BR102020024670A2

BR102020024670A2 - Processo de separação de dióxido de carbono de uma corrente gasosa e uso

Info

Publication number: BR102020024670A2
Application number: BR102020024670-4A
Authority: BR
Inventors: Aline Machado De Castro
Original assignee: Petróleo Brasileiro S.A. - Petrobras
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-14
Also published as: US20240001290A1; NO20230615A1; GB202307832D0; AU2021393372A1; AU2021393372A9; WO2022115923A1; DK202370254A1; GB2615941A

Abstract

processo de separação de dióxido de carbono de uma corrente gasosa e uso. a presente invenção trata de um processo de separação de co2/ch4 utilizando enzima anidrase carbônica, através de um sistema com membranas contactoras e um vaso contendo líquidos absorvedores que possuem elevada salinidade, que mantém uma faixa de ph específica para promover a formação de sais carbonatos, de forma integrada ao processo de captura de co2. tal processo resulta em uma separação mais eficiente com conversão de co2 a produtos com maior valor agregado ou, alternativamente, sequestrem o co2 de forma mais permanente, evitando assim sua emissão na atmosfera. a presente invenção é aplicada a correntes de gás natural com teores de co2, mais particularmente em campos de petróleo offshore ou unidades de processamento de gás natural onshore, bem como correntes de biogás.

Description

PROCESSO DE SEPARAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO DE UMA CORRENTE GASOSA E USO

Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de um processo de separação de dióxido de carbono e metano com aplicação na área de recuperação de campos de petróleo offshore e no processamento onshore de gás natural, visando uma separação mais eficiente e que preferencialmente converta o dióxido de carbono a produtos com maior valor agregado ou, alternativamente, sequestrem o dióxido de carbono de forma mais permanente, evitando assim sua emissão na atmosfera.

Descrição do Estado da Técnica

[002] Os campos de produção de petróleo offshore tem apresentado elevados teores de CO2 na fase gás, o qual precisa ser separado do metano, para evitar sua emissão na atmosfera e enquadrar o metano para despacho.

[003] Atualmente, os processos utilizados em algumas plataformas empregam membranas densas do tipo gás-gás, as quais impõem elevada perda de carga (variação de pressão nos lados alimentação-permeado) e apresentam limitações de seletividade, ao passo que se perde muito metano (CH4) na corrente de dióxido de carbono (CO2) que é reinjetada nos reservatórios. Além disso, a reinjeção de CO2 em fase gasosa representa uma corrente de alta permeância nas rochas, e hoje já se tem observado a formação de um loop de CO2 entre poços injetores e produtores, tendendo a aumentar cada vez mais a concentração de CO2 na fase gasosa produzida.

[004] Assim, é de elevado interesse da área de Exploração & Produção de Petróleo e Gás que haja tecnologias que possam oferecer separação mais eficiente de CO2-CH4 e que, preferencialmente, convertam o CO2 a produtos que gerem receita ou, alternativamente, sequestrem o CO2 de forma mais permanente.

[005] Nesse sentido, alguns trabalhos tem proposto a associação da enzima anidrase carbônica (CA) a sistemas com membranas para acelerar a captura de CO2. A CA age como um biocatalisador que converte o CO2 a íon bicarbonato (reação 1) e, a depender do pH (se mais alcalino), pode levar à obtenção de íon carbonato.
CA
CO2 + H2O ↔ HCO3- + H+ reação 1

[006] Com abordagem nessa linha, ILIUTA, I.: ILIUTA, M C. “Investigation of CO2 removal by immobilized carbonic anhydrase enzyme in a hollow-fiber membrane bioreactor”, AiChE Journal, v. 63, p. 2996-3007, 2017 avaliaram a imobilização da CA humana II em membranas de fibra oca compostas por nylon, assumindo como fonte do gás o CO2 dissolvido em uma solução tampão que foi passada pelo interior da membrana. Concentrações de bicarbonato de até 9 mmol/L foram observadas, quando a concentração de CO2 em solução era de cerca de 17mmol/L.

[007] Por seu turno, CHENG, L. H. et al. “Hollow fiber contained hydrogel-CA membrane contactor for carbon dioxide removal from the enclosed spaces”, Journal of Membrane Science, v. 324, p. 33-43, 2008 propuseram um sistema contendo uma CA de origem algácea imobilizada na camada de hidrogel e poli(ácido acrílico-co-acrilamida), recobrindo a superfície de polipropileno de membranas de fibras ocas. A concentração de CO2 foi reduzida de 0,52% vol na entrada para 0,09% vol na saída do módulo de membrana.

[008] Recentemente, XU, Y. et al. “Biocatalytic PVDF composite hollow fiber membranes for CO2 removal in gas-liquid membrane contactor”, Journal of Membrane Science, v. 572, p. 532-544, 2019 avaliaram um sistema de contactora gás-líquido a base de fibras ocas de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) contendo CA imobilizada em camada de polidopamina-polietilenoimina. O CO2 puro foi colocado em contato com solução de água pura, observando-se um alto fluxo de absorção de CO2 (2,5 x 10-3 mol/m2/s), que foi 165% superior ao sistema sem a presença da enzima.

[009] As membranas de fibras ocas recobertas com CA também foram empregadas para remoção de CO2 do sangue, com vistas a aplicação em pacientes com doenças respiratórias agudas conforme descrito em ARAZAWA, D. T. et al. “Acidic sweep gas with carbonic anhydrase coated hollow fiber membranes synergistically accelerates CO2 removal from blood”, Acta Biomaterialia, v. 25, p. 143-149, 2015. As correntes de O2 contendo baixas concentrações de SO2 foram usadas para carreamento do gás, e sua recuperação na forma gasosa após conversão a bicarbonato. Com o uso do sistema integrado, a captura de CO2 aumentou em até 109%, comparativamente ao sistema controle.

[0010] KIM, T. J. et al. “Enzyme Carbonic Anhydrase Accelerated CO2 Absorption in Membrane Contactor”, Energy Procedia, v. 114, p. 17-24, 2017 desenvolveram um sistema em que membranas de fibras ocas de PVDF contendo uma camada de poli(líquidos iônicos) foram usadas no material de contactores gás-líquido. A enzima CA foi adicionada à solução de monoetanolamina, na fase líquida, e na fase gasosa era passada a mistura CO2/N2 (15%/85%) saturada em água. A presença da enzima aumentou o fluxo de captura de CO2 de 0,113 para 0,190 mol/m2/h, quando comparado ao sistema controle.

[0011] Membranas de fibras ocas de polipropileno recobertas por Teflon foram empregadas na captura de CO2 de correntes de gás de combustão contendo N2, conforme descrito em NGUYEN, P. T. et al. “A dense membrane contactor for intensified CO2 gas/liquid absorption in post-combustion capture”, Journal of Membrane Science, v. 377, p. 261-272, 2011. A fase líquida consistia de solução de monoetanolamina e taxas de captura de CO2 próximas de 100% foram observadas em baixas velocidades de gás (0,25-0,50 m/s), sendo subsequentemente decrescentes.

[0012] Nos estudos de ATCHARIYAWUT, S. et al. “Separation of CO2 from CH4 by using gas-liquid membrane contacting process”, Journal of Membrane Science, v. 304, p.163-172, 2007 os autores avaliaram um processo de separação de CO2 de CH4 usando sistema de contactora com membranas de PVDF, sem a presença da enzima anidrase carbônica. Como fase líquida absorvedora, foram consideradas soluções de NaOH, de monoetanolamina, ou água pura. Eficiências de remoção de CO2 da fase gasosa de até 5% foram observadas quando se alimentou misturas dos gases, e fluxos de absorção de CO2 de até 3x 10-3 mol/m2/s foram observados, em solução 2N de NaOH, quando CO2 puro foi alimentado ao sistema.

[0013] GHASEM, N. et al. “Effect of PVDF concentration on the morphology and performance of hollow fiber membrane employed as gas-liquid membrane contactor for CO2 absorption”, Separation and Purification Technology, v. 98, p. 174-185, 2012 também avaliaram um sistema de membranas de fibras ocas a base de PVDF, em que misturas CO2/CH4 eram injetadas na fase gasosa, e solução 0,5M de NaOH era usada como absorvente na fase líquida de contactores gás-líquido. Taxas de remoção de CO2 de cerca de 100% foram observadas quando vazões de gás da ordem de 5-10 mL/min foram empregadas usando o gás puro, e fluxos de até 2,5x10-3 mol/m2/s foram observados quando misturas de 9%CO2/91% CH4 foram usadas.

[0014] A patente US9382527B2 revela o uso de anidrases carbônicas para a extração de CO2 em gases de combustão, biogás, gás natural ou ar ambiente, através de um sistema com membranas contactoras e um vaso contendo um líquido enriquecedor. A dita patente propõe apenas a captura de CO2 na forma de bicarbonato, indicando a dissociação do íon, e recuperação do gás, no vaso acoplado à membrana. Entretanto, não propõe o uso de correntes industriais como a água de produção, nem a conversão integrada a carbonatos estáveis de cátions divalentes, tampouco a coleta do líquido com CO2 absorvido no vaso de alimentação, não sendo formado um loop.

[0015] O documento US2011223650A1 revela reatores e processos capazes de separar dióxido de carbono (CO2) de um gás misto usando módulos separados para absorção e dessorção do dióxido de carbono. A extração de CO2 pode ser facilitada usando uma anidrase carbônica. Gases mistos são, por exemplo, gases contendo CO2, como gás de combustão de usinas de carvão ou gás natural, biogás, gás de aterro, ar ambiente, gás sintético ou gás natural ou qualquer gás industrial contendo dióxido de carbono. No entanto, não apresenta um sistema integrado consistindo também, na conversão do CO2 capturado em formas estáveis de carbonatos, que agregam valor e eficiência ao processo.

[0016] O documento WO2013136310A1 revela um método e sistema para purificação de gás, em particular gás hidrocarboneto, como gás natural, que compreende H2S, mercaptanas, CO2 e outros contaminantes ácidos. Tal documento não descreve o uso de enzima anidrase carbônica e, apesar do uso de água do mar, esta é restringida à água apenas filtrada, sem adição de NaOH como promotor de absorção de CO2, nem ocorrência de reação química.

[0017] No estudo de MENDES, F. B. S. “Remoção de CO2 de ambientes confinados utilizando contactores com membranas e água do mar sintética como absorvente”, Dissertação (Mestrado em Engenharia da Nanotecnologia), UFRJ, p.101, 2017 revela um estudo de um processo de remoção de CO2 de uma mistura modelo CO2/N2, utilizando contactores com membranas e água do mar sintética como absorvente. Por meio de testes com um módulo comercial contendo fibras ocas de polipropileno é possível inferir que a vazão do líquido absorvedor é a variável de processo que mais influencia no fluxo de CO2. Contudo, a água do mar sintética trata-se de uma solução 3,5% de NaCl, a qual usar é muito diferente da água do mar natural, uma vez que esta última se constitui por uma série de íons, incluindo cátions divalentes, os quais podem levar à formação de carbonatos estáveis, durante a captura de CO2.

[0018] Como se pode observar, alguns trabalhos relatam o uso de contactores gás-líquido com membranas para captura de CO2 em absorvedores em fase líquida. No entanto, os estudos ainda são majoritariamente com correntes de CO2 puro, e os poucos que citam misturas com CH4, empregam concentrações muito baixas de CO2, as quais não representam o cenário atual e futuro de correntes advindas do pré-sal brasileiro, nem de processamento de gás natural, além de não reportarem o uso da enzima anidrase carbônica como um melhorador de desempenho do processo. Os estudos que hoje existem no estado da técnica também empregam água pura para a formulação dos líquidos absorvedores, o que, em determinados locais, como plataformas offshore, pode representar uma grande limitação.

[0019] Em vista disso, nenhum documento do estado da técnica revela um processo de separação de dióxido de carbono e metano tal como aquele da presente invenção.

[0020] Dessa forma, com o intuito de solucionar tais problemas, desenvolveu-se a presente invenção, através de um processo melhorado e mais eficiente para misturas CO2/CH4, empregando não apenas líquidos formulados com água pura, como também líquidos de baixo custo e alta disponibilidade offshore, como água do mar e água de produção de petróleo. Por conterem cátions divalentes em sua composição, o uso desses líquidos ainda promove a ocorrência de uma reação diferente durante a captura de CO2, com a formação de carbonatos insolúveis na fase líquida, o que representa um ganho muito expressivo em larga escala, por ser uma forma de monetização do CO2, bem como uma forma de sequestro mais permanente do gás, evitando assim, que seja facilmente permeado no reservatório para os poços produtores após sua reinjeção. Além disso, o uso de água de produção para captura de CO2 também pode contribuir para reduzir o impacto ambiental de seu possível descarte no mar, atuando como uma forma de tratamento do líquido.

[0021] A presente invenção apresenta uma redução dos custos para o processo de produção de petróleo em campos com alto teor de CO2, especialmente em campos do pré-sal, uma vez que permite a captura permanente do gás, evitando loop de CO2 entre poços injetores-produtores, bem como a redução de volume de CH4 reinjetado na corrente de CO2. Ademais, o processo é seguro operacionalmente, por poder ser conduzido também sob baixa pressão, usar condições de pH não muito severas, e biocatalisador isento de toxicidade.

[0022] Em vista disso, a presente invenção representa elevada vantagem ambiental, uma vez que promove a captura eficiente de CO2, evitando sua emissão na atmosfera. A conversão a carbonatos também representa uma forma de contribuição ambiental, visto que consiste em sequestro mais permanentemente do CO2. Além disso, no caso de uso da água de produção, o processo leva à redução da salinidade da corrente, representando uma forma de tratamento que pode reduzir os impactos de seu possível descarte no ambiente.

Descrição Resumida da Invenção

[0023] A presente invenção trata de um processo para separação de CO2/CH4 utilizando enzimas anidrases carbônicas, através de um sistema com membranas contactoras e um vaso contendo líquidos absorvedores que possuem elevada salinidade, quem mantém uma faixa de pH específica para promover a formação de sais carbonatos, de forma integrada ao processo de captura de CO2. Tal processo resulta em uma separação mais eficiente e que converta o CO2 a produtos com maior valor agregado ou, alternativamente, sequestrem o CO2 de forma mais permanente, evitando assim sua emissão na atmosfera.

[0024] A presente invenção é aplicada a correntes contendo CO2 e CH4, mais particularmente correntes de gás natural, biogás, com foco em correntes de gás dos campos de pré-sal ou correntes de processamento de gás natural em terra.

Breve Descrição dos Desenhos

[0025] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos de realização da mesma. Nos desenhos, têm-se:
- A Figura 1 ilustrando um esquema do processo da presente invenção em escala de laboratório onde são representados: (1) cilindro de CO2 de alta pureza; (2) cilindro de CH4 de alta pureza; (3) caixa controladora de vazões de gases e de registro de vazão, temperatura e pressão de todas as correntes; 4) caixa misturadora dos gases; (5) módulo de contactora gás-líquido; (6) vaso da fase líquida, provido de agitação magnética; (7) indicador de pH da fase líquida; (8) cromatógrafo gasoso;
- A Figura 2 ilustrando cursos temporais de separação de CO2/CH4 em contactora gás-líquido com diferentes composições de gás, NaOH 10mM + 0,1 g/L de CA como solução absorvedora, e sem ajuste de pH. A Figura 2a mostra o perfis de curso temporal de redução de pH em cada condição; a Figura 2b mostra os perfis de curso temporal de pureza de metano na corrente de produto (retentado) em cada condição; a Figura 2c mostra os perfis de curso temporal do percentual de remoção de CO2 em cada condição.
- A Figura 3 ilustrando espectros de infravermelho de amostras do teste com NaOH sem ajuste de pH, onde são representados em (a) condição sem adição de CA e (b) condição com adição de CA. As bandas mostram a formação de carbonatos e bicarbonatos, muito mais intensa na condição na presença da enzima;
- A Figura 4 ilustrando cursos temporais de separação de corrente 50%CO2/50%CH4 em contactora gás-líquido, usando água do mar + 0,1 g/L de CA como solução absorvedora, e sem ajuste de pH. A Figura 4a mostra o perfil de curso temporal de redução de pH; a Figura 4b mostra o perfil de curso temporal de pureza de metano na corrente de produto (retentado); a Figura 4c mostra o perfil de curso temporal do percentual de remoção de CO2; a Figura 4d mostra o perfil de curso temporal da seletividade do sistema aos gases;
- A Figura 5 ilustrando cursos temporais de separação de corrente 50%CO2/50%CH4 em contactora gás-líquido, usando água do mar + 0,1 g/L de CA como solução absorvedora, e com ajuste de pH. A Figura 5a mostra o perfil de curso temporal de redução de pH e de concentração de NaOH total adicionada; a Figura 5b mostra o perfil de curso temporal de pureza de metano na corrente de produto (retentado); a Figura 5c mostra o perfil de curso temporal do percentual de remoção de CO2; a Figura 5d mostra o perfil de curso temporal da seletividade do sistema aos gases;
- A Figura 6 ilustrando espectros de infra-vermelho de amostras do teste com água do mar e ajuste de pH;
- A Figura 7 ilustrando (a) imagem de MEV, (b) com detecção de íons por EDS, comprovando a formação de carbonatos inorgânicos no teste com água do mar;
- A Figura 8 ilustrando cursos temporais de separação de corrente 50%CO2/50%CH4 em contactora gás-líquido, usando água de produção + 0,1 g/L de CA como solução absorvedora, e com ajuste de pH. A Figura 8a mostra o perfil de curso temporal de redução de pH e de concentração de NaOH total adicionada; a Figura 8b mostra o perfil de curso temporal de pureza de metano na corrente de produto (retentado); a Figura 8c mostra o perfil de curso temporal do percentual de remoção de CO2; a Figura 8d mostra o perfil de curso temporal da seletividade do sistema aos gases;;
- A Figura 9 ilustrando espectros de infra-vermelho de amostras do teste com água de produção e ajuste de pH;
- A Figura 10 ilustrando (a) imagem de MEV, (b) com detecção de íons por EDS, comprovando a formação de carbonatos inorgânicos no teste com água de produção;
- A Figura 11 ilustrando cursos temporais de separação de corrente 50%CO2/50%CH4 em contactora gás-líquido, usando solução NaOH 10 mM + 0,1 g/L de CA como solução absorvedora, e com ajuste de pH. A Figura 11a mostra o perfil de curso temporal de redução de pH e de concentração de NaOH total adicionada; a Figura 11b mostra o perfil de curso temporal de pureza de metano na corrente de produto (retentado); a Figura 11c mostra o perfil de curso temporal do percentual de remoção de CO2; a Figura 11d mostra o perfil de curso temporal da seletividade do sistema aos gases.

Descrição Detalhada da Invenção

[0026] O processo para separação de dióxido de carbono de uma corrente gasosa acordo com a presente invenção compreende nas seguintes etapas:

a. passar uma corrente gasosa em fluxo contínuo, contendo dióxido de carbono e metano, ou dióxido de carbono, metano e hidrocarbonetos mais pesados, ou dióxido de carbono, metano, hidrocarbonetos mais pesados e água, em um módulo de contactora contendo uma membrana ou em dois módulos em série;
b. adicionar ao líquido absorvedor a enzima anidrase carbônica, em forma pura, formulação ou peptídeos associados à enzima;
c. passar a solução líquida absorvedora da etapa (b) no módulo da contactora por sistema de recirculação em loop ou em modo contínuo, em que a solução líquida absorvedora e a corrente gasosa operam em sentido contra-corrente;
d. ajustar o pH da solução líquida absorvedora para a faixa de 9,5 a 12 com uma solução de NaOH para manter o ambiente alcalino quando o pH for menor que 9.

[0027] A corrente gasosa é uma corrente de gás natural ou biogás, contendo de 2% até 70% de dióxido de carbono.

[0028] O líquido absorvedor pode ser escolhido entre água industrial, água do mar e água de produção sintética ou natural, com ou sem qualquer tipo de pré-tratamento e condicionamento. Ao líquido absorvedor podem ser adicionados promotores de absorção, amina, hidróxidos, carbonatos inorgânicos, dentre outros.

[0029] O tipo de membrana da contactora é escolhida entre poli(tetraflúor etileno) (PTFE), poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), poli(dimetil siloxano) (PDMS), poli(tetraflúoretileno-co-alquil vinil éter perfluorinado) (PFA), polipropileno (PP), cerâmica e dentre outras.

[0030] A vazão de entrada do gás pode ser de 5-300 cm3/min/m2 membrana.

[0031] A pressão de entrada do gás pode ser entre 0,9 e 70 Bar.

[0032] A vazão de líquido pode ser entre 0,5-20 mL/s/m2 membrana.

[0033] A corrente líquida contendo CO2 absorvido deve ser direcionada a uma segunda unidade, para recuperação do CO2 na forma gasosa. E após o CO2 ser recuperado na forma gasosa deve ser destinado a processos de conversão deste gás em outras moléculas, ou ser direcionado para armazenamento geológico.

EXEMPLOS:

[0034] Os exemplos apresentados a seguir têm por objetivo ilustrar algumas formas de concretização da invenção, assim como comprovar a viabilidade prática de sua aplicação, não constituindo qualquer forma de limitação da invenção.

[0035] Conforme ilustrado na Figura 1, a partir dos cilindros dos gases puros, diferentes composições de gás foram inseridas no módulo da contactora, após passagem por uma caixa controladora das vazões e uma caixa de mistura dos gases.

[0036] A fase gasosa misturada foi inserida na contactora em contra-corrente com a fase líquida, advinda de um vaso de vidro provido de agitação (magnética ou mecânica). O líquido passou pelo sistema em loop, retornando ao vaso após sair da contactora. Já o gás passa em fluxo contínuo, seguindo novamente para a caixa controladora após sair da contactora, para registro de suas condições (vazão, temperatura, pressão). Essa corrente de gás de saída da contactora foi denominada retentado. Após ter suas propriedades registradas, a fase gasosa seguia para análise de sua composição em um cromatógrafo gasoso.

EXEMPLO 1: Captura de CO2 de mistura com CH4, empregando solução de NaOH 10mM como absorvedor

[0037] Diferentes composições de corrente de gás (CO2/CH4) foram passadas continuamente pelo lado do casco (fora das fibras) de um módulo de contactora contendo fibras ocas hidrofóbicas de poli(tetra flúor etileno) (PTFE) com uma área total de 1 m2 conforme ilustrado na Figura 1 (item 5).

[0038] A vazão total da corrente gasosa foi mantida em 40 cm3/min (CNTP). Como fase líquida, empregou-se solução de NaOH 10 mM contendo 0,1 g/L de CA, recirculada em loop a uma vazão de 3,3 mL/s entre o vaso de vidro, conforme ilustrado na Figura 1 (item 6) e o interior das fibras da contactora. A solução líquida absorvedora apresentou pH inicial de cerca de 11,5, o qual não é ajustado durante o processo.

[0039] O líquido e o gás passaram em sentido contra-corrente. A Figura 2 mostra os resultados ao longo do teste, em que a adição da enzima à solução absorvedora aumenta sua capacidade de captura de CO2 de 0,48 para 0,56 g/L, com mais intensa formação de íons bicarbonato, comparativamente ao ensaio controle (sem enzima), conforme mostra a Figura 3.

EXEMPLO 2: Captura de CO2 de mistura com CH4, empregando água do mar como solução absorvedora, sem ajuste de pH

[0040] Uma corrente gasosa contendo 50%CO2/50%CH4 foi passada continuamente pelo lado do casco (fora das fibras) de um módulo de contactora contendo fibras ocas hidrofóbicas de PTFE com uma área total de 1 m2 conforme ilustrado na Figura 1 (item 5), a uma vazão total de 40 cm3/min (CNTP). Como fase líquida, empregou-se água do mar contendo 0,1 g/L de CA, recirculada em loop a uma vazão de 3,3 mL/s entre o vaso de vidro, conforme ilustrado na Figura 1 (item 6) e o interior das fibras da contactora. A solução líquida absorvedora apresentou pH inicial de cerca de 10, o qual não é ajustado durante o processo.

[0041] O líquido e o gás passaram em sentido contra-corrente. A água do mar foi preservada sob refrigeração desde sua coleta, e seu teor de íons divalentes é mostrado na Tabela 1. A Figura 4 mostra os resultados ao longo do teste, na qual observou-se o enriquecimento da corrente de retentado de 50% para 69% de CH4, com remoção de CO2 de até 43% e seletividade CH4/CO2 no retentado de até 2,2.

EXEMPLO 3: Captura de CO2 de mistura com CH4, empregando água do mar como solução absorvedora, com ajuste de pH

[0042] Uma corrente gasosa contendo 50%CO2/50%CH4 foi passada continuamente pelo lado do casco (fora das fibras) de um módulo de contactora contendo fibras ocas hidrofóbicas de PTFE com uma área total de 1 m2, conforme ilustrado na Figura 1 (item 5), a uma vazão total de 40 cm3/min (CNTP). Como fase líquida, empregou-se água do mar contendo 0,1 g/L de CA, recirculada em loop a uma vazão de 3,3 mL/s entre o vaso de vidro, conforme ilustrado na Figura 1 (item 6) e o interior das fibras da contactora. A solução líquida absorvedora apresentou pH inicial de cerca de 10, o qual foi ajustado intermitentemente durante o processo pela adição de solução NaOH 1M quando o pH atinge valores abaixo de 9, totalizando uma adição equivalente de 0,1M de NaOH à fase líquida.

[0043] O líquido e o gás passaram em sentido contra-corrente. A Figura 5 mostra os resultados ao longo do teste, no qual observa-se o enriquecimento da corrente de retentado de 50% para 98,8% de CH4, com remoção de CO2 de até 98,7% e seletividade CH4/CO2 no retentado de até 81.

[0044] Os espectros de infravermelho (FT-IR) indicam a presença de bandas de carbonatos, crescentes ao longo do tempo de teste conforme mostrado na Figura 6. Já análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV), mostradas na Figura 7, comprovam a presença de cristais de carbonatos inorgânicos, formados pela reação enzimática.

[0045] Assim, com essa condição mostra-se que o uso de água do mar como solução absorvedora, aliado ao controle de pH da solução, para manutenção de ambiente alcalino, é muito eficiente, levando à formação de um produto que apresenta valor de mercado ou, em caso de reinjeção em reservatório, pode representar sequestro mais permanente do carbono.

EXEMPLO 4: Captura de CO2 de mistura com CH4, empregando água de produção como solução absorvedora, com ajuste de pH

[0046] Uma corrente gasosa contendo 50%CO2/50%CH4 foi passada continuamente pelo lado do casco (fora das fibras) de um módulo de contactora contendo fibras ocas hidrofóbicas de PTFE com uma área total de 1 m2 , conforme ilustrado na Figura 1 (item 5), a uma vazão total de 40 cm3/min (CNTP). Como fase líquida, empregou-se água de produção sintética contendo 0,1 g/L de CA, recirculada em loop a uma vazão de 3,3 mL/s entre o vaso de vidro, conforme ilustrado na Figura 1 (item 6) e o interior das fibras da contactora. A solução líquida absorvedora apresentou pH inicial de cerca de 9, o qual foi ajustado intermitentemente durante o processo pela adição de solução NaOH 1M quando o pH atinge valores abaixo de 8,5-9, totalizando uma adição equivalente de 0,09 M de NaOH à fase líquida.

[0047] O líquido e o gás passaram em sentido contra-corrente. A Tabela 2 mostra o teor de cátions divalentes na água de produção utilizada. Já a Figura 8 mostra os resultados ao longo do teste, no qual observou-se o enriquecimento da corrente de retentado de 50% para 89,1% de CH4, com remoção de CO2 de até 86,2% e seletividade CH4/CO2 no retentado de até 8,1.

[0048] Os espectros de infravermelho indicam a presença de bandas de carbonatos, crescentes ao longo do tempo de teste, conforme mostrado na Figura 9. Já análises de MEV, mostradas na Figura 10, comprovam a presença de cristais de carbonatos inorgânicos, formados pela reação enzimática. Ainda, quantificou-se que a salinidade da água de produção foi reduzida de 68,9 para 62,8 g/L com o teste, indicando também que o processo promove um tratamento parcial desta corrente, que é um efluente do setor de óleo e gás.

[0049] Logo, o uso de um efluente da área de E&P, aliado ao controle de pH da solução, também se mostrou viável tecnicamente para o processo de captura de CO2.

EXEMPLO 5: Captura de CO2 de mistura com CH4, empregando solução de NaOH como solução absorvedora, com ajuste de pH

[0050] Uma corrente gasosa contendo 50%CO2/50%CH4 foi passada continuamente pelo lado do casco (fora das fibras) de um módulo de contactora contendo fibras ocas hidrofóbicas de PTFE com uma área total de 1 m2,conforme ilustrado na Figura 1 (item 5), a uma vazão total de 40 cm3/min (CNTP). Como fase líquida, empregou-se solução de NaOH 10 mM contendo 0,1 g/L de CA, recirculada em loop a uma vazão de 3,3 mL/s entre o vaso de vidro, conforme ilustrado na Figura 1 (item 6) e o interior das fibras da contactora. A solução líquida absorvedora apresentou pH inicial de cerca de 11,5, o qual foi ajustado intermitentemente durante o processo pela adição de solução NaOH 1M quando o pH atinge valores abaixo de 9, totalizando uma adição equivalente de 0,1 M de NaOH à fase líquida.

[0051] O líquido e o gás passaram em sentido contra-corrente. A Figura 11 mostra os resultados ao longo do teste, no qual observou-se o enriquecimento da corrente de retentado de 50% para 99,2% de CH4, com remoção de CO2 de até 99,2% e seletividade CH4/CO2 no retentado de até 124 vezes.

[0052] Logo, neste exemplo demonstra-se uma estratégia para se utilizar eficientemente solução de NaOH para separação de CO2/CH4, em condições apropriadas para atuação da enzima, visto que com a batelada alimentada de solução de NaOH (para o controle intermitente de pH) evita-se que se tenha no líquido condições de pH muito elevados, as quais poderiam ocasionar a perda de atividade da CA.

[0053] Deve ser notado que, apesar de a presente invenção ter sido descrita com relação aos desenhos em anexo, esta poderá sofrer modificações e adaptações pelos técnicos versados no assunto, dependendo da situação específica, mas desde que dentro do escopo inventivo aqui definido.

Claims

PROCESSO DE SEPARAÇÃO DE DIXÓXIDO DE CARBONO DE UMA CORRENTE GASOSA, caracterizado por compreender as seguintes etapas:
- a. passar uma corrente gasosa em fluxo contínuo, contendo dióxido de carbono e metano em um módulo de contactora contendo membranas;
- b. adicionar ao líquido absorvedor a enzima anidrase carbônica;
- c. passar a solução líquida absorvedora da etapa (b) no módulo da contactora por sistema de recirculação em loop, em que a solução líquida absorvedora e a corrente gasosa operam em sentido contra-corrente;
- d. ajustar o pH da solução líquida absorvedora com uma solução de NaOH, para manter o ambiente alcalino quando o pH for menor que 9;
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela corrente gasosa ser gás natural ou biogás.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela corrente gasosa conter entre 2% a 70% de dióxido de carbono.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter dois módulos de contactora em série.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo líquido absorvedor ser água industrial, água do mar ou água de produção.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela água de produção ser sintética ou natural.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo líquido absorvedor ser utilizado com ou sem pré-tratamento e condicionamento, com ou sem adição de promotor, amina, hidróxido ou carbonato inorgânico.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela solução líquida absorvedora na etapa (c) passar em modo contínuo.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo pH ser ajustado para a faixa de 9,5 a 12.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela membrana da contactora ser escolhida dentre PTFE, PVDF, PDMS, PFA, PP ou cerâmica.
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a corrente líquida contendo CO2 absorvido ser direcionada a uma segunda unidade, para recuperação do CO2 na forma gasosa;
PROCESSO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o CO2 recuperado na forma gasosa, ser destinado a processos de conversão deste gás em outras moléculas, ou ser direcionado para armazenamento geológico;
USO DO PROCESSO DE SEPARAÇÃO DE DIXÓXIDO DE CARBONO DE CORRENTES GASOSAS, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por ser aplicado em campos de produção de petróleo offshore e em unidades de processamento de gás natural ou biogás onshore.