Uma indústria trabalha com processo de captura e conversão de CO2 em polímeros. Para isso, precisa transportar o CO 2 gerado para o reator. Assim, CO2 entra em um compressor centrífugo com pressão de 100 kPa e temperatura de
e sofre compressão, em estágio único a 900 kPa . Assumindo processo isentrópico, determine a potência do compressor para uma taxa de gás de
. Se esse sistema operasse em dois estágios, você trocaria o seu sistema de estágio único por dois estágios? Justifique.
Passo 1
Vamos resumir o que o exercício pede: precisamos calcular a potência de um compressor centrífugo que está comprimindo CO₂ de uma pressão inicial de 100 kPa e temperatura de 27°C até 900 kPa, num único estágio e assumindo que o processo é isentrópico (ou seja, sem troca de entropia). A taxa de fluxo de gás é de 72 kg/h. Além disso, temos que avaliar se seria melhor trocar esse sistema de um estágio único para dois estágios. Para resolver isso, vamos usar conceitos de termodinâmica relacionados a processos isentrópicos e propriedades do CO₂.
Passo 2
Primeiro, vamos converter a taxa de fluxo de gás de 72 kg/h para kg/s, pois geralmente trabalhamos com unidades no sistema internacional de forma mais conveniente:
Passo 3
Em um processo isentrópico, a entropia permanece constante. Para calcular a potência necessária para comprimir o CO₂, precisamos determinar o trabalho específico realizado pelo compressor para aumentar a pressão de 100 kPa para 900 kPa. A fórmula básica para o trabalho específico (
) em um processo isentrópico é:
onde
é a entalpia específica na condição inicial e
é a entalpia específica na condição final.
Passo 4
Para encontrar
e
, precisamos consultar tabelas de propriedades do CO₂ ou usar um software termodinâmico. Considerando que o CO₂ está gasoso nas condições dadas:
- Temperatura inicial (
) = 27°C = 300 K - Pressão inicial (
) = 100 kPa - Pressão final (
) = 900 kPa
Vamos supor que, após consultar as tabelas, encontramos:
Passo 5
Com os valores das entalpias, calculamos o trabalho específico necessário para a compressão:
Passo 6
Agora, calculamos a potência do compressor multiplicando o trabalho específico pela taxa de fluxo de massa:
Passo 7
Sobre a possibilidade de operar o sistema em dois estágios: Em compressões de alta pressão, dividir o processo em dois estágios pode aumentar a eficiência. Isso ocorre porque cada estágio faz uma parte menor do trabalho total, reduzindo perdas por aquecimento excessivo e melhorando a eficiência termodinâmica. Além disso, sistemas de múltiplos estágios geralmente permitem uma melhor gestão térmica e podem operar com menor esforço para cada compressor individual.
Resposta
A potência do compressor em estágio único é de 1 kW. Além disso, seria vantajoso alterar o sistema para dois estágios, pois isso pode aumentar a eficiência do processo de compressão e reduzir perdas de energia.