Lato (kW-hr/kg)

Nitrognio ........ 77,4 126,2 0,220 1,2-1,5

Argon ........ 87,3 150,7 0,134 0,8-0,95

Hidrognio ....... 20,4 33,0 3,31 15-40

Ar ............ 78,8 132,5 0,205 1,25-1,5

Hlio .......... 4,2 5,3 1,93 15-25

Oxignio ........... 90,2 154,2 0,177 1,2-1,4

Metano ............. 111,7 191,1 0,307 0,75-1,2

Neon ........... 27,1 44,5 0,37 04/03

Propano ........... 231,1 370,0 0,04 ~ 0,08

Etileno .......... 169,4 282,6 0,119 ~ 0.3

Onde:Lmin: caracteriza a quantidade mnima termodinamicamente de trabalho L necessrio para liquefao do gs: Os gases submetido a liquefao deve ser livre de vapor de gua, leo e outras impurezas. Por exemplo, o dixido de carbono deve ser removido do ar, e o ar a partir do hidrognio. Esta remoo necessria porque no resfriamento das impurezas pode solidificar e bloquear o aparelho de troca de calor. Logo, Lmin dado por:Lmin = T 0 (S G - S L) - (J G - J L) em que T 0 a temperatura do ambiente, S G e S L so, respectivamente, as entropias do gs e lquido, e J G e J L so o contedo de calor (entalpia) do gs e lquido.

3.2. Processo Claude

O processo de Claude baseado na perspectiva de que quando um gs se expande adiabaticamente contra uma presso exercida externamente, ele realiza um trabalho externo.Este baseado justamente na ideia da vlvula de estrangulamento ser substituda por um expansor, coisa que no se realiza na prtica, porm segundo Claude seria algo mais eficiente. Vejamos ento uma figura que caracteriza tal processo:

Figura 4 Processo de liquefao Linde

Esta pode ser compreendida da seguinte forma:Tem-se certa alimentao de um gs, que novamente comprimido, pr-resfriado, onde parte desse gs est passando por um trocador de calor e retornando diretamente para a alimentao e, o restante desse gs prossegue o percurso e ao passar por um novo trocador de calor, lhe retirado mais calor onde ele passa por uma vlvula de estrangulamento, produzindo liquefao no processo Linde, e ao final passa por um expansor, algo que provavelmente ir deixar o vapor saturado ou levemente superaquecido.Generalizando, temos que, como o trabalho feito pelas molculas ao custo de sua energia cintica, a temperatura do gs cai causando resfriamento. A expanso de qualquer fluido atravs de uma vlvula um processo irreversvel em que parte da energia disponvel dissipada em outras formas sem sua utilizao de forma til. Portanto, quando se deseja uma maior aproximao de um processo ideal, deve-se encontrar outra forma de expandir o fluido. No Sistema Claude, a energia de presso aproveitada utilizando um turbo-expansor, com gerao de trabalho. Dessa forma, se a expanso atravs da turbina for reversvel e adiabtica (por hiptese), este processo isentrpico, o que permite alcanar uma temperatura menor do que seria alcanada por um processo isentlpico, como ocorre com vlvulas e outros dispositivos de estrangulamento.

cabvel salientar que o processo Linde um caso limite do processo Claude, quando nenhum gs da corrente a alta presso enviado para o expansor.

4. OUTROS PROCESSOS DE LIQUEFAO4.1. O ciclo termodinmico ideal:

Na realidade, sabe-se que impossvel construir um ciclo ideal como o indicado. Isto se deve ao fato de que a presso do estado 2, na sada do compressor, seria extremamente elevada, no existindo ainda uma tecnologia que permita que esta presso seja alcanada. Alm disso, o ciclo termodinmico ideal exige que os processos reversveis, o que no fisicamente possvel.

4.2. Sistema Linde-Hampson simples:

Na anlise deste sistema de liquefao, assumem-se algumas hipteses simplificadoras, tais como: processos reversveis, exceto na vlvula de expanso; sistema adiabtico; equipamentos ideais, isto , que apresentam eficincia de 100%.

4.3. Sistema em cascata:

Apesar deste processo apresentar uma desvantagem, j que cada ciclo deve ser vedado para evitar vazamentos e misturas entre fluidos, do ponto de vista termodinmico, o sistema em cascata o mais indicado para processos de liquefao, uma vez que este o sistema que mais se aproxima de processos reversveis, alm de trabalhar a baixas presses.

5. CONCLUSO

Finalmente, pode-se inferir que os processos de Liquefao possuem grande importncia no sentido da utilizao de expansores, trocadores de calor, vlvulas de estrangulamento e resfriadores, com objetivo de transformar um gs em um lquido, viabilizando desta forma, seu transporte e estoque, como por exemplo, o propano lquido que serve como gs domstico.

Percebe-se ainda que o que o processo Linde encontra-se como um caso limite do processo Claude, sendo que pelo processo Claude idealiza-se para obteno de uma maior eficincia a substituio da vlvula de estrangulamento por um expansor, porm, como a liquefao ocorre quando um gs resfriado at uma temperatura na regio bifsica, nesta regio bifsica tal substituio impraticvel.

6. REFERNCIAS:

processo de Linde. In Infopdia [Em linha]. Porto: Porto Editora, 2003-2011. [Consult. 2011-11-12]. Disponvel em: http://www.infopedia.pt/$processo-de-linde>. Acesso em: 12 de nov. 2011.

Disponvel em: . Acesso em: 12 de nov. 2011.

Disponvel em: . Acesso em: 12 de nov. 2011.

Disponvel em: . Acesso em: 12 de nov. 2011.14