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SEPARAÇÃO DE CO2 EM GASES DE COMBUSTÃO – APLICAÇÃO DE MEMBRANAS E CRIOGENIA.

Diego Rubén Schmeda López

Rede Carvão – seminário abril 2010

Introdução

• Preocupações com meio ambiente

• Captura e seqüestro de CO2 tem o maior potencial para redução de emissões nos próximos 10 -20 anos

• Incremento no custo da eletricidade de plantas a carvão subcríticas

Objetivos

• Viabilidade de processos CCS pós-combustão,

• Avaliar o potencial de uso das membranas para CCS,

• Avaliar um ciclo criogênico de separação de CO2 proposto,

Ciclo do processo de captura e seqüestro de CO2

• Captura do CO2

• Seqüestro do CO2

– Transporte

– Armazenagem

Armazenagem do CO2

capturado

Armazenagem do CO2

capturado

• EOR

Separação de CO2 de Correntes pós-combustão

Processos de separação de CO2

Pós - Combustão

Absorção Quimica

Aminas

MEA

DEA

TEA

Mitsubishi Heavy

Industries Ltda.

Amine Guard

Carbonato de Potássio

Benfield

Outros

Catacarb

Giammarco -Vetrocoke

Absorção Física

Selexol

Fluor

Adsorção

TSA

PSA

Zeólitas

Membranas Seletivas

Criogenia

Pré-combustão

Shift CO - CO2

Oxicombustão

Com loopingquimico

Combustão oxigenio-

combustivel

Separação de CO2 de Correntes pós-combustão

Pós - Combustão

Absorção Química

Aminas

MEA

DEA

TEA

Mitsubishi Heavy

Industries Ltda.

AmineGuard

Carbonato de Potássio

Benfield

Outros

Catacarb

Giammarco -Vetrocoke

Absorção Física

Selexol

Fluor

Adsorção

TSA

PSA

Zeólitas

Membranas Seletivas

Criogenia

Membranas Seletivas

• Utilizam módulos de contenção,

• Tipos de módulos utilizados industrialmente:– Placa (a),

– Espiral (b),

– Tubular (c),

– Fibra Oca (d).

(a)

(b)(c)

(d)

Modelagem de Membrana

Otimização de arranjo de membranas em série

– Máximo beneficio econômico do sistema.

Otimização de arranjo de membranas em série

• Materiais utilizados para seleção

MaterialPermeabilidade

Custo estimado do

material * Permselectividade

[mol μm m-2 Pa-1 s-1] [€/m²] CO2/N2

1

Poly (amino imide)

(Fuentes ET AL. – 1999) 1.1658×10-15 1.0 20

2

BPDA - pP' ODA

(Hayashi ET AL. – 1995) 1.1055E-13 2.5 30

3

BPDA / PPDA

(Fuentes ET AL. 1999) 2.3800E-08 3.8 1.8

4

Phenolic Resin

(Saufi ET AL. 2004) 5.4706E-14 1.5 6.4

5

Kapton

(Suda ET AL. – 1997) 6.0970E-09 3.0 22.2

6

Phenol Formaldehyde

(Wei ET AL. – 2002) 8.9998E-09 6.5 8.91

7

Polyimide

(Okamoto ET AL. – 1999) 4.5560E-08 25.0 7

8

Polypirrolone

(Kita ET AL. – 1997) 9.9495E-13 8.2 40

Otimização de arranjo de membranas em série

• Função objetivo proposta para 2º caso.

Otimização de arranjo de membranas em série

Otimização de arranjo de membranas em série

• 161,12 mol/s de CO2 ou 21,43%

• Valor da Função Objetivo: 24.405,30 €/ano.

• Busca exaustiva: 139.314.069.504 operações

• Algoritmo genético: 4.800.000 operações

Otimização de arranjo de membranas em série

• Foi possível separar CO2 do N2

• Concentração insuficiente para uso em recuperação avançada de petróleo (min. 94%),

• Possibilidade de venda no mercado de carbono,

Otimização de arranjo de membranas em série

• Conclusões:

– Há necessidade de desenvolvimento de materiais

– Possibilidade de acoplamento com outros sistemas

– Existe uma relação ótima entre valor do CO2 e custo de separação.

Separação Criogênica

• Termo criogenia:

– Temperaturas inferiores a -150 ̊C,

• Termo separação criogênica:

– Utiliza-se para Temperaturas inferiores a 0 ̊C,

• Utilizado em separação de componentes do ar a través de colunas.

Separação Criogênica

• Exemplo do CO2 puro.

Separação Criogênica

• Equilíbrio Líquido – Vapor de misturas binárias

• Modelagem – Equação de Peng - Robinson

Separação Criogênica

• Diagrama de fases ideal

Gás

Líquido

Separação Criogênica

• Erro máximo < 7%

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

• Acoplamento de planta de regasificação com planta de captura de CO2

• Objetivo:

– Capturar CO2

– Obter CO2 liquido a 94%

– Aproveitar as oportunidades do processo de regasificação do Gás Natural Líquido

Gás Natural Líquido

• Metano condensado a -152 °C e 202,6 kPa,

• Redução de volume em 600 devido à troca de fase,

• Possibilita o transporte em longas distâncias sem uso de gasoduto,

Natural

• Inodoro

• Não Corrosivo

• Asfixiante

• Incolor

• Atóxico

• Massa específica de 450 kg/m²

Gás Natural Líquido

• Regasificação:

– Troca térmica com água de mar,

– Troca térmica com produtos de combustão de uma parcela do gás.

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

Corrente de alimentação:1. 8,52 mols/s de gás de combustão2. Fração molar: 0,8826 de N2 e 0,1174 de CO2

3. Temperatura: 130 ̊C4. Pressão: 101,3 kPa

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

Membrana de 25m² de Polyimida

Corrente de Permeado:1. Vazão molar de 3,529 mol/s2. 22,06% de CO2 e 77,94% de N2 em vol.3. Temperatura: 26 °C4. Pressão: 101,3 kPa.

Corrente de Retido:1. Vazão molar de 4,991 mol/s2. 4,44% de CO2 e 95,56% de N2 em vol.3. Temperatura: 26 °C4. Pressão: 4052 kPa.

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

0,8826

0,7794

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

Corrente Rica em CO2

Vazão molar: 0,3207 mol/sFração molar CO2: 0,94Fração molar N2 : 0,06T = -61 °CP = 4599 kPa

Proposta de uma planta integrada de liquefação de CO2

• Trabalho dos compressores: 194,37 kW– 137,97 kW nos processos antes da membrana– 56,4 kW nos processos posteriores à membrana

• Capturado: 0,3015 mol/s de CO2 ≈ 49,7 kg/h

• Consumo Energético: – 1,135 kWh/kg de CO2 capturado (apenas criogenia)– Valores de referência: 0,65 kWh/kg (Khoo e Tan, 2006)– 4,1 kWh/kg de CO2 capturado (total do processo)

Conclusões parciais• Sobre processos criogênicos:

– Eficiência relacionada à quantidade de CO2 na mistura,

– Para baixas frações molares necessita-se concentrar o gás carbônico,

– Processos de maior intensidade energética são os a montante da membrana (71%),

– Relação entre pressão de operação da membrana e área da mesma,

– Conseguiu-se atingir o grau de concentração requerido no CO2liquido (Condição de EOR),

Conclusões

• Desenvolveram-se dois métodos para captura de CO2

• Já no que refere à aproveitamento do CO2

para EOR, apenas o processo por criogenia conseguiu atingir as especificações técnicas minimas,

Agradecimentos

Rede Carvão