Estudo termodinâmico do processo criogênico de separação do biogás

Abstract

O biogás, composto por 30-50% 𝐶𝑂ଶ e 50-70% de 𝐶𝐻ସ pode atender diversas aplicações após ser purificado, fato que torna este combustível atrativo frente à meta internacional de descarbonização. Diferentes concentrações de 𝐶𝐻ସ implicam em diferentes possibilidades de aplicação. A concentração de 𝐶𝑂ଶ influencia o custo energético de purificação e varia, de modo geral, de acordo com o tipo de substrato (biomassa) que originou o combustível. O objetivo desse TCC é analisar o processo termodinâmico da separação criogênica de biogás, desde a alimentação com biogás in natura até a entrada na unidade de destilação, considerando o biogás como uma mistura binária de 𝐶𝑂ଶ − 𝐶𝐻ସ. Para uma entrada de 1000 N m3 /h de biogás in natura, tomando 40% de 𝐶𝑂ଶ como concentração de referência. Para a análise termodinâmica, foram realizadas simulações no software Engineering Equation Solver (EES). Os principais indicadores de performance calculados são o consumo de energia, eficiência energética. É realizada uma análise de sensibilidade que busca compreender como a variação dos principais parâmetros adotados – temperatura ambiente, rendimento elétrico, eficiência dos compressores e trocadores de calor – afetam o desempenho do processo e perdas de metano na geração. Os resultados indicam uma eficiência energética geral de 93,5% para o processo. As perdas de metano podem atingir até 17%, dependendo da configuração adotada, fator que reforça a importância do uso de trocadores de calor para redução do consumo de energia elétrica total.

Biogas, consisting of 30-50% 𝐶𝑂ଶ and 50-70% 𝐶𝐻ସ, can serve various purposes following purification, rendering it an appealing fuel in the context of international decarbonization efforts. Different concentrations of 𝐶𝐻ସ entail diverse potential applications. The concentration factor impacts the energy expenditure for purification and generally fluctuates based on the type of substrate (biomass) from which the fuel is derived. This thesis aims to scrutinize the thermodynamic process of cryogenic biogas separation, spanning from the introduction of raw biogas to its entrance into the distillation unit, considering biogas as a binary 𝐶𝑂ଶ- 𝐶𝐻ସ mixture. Assuming 40% 𝐶𝑂ଶ as the benchmark concentration, the analysis encompasses 1000 N m³/h of raw biogas input. Thermodynamic evaluations were conducted through simulations utilizing the Engineering Equation Solver (EES) software. The primary performance metrics computed include energy consumption and efficiency. A sensitivity analysis is performed to elucidate how variations in key parameters — ambient temperature, electrical efficiency, compressor efficiency, and heat exchanger efficiency — affect process performance. The results indicate an overall energy efficiency of 93.5% for the process. Methane losses can reach up to 17%, depending on the adopted configuration, a factor that reinforces the importance of using heat exchangers to reduce overall power consumption.