BR102016000010A2 - Apparatus and process for separation of carbon dioxide by the generation and dissociation of hydrates - Google Patents
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Description
APARATO E PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PELA GERAÇÃO E DISSOCIAÇÃO DE HIDRATOS
[001] A presente invenção refere-se a um aparato e processo para separação de dióxido de carbono - CO2 e metano - CH4. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada à captura do CO2 e CH4 de uma corrente gasosa por meio de um trocador de calor que ao mesmo tempo gera e dissocia os hidratos de CO2 e CH4, de modo a gerar uma corrente de água carbonatada e uma corrente de alto teor de CO2 a serem injetadas em reservatórios de petróleo ou em aquíferos, para promover a melhoria da recuperação e o sequestro do CO2, e de modo a gerar uma corrente com alto teor de CH4.
[002] A tecnologia para separação de CO2 e posterior sequestro continua a ganhar importância por tomar processos industriais, como a produção e queima de combustíveis fósseis, mais amigáveis ao meio ambiente. Contudo, as técnicas convencionais para sequestro e injeção de CO2, assim como de água carbonatada, têm sido insuficientes para disseminar esses processos e atender as demandas mundiais. Prova disso é que, por exemplo, praticamente toda a água injetada nos reservatórios petrolíferos do Brasil e do mundo não é carbonatada.
[003] Uma das técnicas convencionais envolve a injeção de CO2 em poços tanto para melhorar a produção de petróleo quanto para estocá-lo nos reservatórios. Importa ressaltar que, principalmente no caso de plataformas de produção de petróleo, as plantas de processamento primário estão próximas desses reservatórios. Assim, não são necessários longos e caros dutos para transportar o CO2 para injeção tanto puro quanto na forma de água carbonatada. Entretanto, as atuais tecnologias para separação e injeção do CO2 apresentam uma série de limitações e restrições técnicas. Isso tomou-se evidente após a descoberta da província do Pré-Sal, na plataforma continental brasileira, onde muitas áreas apresentam altas razões gás-óleo e alto teor de CO2, como, por exemplo, em Libra, Júpiter e Búzios.
[004] Segundo o Sr. Osvaldo Kawakami, Gerente-Geral da Unidade de Operações de Exploração e Produção da Bacia de Santos, a Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras ainda carece de uma solução para monetizar as grandes reservas de gás natural do campo de Libra, conforme mencionado no sítio da internet no endereço eletrônico http://www.gasnet.com.br/conteudo/18012/Separar-ou-reinjetar-eis-a-questao.
[005] A expectativa é que, ao menos inicialmente, a Petrobras reinjete todo o gás produzido em Libra, em função do alto teor de dióxido de carbono associado por falta de uma tecnologia de separação que não onere demais o projeto. O Sr. Osvaldo Kawakami disse que “Vamos reinjetar até desenvolvermos uma solução”, durante uma apresentação, no Rio de Janeiro, conforme publicado no dia 4 de novembro de 2015 no sítio da internet no endereço eletrônico http://www.abegas.org.br/Site/?p=52050.
[006] A solução utilizada nos FPSOs mais novos da Petrobras, baseada em membranas, não seria adequada ao caso de Libra, onde, estima-se, que o teor de dióxido de carbono pode variar entre 45% e 90%. Esses níveis são, segundo especialistas, bem superiores ao limite de trabalho ótimo das membranas, de 30%. Além disso, tal variação exigiria que a plataforma já viesse equipada com uma quantidade de membranas capaz de separar teores mais elevados de dióxidos de carbono que só apareceríam no final da campanha, após anos de reinjeção.
[007] Outro complicador é que, em situações de grande vazão de gás com alto nível de dióxido de carbono, as membranas permitem a passagem de metano (CH4), demandando compressores ainda mais potentes para reinjetar os gases no poço. Ou seja, equipamentos mais complexos e que ocupam mais espaço no caríssimo metro quadrado do topside de plataformas do Pré-Sal.
[008] O Professor José Luís de Medeiros do Centro de Excelência em Gás Natural - CEGN do Parque Tecnológico da Universidade Federal do Rio de Janeiro explica que “O metano expande a corrente de CO2, que fica menos densa e mais volumosa, aumentando os custos de compressão dessa carga e encarecendo o sistema de rebombeio”. Ele coordena, com a Professora Ofélia de Queiroz, um projeto que visa estudar alternativas para o desenvolvimento de empreendimentos offshore da classe de Libra, com foco no processamento, separação e exportação de gás.
[009] Uma das soluções em estudo se baseia em tecnologias de destilação criogênica, recomendadas para gás natural com teores de dióxido de carbono acima de 30%. O problema dessa alternativa é que, por conta de sua estatura, as colunas de destilação são pouco apropriadas para serem instaladas em unidades flutuantes.
[010] Outra opção seria centralizar o processamento de gás em terra, utilizando plantas offshore mais simples que se limitariam a despachar o gás “sujo” por meio de dutos para a costa. O dióxido de carbono então retomaria, em estado liquefeito, por um carboduto para ser reinjetado no campo.
[011] A Professora Ofélia de Queiroz comenta que “A alternativa é trabalhar na outra ponta, turbinando a UPGN para receber um gás mais bruto, ffacioná-lo, separar o CO2 e retomá-lo para EOR (sigla para recuperação avançada de petróleo - enhanced oil recovery)”.
[012] O CEGN é um dos laboratórios que fazem parte do Programa Tecnológico de Gerenciamento de CO2 no Pré-Sal da Bacia de Santos (PR0-C02), do centro de pesquisas da Petrobras - Cenpes. A iniciativa prevê o desenvolvimento de projetos com universidades e empresas brasileiras e internacionais com o objetivo de avaliar a viabilidade técnica e econômica do uso de diferentes tecnologias combinadas para simplificar plantas de tratamento de grandes volumes de gás, incluindo a separação do dióxido de carbono.
[013] Em Audiência Pública realizada na Comissão de Minas e Energia da Câmara dos Deputados, no dia 17 de junho de 2015, a Gerente-Executiva do Projeto Libra, Sra. Anelise Quintão Lara, apresentou os seguintes dados sobre Libra, conforme descrito no endereço eletrônico http://www2.camara.leg.br/atividade-legislativa/comissoes/comissoes-permanentes/cme/audiencias-publicas/2015/17-06-2015/Anelise%20-%20PETROBRAS%20Audiencia%20CME%2017%20junho.pdf, acessado no dia 6 de novembro de 2015: - reservatórios do Pré-Sal de grandes espessuras; - baixo teor de ácido sulfídrico - H2S; - reservatório de boa qualidade permo-porosa; - razão gás-óleo - RGO elevada: ~450 m3/m3; - óleo leve: ~27 API; - alto teor de dióxido de carbono - CO2: ~42%.
[014] Segundo ela, a solução padrão seria a reinjeção total da fase gasosa produzida por meio do processo de injeção alternada de água e gás. A unidade de produção seria do tipo FPSO e teria capacidade de processamento de óleo de 150 mil barris por dia e capacidade de compressão de gás de 12 milhões de metros cúbicos por dia. Na fase 1, de 2021 a 2030, a produção esperada em Libra é maior que 1 milhão de barris por dia.
[015] Dessa forma, apenas na Fase 1, poderão estar sendo injetados cerca de 46 milhões de metros cúbicos por dia em Libra, o que representa quase metade de todo o gás natural produzido no Brasil. Além da injeção de um combustível estratégico para o País, essa injeção apresenta altíssimos custos, além de não ser a melhor opção para a recuperação do petróleo. Essa possibilidade de reinjeção total decorre da falta de tecnologia para lidar com esses grandes volumes de gás, com alto teor de dióxido de carbono.
[016] A reinjeção de gás natural em reservatórios do Pré-Sal, como em Libra e outros, pode ser considerada uma oportunidade perdida para que o Brasil possa implantar uma vastíssima rede de distribuição e consumo desse importante energético. É como se uma grande fonte de energia fosse desperdiçada pela sua reinjeção no reservatório em um mundo cada vez mais carente de insumos energéticos para o aumento do bem-estar de todos. Fica clara, então, a necessidade de se desenvolver aparatos para viabilizar o sequestro de CO2 e sua injeção em escala mundial, o que hoje não ocorre.
[017] A presente invenção propõe um aparato e processo simples e de baixo custo para separação de CO2 e CH4, para geração de água carbonatada para injeção em reservatórios, de uma corrente rica em CO2 e de uma corrente rica em metano. O principal componente do aparato e do processo é um trocador de calor onde dentro do casco ocorre o processo exotérmico da geração de hidratos de CO2 e CH4 e dentro dos tubos ocorre o processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO2 e CH4. Dessa forma, ocorre um processo estável de captura do CO2 a partir da água de injeção a alta pressão disponível na grande maioria dos campos de petróleo mundo afora.
[018] Uma concepção da invenção compreende uma mistura a alta pressão de água de injeção e uma corrente gasosa com CO2 e CH4. A fonte dessa mistura são reservatórios de hidrocarbonetos. Essa mistura passa por um sistema composto por um compressor de gás e uma bomba a jato. A fonte de água pode ser a própria água de injeção a alta pressão já disponível, uma vez que a injeção de água é o principal método de recuperação secundária de petróleo.
[019] Deve ocorrer escoamento supersônico na bomba a jato de modo a promover a mistura da água com bolhas de gás de reduzidíssimas dimensões.
[020] Essa mistura bifásica entra na parte inferior do casco de um trocador de calor, onde ocorre um processo exotérmico de geração de hidratos de CO2 e CH4. Na parte superior do casco saem os gases não dissolvidos e não formadores de hidrato e na parte inferior sai uma corrente de água carbonatada com hidratos de CO2 e CH4.
[021] Essa corrente entra em um vaso separador de hidratos. O hidrato de CH4 é mais leve que a água carbonatada e “flutua”; o hidrato de CO2 é mais pesado que a água carbonatada e “afunda”. No bocal inferior do separador de hidratos, sai água carbonatada com hidratos de CO2 que passa por uma válvula onde ocorre a redução da pressão e da temperatura. A seguir essa mistura escoa até o bocal inferior do carretei de entrada do trocador de calor e, a seguir, pelos tubos do trocador de calor. No bocal superior do separador de hidratos, sai água carbonatada com hidratos de CH4 que passa por outra válvula onde ocorre a redução da pressão e da temperatura. A seguir essa mistura escoa até o bocal superior do carretei de entrada do trocador de calor e, a seguir, pelos tubos do trocador de calor. A parte superior do carretei de entrada do trocador de calor é separada hidraulicamente da parte inferior.
[022] Dentro dos tubos do trocador de calor ocorre o processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO2 e dos hidratos de CH4. Dessa forma, o processo exotérmico de geração de hidratos dentro do casco é compensado pelo processo endotérmico de dissociação dos hidratos. Desse modo, o trocador de calor opera em equilíbrio térmico. A parte inferior do carretei de saída do trocador de calor é separada hidraulicamente da parte superior. No bocal inferior da parte inferior do carretei de saída do trocador de calor, sai água carbonatada; no bocal superior da parte inferior do carretei de saída do trocador de calor, sai uma corrente rica em CO2. Já no bocal superior da parte superior do carretei de saída do trocador de calor, sai uma corrente rica em metano; no bocal inferior da parte superior do carretei de saída do trocador de calor, sai água carbonatada.
[023] Os gases não dissolvidos e não formadores de hidrato no casco do trocador de calor são direcionados para uma unidade de processamento. Os hidrocarbonetos podem ser aproveitados e outros gases podem ser descartados.
[024] Esses e outros aspectos da presente invenção são descritos em detalhe na Figura 1.
[025] A Figura 1 mostra um fluxograma relativo ao tratamento de uma corrente gasosa com CO2 e CH4 proveniente de um reservatório de petróleo.
[026] A Figura 1 mostra uma bomba centrífuga (100) que pressuriza água de injeção (105) que atua com fluido motriz da bomba a jato (110), que comprime uma corrente gasosa com CO2 e CH4 (115) proveniente de um compressor (116). É gerada, então, uma mistura, a alta pressão, de água e uma corrente gasosa com CO2 e CH4 (120) que entra por vários bocais (125) na parte inferior do casco (130) de um trocador de calor (135). Dentro do casco (130), bolhas de gás de reduzida dimensão entram em contato com a água em condições de pressão e temperatura que promovem formação de hidratos de CO2 e de hidratos de CH4. Essas bolhas vão se coalescendo e formando bolhas de maior dimensão à medida que sobem pelo casco. Na parte superior do casco (130), saem os gases não dissolvidos e não formadores de hidratos (136) e na parte inferior direita sai água carbonatada com hidratos de CO2 e hidratos de CH4 (140), que escoa por um separador de hidratos (145). No bocal inferior do separador de hidratos (145), sai água carbonatada com hidratos de CO2 (146) que escoa por uma válvula de expansão A (150) onde ocorre uma redução de pressão e temperatura. Dessa válvula de expansão A, a água carbonatada com hidratos de CO2 resfriada (155) escoa para a parte inferior de um carretei de entrada (160) do trocador de calor (135) e, a seguir, pelos tubos inferiores (165) do trocador de calor (135). Dentro desses tubos inferiores ocorre a dissociação dos hidratos de CO2. Dos tubos inferiores (165) do trocador de calor (135), sai uma mistura de corrente gasosa com alto teor de CO2 e água carbonatada (170) que escoa para a parte inferior do carretei de saída (175) onde são separadas. No bocal inferior da parte inferior do carretei sai água carbonatada (170) e no bocal superior da parte inferior sai uma corrente com alto teor de CO2 (175). No bocal superior do separador de hidratos (145), sai água carbonatada com hidratos de CH4 (190) que escoa por uma válvula de expansão B (195) onde ocorre uma redução de pressão e temperatura. Dessa válvula de expansão B, a água carbonatada com hidratos de CH4 resfriada (200) escoa para a parte superior do carretei de entrada (160) do trocador de calor (135) e, a seguir, pelos tubos superiores (205) do trocador de calor (135). Dentro desses tubos ocorre a dissociação dos hidratos de CH4. Dos tubos superiores do trocador de calor (205), escoa uma mistura com alto teor de CH4 e água carbonatada (210) para a parte superior (215) do carretei de saída (175) onde são separadas. No bocal inferior da parte superior do carretei de saída sai água carbonatada (220) e no bocal superior da parte superior do carretei de saída sai uma corrente com alto teor de CH4 (225).
[027] Os componentes descritos são apenas ilustrativos e não devem ser vistos de forma restritiva. Muitos componentes ou etapas do processo podem ser substituídos por outros componentes com funções similares dentro do escopo da invenção. Esses outros elementos ou etapas não descritos podem ser considerados como elementos da presente invenção.
[028] A presente invenção supera uma série de restrições do estado da técnica anterior. Algumas dessas restrições são discutidas a seguir.
[029] Ao eliminar a necessidade de altíssimos custos de capital dos sistemas convencionais de separação de CO2, dos compressores de altíssimas vazões e altíssimas razões de compressão, a presente invenção viabiliza economicamente a carbonatação da água de injeção e a geração de um corrente de alto teor de CO2.
[030] Em algumas concepções da presente invenção, as águas utilizadas podem ser corrosivas e geradoras de incrustação. O aparato e processo da presente invenção pode ser flexível o suficiente para que os custos adicionais decorrentes da seleção de materiais e uso de inibidores não sejam excessivos. Ações para reduzir custos podem incluir o tratamento da água, a filtração, o ajuste do pH, entre outras.
[031] Deve ser entendido que as concepções e reivindicações descritas na presente invenção não devem ser limitadas, em suas aplicações, aos detalhes de construção e arranjo dos componentes aqui descritos e ilustrados. Ao contrário, as descrições e desenhos são simples exemplos. Além disso, a terminologia e as frases adotadas não devem ser vistas como limitantes da presente invenção.
REIVINDICAÇÕES
Claims (15)
- 01. Aparato e processo para separação de dióxido de carbono pela geração e dissociação de hidratos, caracterizados por bombas de injeção de água a alta pressão; por bombas a jato que pressurizam uma corrente gasosa com dióxido de carbono - CO2 e metano - CH4; por uma mistura a alta pressão com a presença de água, CO2 e CH4 que entra no casco de um trocador de calor, onde as condições de pressão e temperatura são suficientes para gerar hidratos de CO2 e CH4; pela geração, no casco do trocador de calor, de uma corrente de gases não dissolvidos e não formadores de hidratos; pela geração, no casco do trocador de calor, de hidratos de CO2 e de hidratos de CH4; por uma corrente de água carbonatada com hidratos de CO2 e hidratos de CH4; por um vaso separador de hidratos, onde hidratos de CO2 e hidratos de CH4 misturados com água carbonatada são separados; por uma válvula de expansão, onde ocorre redução de temperatura e pressão da mistura de água carbonatada e hidratos de CO2 que sai da parte inferior do separador de hidratos e é direcionada para a parte inferior do carretei de entrada do trocador de calor; por uma válvula de expansão, onde ocorre redução de temperatura e pressão da mistura de água carbonatada e hidratos de CH4 que sai da parte superior do separador de hidratos e é direcionada para a parte superior do carretei de entrada do trocador de calor; pela separação hidráulica entre a parte superior e a parte inferior do carretei de entrada do trocador de calor; pela dissociação dos hidratos de CO2 dentro dos tubos inferiores do trocador de calor; pela dissociação dos hidratos de CH4 dentro dos tubos superiores do trocador de calor; pelo equilíbrio térmico no trocador de calor em razão do processo exotérmico de geração de hidratados e do processo endotérmico de dissociação dos hidratos; pela separação de uma corrente gasosa de alto teor de CO2 e de uma corrente de água carbonatada na partir inferior do carretei de saída do trocador de calor; pela separação de uma corrente gasosa de alto teor de CH4 e de uma corrente de água carbonatada na partir superior do carretei de saída do trocador de calor; e pela separação hidráulica entre a parte superior e a parte inferior do carretei de saída do trocador de calor.
- 02. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por a corrente gasosa com dióxido de carbono - CO2 e metano - CH4 ser oriunda de um separador gás-líquido de processo ou qualquer outra fonte de gases produzidos.
- 03. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por as bombas a jato poderem ser substituídas por misturadores tipo venturi ou qualquer outro tipo de misturadores que geram bolhas de gás de reduzidíssimas dimensões.
- 04. Aparato e processo de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizados por se atingir escoamento supersônico nas bombas a jato ou nos misturadores.
- 05. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por a corrente gasosa com CO2 e CH4 poder ser pressurizada por meio de um compressor antes de entrar na bomba a jato.
- 06. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por a corrente gasosa de alto teor de CO2 e pelas correntes de água carbonatada poderem ser injetadas em reservatórios de hidrocarbonetos ou em aquíferos de modo a melhorar a recuperação e sequestrar o CO2.
- 07. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por a segregação da corrente gasosa de alto teor de CO2 da corrente de água carbonatada e da corrente gasosa com alto teor de CH4 poderem ocorrer em separadores específicos, em vez de ocorrer no carretei de saída do trocador de calor.
- 08. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizados por os separadores específicos poderem ser do tipo gravitacional, do tipo centrífugo ou de qualquer outro tipo que permita uma eficiente separação.
- 09. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por a corrente de água carbonatada com hidratos de CO2 e com hidratos de CH4 poder ser direcionada para um separador do tipo gravitacional, do tipo hidrociclone ou de qualquer outro tipo que permita uma eficiente segregação.
- 10. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por a corrente de água carbonatada com hidratos de CO2 e com hidratos de CH4 poder ser direcionada para um separador trifásico, onde fração da água carbonatada pode seguir diretamente para injeção em reservatórios ou aquíferos.
- 11. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por poder ter uma ou mais bombas de processo em série ou em paralelo.
- 12. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por poder ter bombas a jato em paralelo ou em série onde se atinge escoamento supersônico de modo a se gerar bolhas de gás de reduzidíssimas dimensões e aumentar a área de contato para transferência de massa.
- 13. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por poderem ser utilizados conjuntos de bombas a jato e bombas bifásicas a jato em série ou em paralelo, de modo a aumentar a pressão e a vazão de operação.
- 14. Aparato e processo de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizados por poderem receber inibidores de formação de hidratos, inibidores de corrosão, inibidores de incrustação ou qualquer outro tipo de substância química que permita a adequada aplicação do processo.
- 15. Aparato de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por poder contar com dispositivos estáticos ou dinâmicos para aumentar a eficiência da mistura e da área de contato entre as substâncias do processo.
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