BR112021007165A2

BR112021007165A2 - método de separação de gás dióxido de carbono e aparelho de separação de gás dióxido de carbono

Info

Publication number: BR112021007165A2
Application number: BR112021007165-2A
Authority: BR
Inventors: Shogo TERATANI; Syuichi Oguro; Hiroaki Hasegawa; Junya Okazaki
Original assignee: Jgc Corporation
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2021-07-20
Also published as: WO2020157830A1; US11806660B2; US20220054973A1

Abstract

MÉTODO DE SEPARAÇÃO DE GÁS DIÓXIDO DE CARBONO E APARELHO DE SEPARAÇÃO DE GÁS DIÓXIDO DE CARBONO. A presente invenção refere-se ao gás dióxido de carbono em um gás de alta pressão a ser tratado, que é separado de forma estável utilizando uma membrana de separação. Após separar o gás dióxido de carbono em um gás de alta pressão a ser tratado utilizando um módulo de membrana de separação incluindo uma membrana de separação, um gás reforçado preliminar é fornecido ao módulo de membrana de separação antes que o fornecimento de gás natural seja iniciado para aumentar uma pressão em um lado primário da membrana de separação para uma pressão preliminar entre uma pressão em espera e uma pressão de operação. Assim, quando o fornecimento de um gás de alta pressão a ser tratado for iniciado para aumentar a pressão do módulo da membrana de separação para uma pressão de operação, uma diminuição abrupta na temperatura do gás a ser tratado pode ser suprimida.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE SEPARAÇÃO DE GÁS DIÓXIDO DE CARBONO E APARELHO DE SEPARAÇÃO DE GÁS DIÓXIDO DE CARBONO". Campo Técnico

[0001] A presente invenção refere-se a um método de separação de gás dióxido de carbono e um aparelho de separação de gás dióxido de carbono que separa o gás dióxido de carbono em um gás a ser tratado. Técnica Antecedente

[0002] O gás natural que é o gás hidrocarboneto produzido a partir de uma cabeça do poço é submetido a um pré-tratamento para a remoção de impurezas por meio de várias instalações de tratamento. O gás natural do qual as impurezas são removidas pode ser enviado como está por meio de um gasoduto ou pode ser submetido a um tratamento de liquefação para liquefazer o gás natural através de uma instalação de tratamento de liquefação no estágio subsequente para obter gás natural liquefeito (GNL), em alguns casos. Visto que as impurezas contidas no gás natural, por exemplo, impurezas contendo uma quantidade relativamente grande de gás dióxido de carbono (CO2), são mencionadas, e a fim de obter um gás produto como uma matéria-prima para gás de tubulação ou gás natural liquefeito, é necessária a remoção do gás CO2.

[0003] Um aparelho de separação de gás CO2 que separa o gás CO2 do gás natural inclui, por exemplo, conforme ilustrado no Documento de Patente 1, um módulo de separação de gás CO2 incluindo uma membrana de separação inorgânica produzida de zeólito ou semelhante. Além disso, o gás natural que é um gás a ser tratado é fornecido ao módulo de separação de gás CO2, o CO2 é permeado através da membrana de separação inorgânica e, assim, o gás CO2 é separado do gás hidrocarboneto que não pode ser permeado através da membrana de separação inorgânica.

[0004] No entanto, nos últimos anos, em aparelhos de separação de gás CO2, a necessidade de tratar o gás natural contendo gás CO2 de alta concentração, tal como o gás natural acompanhado de óleo bruto por injeção de CO2 ou gás natural produzido a partir de um campo de gás natural, tem sido crescente. Observou-se que, em um caso onde o gás natural de alta pressão contendo uma grande quantidade de gás CO2 é iniciado para ser fornecido a um módulo de separação de gás CO2 que está em um estado de pressão atmosférica desta forma, problemas que eram convencionalmente desconhecidos podem se tornar mais graves em alguns casos. Lista de Citações Documento de Patente

[0005] Documento de Patente 1: JP-A-2017-148741. Sumário da Invenção Problema Técnico

[0006] A invenção foi concebida sob tais circunstâncias, e um objetivo da mesma é fornecer uma técnica de separação estável de gás dióxido de carbono em um gás de alta pressão para ser tratado utilizando uma membrana de separação. Solução para o Problema

[0007] Um método de separação de gás dióxido de carbono da invenção é um método de separação de gás dióxido de carbono para permear o gás dióxido de carbono em um gás a ser tratado de um lado primário para um lado secundário de uma membrana de separação fornecida em um módulo de membrana de separação para converter o gás dióxido de carbono no gás a ser tratado, o método caracterizado pelo fato de que inclui:

uma etapa de fornecimento de um gás reforçado preliminar no lado primário da membrana de separação para aumentar a pressão para uma pressão preliminar entre uma pressão em espera e uma pressão operacional, antes que o gás a ser tratado seja fornecido em uma pressão de fornecimento maior do que a pressão em espera para o módulo de membrana de separação em um estado da pressão em espera mais baixa do que a pressão de operação quando o gás dióxido de carbono é permeado através da membrana de separação, a fim de manter uma temperatura do gás a ser tratado na qual uma diminuição da pressão ocorre em uma temperatura mais elevada do que uma temperatura de condensação do gás dióxido de carbono ou uma temperatura de solidificação do gás dióxido de carbono; e uma etapa subsequente de fornecimento do gás a ser tratado ao módulo de membrana de separação para aumentar a pressão do módulo de membrana de separação para a pressão de operação e para converter o gás dióxido de carbono no gás a ser tratado.

[0008] O método de separação de gás dióxido de carbono pode incluir as seguintes características: (a) a membrana de separação é uma membrana de separação inorgânica; (b) o gás a ser tratado é aquecido por uma unidade de aquecimento e depois fornecido ao módulo de membrana de separação; (c) uma diferença de pressão entre a pressão de operação e a pressão em espera é de 0,5 MPa ou superior; (d) a concentração do gás dióxido de carbono no gás a ser tratado é de 30% ou mais e menos do que 100% na relação molar; (e) a pressão preliminar é uma pressão de PPre ou superior definida pela seguinte Fórmula (1) até Fórmula (3) quando a pressão de operação for designada como POpe, uma pressão de vapor do gás dióxido de carbono a 20°C é designada como PVap, e uma concentração (relação molar) do gás dióxido de carbono no gás a ser tratado é designada como CCO2: ln(PPre) = a  [1/[(POpe/PVap)2 + (POpe/PVap)3]] + b Fórmula (1) a = 0,1318  (CCO2) – 13,63 Fórmula (2) b = 0,8886  ln(CCO2) – 2,372 Fórmula (3); e (f) o gás reforçado preliminar é pelo menos um gás selecionado de gás nitrogênio, gás hélio e gás metano.

[0009] Um aparelho de separação de gás dióxido de carbono da invenção é um aparelho de separação de gás dióxido de carbono que separa o gás dióxido de carbono contido em um gás a ser tratado, o aparelho de separação de gás dióxido de carbono caracterizado pelo fato de que inclui: um módulo de membrana de separação incluindo uma membrana de separação e permitindo que o gás dióxido de carbono permeie de um lado primário para um lado secundário da membrana de separação para converter o gás dióxido de carbono no gás a ser tratado; uma via de fornecimento de gás a ser tratado conectada a um espaço no lado primário do módulo de membrana de separação e que fornece o gás a ser tratado contendo gás dióxido de carbono; uma via de fluxo de gás dióxido de carbono conectada a um espaço no lado secundário do módulo de membrana de separação e que permite o gás dióxido de carbono permeado através da membrana de separação circular para fora; uma via de fluxo de gás de não permeação conectado ao espaço no lado primário e que permite o gás de não permeação obtido após o gás dióxido de carbono ser separado circular para fora; e uma via de fornecimento de gás reforçado preliminar que fornece um gás reforçado preliminar ao lado primário da membrana de separação no módulo de membrana de separação, em que o gás reforçado preliminar é fornecido a partir da via de fornecimento de gás reforçado preliminar para aumentar a pressão no espaço do lado primário para uma pressão preliminar entre uma pressão em espera e uma pressão operacional, antes que o gás a ser tratado seja fornecido em uma pressão de fornecimento maior do que a pressão em espera ao módulo de membrana de separação em um estado da pressão em espera mais baixa do que a pressão de operação quando o gás dióxido de carbono é permeado através da membrana de separação, a fim de manter uma temperatura do gás a ser tratado na qual uma diminuição na pressão ocorre em uma temperatura mais elevada do que uma temperatura de condensação do gás dióxido de carbono ou uma temperatura de solidificação do gás dióxido de carbono. Efeitos Vantajosos da Invenção

[0010] De acordo com a invenção, após separar o gás dióxido de carbono em um gás de alta pressão para ser tratado utilizando a membrana de separação, a pressão no lado primário da membrana de separação é aumentada para a pressão preliminar antes que o fornecimento do gás a ser tratado seja iniciado. Assim, uma diminuição abrupta na temperatura do gás a ser tratado quando o gás de alta pressão a ser tratado é fornecido, pode ser suprimida de tal modo que uma temperatura igual ou maior do que a temperatura de condensação ou temperatura de solidificação do gás dióxido de carbono possa ser mantida. Breve Decrição dos Desenhos

[0011] A Figura 1 é um gráfico de processo que ilustra um tratamento de produção de gás natural.

[0012] A Figura 2 é um diagrama de configuração que ilustra um aparelho de separação de gás CO2.

[0013] A Figura 3 é um diagrama explicativo de operação que ilustra o aumento de pressão preliminar no aparelho de separação de gás CO2.

[0014] A Figura 4 é um diagrama explicativo de operação que ilustra um tratamento de separação de gás no aparelho de separação de gás CO2.

[0015] A Figura 5 é um gráfico de tempo que mostra a abertura/fechamento de cada válvula e uma mudança na pressão em um módulo de membrana de separação no aparelho de separação de gás CO2.

[0016] A Figura 6 é um gráfico que mostra uma pressão preliminar com a qual a energia de aquecimento pode ser reduzida em 20%.

[0017] A Figura 7 é um gráfico que mostra logaritmicamente a pressão preliminar com a qual a energia de aquecimento pode ser reduzida em 20%.

[0018] A Figura 8 é um fluxograma de determinação sobre se o aumento de pressão preliminar é necessário. Modo de Realização da Invenção

[0019] Em primeiro lugar, o fluxo de um tratamento de gás natural será descrito. Conforme ilustrado na Figura 1, o gás natural (gás a ser tratado) produzido a partir de uma cabeça do poço é submetido, por exemplo, à separação de gás-líquido ou remoção de umidade em um pré-tratamento 101. Depois, a separação de gás CO2 102 em que o dióxido de carbono (CO2) é removido é posteriormente executada. O gás natural do qual o gás CO2 é removido pode ser fornecido a um consumidor por meio de um gasoduto ou pode se tornar gás natural liquefeito (GNL) através da liquefação 103 e ser enviado através do armazenamento 104, por exemplo, em alguns casos.

[0020] A Figura 2 é um diagrama de configuração que ilustra um aparelho de separação de gás CO2 utilizado na separação de gás CO2

102. O aparelho de separação de gás CO2 inclui um módulo de membrana de separação 1 e, por exemplo, uma membrana de separação inorgânica 100 que é uma membrana de separação que separa o gás CO2 através da permeação que é fornecida no módulo de membrana de separação 1. Como um material que constitui a membrana de separação inorgânica 100, por exemplo, um material inorgânico altamente resistente a hidrocarbonetos pesados, tal como uma membrana de zeólito do tipo DDR, é adotado.

[0021] A estrutura específica da membrana de separação inorgânica 100 não está limitada a um tipo específico, e seus exemplos incluem um elemento tubular tendo uma membrana de zeólito do tipo DDR formada na superfície de um corpo de base em forma de tubo produzido de cerâmica porosa ou semelhante. Além disso, um grande número de elementos tubulares tendo a membrana de separação inorgânica 100 formada é armazenado em um corpo principal metálico, um espaço em um lado primário onde o gás natural circula e um espaço em um lado secundário onde o gás CO2 separado do gás natural circula são divididos e, assim, o módulo de membrana de separação 1 é configurado.

[0022] Uma via de fornecimento de gás natural (via de fornecimento de gás a ser tratado) 10 que fornece gás natural ao espaço no lado primário da membrana de separação inorgânica 100 é conectada ao módulo de membrana de separação 1. O número de referência 21 fornecido na via de fornecimento de gás natural 10 é uma unidade de aquecimento. Além disso, uma via de descarga de gás produto (via de fluxo de gás de não permeação) 11 para descarregar o gás natural (gás de não permeação) obtido após a circulação através do espaço no lado primário para separar o gás CO2 é conectada ao módulo de membrana de separação 1. Além disso, o módulo de membrana de separação 1 inclui uma via de descarga de gás CO2 (via de fluxo de gás de permeação) 12 que descarrega gás de permeação (por exemplo, gás CO2) que foi permeado no lado secundário da membrana de separação inorgânica 100. Na Figura 2, V0 é uma válvula de abertura/fechamento, V1 é uma válvula de controle da taxa de vazão e V2 e V3 são válvulas de controle de pressão.

[0023] Um tal aparelho de separação de gás CO2 pode ser interrompido para manutenção ou semelhante, e pode ser mantido em espera em um estado em que o interior do aparelho de separação de gás CO2 está em uma pressão atmosférica após o fluido dentro dele ser descarregado e um procedimento necessário ser executado, em alguns casos. Por outro lado, o gás natural a ser fornecido de um lado da cabeça do poço é fornecido em um estado de alta pressão de, por exemplo, cerca de 15 MPa. Quando o gás natural de alta pressão é fornecido ao módulo de membrana de separação 1 que é mantido em espera em um estado de uma pressão em espera (aproximadamente pressão atmosférica) mais baixa do que uma pressão de operação quando o gás CO2 é permeado através da membrana de separação inorgânica 100, os seguintes problemas podem ocorrer em alguns casos.

[0024] Em um caso em que o gás a ser tratado é um gás tendo uma pressão mais elevada do que a pressão em espera, quando o gás natural é fornecido ao aparelho de separação de gás CO2 ilustrado na Figura 2, o gás natural passa através da válvula de controle de taxa de vazão V1 e é liberado imediatamente para uma atmosfera de baixa pressão.

[0025] Quando um gás de alta pressão é liberado para dentro de uma atmosfera de baixa pressão, a temperatura é diminuída pelo efeito Joule-Thomson de acordo com a diferença de pressão. Por exemplo, quando o gás natural de alta pressão tendo uma pressão ao redor de 15 MPaG é liberado para uma atmosfera de ar (pressão ~0,1 MPa), a temperatura pode ser diminuída para uma temperatura na qual o gás CO2 contido no gás natural é liquefeito ou solidificado. Como um resultado, no módulo de membrana de separação 1, por exemplo, CO2 liquefeito ou gelo seco adere à membrana de separação inorgânica 100, de modo que o desempenho de permeação da membrana de separação inorgânica 100 é degradado.

[0026] A fim de suprimir a liquefação ou solidificação do gás CO2 de acordo com uma tal diminuição da temperatura, por exemplo, um método de aquecimento de gás natural em uma alta temperatura utilizando a unidade de aquecimento 21 e fornecimento de gás natural aquecido para o módulo de membrana de separação 1 é considerado. No entanto, a unidade de aquecimento 21 é fornecida para gerenciar um ponto de orvalho da umidade contida no gás natural; entretanto, uma temperatura de aquecimento necessária para suprimir a liquefação ou solidificação do gás CO2 é muito alta em comparação com uma temperatura de aquecimento no momento de gerenciar um ponto de orvalho. Portanto, para uma operação de aquecimento de alta temperatura que é executada apenas no momento da inicialização, a unidade de aquecimento 21 tendo desempenho de aquecimento acima da especificação que não é necessária no momento da operação normal, precisa ser preparada.

[0027] A fim de resolver tais problemas, no aparelho de separação de gás CO2 deste exemplo, no momento da inicialização do aparelho de separação de gás CO2, um gás reforçado preliminar é fornecido ao módulo de membrana de separação 1 antes do gás natural ser fornecido para executar aumento de pressão preliminar em que a pressão interna é aumentada para ser mais elevada do que a pressão em espera. Desse modo, uma diferença na pressão entre o gás natural a ser fornecido e o módulo de membrana de separação 1 é diminuída, e uma diminuição abrupta na temperatura do gás natural é suprimida.

[0028] Conforme ilustrado na Figura 2, no aparelho de separação de gás CO2 de acordo com a presente modalidade, por exemplo, uma via de fornecimento de gás reforçado preliminar 13 é conectada ao lado a jusante da válvula de controle da taxa de vazão V1 na via de fornecimento de gás natural 10. A válvula V4 fornecida na via de fornecimento de gás reforçado preliminar 13 é uma válvula de descompressão. Incidentalmente, a válvula V4 pode ser configurada por uma válvula de controle de pressão. Como o gás de reforço preliminar, por exemplo, o gás nitrogênio (N2) pode ser utilizado. Incidentalmente, a posição de conexão da via de fornecimento de gás reforçado preliminar 13 é o lado a jusante da válvula de abertura/fechamento V0 que é fechada no momento do aumento de pressão preliminar descrito abaixo, e pode ser o lado primário da membrana de separação inorgânica 100 e pode ser, por exemplo, o lado a montante da válvula de controle da taxa de vazão V1, conforme indicado pela seta tracejada da Figura 2.

[0029] Subsequentemente, a ação do aparelho de separação de gás CO2 tendo a configuração descrita acima, será descrita com referência aos diagramas explicativos de operação das Figuras 3 e 4 e um gráfico de tempo da Figura 5 que mostra (a) abertura/fechamento de válvulas e (b) uma pressão no módulo de membrana de separação

1. Nas Figuras 3 e 4, o estado de válvula aberta é indicado em branco com o algarismo de referência O e o estado de válvula fechada é indicado por uma linha diagonal com o algarismo de referência S. Casualmente, o estado de válvula fechada indica um estado onde a válvula de abertura/fechamento V0, as válvulas de controle de pressão

V2 e V3 e a válvula de descompressão V4 estão fechadas, e o estado de válvula aberta indica um estado onde a válvula de abertura/fechamento V0 está aberta e um estado onde as válvulas de controle de pressão V2 e V3 e a válvula de descompressão V4 estão abertas para controlar a pressão.

[0030] Por exemplo, antes do início da operação do aparelho de separação de gás CO2, conforme mostrado no gráfico de tempo da Figura 5(b), a pressão no módulo de membrana de separação 1 é uma pressão atmosférica (= 0,1 MPa) que é a pressão em espera. Além disso, por exemplo, no tempo t0, como mostrado na Figura 5(a), em um estado onde a válvula de abertura/fechamento V0 está fechada e as válvulas de controle de pressão V2 e V3 estão fechadas, a válvula de descompressão V4 é aberta. Desse modo, o gás reforçado preliminar (gás N2) é fornecido ao lado primário da membrana de separação inorgânica 100 do módulo de membrana de separação 1 em um estado em espera de baixa pressão. Como um resultado, a pressão no módulo de membrana de separação 1 é gradualmente aumentada, e a pressão no módulo de membrana de separação 1 é controlada em uma pressão preliminar entre a pressão em espera e uma pressão de operação quando o gás CO2 é permeado através da membrana de separação inorgânica, por exemplo, 8 MPaG.

[0031] Subsequentemente, no tempo t 1, a válvula de descompressão V4 é fechada para interromper o fornecimento do gás reforçado preliminar. Além disso, a válvula de abertura/fechamento V0 é aberta e as válvulas de controle de pressão V2 e V3 são acionadas e, assim, o controle de pressão no módulo de membrana de separação 1 é iniciado. Neste exemplo, o gás natural tendo uma temperatura de 60°C e uma pressão de 15 MPaG (gás CO2 90%, gás CH4 10%; relação molar) é fornecido à via de fornecimento de gás natural 10. Este gás natural é aquecido, por exemplo, para 100°C pela unidade de aquecimento 21, passa através da válvula de controle da taxa de vazão V1 e é fornecido ao módulo de membrana de separação 1 cuja pressão é preliminarmente aumentada para uma pressão de 8 MPaG pelo gás reforçado preliminar. Como um resultado, a pressão no módulo de membrana de separação 1 é aumentada para a pressão de operação (10 MPaG), e o gás CO2 no gás natural é permeado através da membrana de separação inorgânica 100 para diminuir o teor do gás CO2.

[0032] Quando a pressão no módulo de membrana de separação 1 for preliminarmente aumentada, por exemplo, para uma pressão de 8 MPaG desta forma, em comparação com um caso em que o fornecimento de gás natural para o módulo de membrana de separação 1 em um estado da pressão em espera (aproximadamente a pressão atmosférica) é iniciado repentinamente, a diferença de pressão entre a pressão (15 MPaG) de gás natural a ser fornecido e a pressão (8 MPaG) no módulo de membrana de separação 1 no lado a jusante da válvula de controle da taxa de vazão V1 é reduzida. Portanto, a diminuição da temperatura provocada pelo efeito Joule- Thomson quando o gás natural flui para o lado a jusante da válvula de controle da taxa de fluxo V1 é reduzida. Desse modo, a temperatura do gás natural pode ser mantida em uma temperatura mais elevada do que a temperatura de condensação ou a temperatura de solidificação do gás CO2. Assim, a aderência de CO2 liquefeito ou gelo seco no módulo de membrana de separação 1 pode ser suprimida e a degradação do desempenho de separação da membrana de separação inorgânica 100 pode ser suprimida.

[0033] Em seguida, a formulação para o cálculo de uma pressão adequada do aumento de pressão preliminar a partir da pressão operacional do aparelho de separação de gás CO2 descrito acima e o exame sobre o fluxo que determina se o aumento de pressão preliminar é necessário são executados. Neste exemplo, em um caso em que a inicialização do módulo de membrana de separação 1 é executada sem executar o aumento de pressão preliminar, uma pressão preliminar com a qual a energia de aquecimento da unidade de aquecimento 21 pode ser reduzida em 20% através da execução do aumento de pressão preliminar, foi definido como alvo em relação à energia de aquecimento [MW] da unidade de aquecimento 21 necessária para definir a temperatura no módulo de membrana de separação 1 não estar abaixo da temperatura de condensação do gás CO2 na pressão de operação. Casualmente, o alvo pode ser aumentado ou diminuído conforme necessário, e o seguinte exame pode ser executado.

[0034] Um gás misturado de gás CO2 e gás CH4 foi utilizado como o gás a ser tratado, e a temperatura de fornecimento de cada gás foi ajustada para 20°C. Além disso, não houve perda de pressão da válvula de controle da taxa de vazão V1, a válvula de abertura/fechamento V0 foi aberta e uma pressão P1 do gás a ser tratado e uma pressão P2 no módulo de membrana de separação 1 foram ajustadas para serem iguais entre si. Além disso, a temperatura de condensação em P1 e P2 foi considerada como um ponto de condensação do gás CO2 sob a condição em que P1 e P2 são iguais ou inferiores a uma pressão crítica do gás CO2, e uma temperatura crítica foi considerada como o ponto de condensação do gás CO2 sob a condição em que P1 e P2 são iguais ou maiores do que a pressão crítica. Consequentemente, o ponto de condensação e a temperatura de condensação são lidos como um ponto de sublimação e uma temperatura de solidificação, respectivamente, sob a condição de pressão em que P1 e P2 são iguais ou menores do que a pressão do ponto triplo de CO2. Então, a pressão parcial (relação molar) do gás CO2 foi ajustada para 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% e 100%, a pressão de operação para cada gás a ser tratado foi controlada em uma faixa de 8 MPaG a 31 MPaG, e depois uma pressão preliminar necessária para a redução da energia de aquecimento em 20% foi calculada por simulação utilizando um simulador de processo PRO/II (fabricado pela AVEVA).

[0035] A Figura 6 mostra os resultados da simulação acima e é uma vista característica em que a pressão operacional POpe quando um tratamento de separação é executado no módulo de membrana de separação 1 é mostrada no eixo das abscissas e a pressão preliminar PPre é mostrada no eixo longitudinal. Além disso, a Figura 7 é um gráfico em que o eixo longitudinal é definido como um logaritmo natural da pressão preliminar PPre. Na Figura 7, o eixo das abscissas é definido como 1/[(POpe/PVap)2 + (POpe/PVap)3] (PVap: pressão de vapor do CO2 a 20°C).

[0036] Em seguida, os resultados do cálculo das Figuras 6 e 7 são aproximados para obter a seguinte Fórmula de Aproximação (1). Além disso, as Fórmulas (2) e (3) indicam a e b na Fórmula (1), e CCO2 é uma concentração (relação molar) do gás CO2 no gás a ser tratado. ln(PPre) = a  [1/[(POpe/PVap)2 + (POpe/PVap)3]] + b Fórmula (1) a = 0,1318  (CCO2) – 13,63 Fórmula (2) b = 0,8886  ln(CCO2) – 2,372 Fórmula (3)

[0037] Os gráficos de (1) a (7) nas Figuras 6 e 7 são gráficos obtidos pela substituição de 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% e 100% como a pressão parcial (relação molar) do gás CO2 na Fórmula (1), respectivamente. Como um resultado, o R2 quadrado do coeficiente de correlação em todos os gráficos (1) a (7) na Figura 7 mostrou um valor elevado de 0,9 ou mais. Portanto, utilizando a Fórmula (1), a pressão preliminar igual ou maior do que a pressão representada pela fórmula é ajustada em relação à pressão de operação do eixo das abscissas, e assim, é possível definir uma pressão preliminar com a qual a energia de aquecimento da unidade de aquecimento 21 pode ser reduzida em 20% ou mais. Então, ao executar a inicialização do aparelho de separação de gás CO2 já descrito, é suficiente que a pressão do módulo de membrana de separação 1 seja aumentada para uma pressão igual ou superior à pressão preliminar calculada pela Fórmula (1).

[0038] Além disso, a determinação sobre se ou não o valor de pressão preliminar calculado é adotado no cálculo de uma pressão preliminar pela Fórmula (1) será descrita. Em seguida, a determinação sobre se o aumento de pressão preliminar é necessário é executada de acordo com o fluxograma da Figura 8. Em primeiro lugar, é determinado se a pressão de operação ajustada é 0,5 MPaG ou superior (etapa S11). Depois, no caso em que a pressão de operação é 0,5 MPaG ou superior (etapa S11; Sim), uma pressão preliminar é calculada pela Fórmula (1) acima (etapa S12). Além disso, em um caso em que a pressão preliminar calculada pela Fórmula (1) é 0,5 MPaG ou superior (etapa S13; Sim), a pressão preliminar e a pressão de operação são comparadas entre si, e em um caso em que a pressão preliminar é mais baixa do que a pressão de operação (etapa S14; Sim), a pressão preliminar é aplicada. Então, em um caso em que a pressão de operação é mais baixa do que 0,5 MPaG (etapa S11; Não) e em um caso em que a pressão preliminar é mais baixa do que 0,5 MPaG (etapa S13; Não), a pressão preliminar e a pressão de operação são comparadas entre si, e em um caso em que a pressão preliminar é mais elevada do que a pressão de operação (etapa S14; Não), cada aumento de pressão preliminar não é necessário. Mediante a determinação se o aumento de pressão preliminar é necessário de acordo com este fluxograma, o aumento de pressão preliminar pode ser realizado apenas quando requerido.

[0039] De acordo com a modalidade acima, após a separação do gás CO2 em gás natural de alta pressão utilizando o módulo de membrana de separação 1 incluindo a membrana de separação inorgânica 100, o gás reforçado preliminar é fornecido ao módulo de membrana de separação 1 antes que o fornecimento de gás natural seja iniciado, e a pressão no lado primário da membrana de separação inorgânica 100 é aumentada para a pressão preliminar entre a pressão em espera e a pressão de operação. Assim, pode ser suprimida uma diminuição abrupta na temperatura do gás natural quando o fornecimento do gás natural de alta pressão for iniciado para aumentar a pressão do módulo de membrana de separação 1 para a pressão de operação. Portanto, a condensação ou solidificação de gás CO 2 no módulo de membrana de separação 1 pode ser suprimida e, assim, a degradação do desempenho do módulo de membrana de separação 1 pode ser suprimida.

[0040] Da mesma forma, no aparelho de separação de gás CO2 em que o gás a ser tratado é aquecido e depois fornecido, através da execução do aumento de pressão preliminar, a energia térmica necessária pode ser reduzida em comparação com um caso em que a condensação ou solidificação do gás CO2 é suprimida apenas através do aquecimento utilizando a unidade de aquecimento 21.

[0041] O gás reforçado preliminar é suficiente para ser fornecido no lado primário da membrana de separação inorgânica 100 quando o aumento de pressão preliminar é executado, e pode ser fornecido no lado à montante da válvula de controle da taxa de vazão V1 ou no lado à montante da unidade de aquecimento 21.

[0042] Além disso, em relação a esta pressão do aumento de pressão preliminar, um valor mais adequado pode ser simplesmente definido utilizando a Fórmula (1) já descrita. Além disso, em um caso em que a diferença de pressão entre a pressão de operação e a pressão em espera é de 0,5 MPa ou mais elevada, é provável que ocorra a condensação ou solidificação do gás CO2 e, portanto, o grande efeito pode ser obtido mediante a aplicação da invenção, o que é preferível. Ademais, a concentração do gás CO2 no gás a ser tratado é de preferência 30% ou mais e menos do que 100% na relação molar e mais preferivelmente 40% ou mais e menos do que 100% na relação molar. Além disso, o gás reforçado preliminar é um gás não condensável e pode ser um gás que não possui influência no desempenho da membrana da membrana de separação inorgânica 100 e, por exemplo, o gás hélio ou o gás metano também pode ser utilizado.

[0043] Além disso, a invenção pode ser aplicada a um aparelho de separação de gás CO2 que separa o gás CO2 por uma membrana de separação orgânica em vez de uma membrana de separação inorgânica. Exemplos Cálculo da Pressão Preliminar e da Quantidade Térmica Fornecida

[0044] A mudança na temperatura ou a mudança na pressão do gás a ser tratado no aparelho de separação de gás CO2 quando o gás CO2 no gás a ser tratado foi separado pelo aparelho de separação de gás CO2 ilustrado na Figura 2, e a pressão de aumento de pressão preliminar para manter a temperatura do gás a ser tratado no módulo de membrana de separação 1 em uma temperatura mais elevada do que a temperatura de condensação foram calculados por PRO/II (fabricado por AVEVA). Incidentalmente, o gás a ser tratado é um gás misturado obtido pela mistura de gás CO2 e gás CH4 em uma relação molar de 9:1 e é fornecido ao aparelho de separação de gás CO2 a 60°C e 15 MPaG e em uma taxa de vazão de 50 Kg-mol/h. Um local no lado a montante da válvula de abertura/fechamento V0, um local no lado a jusante da unidade de aquecimento 21 e no lado a montante da válvula de controle da taxa de vazão V1, e um local dentro do módulo de membrana de separação 1 no aparelho de separação de gás CO2 são designados como locais St. 1, St. 2 e St. 3, respectivamente (ver a Figura 2). Além disso, a pressão atmosférica é ajustada para 0 MPaG. Exemplo de Referência

[0045] Em primeiro lugar, a mudança na temperatura do gás a ser tratado em um caso em que o gás a ser tratado não foi aquecido pela unidade de aquecimento e o aparelho de separação de gás CO2 foi inicializado sem o gás reforçado preliminar fornecido foi calculada. A Tabela 1 mostra a temperatura, a pressão e a taxa de fluxo do gás a ser tratado em cada local dos locais St. 1, St. 2 e St. 3. Tabela 1 Local St. 1 St. 2 St. 3 Temperatura (C) 60,000 60,000 -90,203 Pressão (MPaG) 15,000 15,000 0,000 Taxa de vazão (Kg-mol/h) 500,000 500,000 500,000

[0046] Conforme mostrado na Tabela 1, quando o gás a ser tratado que foi fornecido a 60°C e 15 MPaG é fornecido ao módulo de membrana de separação 1, o gás a ser tratado é esfriado para -90°C de acordo com o efeito Joule-Thomson. Essa temperatura está abaixo da temperatura de condensação do gás CO2 (por exemplo, gás CO2 30%, gás CH4 70%; -46°C) e o gás CO2 é condensado. Exemplo Comparativo

[0047] Em seguida, a energia térmica necessária para a unidade de aquecimento 21 no caso de suprimir a condensação do gás CO2 no local St.3 pelo aquecimento do gás a ser tratado pela unidade de aquecimento 21 sem executar o aumento de pressão preliminar foi calculada. Consequentemente, a temperatura na qual a condensação pode ser evitada no local St.3 foi ajustada para o ponto de condensação em uma pressão de operação de 10 MPaG + 10 K (46,2950°C). A temperatura, a pressão e a taxa de vazão do gás a ser tratado em cada local dos locais St. 1, St. 2 e St. 3 no caso de suprimir a condensação do gás CO2 pelo aquecimento do gás a ser tratado pela unidade de aquecimento 21 são mostradas na Tabela 2. Tabela 2 Local St. 1 St. 2 St. 3 Temperatura (C) 60,000 132,337 46,295 Pressão (MPaG) 15,000 15,000 0,000 Taxa de vazão (Kg-mol/h) 500,000 500,000 500,000

[0048] Conforme mostrado na Tabela 2, foi calculado que a temperatura no local St.3 em uma pressão atmosférica pode ser ajustada para 46,295°C através do aquecimento de modo que a temperatura no local St.2 se torne 132,337°C. A energia térmica aplicada ao gás a ser tratado pela unidade de aquecimento 21 neste momento foi de 3,0520 M·KJ/h. Exemplo

[0049] Além disso, a quantidade de redução da energia térmica da unidade de aquecimento 21 quando a pressão preliminar foi ajustada para 8 MPaG foi calculada. A Tabela 3 mostra a mudança na pressão e temperatura nos locais St. 1, St. 2 e St. 3 quando a pressão preliminar é ajustada para 8 MPaG. Tabela 3 Local St. 1 St. 2 St. 3 Temperatura (C) 60,000 83,049 46,295 Pressão (MPaG) 15,000 15,000 8,000 Taxa de vazão (Kg-mol/h) 500,000 500,000 500,000

[0050] Conforme mostrado na Tabela 3, quando a pressão preliminar é ajustada para 8 MPaG, de modo a manter a temperatura no local St.3 a 46,250°C quando o gás a ser tratado é fornecido, é necessário aquecer o gás a ser tratado para 83,049°C através da unidade de aquecimento 21. Depois, a energia térmica aplicada ao gás a ser tratado pela unidade de aquecimento 21 quando o gás a ser tratado foi aquecido para 83,049°C foi de 1,2196 M·KJ/h, e a energia térmica necessária para a unidade de aquecimento 21 foi reduzida em cerca de 60%.

[0051] Portanto, pode-se dizer que, ao aplicar a invenção, uma diminuição abrupta na temperatura do gás natural quando a pressão do módulo de membrana de separação 1 é aumentada para a pressão de operação pode ser suprimida. Além disso, também no aparelho de separação de gás CO2 em que o gás a ser tratado é aquecido e depois fornecido, pode-se dizer que a energia térmica necessária pode ser reduzida em comparação com um caso em que a condensação ou solidificação do gás CO2 é suprimida apenas através do aquecimento utilizando a unidade de aquecimento 21. Lista de Sinais de Referência 1 Módulo de membrana de separação 10 Via de fornecimento de gás natural 11 Via de descarga de gás produto 12 Via de descarga de gás CO2 13 Via de fornecimento de gás reforçado preliminar 21 Unidade de aquecimento 100 Membrana de separação inorgânica

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de separação de gás dióxido de carbono para permear o gás dióxido de carbono em um gás a ser tratado de um lado primário para um lado secundário de uma membrana de separação fornecida em um módulo de membrana de separação para converter o gás dióxido de carbono no gás a ser tratado, caracterizado pelo fato de que compreende: uma etapa de fornecimento de um gás reforçado preliminar no lado primário da membrana de separação para aumentar a pressão para uma pressão preliminar entre uma pressão em espera e uma pressão de operação, antes que o gás a ser tratado seja fornecido em uma pressão de fornecimento maior do que a pressão em espera ao módulo de membrana de separação em um estado da pressão em espera mais baixa do que a pressão de operação quando o gás dióxido de carbono for permeado através da membrana de separação, a fim de manter uma temperatura do gás a ser tratado na qual uma diminuição na pressão ocorre em uma temperatura mais elevada do que uma temperatura de condensação do gás dióxido de carbono ou uma temperatura de solidificação do gás dióxido de carbono; e uma etapa subsequente de fornecimento do gás a ser tratado ao módulo de membrana de separação para aumentar a pressão do módulo de membrana de separação para a pressão de operação e para converter o gás dióxido de carbono no gás a ser tratado.

2. Método de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a membrana de separação é uma membrana de separação inorgânica.

3. Método de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás a ser tratado é aquecido através de uma unidade de aquecimento e, em seguida, fornecido ao módulo de membrana de separação.

4. Método de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma diferença de pressão entre a pressão de operação e a pressão em espera é de 0,5 MPa ou mais elevada.

5. Método de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma concentração de gás dióxido de carbono no gás a ser tratado é de 30% ou mais e menos do que 100% na relação molar.

6. Método de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pressão preliminar é uma pressão de PPre ou mais elevada definida pela seguinte Fórmula (1) a Fórmula (3) quando a pressão de operação for designada como POpe, uma pressão de vapor do gás dióxido de carbono a 20°C é designada como PVap, e uma concentração (relação molar) do gás dióxido de carbono no gás a ser tratado é designada como CCO2: ln(PPre) = a  [1/[(POpe/PVap)2 + (POpe/PVap)3]] + b Fórmula (1) a = 0,1318  (CCO2) – 13,63 Fórmula (2) b = 0,8886  ln(CCO2) – 2,372 Fórmula (3).

7. Método de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás reforçado preliminar é pelo menos um gás selecionado de gás nitrogênio, gás hélio e gás metano.

8. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono que separa o gás dióxido de carbono contido em um gás a ser tratado, caracterizado pelo fato de que compreende: um módulo de membrana de separação incluindo uma membrana de separação e que permite o gás dióxido de carbono permear de um lado primário até um lado secundário da membrana de separação para converter o gás dióxido de carbono no gás a ser tratado; uma via de fornecimento de gás a ser tratado conectada a um espaço no lado primário do módulo de membrana de separação e que fornece o gás a ser tratado contendo gás dióxido de carbono; uma via de fluxo de gás dióxido de carbono conectada a um espaço no lado secundário do módulo de membrana de separação e que permite o gás dióxido de carbono permeado através da membrana de separação fluir para fora; uma via de fluxo de gás de não permeação conectada ao espaço no lado primário e que permite o gás de não permeação obtido após o gás dióxido de carbono ser separado fluir para fora; e uma via de fornecimento de gás reforçado preliminar que fornece um gás reforçado preliminar ao lado primário da membrana de separação no módulo de membrana de separação, em que o gás reforçado preliminar é fornecido a partir da via de fornecimento de gás reforçado preliminar para aumentar a pressão no espaço no lado primário para uma pressão preliminar entre uma pressão em espera e uma pressão de operação, antes que o gás a ser tratado seja fornecido em um pressão de fornecimento mais elevada do que a pressão em espera ao módulo de membrana de separação em um estado da pressão em espera menor do que a pressão de operação quando o gás dióxido de carbono é permeado através da membrana de separação, a fim de manter uma temperatura do gás a ser tratado no qual ocorre uma diminuição na pressão em uma temperatura mais elevada do que uma temperatura de condensação do gás dióxido de carbono ou uma temperatura de solidificação do gás dióxido de carbono.

9. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a membrana de separação é uma membrana de separação inorgânica.

10. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a via de fornecimento de gás a ser tratado inclui uma unidade de aquecimento para aquecer o gás a ser tratado e depois fornecer o gás aquecido ao módulo de membrana de separação.

11. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma diferença de pressão entre a pressão de operação e a pressão em espera é de 0,5 MPa ou mais elevada.

12. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma concentração do gás dióxido de carbono no gás a ser tratado é de 30% ou mais e menos do que 100% na relação molar.

13. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a pressão preliminar é uma pressão de PPre ou mais elevada definida pela Fórmula (1) a Fórmula (3) quando a pressão de operação é designada como POpe, uma pressão de vapor do gás dióxido de carbono a 20°C é designado como PVap, e uma concentração (relação molar) do gás dióxido de carbono no gás a ser tratado é designada como CCO2: ln(PPre) = a  [1/[(POpe/PVap)2 + (POpe/PVap)3]] + b Fórmula (1) a = 0,1318  (CCO2) – 13,63 Fórmula (2) b = 0,8886  ln(CCO2) – 2,372 Fórmula (3).

14. Aparelho de separação de gás dióxido de carbono, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o gás reforçado preliminarmente é pelo menos um gás selecionado de gás nitrogênio, gás hélio e gás metano.

Petição 870210034198, de 15/04/2021, pág. 33/48 Separação Gás natural Pré-tratamento Liquefação Armazenamento Expedição de LNG de gás CO2 1/7

Expedição por gasoduto

Gás natural Gás produto

Gás reforçado preliminar

Gás natural Gás produto

Gás reforçado preliminar

Gás natural Gás produto

Gás reforçado preliminar

Aberta Válvula V0 Fechada

Aberta Válvula V2 Fechada

Aberta Válvula V3 Fechada

Aberta Válvula V4 Fechada

Pressão Pressão de operação Pressão preliminar

Pressão atmosférica

Tempo

Concentração de CO2 Pressão preliminar (Ppre) [MPaG]

Pressão de operação (Pope) [MPaG].

Concentração de CO2.

A pressão de operação é de 0,5 MPaG ou mais elevada?

S Calcular a pressão preliminar mais baixa através da Fórmula (1) A pressão preliminar calculada através da Fórmula (1) é de 0,5 MPaG ou mais elevada?

S A pressão preliminar é mais baixa do que a pressão de operação? Aumento da O aumento da pressão pressão preliminar preliminar é aplicado.