Estudo da influência das condições de operação de coluna de adsorção de gás natural no tempo de ruptura e capacidade de adsorção

Abstract

O gás natural é hoje uma importante fonte de energia que compreende uma parcela significativa da demanda mundial de energia primária. A presença de vapor de água em uma corrente de gás natural pode causar danos e corrosão na estrutura da tubulação devido à deposição de hidratos. Dessa forma se faz necessária a adoção de processos de desidratação do gás natural, o qual pode ser realizado utilizando diversas estratégias, dentre as quais se destaca o uso de peneiras moleculares por sua alta capacidade de adsorção e remoção seletiva da água da corrente de gás. A utilização de um modelo matemático para dimensionamento, otimização e operação é uma alternativa ao uso de dados obtidos de plantas pilotos por permitir considerar condições de operação instáveis. Esse estudo se propõe a apresentar uma modelagem simplificada do processo de desidratação, o qual permita a análise dos efeitos das condições de entrada do processo: temperatura da corrente gasosa, pressão, vazão e concentração de água, nas variáveis de interesse na saída: tempo de operação dentro da especificação e concentração de água adsorvida no leito, de forma a obter uma equação simples que relacione tais fatores. O processo considerado foi TSA (Temperature Swing Adsorption) e uso de zeólita 3A como sólido adsorvente. O modelo é considerado pseudo-homogêneo e foi construído a partir da equação de balanço de massa, equação de taxa de adsorção, isoterma de equilíbrio balanço de energia e equação de Ergun para queda de pressão. A construção do modelo foi realizada no JModelica no Python 2.7, e a simulação foi realizada no Python 3.7. As equações que relacionam as condições de entrada com as condições de saída foram obtidas no Python 3.7 utilizando ajuste de curva em uma amostra aleatória dos dados simulados e comparados com o restante dos dados obtidos para avaliar sua capacidade de predizer o processo. A partir dos resultados obtidos identificou-se que o tempo de ruptura é influenciado de forma mais significativa pela vazão e concentração de vapor na entrada e a concentração de água no adsorvente é influenciada de forma mais significativa pela temperatura da alimentação.

Natural gas is an important source of energy that comprises a significant portion of the world's primary energy demand. The presence of water vapor in a natural gas stream can cause damage and corrosion to the piping structure due to the deposition of hydrates. Thus, it is necessary to adopt dehydration processes of natural gas, which can be carried out using several strategies, among which the use of molecular sieves stands out for their high adsorption capacity and selective removal of water from the gas stream. The use of a mathematical model for dimensioning, optimization and operation is an alternative to the use of data obtained from pilot plants as it allows considering unstable operating conditions. This study proposes to present a simplified modeling of the dehydration process, which allows the analysis of the effects of the conditions of entry of the process: temperature of the gas stream, pressure, flow and water concentration, in the variables of interest at the exit: time of operation within the specification and concentration of water adsorbed on the bed, in order to obtain a simple equation that relates such factors. The process considered was TSA (Temperature Swing Adsorption) and the use of 3A zeolite as an adsorbent solid. The model is considered pseudo-homogeneous and was built from the mass balance equation, isotherm adsorption equilibrium rate equation and energy balance. The construction of the model was performed in JModelica in Python 2.7, and the simulation was performed in Python 3.7. The equations that relate the input conditions to the output conditions were obtained in Python 3.7 using curve fitting in a random sample of the simulated data and compared with the rest of the data obtained to assess its ability to predict the process. From the results obtained, it was identified that the rupture time is influenced more significantly by the flow and concentration of vapor at the entrance and the concentration of water in the adsorbent is influenced more significantly by the temperature of the feed.