Otimizar a desidratação do gás natural: Adsorventes de peneira molecular

Introdução

Uma das fases mais importantes do processamento do gás natural é a desidratação do gás natural, que garante a sua qualidade e eficiência antes de chegar às nossas casas e indústrias. Implica a remoção do vapor de água do fluxo de gás para evitar a corrosão, a formação de hidratos e a redução do valor de aquecimento. Os adsorventes de peneira molecular são uma das formas mais eficazes de desidratar o gás natural porque têm propriedades únicas que lhes permitem remover as moléculas de água dos gases naturais. Neste documento, iremos aprofundar os princípios básicos subjacentes à desidratação do gás natural, os vários métodos de desidratação, bem como o papel fundamental que os adsorventes de crivo molecular desempenham na mesma.

As peneiras moleculares são dessecantes eficazes utilizados no método de desidratação por adsorção, que é habitualmente utilizado pelos intervenientes na indústria do gás natural. A estrutura uniforme dos poros destes adsorventes assegura a seletividade das moléculas de água, excluindo as moléculas de hidrocarbonetos maiores, possibilitando uma desidratação eficiente sem perda significativa de componentes valiosos.

Compreender a desidratação do gás natural

A desidratação do gás natural é a retirada do vapor de água do gás natural bruto para produzir gás natural seco, que pode ser transportado e consumido. Muitas vezes, o gás natural bruto contém vapor de água, que pode condensar-se, resultando em problemas nas condutas e no equipamento de processamento. O teor de água do gás natural bruto varia entre 0,1 e 1,5 lb/MMcf (U.S. Energy Information Administration, 2020). O processo de remoção do vapor de água do gás natural tem como objetivo reduzir a quantidade deste composto para um nível aceitável pela maioria das normas de qualidade dos gasodutos, normalmente inferior a 7 lbs/MMcf.

A desidratação deve ocorrer por várias razões. O vapor de água pode formar compostos corrosivos com gases ácidos, como o dióxido de carbono e o sulfureto de hidrogénio, que corroem as condutas e o equipamento. Combina-se também com hidrocarbonetos pesados para formar hidratos sólidos a altas pressões e baixas temperaturas, o que causaria o entupimento das condutas, interrompendo assim o seu fluxo. Além disso, a água elimina os componentes combustíveis, reduzindo assim o poder calorífico do gás natural quando estes ocupam o espaço que este poderia ter preenchido. Estes problemas podem ser resolvidos retirando o vapor de água através do processo denominado Desidratação do Gás Natural, garantindo assim a substância do combustível, bem como a sua fiabilidade no lado do fornecimento do mercado.

Métodos de desidratação no processamento de gás natural

São utilizados vários métodos para a desidratação do gás natural, nomeadamente a desidratação por absorção (desidratação com glicol), a desidratação por adsorção (desidratação com dessecante sólido), a refrigeração e a separação por membranas. A indústria do gás natural utiliza geralmente o método de absorção, também conhecido por desidratação com glicol. Por esta razão, é utilizado um dessecante líquido, normalmente trietilenoglicol (TEG), para absorver o vapor de água do fluxo de gás natural húmido numa unidade de desidratação de gás. Embora a desidratação com glicol seja eficaz na remoção do vapor de água dos fluxos de gás natural com temperaturas do ponto de orvalho de saída tão baixas como -10°C a -20°C, tem algumas limitações como a possibilidade de perdas de glicol, a necessidade de manutenção regular e o elevado consumo de energia durante a regeneração do glicol na secção de regeneração. A pureza do glicol e a eficiência do processo de regeneração do glicol podem afetar o desempenho global da unidade de desidratação de gás.

Os dessecantes sólidos ou crivos moleculares constituídos por sílica gel são utilizados na desidratação por adsorção ou na desidratação por dessecante sólido para remover o vapor de água dos fluxos de gás natural. O gás natural húmido passa através de um leito adsorvente onde as moléculas constituídas principalmente por H2O entram em contacto com a superfície do material poroso que as recolhe. Algumas vantagens associadas à adsorção incluem um custo energético inferior ao dos processos baseados em glicol, uma maior eficiência em termos de remoção e a capacidade de atingir temperaturas de ponto de orvalho da água muito baixas (-50°C a -100°C). Estas caraterísticas tornam os adsorventes de peneira molecular altamente eficazes na remoção de vestígios de humidade, porque têm estruturas de poros altamente absorventes. O gás natural desidratado pode então ser processado para recuperar os líquidos de gás natural, que são armazenados em tanques de armazenamento.

Em comparação com outros métodos, como a refrigeração e a separação por membranas, as desidratações por glicol e por dessecante sólido são mais frequentemente utilizadas nas indústrias de gás natural. A refrigeração implica o arrefecimento dos gases de modo a condensar e separar o líquido resultante, enquanto a separação por membranas utiliza membranas selectivas que permitem a passagem de moléculas de água mas retêm os hidrocarbonetos.

Implementação da desidratação por adsorção em instalações de processamento de gás natural

Nas instalações de processamento de gás natural, as unidades de desidratação por adsorção situam-se normalmente a jusante das fases iniciais de separação e compressão. Factores como o ponto de orvalho desejado, a presença de outras impurezas e o esquema geral do fluxo do processo determinam a colocação de uma unidade de desidratação. A desidratação por adsorção pode ser utilizada juntamente com outros métodos de desidratação, como a desidratação com glicol, para obter o ponto de orvalho necessário; por exemplo, um bom exemplo é quando uma unidade de desidratação com glicol remove inicialmente a água e, em seguida, é aplicada uma unidade de adsorção para polir até aos requisitos rigorosos de ponto de orvalho. Ao selecionar e conceber desidratadores por adsorção com um desempenho ótimo e a um custo mínimo, têm de ser considerados factores como o caudal de gás, o teor de humidade do fluxo de gás, o ciclo de regeneração e o ponto de orvalho necessário.

A desidratação através da adsorção em várias fases pode ser utilizada em aplicações em que se pretendem pontos de orvalho da água extremamente baixos (inferiores a -100°C), como na produção de gás de petróleo liquefeito ou em processos criogénicos. Os sistemas de adsorção em várias fases consistem em dois ou mais recipientes de adsorção ligados em série; cada fase tem como objetivo atingir um ponto de orvalho inferior ao da fase anterior. Na primeira fase, é removida a maior concentração de vapor de água, enquanto as fases seguintes continuam com o processo de secagem. Facilita uma melhor utilização dos leitos de adsorvente, o que permite atingir níveis muito baixos de saturação de humidade. Podem ser utilizados diferentes tipos de peneiras moleculares em diferentes fases dos sistemas de desidratação por adsorção em várias fases para otimizar frequentemente o desempenho.

Processo de desidratação por adsorção em pormenor

Normalmente, o sistema de desidratação por adsorção é composto por vários componentes principais, tais como recipientes de adsorção, válvulas e tubagens do sistema de regeneração e instrumentação e controlos. Os recipientes de adsorção contêm os leitos de dessecante sólido, normalmente peneiras moleculares ou géis de sílica, que podem ser aumentados de acordo com a capacidade da instalação e o ciclo de regeneração pretendido. Por outro lado, o sistema de regeneração inclui normalmente um aquecedor de gás de regeneração, um compressor e um arrefecedor que são responsáveis pelo aquecimento e arrefecimento do gás de regeneração utilizado para remover a água dos leitos dessecantes saturados.

O processo de desidratação por adsorção ocorre em duas fases principais: adsorção e regeneração. É durante a fase de adsorção que o gás natural húmido entra num recipiente adsorvente que contém um leito dessecante sólido. Ao atravessar o leito, o gás arrasta consigo moléculas de água que se fixam na sua superfície, ao passo que os gases secos voltam a sair do leito. Neste caso, todos estes processos são efectuados até ao momento em que a água fica saturada no leito de dessecantes. Consequentemente, uma vez que a saturação tenha ocorrido num determinado leito de dessecante, isso significa que esse recipiente absorvente específico deve ser colocado fora de linha enquanto aguarda o objetivo de ser regenerado. Um gás de regeneração quente (geralmente parte do gás seco do produto) é passado através do leito saturado para retirar a água absorvida. O passo seguinte, após a obtenção de ar limpo, é arrefecer o ar de regeneração de modo a condensar. Em alguns casos, podem ser utilizados dois ou mais recipientes de adsorção paralelos, de modo a que um possa permanecer sempre em funcionamento utilizando outro(s).

Adsorventes de peneira molecular: Um enfoque na desidratação por adsorção

Os adsorventes de crivo molecular são aluminossilicatos cristalinos que possuem uma estrutura de poros regular que lhes permite adsorver moléculas seletivamente com base no seu tamanho e forma. Estes adsorventes são fabricados a partir de zeólitos naturais ou sintéticos e possuem uma rede tridimensional de poros e canais interligados. O crivo molecular mais comum utilizado na desidratação do gás natural é o zeólito 4A, que tem um diâmetro de poro da ordem dos quatro angstroms (Å). Os crivos moleculares apresentam uma forte afinidade com a água devido à sua natureza hidrofílica e às fortes interações entre as moléculas de água e a estrutura do zeólito, o que lhes permite remover eficazmente o vapor de água de fluxos de gás natural de baixa concentração.

Em comparação com outros dessecantes na desidratação de gás natural, existem várias vantagens associadas aos adsorventes de peneira molecular. Têm uma área de superfície específica elevada, bem como um volume de poros que lhes permite adsorver grandes quantidades de vapor de água por unidade de massa de adsorvente. A desidratação eficiente sem perda substancial de componentes valiosos depende da adsorção selectiva de moléculas de água pela estrutura uniforme dos poros das peneiras moleculares, excluindo as moléculas de hidrocarbonetos maiores. As peneiras moleculares podem ser regeneradas a temperaturas mais baixas (150°C - 300°C) em comparação com outros dessecantes, reduzindo assim o consumo de energia e os custos operacionais (Chemical Engineering Transactions, 2017). Com regeneração e manutenção adequadas, os leitos de peneira molecular podem durar vários anos, minimizando assim a necessidade de substituições frequentes. Além disso, as peneiras moleculares também possuem maiores capacidades de desidratação, de modo que unidades menores podem ser implantadas, levando a uma redução das pegadas, bem como dos custos de capital associados à infraestrutura necessária para as plantas de processamento de gás envolvidas.

A escolha de um tipo de peneira molecular adequado para o serviço de desidratação de gás natural é influenciada por vários factores, como a composição do gás, as condições de funcionamento, o ponto de orvalho pretendido e o método de regeneração. Consultar os produtores de peneiras moleculares e efetuar testes à escala piloto pode ser útil para determinar o adsorvente mais adequado para uma determinada aplicação de desidratação de gás natural.

Regeneração de adsorventes no processo de desidratação

Durante o processo de desidratação por adsorção no tratamento de gás natural, o passo de regeneração é um aspeto fundamental para o funcionamento contínuo e eficiente da unidade que desidrata a água, assegurando que o gás cumpre a especificação do ponto de orvalho da água. O procedimento de regeneração no contexto da desidratação do gás natural envolve a dessorção da água absorvida do leito de peneira molecular saturado de água, após o que a sua capacidade de adsorção é rejuvenescida de modo a ser utilizada noutro ciclo. Isto é necessário para manter o ponto de orvalho da água no nível desejado em fluxos de gás natural e evitar a formação de hidratos e problemas de corrosão relacionados com processos a jusante, minimizando também o custo de investimento (Chemical Engineering Transactions, 2017).

São utilizados dois métodos principais na regeneração de sistemas de desidratação de gás natural: a regeneração por oscilação térmica (TSR) e a regeneração por oscilação de pressão (PSR). Na TSR, o gás de regeneração quente ou uma parte dos gases secos do produto são utilizados para aquecer os leitos saturados de peneira molecular até que possam dessorver a água adsorvida, reduzindo a concentração de água na fase de vapor. As temperaturas de regeneração variam entre 150°C e 300°C, dependendo do tipo de peneira molecular, bem como do nível de desidratação necessário para atingir o ponto de orvalho da água desejado. Em alternativa, a PSR implica a redução da pressão no interior do leito saturado de peneira molecular, de modo a que a água adsorvida seja dessorvida, removendo a água livre. Isto significa que o leito é isolado do gás de alimentação de alta pressão, sendo depois despressurizado para uma pressão mais baixa, próxima da pressão atmosférica. A desidratação do gás natural utiliza maioritariamente a TSR porque atinge pontos de orvalho da água muito baixos, abaixo dos -60°C, necessários para o processamento do gás natural.

A manutenção do desempenho a longo prazo e da vida útil dos adsorventes de peneira molecular durante a sua utilização em desidratadores de gás natural exige uma regeneração adequada. Uma regeneração inadequada ou ineficiente pode resultar numa redução gradual das capacidades de adsorção e numa queda da eficiência da secagem, resultando em concentrações de água mais elevadas nos gases naturais tratados. Pode levar a problemas durante as operações com a não conformidade com as especificações da tubagem. Para garantir um desempenho fiável num desidratador por adsorção, bem como uma produção de metano seco de boa qualidade, torna-se absolutamente necessário um controlo regular, a otimização do processo de regeneração e a substituição periódica.

Escolhendo a Jalon como um fornecedor confiável de peneira molecular para desidratação de gás natural

No caso de selecionar um fornecedor fiável de peneiras moleculares para secagem de gás natural, a Jalon é um líder da indústria em produtos de peneira molecular de alta qualidade. Com equipamento de produção de alta tecnologia e uma forte ênfase na investigação e desenvolvimento, a Jalon fornece peneiras moleculares especialmente concebidas para garantir que as aplicações de processamento de gás natural são eficientes e fiáveis. Para as pessoas que procuram peneiras moleculares superiores para desidratação de gás natural, trabalhar com a Jalon pode ser a chave para maximizar a eficiência da desidratação e garantir a rentabilidade a longo prazo.

Conclusão

A desidratação por adsorção, que utiliza adsorventes de peneiras moleculares, é um método muito eficaz de desidratação do gás natural, importante para a qualidade e fiabilidade do nosso abastecimento de gás natural. Por exemplo, as peneiras moleculares têm caraterísticas como uma estrutura de poros uniforme, elevada capacidade de adsorção e adsorção selectiva, o que as torna ideais para eliminar o vapor de água dos fluxos de gás natural. À luz desta procura crescente de recursos energéticos limpos e eficientes, a desidratação por adsorção destaca-se como a forma preferida de responder às necessidades futuras da indústria do gás natural, uma vez que provou ser uma técnica rentável e versátil.