Trabalho de Conclusão de Curso

Importância da Prevenção de Hidratos para o Processamento de Gás Natural

Importância da Prevenção de hidratos para o Processamento de Gás Natural

Por:

Alan Pinto Ferreira

Marcelle Mendonça Rocha Saraiva

Professor-Orientador: Cristiane Rodrigues

Rio de JaneiroJulho de 2011

Sumário

1. Definição de Hidrato2. Estrutura Básica do Hidrato3. Formação do Hidrato4. Identificação da Presença de Hidrato5. Dissociação de Hidrato6. Desidratação de Gás Natural7. Prevenção da Formação de Hidratos8. Hidrato como Solução

Definição de Hidrato

São sólidos cristalinos formados por moléculas de água arranjadas em uma estrutura capaz de aprisionar moléculas de gás (um ou mais hidrocarboneto ou gases de não-hidrocarboneto) oriundas da decomposição da matéria orgânica.

O hidrato de gás se assemelham a neve acumulada ou gelo. Em um hidrato de gás, as moléculas de gás estão “aprisionadas" dentro de uma estrutura cristalina composta de moléculas de água. Às vezes são chamados de "clatrato de gás".

Clatrato são substâncias nas quais moléculas de uma combinação estão completamente “aprisionadas" dentro da estrutura cristalina de outro. Então, hidrato de gás são um tipo de clatrato.

Estrutura Básica do Hidrato

Moléculas de metano aprisionadas em armadilhas formadas por moléculas de águas ligadas umas às outras, em uma estrutura rígida, muito semelhante ao gelo. Fonte: Vaz, et al. 2008

Fonte:http://doispetelecos.blogspot.com/2009/01/gelo-que-queima.html

Formação de Hidrato

A formação de hidrato é resultante de um processo de congelamento, uma vez que a redução da temperatura e o aumento da pressão favorecem sua formação, como ocorre em gasodutos submarinos e linhas de gás-lifti.

No envelope de fases, é apresentado o diagrama de pressão e temperatura de um gás natural, e a curva de formação de hidrato para a composição desse gás. É possível perceber que a curva de hidrato está na região bifásica do gás natural, onde líquido e vapor estão em equilíbrio. Além disso, à medida que a pressão cresce a temperatura de formação de hidrato também cresce (exceto para regiões à alta pressão, nas quais tal aumento é insignificante).

Envelope de fases com curva de formação de hidrato. (Diagrama PXT). Fonte: Vaz, et al. 2008

Formação de Hidrato

Condições operacionais para a formação de hidrato:

Contato entre água e gás

Baixas temperaturas

Altas pressões

A condição de temperatura e pressão em que essa formação ocorre depende da composição do gás. A Figura ao lado apresenta a pressão e a temperatura no qual os hidratos se formam para cada um dos componentes.

Ponto de equilíbrio do hidrato para cada uma das moléculas hóspedes.

Fonte: Carroll. 2003Exemplos de gases que formam hidratos

incluem o metano, etano, propano, butano, CO2 e

H2S, que são constituintes comuns do gás natural,

normalmente, moléculas maiores que o butano não formam hidratos.

Formação de Hidrato

Na verdade, os hidratos nada mais são do que moléculas de água, que ao mudar para a fase sólida, “aprisionam” moléculas de gás natural. Eles formam blocos de gelo que bloqueiam os dutos, causando prejuízos da ordem de centenas de milhares de dólares. Enquanto o óleo esta passando pelas linhas de transmissão, não há problema, pois ele sai dos poços submarinos em altas temperaturas, cerca de 60ºC; A complicação surge quando a passagem do petróleo tem que ser interrompida, para a manutenção do poço por exemplo. Nesse caso, os dutos se resfriam gradativamente até atingir as temperaturas favoráveis para a formação de hidratos, cerca de 4ºC.

Local de Formação

Fonte: Vaz, et al. 2008

Formação de HidratoLocal da Formação

A espessura da zona de estabilidade de hidrato de gás na margem continental é controlada pela pressão hidrostática e pelo gradiente em temperatura que existe dentro dos sedimentos. Observamos que embaixo da zona com hidratos de gás existe normalmente uma zona de gás livre liberada pela dissociação do clatrato.

Fonte: Clennell, M.B. 2001

Hidratos formados em uma tubulação (Campo de Namorado, Bacia de Campos, RJ).

Amostra de Hidratos

Duto alimentando eletricamente para evitar a formação de hidratoFonte: Figura adptada de http://emanaoeumaavestruz.blogspot.com

Prevenção da Formação de Hidrato

Métodos de Dissociação de Hidrato

Métodos utilizados para dissociação de hidratos.Fonte: adaptação de https://www.planetseed.com/pt-br/node/15922

O processo de aquecimento é o mais eficiente e, por isso, o mais usado em unidades de processamento de gás, UPGN (Unidade de Processamento de Gás Natural), ou ainda em atividades de produção terrestres.

A técnica da descompressão é bastante utilizada para dissociar o hidrato formado em gasodutos, não sendo uma prática usual em unidades de processamento de gás

Métodos de Dissociação de Hidrato

O modo mais seguro de evitar a formação de hidratos é processar apenas gás seco, de tal forma que evite a presença de água no estado liquido em qualquer condição de pressão e temperatura do sistema.

Os inibidores de hidrato podem ser classificados em três tipos, segundo Frostman:

1. Os inibidores Termodinâmicos, são sais inorgânicos, álcoois e glicóis;

2. Os inibidores Cinéticos, são polímeros solúveis em água ;

3. Os Anti-aglomerantes, são basicamente polímeros e surfactantes .

Injeção de Inibidores de Hidrato

Métodos de Dissociação de Hidrato

Os inibidores tem a finalidade de se combinar com a água livre, evitando que o hidrato se forme.

O inibidor de hidrato mais utilizado no Brasil em unidades marítimas de produção, por razões de mercado, é o etanol (álcool etílico).

Injeção de Inibidores de Hidrato

Forma como agem os inibidores de formação de hidratos. Fonte: Andrade, A. R. 2009

Bico injetor para injeção de álcool em gasoduto.Fonte Vaz, et al. 2008

Desidratação de Gás Natural

A água representa um componente crítico tanto para o condicionamento de gás natural como para o processamento.

Sua remoção reduz o potencial de corrosão e formação de hidrato.

Há três processos de desidratação em uso atualmente;

1. Absorção por líquido dessecantes, com glicol;

2. Absorção com sólidos dessecantes, como a alumina ativada, peneira molecular, sílica gel e zeólitas ;

3. Desidratação por membranas, filmes poliméricos que apresentam diferentes afinidades com os componentes do gás natural.

Hidrato como Solução O hidrato de gás pode ser usado como fonte de energia.

O hidrato de gás natural também pode ser uma nova alternativa de transporte e armazenamento para o gás, também com isso, evitando ou diminuindo a queima do gás excedente para a atmosfera em plataformas marítimas.

Estimativa da reserva de hidrato de gás no mundoFonte: figura adaptada de http://darcylainemartins.blogspot.com/2011/05/hidratos-de-metano-um-gelo-que-queima.html

Fonte:http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/lqes_news/lqes_news_cit/lqes_news_2007/lqes_news_novidades_995.html

Hidrato como Possível Alternativa para o Transporte de Gás Natural

Em 1 m³ de hidrato temos 0,85 m³ de água e o restante de gás natural, e essa quantidade de gás natural é equivalente a aproximadamente 170 m³ de gás natural em condições normais de temperatura e pressão.

Hidrato como Solução para Diminuir a Queima do Gás Natural em Plataformas

Marítimas Pequena planta de processo de produção de hidrato de gás natural

instalada na própria plataforma de produção com o propósito de armazená-lo evitando, assim, a sua queima para a atmosfera.

Hidrato como Nova Fonte de Energia

A possibilidade tem sido discutida por diversos motivos:

Existem grande concentrações que justificam a explotação econômica;

As vantagens econômicas (Facilmente convertido em combustível) e ambientais (polui menos) ;

A presença de hidratos em águas de países como o Japão e a Índia, que possuem poucos combustíveis fósseis convencionais, garante uma fonte nacional de combustível.

Hidrato como Nova Fonte de Energia

Localidade das fontes de hidratos no globo terrestreFonte: adaptação de http://en.wikipedia.org/wiki/methane_hydrate.

Hidrato de Metano: Solução ou Ameaça Em 1984, cientistas suecos observaram a existência de "cold winds" naturais no fundo do oceano.

Próximos a regiões, submarinas, com atividade vulcânica são chamados de "hot winds". Nestes casos, CH4 são liberados, mas também pequenas quantidades de H2S e NH3. A oxidação destes compostos químicos em gás carbônico, sulfato e nitrato.

Com o Aquecimento Global e conseqüentemente aquecimento dos oceanos esses hidratos encontrados no fundo do oceano vai derreter, podendo causar o maior efeito estufa já visto no planeta.

O metano é um gás que causa o efeito estufa; além disso, na atmosfera, ele se oxida e gera CO2.

Tube worms

Fonte: http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/hidratos_metano.html

Conclusão

Nesta monografia foi apresentado uma revisão sobre os mecanismos relacionados aos clatratos, vulgarmente conhecido como “hidratos” ou ainda “hidratos de metano”, desde sua forma estrutural até os processos envolvidos para reconhecimento e retirada do mesmo.

A nossa maior motivação para o estudo dos clatratos é que esses compostos formam um elemento chave no ciclo global do carbono, o qual está envolvido em fortes feedbacks e eventos catastróficos. Apesar da falta de evidência concreta, ainda está provável que ao longo dos 8000 km da margem continental brasileira se encontram várias ocorrências de hidratos de gás de importância mundial.

Foram apresentadas algumas sugestões para a utilização dos claratos como solução de alguns problemas e para uma nova fonte de energia, e as expectativas são grandes quanto à possibilidade de aproveitar as importantes reservas em período de carência energética.

Referências VAZ, C. E. M. ; MAIA, J. L. P. ; DOS SANTOS, W. G. TECNOLOGIA DA INDÚSTRIA DO GÁS NATURAL. Ed

1, [ S.I.], Blucher, 2008.

CHAVES, C. S ; SANTOS, J. C. O. TÉCNICAS UTILIZADAS PARA A PREVENÇÃO DA FORMAÇÃO DE HIDRATOS NO GÁS NATURAL, Centro Universitário Augusto Motta, 2010.

MARTINEZ, D. B. TRANSPORTE DE GÁS NATURAL SOB A FORMA DE HIDRATOS GASOSOS, Programa de Escola Química/Agência Nacional do Petróleo – Processamento, Gestão e Meio Ambiente na Indústria de Petróleo e Gás Natural, 2009.

SANT”ANNA, A. A. SIMULAÇÃO EM PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL EM PLATAFORMA OFF-SHORE, Programa de Escola Química/Agência Nacional do Petróleo – Processamento, Gestão e Meio Ambiente na Indústria de Petróleo e Gás Natural, 2005.

MARTINEZ, D. B. TRANSPORTE DE GÁS NATURAL SOB A FORMA DE HIDRATOS GASOSOS, Programa de Escola Química/Agência Nacional do Petróleo – Processamento, Gestão e Meio Ambiente na Indústria de Petróleo e Gás Natural, 2009.

ANDRADE, A. R. HIDRATOS NO ÂMBITO DA PERFURAÇÃO: HISTÓRICO, MECANISMO DE INIBIÇÃO E TÉCNICAS PARA AVALIAR O HIDRATO, Programa de Pós-Graduação Lato Sensu em Engenharia Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio, 2009.

Povoleri, F. B. MODELAGEM E SIMULAÇÃO DA FORMAÇÃO DE HIDRATOS DE METANO: UM ESTUDO DO EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO SÓLIDO-LÍQUIDO-VAPOR, Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) Instituto Politécnico, 2007.

CLENNELL, M. B. HIDRATO DE GÁS SUBMARINO: NATUREZA, OCORRÊNCIA E PERSPECTIVAS PARA EXPLORAÇÃO NA MARGEM CONTINENTAL BRASILEIRA, Centro de Pesquisa em Geofísica e Geologia- IGEO, Universidade Federal da Bahia, 2001.

NÓBREGA, G.A.S. REMOÇÃO DA ÁGUA DO GÁS NATURAL POR ABSORÇÃO UTILIZANDO SISTEMAS MICROEMULSIONADOS, Dissertação de Mestrado, UFRN, Programa de Pós Graduação em Engenharia Química de Natal, 2003.

MARTINS, L. R. HIDRATOS DE METANO: UM INTERESSE CRESCENTE, South West Atlantic Coastal and Marine Geology Group – COMAR, 2003.

http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/hidratos_metano.html acessado em 27/05/2011

https://www.planetseed.com/pt-br/node/15922 acessado em 06.06.2011

http://blogdojari.blogspot.com/2008/06/hidratos.html acessado em 25.06.2011

http://emanaoeumaavestruz.blogspot.com/2010/03/hidratos-de-metano-metano-e-mais-metano.html acessado em 25.06.2011

http://darcylainemartins.blogspot.com/2011/05/hidratos-de-metano-um-gelo-que-queima.html acessado em 25.06.2011

http://www.gasnet.com.br/conteudos.asp?cod=5443&tipo=Novidades&categoria=11 acessado em 27.06.2011

Bibliografia