Aplicação de contactores com membranas na remoção de CO2 e H2S do gás natural
Matheus Pires Pereira
Engenheiro de Operações | Project Manager | Liderança de equipes | Gestor de Manutenção | Planejamento Estratégico
Por ser um combustível versátil, econômico, limpo e que pode ser facilmente disponibilizado em escala compatível com a demanda nacional, o gás natural (GN) é uma alternativa energética viável para ser usado em diversas aplicações. Na indústria de petróleo, o GN pode substituir produtos alternativos usados na injeção de reservatórios para aumentar a recuperação de petróleo. O GN ainda é uma opção para o setor de transportes, em substituição ao álcool, gasolina e Diesel, e tem aplicações no setor energético, onde é utilizado em sistemas de cogeração de energia. O GN encontrado na natureza é composto por uma mistura de hidrocarbonetos gasosos cujo principal componente é o metano (CH4). Também fazem parte de sua composição componentes como o dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), sulfeto de hidrogênio (H2S), água (H2O), outros compostos de enxofre e impurezas mecânicas.
As especificações do GN a ser comercializado no país atendem à Portaria Nº. 104, da Agência Nacional do Petróleo (ANP), emitida em 8 de Julho de 2002, sendo que os parâmetros fundamentais que determinam sua especificação comercial são seu teor de enxofre total, teor de H2S, teor de gases inertes, ponto de orvalho da água e poder calorífico. No entanto, um dos principais problemas apresentados pelo GN é a presença de gases indesejáveis como sulfeto de hidrogênio e dióxido de carbono. Estes gases provocam corrosão e vazamento em tubulações, além de diminuírem a qualidade do combustível.
Durante anos, a remoção destes gases foi realizada por processos clássicos de separação, como destilação, filtração, absorção, troca iônica, centrifugação, extração por solvente, cristalização e outros, mas no início da década de 1970 surgiram os processos de separação com membranas, que utilizam membranas sintéticas como barreiras seletivas, presentes nos dias de hoje em vários processos industriais dos setores alimentício, automotivo e químico.
Esta tecnologia se baseia no princípio da permeação gasosa. Nela, um gás se dissolve e se difunde através de um material sólido, não poroso, quando submetido a uma diferença de pressão (força motriz). A permeabilidade seletiva do material permite o fracionamento de misturas gasosas em material permeado (componente que se deseja remover) e resíduo (componentes de interesse). As membranas usadas na separação são formadas por várias camadas de materiais (poliméricos, cerâmicos, metálicos, etc.) Tanto a morfologia da membrana quanto seu material são definidos de acordo com o tipo de aplicação e eficiência desejada na separação.
Contactores com membranas
Os contactores com membranas são tipicamente dispositivos do tipo casco e tubo, similares aos trocadores de calor convencionais, contendo membranas de fibra oca em módulo espiral de diâmetro reduzido. Por um lado, os módulos em fibras ocas fornecem uma área superficial por volume maior do que aquele proporcionado pelas tradicionais colunas recheadas, tornando mais rápida a transferência de massa. Por outro lado, o uso da membrana pode apresentar alguma resistência à transferência de massa, reduzindo sua eficiência. Nos processos de separação de gás com membranas não porosas, o fluxo pode ser favorecido mantendo-se o lado do permeado sob pressão reduzida.
Módulo de contactores com membranas
Diferentes configurações de módulos podem ser estabelecidas para o acondicionamento das membranas e cada uma delas apresenta vantagens e limitações a serem consideradas ao se estabelecer um processo. O projeto de contactores deve levar em consideração a regularidade da disposição das fibras no módulo (arranjo espacial das fibras) para que não ocorram caminhos preferenciais no escoamento do gás e do líquido. Neste sentido, deve-se considerar a densidade de empacotamento e as direções do fluxo (paralelo, tangencial, concorrente e contracorrente) de ambas as fases, para um melhor aproveitamento da área de membranas disponível. Os módulos de contactores estão classificados em dois grupos, de acordo com o fluxo das fases:
Módulo de fluxo longitudinal: nesta configuração, o gás e o líquido passam de forma paralela, tanto em contracorrente como concorrente. A vantagem desse módulo é a sua simplicidade de fabricação, porém, ele é menos eficiente que os módulos de fluxo tangencial.
Módulo de fluxo tangencial: a presença de distribuidores de fluido dentro do módulo minimiza o efeito de caminhos preferenciais, e produz turbulência no fluido, aumentando o fluxo de transferência de massa. Também existem configurações de fluxo tangencial em que o fluxo do lúmen das membranas é perpendicular ao fluxo do fluido de entrada no módulo.
Funcionamento dos contactores com membranas e modelos de transporte
Nos contactores com membranas, o gás e o absorvente fluem em lados opostos da membrana. O CO2 e H2S presentes no GN permeiam através do material (membranas compostas) ou dos poros (membranas microporosas) da membrana e são absorvidos pelo líquido de forma física ou química, dependendo do absorvente utilizado. O processo de transferência de massa em contactores com membranas microporosas é simples e ocorre em quatro etapas. Na primeira delas há a difusão dos componentes do seio da fase gasosa para a superfície da membrana; em seguida, ocorre a difusão dos componentes através da membrana; há então a dissolução dos componentes na fase líquida, ocorrendo absorção química ou física e, por fim, a difusão dos componentes da superfície da membrana para o seio da fase líquida.
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Seleção de membranas Poliméricas
A escolha do material polimérico exerce uma influência direta na eficiência do processo, e é fundamental que este material preserve sua estabilidade a longo prazo para viabilizar o uso dos contactores com membranas.
O principal responsável pela deterioração e instabilidade das membranas de microfiltração é a incrustação. Nas aplicações de absorção de gás em contactores com membranas, este problema tende a ser menos frequente, desde que não exista um fluxo convectivo através dos poros das membranas. No caso de gases contendo partículas suspensas, a pré-filtração do material é indicada.
Absorventes líquido com alto poder de absorção de CO2 e H2S podem se tornar corrosivos. A escolha adequada do material polimérico deve considerar o tipo de absorvedor utilizado para que a membrana não sofra ataque químico. É preciso observar ainda quais materiais poliméricos são compatíveis com os absorventes utilizados na absorção de gases ácidos, pois alguns absorventes também podem reagir com a superfície polimérica, modificando sua estrutura. O uso do poli tetra flúor etileno (PTFE) tem sido bastante recomendado, uma vez que o material é quimicamente estável, porém tem elevado custo de produção. Outra alternativa viável pode ser encontrada com o tratamento das superfícies, que vem permitindo o uso de membranas mais baratas como as de polipropileno (PP).
É preciso considerar ainda a estabilidade térmica do material polimérico selecionado, uma vez que eles podem sofrer degradação ou decomposição ao serem submetidos a altas temperaturas.
Seleção de absorventes líquidos
O tipo de absorvente (físico ou químico) também influencia a eficiência do processo. Vários absorventes têm sido estudados experimentalmente. Os principais absorvedores utilizados em contactores com membrana são: Água (H2O), Trietanolamina (TEA), Carbonato de sódio(Na2CO3), NaOH + cloreto de sódio (NaCl), Hidróxido de sódio (NaOH).
A escolha dos absorventes deve considerar os seguintes critérios:
Viabilidade do processo
Por fim, os principais parâmetros econômicos a serem considerados no processo de remoção de gases ácidos do GN são:
O uso de contactores com membranas na remoção de gases ácidos tem demonstrado ser uma tecnologia promissora e uma vez que demanda menores áreas de instalação, seu uso pode ser considerado adequado em plataformas offshore.
Mais informações em:
Professor adjunto na UFRGS
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