Separação de CO2 em gases de combustão : aplicação de membranas e criogenia

Abstract

Este trabalho tem por objetivo avaliar a viabilidade técnica de processos de separação de gás carbônico em correntes de gases de combustão. Neste sentido, a separação por meio de membranas e por criogenia são avaliadas por meio de simulação de sistemas. As propostas envolvendo membranas avaliam arranjos de membranas em série, os quais são otimizados para condições de maior fluxo permeado e maior beneficio econômico. A corrente de alimentação é de 5 kmol/s e as respectivas frações molares de CO2 e N2 que compõem esta corrente são 0,15 e 0,85. Os resultados obtidos da otimização, para um arranjo de três membranas em série de polyimida de 9000 m² de área superficial, foram uma corrente de permeado de 443,1 mol/s de CO2 a 41,6%, correspondendo a aproximadamente 59% do CO2 da corrente de alimentação. Já com um arranjo de 6 membranas de 9000 m², onde a função objetivo é o maior lucro, foi selecionado o material kapton e a quantidade de CO2 separada é 161,12 mol/s, cuja concentração na mistura é de 79%, e a função objetivo tem um valor de 24.405,30 €/ano. Na outra parte do trabalho, propõe-se e avalia-se um ciclo para o aproveitamento da disponibilidade térmica na regasificação do gás natural líquido, para liquefação de CO2. Obtém-se como resultando em CO2 líquido com fração molar igual a 94%. Este processo consta de uma corrente proveniente da combustão completa de 1 mol/s de metano, contendo 1 mol/s de CO2 e 7,52 mol/s de N2. Esta corrente é comprimida e resfriada até atingir a pressão de 4000 kPa e 25 °C, posteriormente uma membrana enriquece a corrente de gases de combustão, que novamente é comprimida e resfriada até se obter a condensação e separação do CO2. Realiza-se o cálculo de equilíbrio líquido-vapor da mistura utilizando as equações de Peng-Robinson e a regra de mistura de Van der Waals no software VRTherm. A vazão molar do CO2 líquido obtida é de 0,3207 mol/s na concentração declarada. A intensidade energética do processo é de 1,135 kWh/kg de CO2 liquefeito.

The objective of this work is to evaluate the technical feasibility of carbon dioxide separation processes of flue gases streams. In this way, separation processes due membrane and cryogenics are evaluated by system simulation. The systems using membranes evaluates setup of those membranes in series, these setups are optimized for the largest permeate molar flow and the largest economic profit. The feed stream is a 5 kmol/s CO2 – N2 mixture, with molar fraction of 0.15 and 0.85 respectively. The result obtained from the optimization for a setup of three polyimide membranes of 9000 m² is a permeate stream of 443.1 mol/s with CO2 at 41.6%, corresponding to aproximadely 59% of the CO2 contained in the feed stream. When a setup of six 9000 m² membranes is analyzed using an objective function that results in the largest profit, kapton was selected as the material for the membranes. The quantity of CO2 captured is 161.12 mol/s, at 79% of concentration in the mixture, and the objective function has a value of 24,405.30 €/year. The second part of this work, proposes and evaluates a cycle that takes the thermal availability of the regasification of liquid natural gas in advantage for CO2 liquefaction. The product of the cycle is liquid CO2, with a molar fraction of 0.94. The process is fed with a stream that comes from the stoichiometric combustion of 1 mol/s of methane, that stream is composed by 1 mol/s of CO2 and 7.52 mol/s of N2. The stream is then compressed up to the pressure of 4000 kPa and cooled down to 25 °C. After that a membrane concentrates the CO2 in one stream, which is again compressed and cooled down until the condensation of CO2 is achieved. Calculations of liquid – vapor are performed with the Peng- Robinson’s equations and the Van der Waals mixture rule using the software VRTherm. The molar flow rate of liquid CO2 obtained is of 0.3207 mol/s in the concentration mentioned before. The energy intensity of the process is of 1.135 kWh/kg of liquid CO2.