Conversão de líquido criogênico em gás: volumes, densidade e razões

A razão de conversão de líquido para gás indica quanto gás produz uma unidade de líquido criogênico ao vaporizar. Em condições normais, o nitrogênio expande cerca de 1 para 696, o oxigênio 1 para 861, o argônio 1 para 847 e o GNL 1 para 600. Estas razões determinam o dimensionamento do armazenamento.

A aritmética por trás destes valores é simples e qualquer comprador de equipamento criogênico a granel deve saber aplicá-la. Assim que conhece seu consumo de gás em metros cúbicos por hora, a razão de expansão converte-o diretamente em litros de líquido por hora e, a partir daí, numa capacidade de tanque realista e numa frequência de entrega adequada.

Este artigo apresenta as razões, desenvolve os cálculos nos dois sentidos e explica porque é que os valores publicados diferem ligeiramente entre fontes.

O que é uma razão de conversão de líquido criogênico para gás?

Uma razão de conversão de líquido criogênico para gás, também chamada de razão de expansão, é o volume de gás produzido por um volume de líquido quando esse líquido é aquecido até uma temperatura e pressão de referência. Escreve-se como 1 para um número, em que o número corresponde ao volume de gás.

Existe porque a liquefação de um gás elimina quase todo o espaço entre suas moléculas. É esta a lógica comercial do fornecimento criogênico: é muito mais econômico transportar e armazenar alguns metros cúbicos de líquido do que movimentar várias centenas de vezes esse volume sob a forma de gás comprimido. A razão de expansão é o número que liga os dois mundos.

A razão é utilizada em três situações práticas.

• Dimensionar a capacidade de armazenamento em relação ao consumo de gás da instalação e ao intervalo de entrega pretendido
• Dimensionar vaporizadores e equipamento de regaseificação, que têm que entregar vazão de gás consumindo vazão de líquido
• Avaliar a segurança em espaços fechados, onde um pequeno derrame de líquido produz um grande volume de gás

Quais são as razões de expansão do nitrogênio, oxigênio, argônio e GNL?

Estas são as razões de expansão normalizadas utilizadas em toda a indústria dos gases industriais e do GNL, todos indicados em condições normais.

O nitrogênio líquido tem uma razão de expansão de líquido para gás de cerca de 1 para 696 em condições normais. Um volume de nitrogênio líquido produz aproximadamente 696 volumes de nitrogênio gasoso.

O oxigênio líquido tem uma razão de expansão de líquido para gás de cerca de 1 para 861 em condições normais. Um volume de oxigênio líquido produz aproximadamente 861 volumes de oxigênio gasoso.

O argônio líquido tem uma razão de expansão de líquido para gás de cerca de 1 para 847 em condições normais. Um volume de argônio líquido produz aproximadamente 847 volumes de argônio gasoso.

O GNL tem uma razão de expansão de líquido para gás de cerca de 1 para 600 em condições normais. Um volume de GNL produz aproximadamente 600 volumes de gás natural.

Resumo em lista para consulta rápida.

• Nitrogênio líquido (LIN): cerca de 1 para 696
• Oxigênio líquido (LOX): cerca de 1 para 861
• Argônio líquido (LAR): cerca de 1 para 847
• GNL: cerca de 1 para 600

A expressão cerca de é importante. Estes são os valores de trabalho aceitos para estimativas de engenharia e para avaliação de segurança. Não são valores de acerto contratual, e a seção sobre condições de referência explica adiante porquê.

Como converter litros de líquido em metros cúbicos de gás?

O cálculo resume-se a uma multiplicação, e o único ponto que costuma gerar erros é a mudança de unidades de litros para metros cúbicos.

A regra a reter é que 1.000 litros equivalem a 1 metro cúbico. Assim, um litro de nitrogênio líquido produz cerca de 696 litros de gás, ou seja 0,696 metros cúbicos. Um metro cúbico de nitrogênio líquido produz cerca de 696 metros cúbicos de gás.

Exemplos resolvidos

• Um tanque de 20.000 litros de nitrogênio líquido, completamente cheio, contém 20.000 multiplicado por 696, ou seja 13.920.000 litros de gás, que correspondem a 13.920 metros cúbicos de nitrogênio gasoso
• Um tanque de 20.000 litros de oxigênio líquido contém 20.000 multiplicado por 861, ou seja 17.220.000 litros, que correspondem a 17.220 metros cúbicos de oxigênio gasoso
• Um recipiente de 1.000 litros de argônio líquido contém 1.000 multiplicado por 847, ou seja 847.000 litros, que correspondem a 847 metros cúbicos de argônio gasoso
• Um tanque de GNL de 20 metros cúbicos contém 20 multiplicado por 600, ou seja 12.000 metros cúbicos de gás natural

Note que estes valores pressupõem que o recipiente está completamente cheio. Na prática, um tanque é enchido até um nível de trabalho e esvaziado até um nível que aciona o reabastecimento, por isso, o equivalente em gás realmente utilizável é inferior. Essa correção é aplicada na seção de dimensionamento seguinte.

Como calcular o consumo de líquido a partir do consumo de gás?

Este é o sentido que mais interessa ao comprador, porque as instalações medem o consumo em unidades de gás e os fornecedores vendem líquido. Divida o consumo de gás pela razão de expansão para obter o volume de líquido necessário.

Exemplo com nitrogênio

Suponha que uma instalação consome 300 metros cúbicos por hora de nitrogênio gasoso.

• Líquido necessário por hora: 300 a dividir por 696 é igual a 0,431 metros cúbicos, ou seja 431 litros por hora
• Ao longo de 24 horas de funcionamento contínuo: 431 multiplicado por 24 é igual a 10.344 litros por dia, aproximadamente 10,3 metros cúbicos de nitrogênio líquido por dia
• Num intervalo de entrega de 7 dias: 10.344 multiplicado por 7 é igual a 72.408 litros de líquido utilizável

Exemplo com oxigênio

Uma instalação que consuma 500 metros cúbicos por hora de oxigênio gasoso necessita de 500 a dividir por 861, ou seja 0,581 metros cúbicos por hora, o que corresponde a 581 litros de oxigênio líquido por hora, ou cerca de 13.940 litros por dia em funcionamento contínuo.

O mesmo método aplica-se ao argônio com 847 e ao GNL com 600. Se seu consumo estiver indicado em metros cúbicos normais por hora, mantenha as unidades coerentes ao longo de todo o cálculo e confirme qual a condição de referência aplicada pelo seu fornecedor.

Como é que a razão de conversão define o tamanho do tanque de armazenamento?

Uma vez conhecido o consumo diário de líquido, o dimensionamento do tanque passa a ser uma questão de quanto tempo pretende funcionar entre entregas e que parte do tanque é efetivamente utilizável.

Retomando o exemplo do nitrogênio, com 10.344 litros por dia e um intervalo de entrega de 7 dias, a instalação necessita de 72.408 litros de líquido utilizável entre entregas. O volume utilizável não é igual à capacidade geométrica. Se sua prática operacional consiste em encomendar o reabastecimento quando o tanque atinge 20 por cento e encher até 90 por cento, apenas cerca de 70 por cento da capacidade geométrica é utilizável, por isso, o tanque necessário é aproximadamente 72.408 a dividir por 0,70, ou seja cerca de 103.000 litros.

A esse primeiro valor aplicam-se depois várias correções.

• Evaporação: os tanques criogênicos estacionários modernos perdem aproximadamente 0,2 a 0,6 por cento do conteúdo por dia, conforme o tamanho e o isolamento, por isso, instalações com consumo contínuo reduzido têm que contar com essa perda
• Consumo de ponta: um tanque dimensionado pelo consumo médio pode ainda assim não responder a um período curto de vazão elevada, o que é tanto uma questão de vaporizador e controle de pressão como de capacidade
• Logística de entrega: o intervalo de entrega praticável depende do tamanho da cisterna que serve a instalação e da rota do fornecedor, e não apenas do consumo
• Reserva: muitas instalações mantêm uma margem acima do nível de reabastecimento para cobrir uma entrega falhada
• Crescimento futuro: um tanque dimensionado com exatidão para o consumo atual torna-se a limitação do próximo aumento de produção

Para consumos baixos a moderados, esta aritmética aponta frequentemente para um recipiente MicroBulk em vez de um tanque a granel completo. Para consumos elevados ou em crescimento, aponta para um recipiente a granel maior ou para um par ligado em coletor.

Porque é que a razão de expansão é decisiva para a segurança em espaços fechados?

A mesma aritmética que torna o armazenamento criogênico econômico torna perigosos os derrames criogênicos no interior de edifícios. Um pequeno volume de líquido derramado transforma-se num grande volume de gás, e o nitrogênio e o argônio são incolores e inodoros, por isso, não existe qualquer aviso.

Considere um derrame de 10 litros de nitrogênio líquido. A 1 para 696, produz 6.960 litros de nitrogênio gasoso, ou seja cerca de 7 metros cúbicos. Numa sala fechada com 5 metros por 4 metros por 2,5 metros, o volume da sala é de 50 metros cúbicos. Admitindo que o gás liberado se mistura e desloca um volume igual de ar, a fração de ar restante é (50 menos 7) a dividir por 50, ou seja cerca de 0,86. O ar normal contém cerca de 20,9 por cento de oxigênio, por isso, a concentração de oxigênio desce para aproximadamente 18 por cento.

Muitos regimes nacionais consideram deficiente em oxigênio uma concentração inferior a cerca de 19,5 por cento. Neste exemplo, um derrame de 10 litros numa sala pequena é suficiente para ultrapassar esse limite, e um derrame maior ou um espaço menor o ultrapassa muito mais rápido.

As conclusões práticas decorrem diretamente da razão.

• Instale os recipientes a granel no exterior, ou em espaços com ventilação dimensionada para o volume de liberação credível
• Instale monitoramento de oxigênio onde sejam manuseados líquidos criogênicos inertes em áreas fechadas ou parcialmente fechadas
• Trate poços, valas, porões e caixas de escadas como pontos de acumulação, porque o gás frio é inicialmente denso
• Aplique a mesma aritmética no sentido inverso para o oxigênio líquido, em que um derrame enriquece a atmosfera e torna os materiais circundantes muito mais facilmente inflamáveis
• Utilize a razão de expansão ao redigir a avaliação de riscos, para que o volume de liberação considerado seja calculado e não presumido

Porque é que as razões de conversão publicadas diferem ligeiramente?

Vai encontrar valores ligeiramente diferentes em referências distintas, e a diferença resulta quase sempre da condição de referência e não de um erro.

• Temperatura de referência: o volume de gás depende da temperatura, e diferentes normas utilizam 0, 15 ou 20 graus Celsius como referência. Uma temperatura de referência mais elevada dá um volume de gás maior e, por isso, uma razão maior
• Pressão de referência: normalmente uma atmosfera, mas nem sempre indicada de forma explícita
• Condição do líquido: a densidade do líquido utilizada pode ser a do ponto de ebulição normal ou a de uma pressão de armazenamento típica, que não são idênticas
• Composição: o GNL é uma mistura, sobretudo metano, mas com quantidades variáveis de etano, propano e nitrogênio conforme a origem. Sua razão de expansão varia por isso com a composição da carga, razão pela qual o valor é dado como cerca de 1 para 600 e não como um valor exato

Para dimensionamento de engenharia e avaliação de segurança, as razões acima são os valores de trabalho corretos. Para transferência de custódia e faturamento, utilize os valores e as condições de referência inscritos no seu contrato de fornecimento, pois são esses os números que acertam as contas.

E a conversão para massa?

Muitos contratos de fornecimento são redigidos em quilogramas ou toneladas e não em litros. A conversão entre massa, volume de líquido e volume de gás exige a densidade do líquido específico na sua condição real de armazenamento e, no caso do GNL, exige também a composição da carga. Retire esses valores de densidade da ficha técnica do seu fornecedor de gás para o produto tal como é entregue, e não de uma referência genérica, porque um pequeno erro na densidade assumida desloca todo o cálculo.

Como se aplica a razão ao dimensionamento de vaporizadores e regaseificação?

Um vaporizador é classificado em vazão de gás, normalmente metros cúbicos normais por hora, mas consome líquido. A razão de expansão é o que liga o consumo de gás da instalação à vazão de líquido que atravessa o vaporizador, e é o primeiro passo de qualquer cálculo de dimensionamento.

• Parta do consumo de gás de ponta, e não do consumo médio, porque um vaporizador dimensionado por médias fica aquém durante os picos e entrega gás frio a jusante
• Converta o consumo de gás de ponta em vazão de líquido usando a razão de expansão do produto
• Aplique as condições ambientais do local de instalação, porque a capacidade dos vaporizadores atmosféricos diminui com temperaturas do ar mais baixas e umidade mais elevada
• Preveja unidades em serviço e em reserva com comutação para que cada uma possa descongelar, e dimensione o par para o caso de serviço em vez de assumir que ambas funcionam em permanência
• Para a regaseificação de GNL, confirme a temperatura e a pressão de entrega exigidas a jusante, pois estas definem a carga térmica tanto quanto a vazão

Uma verificação útil em qualquer proposta consiste em converter a capacidade de gás indicada novamente em litros de líquido por hora e compará-la com a capacidade do tanque. Se o vaporizador conseguir esvaziar o tanque em poucas horas à vazão nominal, o plano de armazenamento e de entregas precisa de revisão antes de o equipamento ser encomendado.

Perguntas frequentes

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