Geo aula - Gás natural (Aula 4)

Vamos a nossa penúltima aula dessa serie de aulas sobre gás natural?

Então vamos lá, mas se preparem, pois hoje a aula é longa e com muitas informações!

Gás Natural - Aula 4

Desidratação

Água no Gás Natural

Podemos considerar que qualquer gás natural produzido, associado ou não associado, está saturado com vapor de água, isto é, contém máxima quantidade possível de água no estado vapor. quantidades adicionais que tendem a se vaporizar voltarão a condensar, exceto se houver alteração nas condições de pressão e/ou temperatura do gás.

O teor de água de saturação do gás é função de 3 parâmetros: pressão, temperatura, presença de contaminantes ou gases ácidos, que tem a propriedade de elevar esse teor. Quanto menor a pressão e maior a temperatura, maior a capacidade do gás de reter água no estado vapor.

A água contida em uma corrente de gás natural deve ser parcial ou totalmente removida com os seguintes objetivos:

1º - Manter a eficiência dos dutos de transporte , uma vez que a água condensada nas tubulações causa a redução na área de passagem com o aumento na perda de carga e redução de vazão do gás que poderia fluir pelas mesmas;

2º - Evitar a formação de meio acido corrosivo decorrente da presença de água livre em contato com gases ácidos que podem estar presente no gás;


3º - Evitar a formação de hidrato.


A especificação do gás desidratado, em uma certa pressão, pode ser dada em termos de teor de água, ponto de orvalho ou depressão do ponto de orvalho, sendo essas duas ultimas posições normalmente as mais adequadas e precisas em termos práticos.


Analisadores de Umidade no Gás Natural

A determinação da umidade existente no gás natural é um fator fundamental no controle de operações de processamento, distribuição e consumo do gás natural. Com a determinação do ponto de orvalho poderemos saber se o gás está seco o bastante para não formar hidratos após a sua refrigeração ou água liquida em dutos. As unidades mais utilizadas para se expressar a umidade do gás natural são temperatura do ponto de orvalho (mais usual) e ppm(v). Existem vários tipos de medidores: Espelho Refrigerado (Óticos e Eletrolíticos), Capacitores de Óxido Metálico e Piezoelétricos. Vamos conhecer os mais utilizados: 1º Espelhos, 2º Capacitor de Óxido Metálico e 3º Piezoelétricos (Cristal de Quartzo).

Medidor tipo Espelho Refrigerado

É um aparelho de medida direta da umidade e seu principio esta baseado na determinação da temperatura do ponto de orvalho pela condensação da umidade sobre a superfície de um espelho. Foi o 1º sistema de medida de umidade utilizado para o gás natural. O gás circula por dentro de uma câmara que contem o espelho que é resfriado por um sistema auxiliar enquanto este espelho reflete um facho de luz infravermelha. No momento que o gás atinge a temperatura do ponto de orvalho a umidade se condensa no espelho atrapalhando a reflexão da luz infravermelha, neste momento um sensor receptor da luz infravermelha detecta a condensação e determina a temperatura do ponto de orvalho.

Vantagens

• Leitura direta do ponto de orvalho;

• Custo baixo;

• Não pode ser usado para ponto de orvalho caso exista outro condensável no gás.

Desvantagens

• Limitado a temperatura de - 40ºC a 40ºC;

• Medidor não continuo, ciclos de 15 a 40 min.

Capacitor de Oxido Metálico (AL2O3)

É um medidor indireto e seu principio está baseado na determinação da umidade pela variação da capacitância do sensor. Uma camada de óxido de alumínio (dielétrico) fica entre uma camada muito fina de ouro e uma placa de alumínio (condutores) formando um capacitor. O vapor de água atravessa a camada de ouro entrando nos poros da camada de oxido, alterando a constante dielétrica mudando a capacitância (C0), variação em relação a calibração do sensor é relacionada como a umidade.


Vantagens

• Pode ser usado para baixas temperaturas de ponto de orvalho (-80ºC);

• Custo relativamente baixo;

• Não possuí boa acurácia.

Desvantagens

• Calibração a cada 6 meses, somente na fábrica;

• Incompatível com presença de mercúrio.

Medidor tipo Piezoelétrico

É um medidor indireto e seu principio está baseado na determinação da umidade pela variação frequência natural do cristal de quartzo. O sensor é formado por um cristal de quartzo coberto por uma película fina de um material higroscópico e dentro de uma pequena câmara. Quando o crista é exposto ao fluxo de gás o material higroscópico adsorve as moléculas de água contidas no gás, o que aumenta a massa do sensor, diminuindo a frequência de oscilação do cristal. A umidade do gás é medida através da comparação da frequência do sensor "seco" e do "úmido".

Vantagens

• Alta sensibilidade, alguns modelos medem ppb de água no gás;

• custo elevado.

Desvantagens

• Medidor não contínuo.

Hidratos

São compostos formados pela combinação física entre moléculas de água liquida com outras moléculas pequenas de hidrocarbonetos e/ou contaminantes formando um sólido de aparência de gelo, mas com estrutura molecular diferentes. Estes compostos, de estrutura cristalina, crescem bloqueando linhas, válvulas e equipamentos, parcial e totalmente.

Hidrato Formado em Linha

Acredita-se que para haver a formação do hidrato é necessária a presença de água no estado líquido, a água no estado de vapor não seria capaz de formar hidratos. Alguns autores citam que em condições especiais pode ocorrer a formação de hidratos diretamente da água no estado vapor pelo processo de *sublimação.

*A sublimação é a mudança do estado sólido para o estado gasoso, sem passar pelo estado líquido, que também pode ser chamada de ressublimação.

A composição do gás tem efeito fundamental na formação de hidratos. Metano, etano, gás carbônico e gás sulfídrico são, por excelência, os componentes formadores de hidrato do tipo 1. Propano, butanos e nitrogênio formam

hidratos do tipo 2. Moléculas maiores, ao contrário, tendem a inibir a formação de hidratos, além disso, hidrocarbonetos condensados ajudam a evitar acúmulo de hidratos pelo efeito de lavagem. Por esta razão, gasodutos bifásicos estão menos propensos à formação de hidratos do que gasodutos monofásicos.

Assim, pode se dizer que gases de alta densidade, isto é, contendo muito hidrocarbonetos pesados têm menor tendencia a formar hidratos enquanto que gases contendo alto teores de H2S e CO2 apresentam maior tendencia pois estes contaminantes são mais solúveis em água que a maioria dos hidrocarbonetos.

A temperatura de formação de hidratos a uma certa temperatura é função da composição do gás e existem métodos relativamente precisos de determinação desta temperatura.

Injeção de Inibidores de Hidratos

Embora a remoção da água do gás elimine o problema da formação de hidratos, em algumas circunstancias não é possível ou não é interessante proceder-se a desidratação. Para contornar esta situação é frequente a injeção de compostos que inibem a formação do hidrato.

Tais compostos, que tem a função de se combinar com água livre, na verdade apenas diminuem a temperatura em que os hidratos se formariam, isto é, causam uma depressão na temperatura de formação dos mesmos (crioscopia).

Os pontos mais frequentes de injeção de inibidores são poços de produção, linhas de transporte e correntes que serão submetidas a refrigeração.


O inibidor deve ser injetado na corrente gasosa antes que seja atingida a temperatura de hidrato. O ponto de injeção deve ser tal que permita a maior dispersão possível no gás, com o uso de bicos injetores (spray nozzles).


Os inibidores mais usados são o metano, o etanol, mono-etileno glicol (MEG) e di-etileno glicol (DEG). todos podem ser posteriormente regenerados e recirculados de volta ao processo embora a recuperação do metanol e do etanol sejam anti-econômica em muitos casos. Cada inibidor, entanto, tem sua aplicação limitada a certas faixas de temperatura.

Desidratação por Absorção

Absorção = fixação de uma substancia, geralmente liquida ou gasosa, no interior da massa de outra substancia sendo resultante de um conjunto complexo de fenômenos de capilaridade, atrações eletrostáticas, reações químicas, etc."


A desidratação por absorção requer que haja contato entre o gás e a solução de absorvente. O contato pode ser em linha, como é o caso da injeção de inibidores, ou em uma torre recheada ou de pratos.

Desidratação por Adsorção

Adsorção = fixação de moléculas de uma substancia (o adsorvato) na superfície de outra substancia.


Entende-se por adsorção em que as moléculas de um gás são condensadas e retiradas na superfície de um sólido por meio de forças de atração superficiais. Cabe mencionar, por clareza de definição, que o processo de adsorção se aplica à correntes liquidas e que além de adsorção física o processo pode ser químico envolvendo uma reação entre o adsorvente e os compostos adsorvidos.


A adsorção física encontra aplicação na desidratação do gás natural, podendo-se atingir com este processo teores de água na corrente efluente menores que 1 ppm.



Um material para ser um bom adsorvente deve apresentar uma serie de características sendo as mais importantes as seguintes:

• Grande área superficial, entre 500 e 800 m2/grama;

• Afinidade pela água;

• Seletividade;

• Elevada resistência mecânica;

• Facilidade de reativação ou regeneração;

• Preservação das características com o tempo: Vida útil.

A elevada razão entre a área superficial e peso dos materiais adsorventes é devida a estrutura cristalina dos mesmos na qual os poros do retículo conferem ao material uma enorme superfície interna, sendo a superfície externa das partículas praticantes insignificantes.

De um modo geral, os adsorventes industriais adsorvem tanto hidrocarbonetos quanto água apresentando, no entanto, uma preferência ou seletividade, pela água. O adsorvente saturado deve ser reativado ou regenerado o que é feito normalmente pela ação do calor que causa a liberação dos líquidos adsorvidos. O adsorvente sofre, portanto, aquecimentos e resfriamentos cíclicos correspondentes as etapas de adsorção e regeneração e este ciclo de temperatura juntamente com a presença de óleo, glicóis ou líquidos livres a corrente gasosa influenciam na vida útil do adsorvente que varia de 3 a 5 anos.


Os materiais que satisfazem os requisitos listados anteriormente e de uso frequente no tratamento do gás natural são:

• Sílica gel;

• Alumina ativada;

• Peneira molecular;

Sílica Gel


Sílica-gel ou gel de sílica é um material usado para absorver umidade. É um produto sintético, produzido pela reação de silicato de sódio e ácido sulfúrico. Assim que misturados, formam um hidrosol, que lentamente se contrai para formar uma estrutura sólida de Sílica Gel, chamada hidrogel. O gel sólido é quebrado e lavado para remover o subproduto da reação, o sulfato de sódio, e criar sua estrutura porosa.


Antes da descoberta do Glicol, a sílica gel foi o adsorvente mais utilizado para especificar o teor de água do gás desidratado para transporte. Quando utilizada para desidratação ela pode obter valores de ponto de orvalho de até -60ºC.

A capacidade de adsorção de água da sílica-gel é de, no máximo, 30% do seu próprio peso, aproximadamente.

A Sílica gel é um composto essencialmente inerte não sendo afetada nem pelos gases ácidos por ventura presentes no Gás Natural. Contudo, tem tendencia adsorver hidrocarbonetos com consequente redução de sua capacidade de adsorver água. Após atingir a saturação, a sílica pode ser regenerada tanto coma corrente de gás úmido tanto com o gás desidratado, a temperaturas que variam entre 220 e 260ºC.

Alumina ativada

A alumina ativada é composta por óxido de alumínio hidratado Al2O3 (nH2O), e da mesma forma que a sílica gel, tem tendência a adsorver hidrocarbonetos pesados do gás natural.

Contudo, este hidrocarbonetos dificultam mais a regeneração da alumina do que a da sílica gel. Esta característica faz com que a alumina seja usada preferencialmente para componentes puros, tais como etileno, propileno, propano, não contaminados com hidrocarbonetos pesados.

Quando utilizada para a desidratação ela pode obter valores de ponto de orvalho de até 70ºC.

Ainda comparativamente com a sílica, a alumina apresenta menor custo e maior resistência mecânica sendo meno suscetível a quebras durante o processamento. Da mesma forma que a sílica, pode ser regenerada com gás úmido ou desidratado, porém requer temperaturas um pouco menores, da ordem de 176 a 204ºC.

Peneira molecular

Peneiras moleculares são alumínio-silicatos metálicos, também conhecidas como zeólitas, de estrutura cristalina, com poros de 3 a 10 Ângstrom de diâmetro, sendo esta dimensão determinada pelo metal que, para a maioria das aplicações em processamento de gás natural é o sódio (Na[AlSiO4]H2O) conhecido como tipo 4A. O número 4 representa a dimensão da abertura Ângstrom. Existe também os zeólitos 3A e 5A, dependendo do tipo de metal, alcalino ou alcalino terroso, existe dentro da estrutura básica do aluminossilicato.

*Quando os íons de sódio são substituídos pelos de potássio, o aluminossilicato resultante é conhecido com zeólito 3A.  O íon potássio é maior que o íon sódio e consequentemente bloqueia os poros.  No zeólito 5A, os íons de sódio são substituídos pelos íons cálcio, pois, os poros de zeólito contendo sódio são maiores que os daquele contendo sódio.

Devido ao tamanho tão controlado dos poros, as peneiras moleculares não tem tendencia a adsorver hidrocarbonetos, muito embora a presença desses interfira na sua boa operação. É o adsorvente que requer a maior temperatura de regeneração, entre 260 a 316ºC.  Obtém-se com a peneira molecular teores de água no gás desidratado inferiores a 1 ppm e por isso, a aplicação tipica desse adsorvente é para gases que serão submetidos a processos criogênicos. Pode se obter valores de ponto de orvalho menores que -100ºC em alguns casos.

Como visto anteriormente o leito de adsorventes só pode adsorver uma quantidade finita de água, após o qual precisa ser regenerado. Assim, ara que se tenha um processo continuo dois ou mais vasos são necessários. Geralmente um leito está na etapa de regeneração enquanto o(s) outro(s) estão na etapa de adsorção. Na etapa de regeneração o aquecimento do leito consome cerca de 60% do tempo de adsorção e os 40% restantes correspondem ao resfriamento.

Vantagens e desvantagens dos sistemas de adsorção

Os sistemas de adsorção, comparados com o principal processo alternativo de desidratação que é a absorção com glicol, apresentam as seguintes vantagens:

• O gás tratado pode atingir pontos de orvalho muito mais baixos;
• O gás tratado não conterá líquidos, o que contribui para aumentar ou manter a eficiência dos gasodutos;
• Adequação as unidades criogênicas que requerem que o gás a ser processado esteja completamente isento de água de modo a evitar a formação de hidratos;

Por outro lado,os sistemas de adsorção tem seu uso limitado pelas desvantagens que apresentam em comparação com o sistema de glicol convencional:

• Para especificar o gás destinado a transporte o custo dos equipamentos é 2 a 4 vezes maior que um de absorção. Isso se deve ao fato de todos os equipamentos terem que ser projetados para a pressão de projeto do gasoduto, por muitas vezes elevadas. Num sistema de glicol só a absorvedora é projetada para esta pressão;
• O custo operacional do sistema de adsorção, também para especificar o gás para transporte é maior, pois, requer temperaturas de regeneração mais elevadas que o sistema de absorção;
• A perda de carga varia de 25 a 60 kPa enquanto que nos sistemas de adsorção a queda de pressão é de 35 kPa no máximo.

Do exposto, pode-se concluir que uma alternativa adequada pra desidratação do gás passa por uma análise técnico-econômica para que seja encontrada a melhor relação custo beneficio. Nos últimos anos a utilização da peneira moleculares vem aumentando em diversas áreas da industria (produção de álcool, separação de gases do ar, etc) devido a sua alta capacidade seletiva.  

Ufa! Essa deu canseira...

Enfim...

Por hoje é só meus amigos, até nossa última aula de Gás Natural!

Fonte:

Silica gel - http://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADlica-gel

Livro 3 (Gás natural, refino e inglês offshore) Winners - Capacitação Profissional - Unidade 1 - Gás Natural. Págs. 28-38. 

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