Guia completo para a purificação de gás natural: Métodos e Tecnologias

O que é a purificação do gás natural e porque é que é essencial?

A purificação do gás natural é um passo importante na indústria do petróleo e do gás que torna possível a utilização do gás natural de forma segura, eficiente e a um custo razoável. No seu sentido mais lato, a purificação do gás natural significa o processo de separação de substâncias indesejáveis do gás natural bruto que é produzido a partir de poços de petróleo ou campos de gás. Se não forem removidas, estas impurezas podem causar a degradação do equipamento, reduzir o conteúdo energético do gás e levar a problemas ambientais, como a emissão de gases com efeito de estufa.

Porque é que este processo é tão importante? Em primeiro lugar, o gás natural purificado está em conformidade com os padrões de qualidade dos gasodutos necessários para o transporte e consumo de gás natural. Também ajuda a manter a compatibilidade com os processos subsequentes, por exemplo, centrais eléctricas, instalações petroquímicas e refinarias de petróleo que utilizam o gás natural seco como fonte de energia. Além disso, a purificação do gás natural é essencial para cumprir as normas ambientais, especialmente em países como os Estados Unidos, que têm leis rigorosas sobre a emissão de gases ácidos, como o dióxido de enxofre.

Não se trata apenas de um processo para atingir determinados requisitos técnicos, mas sim de um processo para fornecer uma energia segura, limpa e eficiente através do processamento do gás natural. Tendo em conta a necessidade crescente de energia limpa, o gás natural é mais preferido do que outros hidrocarbonetos, como o petróleo bruto. Mas para o conseguir, as impurezas no gás natural bruto têm de ser separadas - um processo que é complexo e necessita de tecnologias e engenharia sofisticadas.

Principais equipamentos utilizados na purificação de gás natural e suas funções

A purificação do gás natural requer a aplicação de várias unidades críticas de equipamento, que têm como objetivo a remoção de várias impurezas no fluxo de gás natural. Estes sistemas ajudam a garantir que o gás natural é seguro, tem a qualidade correta e cumpre os requisitos ambientais antes de ser transportado ou utilizado.

Separadores: Em muitos casos, na fase inicial da purificação, são utilizados separadores convencionais para eliminar grandes volumes de líquidos, incluindo água e hidrocarbonetos mais densos, do fluxo de gás natural. Este passo é útil para evitar danos no equipamento a jusante e também para prevenir a corrosão.

Unidades de absorção de aminas: Estes sistemas são essenciais para a eliminação de gases ácidos, como o dióxido de carbono (CO₂) e o sulfureto de hidrogénio (H₂S). Estas aminas sofrem uma reação química com os componentes ácidos do fluxo de gás e ajudam a minimizar o teor de enxofre e a cumprir as normas ambientais.

Unidades de recuperação de enxofre (SRUs): Quando o sulfureto de hidrogénio é separado, é normalmente tratado em SRUs para o converter em enxofre elementar. Este enxofre pode ser vendido para utilização em produtos industriais como os fertilizantes, o que confere um valor económico ao processo.

Unidades de separação criogénica: Estas unidades utilizam temperaturas muito baixas para ajudar a isolar os LGN, que incluem etano, propano e butano, do fluxo de gás principal numa fábrica de processamento de gás, resultando num fluxo de LGN. Estes líquidos podem ser utilizados como matérias-primas na produção de produtos petroquímicos ou como produtos individuais.

Sistemas de desidratação: Para evitar a formação de hidratos que causam o bloqueio das condutas, é necessário eliminar o vapor de água. Uma das formas mais comuns de o fazer é através da desidratação com glicol, que ajuda a manter o gás a fluir livremente durante o transporte.

Sistemas de remoção de mercúrio: Embora utilizadas em aplicações de pequena escala, as unidades de remoção de mercúrio são essenciais para evitar impactos de mercúrio em peças de alumínio, especialmente em processos criogénicos.

Todos estes sistemas têm a função específica de tornar o produto final de gás natural limpo, seguro e pronto para o mercado. A incorporação adequada destas tecnologias garante um processamento eficiente, a salvaguarda do equipamento e a utilização óptima dos recursos de gás natural.

O Processo de Purificação de Gás Natural

O processo de purificação do gás natural é complexo e tem como objetivo a remoção de componentes indesejáveis específicos em várias fases. Isto ajuda a verificar se o produto final está em conformidade com as normas estabelecidas e pode ser utilizado em diferentes utilizações. É agora altura de discutir as principais etapas do processo.

Pré-tratamento de gás bruto

O primeiro passo no processo de purificação do gás natural é o pré-tratamento do gás natural bruto, que é normalmente acompanhado por petróleo bruto, água associada e fase sólida. O pré-tratamento envolve normalmente a aplicação de separadores e filtros padrão, incluindo a separação de líquidos de gás natural. Estes sistemas filtram grandes volumes de impurezas para permitir que o gás passe por outros processos.

O pré-tratamento também condiciona o fluxo de gás através do controlo da temperatura e da pressão do gás, que são essenciais para o processamento posterior. A eficiência desta etapa define a eficiência da purificação em geral. Os contaminantes de maiores dimensões devem ser removidos nesta fase, uma vez que podem danificar outros equipamentos nas fases subsequentes.

Remoção de gases ácidos

O processo de purificação do gás natural envolve a eliminação de gases ácidos como o sulfureto de hidrogénio (H₂S) e o dióxido de carbono (CO₂). O passo seguinte centra-se na gestão destes gases corrosivos, uma vez que, se não forem bem geridos, apresentam problemas operacionais e ambientais. Por exemplo, o H₂S pode causar corrosão severa em tubagens e equipamentos, cuja reparação pode ser dispendiosa e representar riscos de segurança. O CO₂, por outro lado, tem o efeito de diminuir o valor de aquecimento do gás natural e pode solidificar durante os processos criogénicos, causando assim bloqueios e outros problemas.

Se os gases ácidos não forem removidos do fluxo de gás, os processos a jusante, como a desidratação e a recuperação de enxofre, podem ser comprometidos ou parar. Altos níveis de H₂S podem fazer com que as SRUs fiquem sobrecarregadas, e assim diminuir seu desempenho e aumentar as emissões de gases nocivos. Da mesma forma, mesmo uma concentração de CO₂ de 5% pode reduzir a eficiência das unidades de separação criogénica em mais de 20% e a recuperação de hidrocarbonetos valiosos, como o propano e o butano.

Para resolver este problema, a absorção de aminas é a abordagem mais comum que é utilizada. As aminas reagem com o H₂S e o CO₂ através de uma reação química que filtra estes gases do fluxo de gás. Para uma maior purificação, são utilizadas as técnicas de adsorção física, como a adsorção por peneira molecular ou a adsorção por oscilação de pressão (PSA). Estes métodos são especialmente úteis nos casos em que é necessário um baixo teor de enxofre ou de carbono, por exemplo, após a dessulfuração, ou na remoção de CO₂ em misturas gasosas de alta pressão. As peneiras moleculares (13X, 4A), por exemplo, podem adsorver seletivamente o CO₂ e o H₂S na medida em que o gás é de pureza ultra-alta e pode ser utilizado em aplicações que requerem elevada sensibilidade.

Nalguns processos mistos, as peneiras moleculares ou outros agentes de adsorção são utilizados em conjunto com métodos químicos para obter melhores resultados, especialmente para misturas gasosas específicas.

Desta forma, os operadores protegem o equipamento, aumentam a eficiência das fases subsequentes e cumprem os requisitos ambientais. Esta etapa é fundamental para a produção de gás natural de alta qualidade e económica.

Desidratação

A desidratação é uma fase importante do tratamento do gás natural porque os hidratos de gás são estruturas sólidas, semelhantes ao gelo, que se podem formar quando o vapor de água reage com o gás natural a alta pressão e baixa temperatura. Os hidratos podem causar problemas graves, como o bloqueio de condutas, a interrupção operacional e impedir a passagem do gás natural, levando a problemas morosos. Além disso, a presença de água no fluxo de gás provoca a corrosão das condutas e do equipamento de processamento, reduzindo consideravelmente a sua vida útil.

Se o processo de desidratação não for gerido corretamente, outros processos, como a separação criogénica e a recuperação de enxofre, podem ser gravemente afectados. Por exemplo, a água residual pode congelar nas unidades criogénicas e causar bloqueios no equipamento, reduzindo a recuperação de hidrocarbonetos valiosos como o etano, o propano e o butano. A investigação indicou que apenas alguns ppm de água podem causar uma perda de 15-20% nas operações criogénicas. Além disso, a água pode dissolver gases ácidos como o CO₂ e o H₂S, formando ácidos altamente corrosivos que agravam o problema.

A desidratação primária é um dos métodos mais comuns, e a desidratação com glicol é o método mais utilizado. Neste processo, o trietilenoglicol (TEG) é passado através do fluxo de gás, onde é utilizado para eliminar o vapor de água. Isto garante que o gás está isento de teor de água e é normalmente fornecido com um teor de água inferior a 7 lbs/MMscf para a qualidade do gasoduto. A temperatura do fluxo de gás é regulada para garantir a eficiência da remoção de água e para garantir que o desempenho seja constante.

Nos casos em que os fluxos de gás contêm uma quantidade relativamente elevada de água, os crivos moleculares 4A podem também ser utilizados para a primeira fase de desidratação. Devido à sua elevada capacidade de adsorção e eficiência, os crivos moleculares 4A podem ser o principal método nalguns casos, por exemplo, a baixas temperaturas ou quando é necessário reduzir a quantidade de água antes do processamento posterior. Nestes casos, ajudam a diminuir o teor de água no gás e, por conseguinte, diminuem a carga nas fases de desidratação seguintes, incluindo os sistemas TEG, e melhoram a eficiência do processo de purificação do gás.

Ambos os métodos são essenciais para regular o teor de água no gás natural, de modo a cumprir as especificações do gasoduto e a preparar o gás para outras etapas de processamento subsequentes. A decisão de utilizar a desidratação TEG, os crivos moleculares 4A ou ambos baseia-se nas necessidades operacionais e de composição do gás.

Após a desidratação primária, é necessária uma desidratação adicional para os fluxos de gás que devem ser processados para criogenia ou liquefação, por exemplo, GNL.

As peneiras moleculares, especialmente as do tipo 13X, são os adsorventes mais utilizados na secagem em profundidade. Podem remover o teor de água para menos de 0,1 ppm, o que os torna adequados para utilização em sistemas criogénicos. Esta capacidade de adsorver seletivamente moléculas de água, mesmo em concentrações muito baixas, garante o melhor desempenho nas condições de humidade mais difíceis, como na produção de GNL.

Outros dessecantes, como a alumina activada, são utilizados para requisitos de secagem moderados, por exemplo, para atingir um ponto de orvalho de -40°C. A alumina activada é também utilizada como material de pré-tratamento para reduzir a carga de água a granel nas peneiras moleculares, aumentando assim a sua durabilidade e desempenho. As peneiras moleculares são preferidas para a desidratação profunda devido à sua maior capacidade de adsorção, maior seletividade e vida operacional mais longa. Estas propriedades tornam-nas inestimáveis para atingir os níveis extremamente baixos de água que são necessários em processos criogénicos e outros processos rigorosos.

Através do controlo adequado do ponto de orvalho, os operadores evitam a corrosão e a erosão do equipamento, melhoram o desempenho dos processos subsequentes e garantem aos clientes o fornecimento de gás natural limpo e seco.

Remoção de hidrocarbonetos pesados e mercúrio

Os hidrocarbonetos saturados e outras impurezas, como o mercúrio, são removidos no processamento do gás natural para cumprir as especificações de segurança, operacionais e ambientais. O pentano e os alcanos superiores presentes nos hidrocarbonetos pesados podem causar problemas graves nas operações a jusante. Estes hidrocarbonetos solidificam a temperaturas criogénicas e causam bloqueios no equipamento e diminuem a eficácia do processo de recuperação de NGLs valiosos, como o propano, butano e etano. O mercúrio, mesmo em concentrações muito baixas, ataca as peças de alumínio nos permutadores de calor criogénicos, provocando falhas no equipamento, perda de tempo de funcionamento e reparações dispendiosas.

As peneiras moleculares (5A,13X) são os adsorventes avançados mais amplamente utilizados para a remoção destas impurezas. Devido à sua elevada capacidade de adsorção e seletividade, podem separar eficazmente hidrocarbonetos pesados e, ao mesmo tempo, adsorver mercúrio numa única etapa. Os crivos moleculares são particularmente úteis em sistemas criogénicos porque podem funcionar a baixas temperaturas sem degradação do seu desempenho. Além disso, são regeneráveis, o que melhora a sua acessibilidade e funcionalidade a longo prazo.

Em algumas aplicações, podem ser utilizados outros adsorventes, como o carvão ativado, para a remoção de mercúrio, para além dos adsorventes primários. No entanto, as peneiras moleculares são consideradas mais eficazes e versáteis em comparação com os outros adsorventes. Não só purificam o gás como também protegem o delicado equipamento a jusante de danos e possível poluição, o que pode ser muito dispendioso.

Se estas impurezas não forem eliminadas, podem causar problemas graves, como a obstrução de unidades criogénicas, taxas inferiores de recuperação de hidrocarbonetos valiosos e violação das normas ambientais. Através do tratamento eficaz dos hidrocarbonetos pesados e do mercúrio, os operadores protegem os processos a jusante, recuperam o máximo possível do recurso e cumprem os requisitos de segurança e ambientais.

Recuperação de enxofre

A recuperação de enxofre é um processo crítico após a remoção do sulfureto de hidrogénio (H₂S) do gás natural. Este processo não só reduz a emissão de gases nocivos, mas também converte o H₂S em enxofre elementar, que é um produto útil que é usado em fertilizantes, produtos químicos e outros produtos. O método mais comum é o processo Claus, que envolve a combustão parcial de H₂S para produzir SO₂ e, em seguida, reagir o H₂S restante com SO₂ na presença de catalisadores como alumina ativada ou sulfato de bário para produzir enxofre elementar.

Outra consideração importante na recuperação de enxofre é a ausência de água no fluxo de gás, uma vez que a água impede a eficiência das reacções de recuperação de enxofre e corrói o equipamento. As peneiras moleculares, especialmente 4A e 5A, são utilizadas nesta etapa para eliminar a água remanescente e também para melhorar a atividade catalítica do processo de conversão do enxofre. Os crivos moleculares são utilizados preferencialmente a outros dessecantes, como a alumina activada ou o gel de sílica, devido à sua elevada capacidade de adsorção de água, seletividade e estabilidade térmica.

Para além das vantagens da atividade catalítica, as peneiras moleculares também apresentam caraterísticas de regeneração e vida útil mais elevadas, o que as torna mais económicas para uma utilização a longo prazo. A distribuição do tamanho dos poros dos seus materiais é bem controlada para proporcionar o melhor ambiente de adsorção e reação, conduzindo a uma maior recuperação de enxofre e a um melhor desempenho das instalações.

Através da aplicação de peneiras moleculares no processo de recuperação de enxofre, os operadores aumentam a conversão de H₂S, salvaguardam os equipamentos e otimizam o valor do enxofre recuperado dentro dos padrões ambientais.

Requisitos de pureza para o gás natural em diferentes sectores

O nível de pureza que se espera do gás natural difere de uma indústria para outra, dependendo da utilização do gás. É importante purificar para ter operações eficientes, para salvaguardar o equipamento e também para ter produtos de qualidade.

Transporte por gasoduto: No caso do gás natural de qualidade de gasoduto, os requisitos de pureza são muito elevados, a fim de evitar quaisquer problemas durante o transporte. O gás não deve conter gases ácidos, como o sulfureto de hidrogénio (H₂S), vapor de água e outras impurezas que possam causar corrosão nos gasodutos ou formação de hidratos a alta pressão e baixa temperatura. Isto pode ser possível através da aplicação de adsorventes e dessecantes melhorados, tais como peneiras moleculares, alumina activada, óxido de ferro (Fe₂O₃) e carvão ativado.

Destas opções, as peneiras moleculares (4A , 5A, 13X) são particularmente eficazes em termos de adsorção. Enquanto a alumina activada é adequada para a secagem básica, os crivos moleculares podem atingir um ponto de orvalho inferior a 0,1 ppm para satisfazer as exigências de humidade ultra baixa para utilizações sensíveis. Além disso, o óxido de ferro e o carvão ativado são selectivos para determinadas impurezas, como o enxofre ou os hidrocarbonetos; no entanto, as peneiras moleculares podem adsorver água, CO₂ e H₂S ao mesmo tempo com elevada seletividade.

Os crivos moleculares também têm uma vida útil mais longa e taxas de regeneração mais elevadas, que são mais económicas para aplicações a longo prazo. Estas vantagens tornam as peneiras moleculares a escolha preferida para alcançar a pureza e a fiabilidade necessárias para o transporte, segurança e eficiência das condutas.

Centrais eléctricas e aplicações petroquímicas: Estes sectores requerem gás natural de pureza muito elevada para apoiar as suas operações e a qualidade dos seus produtos. No caso das centrais eléctricas, o gás natural tem de cumprir níveis específicos de humidade e impureza, e espera-se que o teor de água seja normalmente inferior a 1 ppm. Este nível de secura é necessário para evitar a corrosão nas turbinas e caldeiras e para conseguir uma combustão estável e eficiente.

Nos processos petroquímicos, mesmo níveis de ppm de impurezas, como compostos de enxofre e hidrocarbonetos pesados, podem interferir nos processos catalíticos, reduzir a formação de produtos e sujar equipamentos sensíveis. O gás natural, quando utilizado como matéria-prima química, precisa de ter o teor de enxofre removido para menos de 1 ppm devido a requisitos de elevada pureza.

Para satisfazer estes requisitos, as peneiras moleculares são preferidas devido à sua capacidade de remover água para níveis muito baixos e, ao mesmo tempo, remover seletivamente compostos de enxofre e hidrocarbonetos. Outros adsorventes como o carvão ativado e o óxido de ferro (Fe₂O₃) são utilizados para certas impurezas como o enxofre ou os hidrocarbonetos. No entanto, as peneiras moleculares são mais eficientes, selectivas e fáceis de regenerar do que estas alternativas, razão pela qual são utilizadas em processos mais exigentes.

Produção de Líquidos de Gás Natural (NGL): A recuperação de LGN, como o etano, o propano e o butano, implica a necessidade de minimizar as impurezas para níveis muito baixos devido aos elevados requisitos de pureza. Nos sistemas criogénicos, a temperatura pode ser inferior a -100°C e, por conseguinte, o teor de água tem de ser inferior a 0,1 ppm para evitar a congelação e a formação de hidratos que podem entupir o equipamento e causar perturbações no sistema. Do mesmo modo, a concentração de CO₂ tem de ser mantida tão baixa quanto possível para não solidificar e contaminar os componentes separados.

Para atender a essas necessidades, as peneiras moleculares (4A、5A、13X) são aplicadas para desidratação profunda e remoção de CO₂. Devido à sua elevada área de superfície e seletividade, são ideais para atingir níveis muito baixos de humidade e impurezas para permitir processos criogénicos eficientes.

Outros adsorventes incluem a alumina activada e o carvão ativado, que são utilizados em determinadas aplicações. A desidratação moderada utiliza alumina activada, enquanto o carvão ativado é utilizado para remover hidrocarbonetos e outras impurezas em quantidades vestigiais. No entanto, o seu desempenho e aplicabilidade são geralmente inferiores aos dos crivos moleculares, particularmente em ambientes criogénicos severos.

Os adsorventes avançados que podem ser desenvolvidos para satisfazer as necessidades de cada instalação individual permitem ao operador obter o gás natural de elevada pureza necessário para a produção de LGN, minimizando o risco para o equipamento criogénico e maximizando o rendimento do produto.

Refinarias de petróleo e aplicações especializadas: Nas refinarias e nalgumas outras aplicações, a composição do gás natural é muito importante para cumprir determinadas especificações operacionais e de produto. Por exemplo, na produção química, os hidrocarbonetos mais leves, como o metano, têm de ser separados dos hidrocarbonetos mais pesados para produzir produtos químicos valiosos, pelo que a composição dos hidrocarbonetos tem de ser controlada. Nestas aplicações, o gás natural utilizado como matéria-prima pode exigir níveis muito baixos de enxofre e humidade, frequentemente inferiores a 1 ppm, para interferir com os processos catalíticos.

Da mesma forma, os poços de condensado contêm hidrocarbonetos que são produzidos e transformados em produtos líquidos, tais como combustíveis líquidos. Aqui, a presença de impurezas, incluindo CO₂, água e enxofre, deve ser regulada para melhorar a qualidade do produto e o desempenho operacional.

Através da personalização dos processos de purificação de acordo com as necessidades da indústria, os operadores podem fornecer gás natural seguro, eficiente e de alta qualidade para várias utilizações.

Por que escolher a Jalon para suas necessidades de peneiras moleculares?

A Jalon está entre os principais produtores mundiais de peneiras moleculares de qualidade superior, nas quais as indústrias confiam há mais de duas décadas. Atualmente, temos 112 patentes registadas e exportamo-las para 86 países e regiões, fornecendo soluções inovadoras para 20 aplicações diferentes.

As nossas peneiras moleculares dos tipos A, X e Z são optimizadas para utilização em aplicações de separação, purificação e desidratação. Temos as certificações ISO 9001 e ISO 14001 para garantir a qualidade e processos amigos do ambiente.

A Jalon oferece-lhe a vantagem de ter a equipa mais experiente, a melhor tecnologia de fabrico e a garantia de qualidade para assegurar a maior fiabilidade das suas aplicações. Escolha-nos para uma cadeia de fornecimento fiável e soluções inovadoras que o ajudarão a ter sucesso.

Avanços, Desafios e Perspectivas Futuras para a Purificação de Gás Natural

A tecnologia de purificação do gás natural desenvolveu-se consideravelmente devido à procura crescente de energia limpa e de normas mais rigorosas. Os processos criogénicos mais recentes e os melhores processos de adsorção e meios como as peneiras moleculares tornaram possível separar e remover impurezas com maior eficiência e seletividade. Estes desenvolvimentos não só ajudam a obter maiores graus de pureza, mas também a poupar energia e despesas. No entanto, para reduzir o impacto da indústria, as instalações de purificação estão a ser alimentadas por fontes de energia renováveis, como a energia solar ou eólica.

No entanto, há ainda algumas questões que não foram resolvidas. A questão mais difícil é como cobrir os custos da purificação, mantendo o valor económico do gás purificado. As tecnologias que podem efetuar a desidratação profunda, a remoção de gases ácidos e a remoção de mercúrio podem ser de capital intensivo. Além disso, à medida que as normas ambientais continuam a ser aumentadas, os sistemas de purificação devem ser capazes de tratar impurezas mais complicadas, bem como minimizar a emissão de gases com efeito de estufa.

As perspectivas para o futuro serão dominadas pelo conceito de sustentabilidade na criação de tecnologias de purificação. Prevê-se que os sistemas de remoção de dióxido de carbono que podem capturar e armazenar ou reciclar o CO₂ ganhem mais popularidade à medida que o mundo muda para emissões de carbono mais baixas. Há também interesse em sistemas de purificação pequenos e portáteis, especialmente para aplicações extremas e de pequena escala, devido à sua flexibilidade e logística.

O futuro da purificação do gás natural será determinado pela medida em que satisfaça as necessidades energéticas em constante mudança, os desafios em termos de custos e as questões ambientais. Os novos avanços garantirão que o gás natural continuará a ser uma fonte de energia estável, eficiente e sustentável na transição para um cabaz energético mais limpo.