Avaliação de equações de estudo no cálculo de propriedades do dióxido de carbono úteis ao estudo do seu escoamento

Abstract

O objetivo desta dissertação é avaliar a qualidade de modelos termodinâmicos na descrição de propriedades do CO2 (dióxido de carbono) puro relevantes em várias aplicações como, por exemplo, no escoamento em tubulações industriais. Neste caso, a presença de válvulas e mudanças na seção do tubo causam distúrbios ao escoamento, introduzindo perdas localizadas geradas por quedas de pressão, além de provocarem mudanças significativas nas propriedades do gás. Se submetido a um processo de estrangulamento durante o escoamento compressível, ocorre o efeito conhecido como expansão Joule-Thomson, que acarreta uma variação de temperatura no fluido. Por estes motivos, nestes fenômenos, é fundamental conhecer o comportamento de variáveis de estado, tais como temperatura, pressão e propriedades termodinâmicas correlatas, úteis para a descrição dos vários processos. Um monitoramento também importante em aplicações de escoamento é o calculo da velocidade sônica. Apesar da existência de inúmeras equações de estado na literatura, específicas ou não para CO2, não existe uma comparação abrangente em relação ao desempenho na descrição de diversas propriedades. Neste escopo, este trabalho compara o desempenho de cinco equações de estado para definir a mais adequada para determinar algumas propriedades do CO2 para aplicação em processos de escoamento, incluindo, em alguns casos, as fases líquida e gasosa e a condição supercrítica. As equações de estado são avaliadas quanto à previsão de volume molar, temperatura final de estrangulamento, temperatura de inversão e velocidade sônica. Estes cálculos são imprescindíveis para avaliar a variação de temperatura, a curva de inversão, os calores específicos isobárico e isocórico e a velocidade sônica do fluido com a queda de pressão que ocorre durante a expansão do gás após passar por um dispositivo de estrangulamento, como uma válvula parcialmente aberta, ou ao longo do escoamento, em decorrência da perda de carga. Dentro deste escopo, as equações de estado Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong, Sterner-Pitzer, Huang e Bender modificada por Ghazouani (BMG) foram testadas e comparadas com dados experimentais da literatura. Os resultados indicaram que a equação de estado Huang representa mais precisamente o comportamento termodinâmico do volume molar nas condições de baixas pressões, enquanto a equação de estado Peng-Robinson apresenta-se mais adequada nas fases líquida e gasosa e nas condições supercríticas. Logo, de maneira geral, a equação Peng-Robinson é a mais indicada para o estudo do volume molar do CO2. Observou-se também que a temperatura final de estrangulamento foi muito bem representada pela equação de estado Peng-Robinson e a curva de inversão foi melhor descrita pela equação de estado Huang. Porém, a equação de Peng-Robinson também apresentou resultados satisfatórios da curva de inversão, que consiste em um teste rigoroso para equação de estado. Já a velocidade sônica apresentou resultados qualitativamente satisfatórios para todas as equações de estado. Logo, a equação indicada neste trabalho para estudo do escoamento com CO2 em tubulações industriais é a equação de estado Peng-Robinson, pela sua simplicidade funcional e pelo seu poder de cálculo. Para estudo da velocidade sônica nenhuma equação de estado é indicada.