Análise do impacto da variação da composição do gás natural no processo Single Mixed Refrigerant

Abstract

O gás natural é visto atualmente por muitos países como o combustível de transição para uma matriz energética renovável. A sua forma liquefeita, o GNL, permite a redução do seu volume em cerca de 600 vezes, viabilizando a sua comercialização até mesmo para distâncias transoceânicas. O processo Single Mixed Refrigerant (SMR) é largamente empregado para a liquefação do gás natural, principalmente em plantas de pequeno a médio porte. Devido à alta carga energética envolvida nesse processo, é constante a busca por soluções para torná-lo mais eficiente, incluindo a obtenção de composições ótimas da mistura refrigerante (MR) e das condições de operação. A concentração ótima da MR está fortemente ligada à composição do gás natural a ser liquefeito. Este trabalho então tem por objetivo analisar o impacto da variação da composição do gás natural no trabalho total de compressão se for mantida a mesma mistura refrigerante. Para tanto, inicialmente é realizada a otimização do processo SMR para três composições típicas de gás natural (pobre, rico e metano puro), tendo em vista obter o menor trabalho específico de compressão possível. Em seguida, os cenários gerados são otimizados considerando a sua aplicação com as demais composições de gás natural. Por fim, foi proposta uma otimização integrada de forma a otimizar a mistura refrigerante para operar simultaneamente com os três tipos de gás natural. Cada rotina de otimização inclui primeiramente um algoritmo global (DiRect), e após um algoritmo local (MMA). Foi descoberto que a mistura refrigerante 1 (MR1), resultante da otimização do gás pobre, gerou a menor perda de energia quando utilizada com outros gases, economizando 156,2 kW e 175,3 kW quando comparado à MR2 e MR3, respectivamente.

Currently natural gas is known in many countries as the fuel of transition to a renewable energy matrix. Its liquefied form, LNG, allows its volume to reduce nearly 600 times, making feasible its commercialization even overseas. The Single Mixed Refrigerant process (SMR) is widely used for liquefying natural gas, mainly in small and mid-scale plants. Due to the high energy necessary in this process, many studies seek make it more efficient by obtaining the optimal Mixed Refrigerants (MR) compositions and operation conditions. MR concentration is closely related with the natural gas to be liquefied. This work, then, aims to analyze the impact of natural gas composition variation in the shaft power when using the same refrigerant. To achieve that, firstly it is done a SMR process optimization with three common natural gas compositions (poor, rich and pure methane), targeting the lowest overall shaft work. Henceforth, the scenarios previously created are optimized considering their utilization with the other natural gas compositions. Finally, an integrated optimization was proposed in order to optimize the refrigerant mixture to operate simultaneously with the three types of natural gas. It was found that MR1, resulted from poor gas optimization, generated the lowest energy loss when used with the other gases, saving 156.2 kW and 175.3 kW comparing to MR2 and MR3, respectively.