Análise e otimização das peneiras moleculares de desidratação de Guamaré

Transcrição

1 Análise e otimização das peneiras moleculares de desidratação de Guamaré AMBROSIO, A. A. P. G. O. 1 1 Petrobras - CENPES para contato: anna.amelia@petrobras.com.br RESUMO Ao longo do ciclo de vida de exploração de um campo de gás associado há grande variação da vazão de gás natural produzido, fazendo com que as unidades de tratamento de gás experimentem o declínio de vazão. Associado a esta questão, há também as incertezas em relação às vazões de projeto. Desta forma, toda planta de desidratação de gás natural está suscetível a enfrentar a situação descrita, que é a operação da unidade em vazão inferior à capacidade nominal de projeto. Esta grande diferença de vazão gera ineficiência operacional, por conta disso um estudo de otimização é proposto. O estudo de caso de uma unidade real, como a planta de Guamaré, traz o ganho do aprendizado, mostrando caminhos possíveis a serem seguidos para a análise e otimização de outras unidades. A máxima compreensão é estratégica e permite não só a concepção melhor de um novo projeto, mas também a capacidade de melhor analisar problemas operacionais relacionados a desempenho em mudanças de condições operacionais. 1. INTRODUÇÃO Como é natural ao longo do ciclo de vida de exploração de um campo de gás associado, há uma grande variação da vazão de gás natural produzido, que faz com que todas as unidades da planta de tratamento de gás natural experimentem o declínio de vazão ao longo dos anos de trabalho. A operação da unidade em vazão muito inferior à capacidade nominal de projeto. Essa grande diferença de vazão gera grande ineficiência operacional, por conta disso um estudo de otimização é proposto deste trabalho, utilizando como estudo de caso descrito pela unidade de Guamaré, que hoje trabalha com vazão total reduzida à metade da vazão total para a qual foi projetada inicialmente. O estudo de caso de uma unidade real traz o ganho do aprendizado em antecipação, pois mostra caminhos possíveis a serem seguidos para a análise e otimização de outras unidades que utilizem a mesma tecnologia, como as plantas de gás natural presentes nos navios-plataformas destinado à produção nos campos do Pré-Sal.

2 2. DESCRIÇÃO DA PLANTA DE DESIDRATAÇÃO POR ADSORÇÃO DE GUAMARÉ 2.1 Chegada e Distribuição da Corrente de Alimentação A unidade de Guamaré é responsável pelo tratamento do inventário coletado nos campos de Pescada, Arabaiana e Ubarana. Um diagrama de blocos representativo do processo de separação de Guamaré pode ser visto na Figura 1. Figura 1: Diagrama de blocos representativo dos processos de separação de Guamaré (UO-RNCE, 1999) A corrente de gás natural resultante da mistura dos campos de Pescada, Arabaiana e Ubarana, entra nos leitos de adsorção, que foram projetados para trabalhar na configuração 2:1, ou seja, dois leitos adsorvendo enquanto há um dessorvendo. Através da adsorção a umidade é removida do gás natural, deixando-o especificado para consumo segundo a Portaria nº16 da Agência Nacional de Petróleo (ANP). Na planta de processamento de gás de Guamaré, a corrente de alimentação da desidratação é oriunda dos vasos de dessulfurização de alta pressão, uma vez que a remoção do gás sulfídrico exige corrente saturada em água. Após a remoção desse contaminante, o fluxo segue para o sistema de secagem de gás natural, passando primeiro no a 69,5 Kgf/cm 2 de pressão e 50 C, onde a água livre existente no gás, é separada do processo e enviada para um vaso coletor de condensado.

3 2.2 Condições Operacionais e de Projeto dos Leitos de Adsorção As premissas utilizadas pelo projeto da unidade foram: (i) Vazão de entrada na unidade de desidratação: 4500 MMn³/d a 20ºC e 1,033 kfg/cm³; (ii) Vazão de regeneração do leito: 840 MMm³/d a 20ºC e 1,033 kfg/cm³; (iii) Pressão de operação: 65,5kfg/cm³; (iv) Temperatura de operação : 50ºC; (v) Densidade do gás natural tratado na unidade: 65,87 kg/m³; (vi)teor de H 2 S na entrada da unidade de desidratação: 0,3 ppmv; (vii) Massa Molar na entrada da unidade de desidratação: 21,78; (viii) Umidade máxima no gás de entrada: 2000 ppmv. Os dados operacionais de projeto da unidade de Guamaré seus ciclos de operação estão na Tabela 1. Tabela 1 Condições operacionais utilizadas para o projeto de dimensionamento da unidade de Guamaré. (UO-RNCE, 1999) Gás para Gás para Condições de Operação Carga Produto Aquecimento Resfriamento Vazão Mássica (kg/h) Temperatura (ºC) Pressão (kgf/cm²) 69,5 69,3 70,5 70,5 Viscosidade (cp) 0,014 0,014 0,017 - Massa Molar (kg/kmol) 21,77 21,77 21,77 21,77 Densidade (kg/m³) 66,36 66,36 36,0 36,0 H 2 O (ppm) 1775 <0,1 <0,1 <0,1 2.3 Condição Atual da Planta de Guamaré Nas atuais condições da planta, a vazão atual reduziu-se a aproximadamente 51% do valor da vazão original de projeto. Como não há informações disponíveis a respeito de mudanças significativas na composição de entrada do gás natural na unidade de desidratação optou-se, como premissa, permanecer com a mesma composição obtida da documentação de projeto da unidade (UO-RNCE, 1999) e descrita na Figura 3. Porém há mudanças significativas de condições de pressão e temperatura, como mostram as Figuras 2 e 3, o que especificamente para a unidade de desidratação é bastante relevante, uma vez que implica em modificação do ponto de saturação dessa corrente. Mediante as informações levantadas junto à documentação de projeto da planta e também as condições operacionais atuais, pode-se montar a Tabela 2, onde é mostrado o declínio de produção da unidade.

4 Tabela 2 Condições atuais e de projeto da planta de Guamaré. Vazões (MM³/d) Vazões (MM³/d) % do Gás Destinado a Regeneração Vazão máx operação Vazão máx de regeneração atual ,52 Vazão total atual ,75 Vazão de projeto Vazão máx de regeneração do projeto ,3 Vazão total de projeto ,76 Feita a simulação com a ferramenta Aspen HYSYS Versão 8.4, pode-se verificar que devidas às novas condições de pressão e temperatura, a quantidade de água saturada na mistura diminuiu, o que é revelado pela simulação com a formação de uma fase líquida composta 99,98% molar de água. Como não há informações disponíveis a respeito de mudanças significativas na composição de entrada do gás natural na unidade de desidratação optou-se, como premissa, permanecer com a mesma composição descrita na Tabela 3. Os cálculos de equilíbrio feitos mostram que a quantidade de água máxima saturada no gás natural caiu de 2000 ppmv das condições originais de projeto para 1700 ppmv.

5 Figura 2 - Parâmetros modificados na condição atual da planta de Guamaré alimentados no simulador Aspen HYSYS Versão 8.4. Figura 3- Composição alimentada no simulador Aspen HYSYS Versão 8.4 Condição de operação atual. 3. ESTUDOS DE CASOS DE OTIMIZAÇÃO Foram estudados os seguintes cenários: i) Modificando-se a configuração para 1:1, seria um leito com essas dimensões ser capaz de trabalhar com a vazão total da planta atualmente, utilizando como leito zeólitas 4A ou 3A?ii) Existe alguma configuração do sistema que torna a escolha entre 3A ou 4A mais vantajosa? É necessária esta avaliação, pois os leitos de adsorção deverão ser acomodados nesses vasos de pressão que já possuem dimensões fixas. As dimensões dos vasos de pressão de Guamaré são: diâmetro de 2,5m e altura de 5,7m. Com o objetivo de melhor comparar as respostas obtidas pelos dois métodos de dimensionamento (CAMPBELL, 1984 e ARNOLD and STEWART, 1991) e dois adsorventes propostos para a unidade de desidratação por adsorção (Peneira Molecular tipo 3A e Peneira Molecular tipo 4A), foi construída a Tabela 5, com os dados obtidos através do programa DESIDRAT módulo de dimensionamento. Para o melhor entendimento dos dados mostrados, é necessário destaque aos seguintes fatores: (i) A capacidade de retenção de massa de água por massa de adsorvente nas peneiras moleculares tipo 3A e 4A, nestas condições de operação (temperatura e pressão), são praticamente iguais; (ii) O diâmetro é único para todos os casos, uma vez que a dimensão dos vasos de pressão é fixa em 2,5m; (iii) Dado que a massa de água a ser retida é a mesma e o diâmetro é fixo, a altura de adsorvente necessária é dependente apenas do tipo de adsorvente e não da metodologia de análise; (iv) É necessária a adoção de uma alternativa para solução da limitação de espaço de head space.

6 Tabela 5 Dimensões dos vasos de pressão para os diferentes métodos de dimensionamento e adsorventes Método Peneira Molecular 4A Campbell Arnold and Stewart Peneira Molecular 3A Campbell Arnold and Stewart Volume de leito necessário (m³) 22,33 22,33 21,42 21,42 Altura de leito (m) 4,55 4,55 4,36 4,36 Diâmetro do leito (m) 2,50 2,50 2,50 2,50 Distância entre tangentes do vaso de pressão (m) 6,13 6,13 5,33 5,33 Espaço suficiente para o head space? Não Não Não Não Uma vez que para todos os casos abordados não há espaço suficiente para o head space, há três soluções possíveis: (i) A manutenção de um leito misto com adsorventes de diferentes granulometrias de forma a maximizar adsorção, diminuir altura de leito total necessário e manutenção de head space de 600 mm; (ii) A instalação de um distribuidor de fluxo para que esse head space de 600 mm fosse diminuído ao máximo; (iii) O aumento da camada de esferas cerâmicas para que essas assumam o papel de prover um escoamento do tipo pistonado da corrente. 4. ANÁLISES DE DEMANDA ENERGÉTICA Como o cálculo da energia necessária tanto para etapa de dessorção (via aquecimento do leito) quanto para a etapa de resfriamento são determinados pelo volume de leito e do volume de água retido, pode-se reduzir os cálculos de demanda energética para os dois casos: adsorvente tipo 4A e adsorvente tipo 3A. Com o objetivo de melhor comparar as respostas obtidas pelos cálculos referentes à demanda energética entre os dois adsorventes, a Tabela 6 foi construída. Como mostram os dados presentes na Tabela 6, o adsorvente do tipo 3A possui menor demanda energética, porém com maior custo final. Assim, é necessário avaliar se existe alguma limitação de disponibilidade energética no sistema de aquecimento de gás de regeneração ou no sistema de resfriamento de gás que justifique o uso do adsorvente de maior preço, uma vez que o desempenho em relação à adsorção de água é equivalente entre os dois.

7 Tabela 6 Demandas corrigidas de aquecimento e resfriamento para os diferentes adsorventes Demanda de energia para o aquecimento (Mcal) Demanda de energia para o resfriamento (Mcal) Peneira Molecular 4A Peneira Molecular 3A 10408, , , ,54 Tempo de aquecimento (h) 7,44 7,64 Tempo de resfriamento (h) 3,56 3,36 Taxa de energia para o aquecimento (Mcal/h) 1399, ,62 Taxa de energia para o resfriamento (Mcal/h) 441, ,55 Taxa de energia necessária para o aquecimento / Capacidade instalada (%) Taxa de energia necessária para o resfriamento / Capacidade instalada (%) 34,46 30,98 10,57 9,29 5. CONCLUSÕES Esse trabalho apresenta uma modelagem simplificada para o estudo de otimização proposto, utilizando como ferramentas computacionais o simulador de processos comercial Aspen HYSYS e o programa DESIDRAT módulo de dimensionamento, para embasar a proposta de mudança de configuração da planta de desidratação de Guamaré. Os cálculos mostram que, independente da metodologia de cálculo utilizada e da abertura de poro da peneira molecular escolhida, o teor de umidade do gás requerido pela legislação ANP é atingido na corrente de saída, uma vez que teores de 0,1 ppmv são obtidos. Os quatro casos estudados através do programa DESIDRAT mostram que, tanto para a peneira 4A quanto para a 3A, independe da metodologia de cálculo proposta por Campbell ou por Arnold and Stewart, a mudança de configuração proposta de 2:1 (dois leitos adsorvendo enquanto há um dessorvendo) para 1:1 (um leito adsorvendo e outro dessorvendo) é viável e pode-se utilizar os vasos já existentes na unidade. Os cálculos mostram que os vasos existentes são capazes de acomodar leitos maiores que os requeridos, não havendo impactos em tempo de contato do gás com os sítios ativos da peneira molecular. Não é apresentada nenhuma evidência ou histórico de co-adsorção de metano na unidade, dessa forma deve-se dar preferência à utilização da peneira molecular do tipo 4A, de igual desempenho a 3A e custo de investimento mais baixo.

8 Em relação à exigência de demanda energética que a unidade requer para essa nova configuração de operação, a capacidade instalada na planta apresenta grande folga, podendo ser aplicada de forma imediata. É importante destacar que foram utilizadas premissas para todas as simulações executadas propriedades de adsorventes novos. Caso a Unidade de Guamaré opte por aproveitar os leitos já usados para a mudança de configuração uma nova análise se faz necessária, pois é necessário quantificar o envelhecimento das peneiras e a consequente diminuição da capacidade de adsorção. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANP, Agência Nacional do Petróleo, 17 de junho de Disponível em: < % xml?f=templates$fn=document-frame.htm$3.0$q=$x=$nc=4315>. Acesso em: 28 de maio ARNOLD, Ken; STEWART, Maurice - Surface Production Operations: Design of Gas- Handling Systems and Facilities Chapter: Gas Dehydration Pages 195 a 240, CAMPBELL, John M. Gas Conditioning and Processing Volume 2 Equipment Modules. Seventh Edition. Oklahoma PETROBRAS. Lage, Gustavo; Oliveira, Anna Amélia. Desidratação de Gás Natural. Apostila de Curso de Aperfeiçoamento em Gás Natural Universidade Petrobras, Rio de Janeiro, UO-RNCE. Manual de operação Unidade de Tratamento de Gás - Pólo de Guamaré. Guamré. Rio Grande do Norte