BR102016000012A2 - aparato e processo para separação de dióxido de carbono pela geração e dissociação de seus hidratos - Google Patents

Abstract

aparato e processo para separação de dióxido de carbono pela geração e dissociação de seus hidratos aparato e processo para separação de dióxido de carbono — co2de uma corrente gasosa pela geração de hidratos de co2no casco de um trocador de calor e pela dissociação dos hidratos de co2, gerados no casco, nos tubos do próprio trocador de calor, de modo a se ter equilíbrio térmico entre o processo exotérmico de geração e o processo endotérmico de dissociação dos hidratos de co2. do casco do trocador de calor, saem uma corrente gasosa a alta pressão não dissolvida na água de injeção, que pode ter alto teor de metano caso a corrente gasosa seja proveniente de um reservatório de hidrocarbonetos, e uma corrente de água carbonatada com hidratos de co2, que passa por uma válvula de expansão antes de entrar nos tubos do trocador de calor. dentro desses tubos os hidratos de co2se dissociam. depois da dissociação, a corrente de água carbonatada e a corrente de alto teor co2são separadas no carretel de saída do trocador de calor. essas duas correntes podem ser injetadas em reservatórios de petróleo ou em aquíferos salinos para melhoria da recuperação e sequestro de co2.

Description

(54) Título: APARATO E PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PELA GERAÇÃO E DISSOCIAÇÃO DE SEUS HIDRATOS (51) Int. Cl.: B01D 53/62; C01B 32/50 (73) Titular(es): PAULO CÉSAR RIBEIRO LIMA (72) Inventor(es): PAULO CÉSAR RIBEIRO LIMA (57) Resumo: APARATO E PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PELA GERAÇÃO E DISSOCIAÇÃO DE SEUS HIDRATOS Aparato e processo para separação de dióxido de carbono CO2de uma corrente gasosa pela geração de hidratos de C02no casco de um trocador de calor e pela dissociação dos hidratos de CO2, gerados no casco, nos tubos do próprio trocador de calor, de modo a se ter equilíbrio térmico entre o processo exotérmico de geração e o processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO2. Do casco do trocador de calor, saem uma corrente gasosa a alta pressão não dissolvida na água de injeção, que pode ter alto teor de metano caso a corrente gasosa seja proveniente de um reservatório de hidrocarbonetos, e uma corrente de água carbonatada com hidratos de CO2, que passa por uma válvula de expansão antes de entrar nos tubos do trocador de calor. Dentro desses tubos os hidratos de CO2se dissociam. Depois da dissociação, a corrente de água carbonatada e a corrente de alto teor C02são separadas no carretei de saída do trocador de calor. Essas duas correntes podem ser injetadas em reservatórios de petróleo ou em aquíferos salinos para melh(...)

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APARATO E PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PELA GERAÇÃO E DISSOCIAÇÃO DE SEUS HIDRATOS [001] A presente invenção está relacionada a um aparato e processo para separação de dióxido de carbono - CO₂. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada à captura do CO2 de uma corrente gasosa e ao seu sequestro por meio de um trocador de calor que ao mesmo tempo gera e dissocia os hidratos de CO2, 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.

[002] A tecnologia para captura de CO2 continua a ganhar viabilidade por tomar processos industriais, como a produção e queima de combustíveis fósseis, mais amigáveis ao meio ambiente. Contudo, as técnicas convencionais para sequestro de CO₂ e injeção de água carbonatada têm sido insuficientes para disseminar esses processos e atender as demandas mundiais. Prova disso é que 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 CCl· 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 e de geração de energia estão próximas desses reservatórios. Assim, não são necessários longos e caros dutos para transportar o CO2 para injeção. Apesar disso, em razão das limitações técnicas e financeiras das atuais tecnologias, praticamente todo o CO2 proveniente das plantas de geração de energia das plataformas de produção de petróleo está sendo lançado na atmosfera do planeta. Também é muito comum a produção de correntes gasosas, oriundas dos reservatórios, com alto teor de CO₂. As atuais tecnologias para separação do CO₂ apresentam uma série de limitações técnicas.

[004] Segundo o Sr. Osvaldo Kawakami, Gerente-Geral da Unidade de Operações de Exploração e Produção da Bacia de Santos, 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/Separarou-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

2/7 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 COj, 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.

3/7 [011] A Professora Ofélia de Queiroz comenta que “A alternativa é trabalhar na outra ponta, turbinando a LJPGN para receber um gás mais bruto, fracioná-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 (PRO-CO2), 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/comissoespermanentes/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,

4/7 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 para geração de uma corrente rica em metano, se a fonte de CO2 for reservatórios de petróleo, de uma corrente rica em CO₂ e de uma corrente de água carbonatada para injeção em reservatórios. 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 dentro dos tubos ocorre 0 processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO₂. 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. A fonte dessa mistura pode ser um sistema composto por um compressor de gás e duas bombas a jato. A fonte de CO₂ pode ser o próprio gás produzido ou o gás de combustão, a fonte de água pode ser a própria água de injeção a alta pressão já disponível, uma vez que a injeção de água é 0 principal método de recuperação secundária de petróleo.

[019] As bombas a jato podem compreender uma primeira bomba para pressurização da corrente gasosa com CO₂ e uma segunda bomba para pressurização da mistura bifásica de gás e água. Tanto na primeira quanto na segunda bomba a jato podem ocorrer escoamento supersônico de modo a promover a mistura da água com bolhas de gás de reduzidíssima dimensão. Das bombas a jato, a mistura bifásica pode escoar por um tubo dissolver e misturador, onde fração da corrente gasosa já se dissolve na água de injeção.

5/7 [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. Na parte superior do casco saem os gases não dissolvidos e na parte inferior sai uma corrente de água carbonatada com hidratos de CO2. A água carbonatada com hidratos de CO2 passa por uma válvula onde ocorre a redução da pressão e da temperatura. A seguir essa mistura escoa até 0 carretei de entrada do trocador de calor e, a seguir, pelos tubos do trocador de calor. Dentro dos tubos do trocador de calor ocorre 0 processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO2. Dessa forma, o processo exotérmico de geração de hidratos de CO2 dentro do casco é compensado pelo processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO2. Desse modo, 0 trocador de calor opera em equilíbrio térmico. No carretei de saída do trocador de calor, saem uma corrente com alto teor de COi e água carbonatada.

[021] Os gases não dissolvidos no easco do trocador de calor, caso sejam oriundos apenas do próprio reservatório, são compostos principalmente de metano e etano. Depois de escoarem por uma unidade de desidratação, esses gases podem ser direcionados para um gasoduto ou para uma unidade de processamento de gás natural.

[022] No caso de os gases não dissolvidos serem oriundos apenas de gases de combustão, depois de passarem por unidades de tratamento, eles podem ser descartados na atmosfera.

[023] Esses e outros aspectos da presente invenção são descritos em detalhe nas figuras mostradas a seguir.

[024] A Figura 1 mostra uma vista em corte do trocador de calor.

[025] A Figura 2 mostra uma vista em corte das bombas a jato.

[026] A Figura 3 mostra um fluxograma relativo ao tratamento de uma corrente gasosa com CO2 proveniente de um reservatório de petróleo.

[027] Os componentes descritos nas figuras 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 Figura 1 mostra uma mistura, a alta pressão, de água e uma corrente gasosa com CO2 (100) que entra por vários bocais (105) na parte inferior do casco (110) de um

6/7 trocador de calor (115). Dentro do casco (110), bolhas de gás de reduzida dimensão (120) entram em contato com a água em condições de pressão e temperatura que promovem formação de hidratos de CO2. Essas bolhas vão se coalescendo e formando bolhas de maior dimensão (125) à medida que sobem pelo casco (110), Na parte superior do casco (110), saem os gases não dissolvidos (130) e na parte inferior direita sai água carbonatada com hidratos de CO2 (135), que escoa por uma válvula de expansão (140) onde ocorre uma redução de pressão e temperatura. Dessa válvula de expansão, a água carbonatada com hidratos de CO2 resfriada (145) escoa para o carretei de entrada (150) do trocador de calor (115) e, a seguir, pelos tubos do trocador de calor (155). Dentro desses tubos ocorre a dissociação dos hidratos de CO2. Dos tubos do trocador de calor, uma mistura de corrente gasosa com alto teor de CO2 e água carbonatada (160) escoa para o carretei de saída (165) onde são separadas. Na parte inferior do carretei sai água carbonatada (170) e na parte superior sai uma corrente com alto teor de CO2.

[029] A Figura 2 mostra uma fonte de CO2 (210) e uma fonte de água de processo a alta pressão (220) que entram em uma bomba a jato (230). Nessa primeira bomba, a água de processo é 0 fluido motriz que comprime a corrente com CO2. Dessa primeira bomba sai uma mistura bifásica (240) que entra em uma bomba a jato bifásica (150), onde também a água de processo a alta pressão (220) é 0 fluido motriz. Dessa bomba a jato bifásica, sai uma mistura bifásica a alta pressão (260) com bolhas de gás de reduzidíssima dimensão. Essa mistura escoa por um tubo dissolvedor e misturador (270) com a presença de internos (280) que aumentam a eficiência da dissolução, de onde sai uma mistura, a alta pressão, de água com uma fração de CO2 já dissolvida e uma corrente gasosa com CO2 não dissolvido (100).

[030] A Figura 3 mostra a mistura, a alta pressão, de água com uma fração de CO₂ já dissolvida e uma corrente gasosa com CO2 não dissolvido (100) que entra na parte inferior do casco (110) de em um trocador de calor (115), onde o gás, proveniente de um reservatório de hidrocarbonetos, é pressurizado por um compressor (310), antes de ser comprimido na bomba a jato (230) e na bomba bifásica a jato (250). A água motriz a alta pressão é proveniente de bombas de injeção (311). A água pressurizada pelas bombas de injeção atua como fluido motriz da bomba a jato (230) e da bomba bifásica a jato (250). Na parte superior do casco (110) do trocador de calor (115), saem os gases não dissolvidos (130), com alto teor de metano, que são direcionados para uma unidade de desidratatação

7/7 (320) e, a seguir, para um gasoduto (330). Da parte inferior do casco (110) do trocador de calor (115), sai uma mistura de água carbonatada com hidratos de CO₂ (135). Essa mistura escoa por uma válvula de expansão (140), onde ocorre redução de temperatura e pressão. Dessa válvula de expansão, a mistura resfriada (145) escoa para o carretei de entrada (150) do trocador de calor (115). Desse carretei, a mistura entra nos tubos (155) do trocador de calor (115). Nesses tubos, ocorre a dissociação dos hidratos de CO₂. O CO₂ e a água carbonatada (160) escoam dos tubos (155) do trocador de calor (115) para o carretei de saída (165). Nesse carretei, ocorre a separação da água carbonatada da corrente gasosa de alto teor de CO₂. A água carbonatada (170), saí pela parte inferior do carretei de saída (165) e a corrente gasosa de alto teor de CO2 (175) sai pela parte superior. Essas correntes são, então, direcionadas para injeção ou sequestro em reservatórios ou aquíferos salinos.

[031] A presente invenção supera uma série de restrições do estado da técnica anterior. Algumas dessas restrições são discutidas a seguir.

[032] 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.

[033] Em algumas concepções da presente invenção, as águas utilizadas podem ser corrosivas e geradoras de incrustaçao. 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.

[034] 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.

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Claims (3)

1. REIVINDICAÇÕES

   APARATO E PROCESSO PARA SEPARAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO PELA GERAÇÃO E DISSOCIAÇÃO DE SEUS HIDRATOS

   01. Aparato e processo para separação de dióxido de carbono caracterizados por uma mistura, a alta pressão, de água e uma corrente gasosa com dióxido de carbono - CO2 que entra no casco de um trocador de ealor, onde as condições de pressão e temperatura são suficientes para gerar hidratos de CO?; pela geração, no casco do trocador de calor, de uma corrente de gases não dissolvidos com baixo teor de CO2; pela dissolução do CO2 e pela geração, no casco do trocador de calor, de hidratos de CO2; por uma válvula de expansão, onde ocorre redução de temperatura e pressão da mistura de água carbonatada e hidratos de CO₂ que sai do casco do trocador de ealor; pelo escoamento dessa mistura para o carretei de entrada do trocador de calor; pela dissociação dos hidratos de CO2 dentro dos tubos do trocador de calor; pelo equilíbrio térmico no trocador de calor em razão do processo exotérmico de geração de hidratados de CO? e do processo endotérmico de dissociação dos hidratos de CO2; e pela geração de uma corrente gasosa de alto teor de CO2 e de uma corrente de água carbonatada no carretei de saída do trocador de calor.

   02. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizados pela mistura, a alta pressão, de água e uma corrente gasosa com CO₂ poder ser gerada por uma bomba a jato, que, a partir de bombas de injeção de água, comprime a corrente gasosa com CO₂, e por uma bomba bifásica a jato, que, a partir de bombas de injeção de água, que comprime a mistura bifásica gás-líquido que sai da bomba a jato.

   03. Aparato e processo de acordo com as reivindicações 1 e 2 caracterizados pela mistura, a alta pressão, de água e uma corrente gasosa com CO₂ poder escoar por um tubo misturador e dissolvedor de CO₂ de modo a aumentar a fração de CO? dissolvido na água antes de essa mistura entrar no casco do trocador de calor.

   04. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 2 caracterizados pela corrente gasosa com CO₂ poder ser pressurizada por meio de um compressor antes de entrar na bomba a jato.
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   05. Aparato e processo de acordo com a reivindicações 1 e 2 caracterizados pela corrente gasosa com CO2 poder ser proveniente de reservatórios de hidrocarbonetos.

   06. Aparato e processo de acordo com a reivindicações 1 e 2 caracterizados pela corrente gasosa com CO2 poder ser proveniente da combustão de energéticos, como, por exemplo, o gás natural e o óleo diesel.

   07. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizados pela corrente gasosa de alto teor de CO2 e pela corrente de água carbonatada poderem ser injetadas em reservatórios de hidrocarbonetos ou em aquíferos de modo a melhor a recuperação e sequestrar o CO2.

   08. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizados pela segregação da corrente gasosa de alto teor de CO2 da corrente de água carbonatada poder ocorrer em um separador específico, em vez de ocorrer no carretei de saída do trocador de calor.

   09. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 8 caracterizados pelo separador específico poder pode ser gravitacional, centrífugo ou de qualquer outro tipo que permita uma eficiente e compacta separação.

   10. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizados pela corrente de água carbonatada com hidratos de CO2 poder ser direcionada para um separador do tipo gravitacional, do tipo hidrociclone ou de qualquer outro tipo que permita uma eficiente segregação de fração da água carbonatada para seguir diretamente para injeção em reservatórios.

   11. Aparato e processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizados por poder ter uma ou mais bombas bifásicas a jato em série onde se atinge escoamento supersônico de modo a se gerar bolhas de reduzidíssima dimensão e aumentar a área de contato para transferência de massa.

   12. Aparato e processo e aparato 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.

   13. Aparato e processo de acordo com as reivindicações anteriores caracterizados por poderem receber inibidores de formação de hidratos de gás natural, inibidores de corrosão,
3. 3/3 inibidores de incrustação ou qualquer outro tipo de substância química que permita a adequada aplicação do processo.

   14. 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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   FIGURAS Figura 1

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