First Author et al.: Article Template (insert the paper s title here) ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICA DE UM CICLO DE LIQUEFAÇÃO DE GÁS NATURAL DE PEQUENA ESCALA Débora Mei Shen debora.shen@gmail.com José R. Simões Moreira jrsimoes@usp.br Resumo. Atualmente, o gás natural é uma das principais ormas de energia primária consumida no mundo. Entretanto, observa-se que sua participação na matriz energética brasileira é muito pequena, já que a inra-estrutura de transporte ainda é deicitária, dependendo signiicativamente da utilização de uma rede gasodutos pouco ramiicada e interligada. Além disso, a grande dependência de poucas ontes de suprimento de gás natural ainda gera certa insegurança no mercado interno, principalmente após as recentes crises envolvendo a Bolívia Desta orma, novas tecnologias relacionadas à lexibilização das ormas de transporte e à diversiicação das ontes produtoras de gás natural estão sendo amplamente pesquisadas. Dentro deste escopo, este projeto aborda a tecnologia do gás natural liqueeito (), apresentando-se um estudo de viabilidade técnica para um ciclo termodinâmico de liqueação de gás natural em pequena escala. Este ciclo, ao aproveitar a energia que é liberada durante o rebaixamento de pressão no processo de transerência de custódia do gás natural, torna-se menos dependente de ontes externas de energia; ou até mesmo auto-suiciente sob o ponto de vista energético. Palavras chave: Gás natural; Liqueação; Termodinâmica (Simulação). 1. Introdução Embora seja uma das principais ormas de energia primária consumida no mundo, a participação do gás natural na matriz energética brasileira pode ser considerada pequena, principalmente quando se leva em consideração a grande quantidade de reservas (prováveis e provadas) existentes no país. Este ato pode ser justiicado ao se observar que a inra-estrutura de transporte e distribuição ainda é deicitária, dependendo signiicativamente da utilização de uma rede gasodutos pouco ramiicada e interligada. Além disso, a grande insegurança a respeito da estabilidade de ornecimento de gás natural, desencadeada pelas recentes crises com um dos principais ornecedores do produto ao país, também é responsável por uma reada brusca no crescimento da participação do gás natural na matriz energética. Dessa orma, visando aumentar a participação do gás natural no mercado brasileiro, diversos projetos relacionados a tecnologias que possibilitem uma maior lexibilidade neste setor estão sendo amplamente diundidos. Na área de transporte e ornecimento de gás natural, têm-se destacado as tecnologias de gás natural comprimido (GNC) e gás natural liqueeito (). Tais processos permitem o armazenamento de grandes quantidades de gás natural em pequenos volumes, viabilizando assim o transporte através de caminhões, navios ou trens. Assim sendo, pode-se contribuir para aumento do mercado consumidor de gás natural, uma vez que assim é possível transportar de gás natural até regiões onde a demanda pelo produto ainda não justiica o elevado investimento necessário para a construção de uma rede de gasodutos convencionais. Além disso, dentre estas tecnologias, o, por apresentar uma redução de volume superior ao GNC, possibilita ainda o transporte intercontinental de gás natural, o que proporciona uma maior diversiicação dos possíveis ornecedores deste produto, garantindo também uma maior estabilidade no ornecimento. Dentro deste contexto, neste trabalho, será dado enoque ao chamado gás natural liqueeito, obtido através da rerigeração do mesmo a uma temperatura de aproximadamente -162ºC, ou inerior, a uma pressão próxima da atmosérica, o que demanda uma quantidade considerável de energia. 2. Sistemas Letdown Através de gasodutos, grandes quantidades de gás pressurizadas são transportadas dos campos produtores aos consumidores inais. Dentro da cadeia produtiva do gás natural, costuma-se dierenciar os gasodutos utilizados para transporte e os gasodutos utilizados para distribuição. Os gasodutos de transporte, geralmente, possuem dimensões maiores e operam a pressões mais elevadas que os gasodutos de distribuição, transportando, portanto, uma maior quantidade de gás natural. Estes gasodutos percorrem grandes distâncias, levando o gás natural dos centros produtores aos grandes centros consumidores, operando em uma aixa de pressões que pode variar entre 5 MPa e 10 MPa. Interligados aos gasodutos de transporte, existem os gasodutos de distribuição, que têm um raio de ação mais local ou regional. Estes últimos, por sua vez, costumam operar entre 3,5 e 0,1 MPa, podendo, algumas vezes, operar a pressões ineriores a 1 bar, principalmente quando ligados a consumidores residenciais. A interligação entre o gasoduto de transporte e o gasoduto de distribuição é ormada por uma estação redutora de pressão, conhecida como city gate. Nesta estação, ocorre a chamada transerência de custódia do gás natural transerência da responsabilidade sobre o gás natural, que deixa de ser da empresa transportadora e passa a ser da empresa distribuidora.
Atualmente, o processo de redução de pressão que ocorre nos city gates se dá através de um conjunto de válvulas de estrangulamento, dissipando sob a orma de calor, vibração e outros eeitos turbulentos irreversíveis, o grande potencial de energia existente devido ao dierencial de pressões entre o gasoduto de transporte e o gasoduto de distribuição. Neste trabalho, é estudado então o chamado processo letdown, que utiliza a energia da pressão do próprio gasoduto de transporte, que de outra orma seria dissipada nas válvulas de redução de pressão, para a produção de energia para movimentar o ciclo de liqueação de gás natural. A Fig. (1) indica, de maneira esquemática, o princípio de uncionamento de um ciclo de liqueação baseado em um processo letdown. 3. Obtenção de Direto Figura 1 O sistema letdown Existem especulações de que seria possível obter através da simples expansão do gás natural em uma turbomáquina, onde, simpliicadamente, o processo de expansão pode ser considerado isentrópico. Em uma primeira análise, visando acilitar o processo de simulação, adotou-se a hipótese de que o gás natural seria composto somente por metano. Pode-se veriicar então, através de um diagrama temperatura-entropia (T-s), apresentado na Fig. (2), que esta orma de obtenção de não é actível, para esta hipótese adotada. Para uma pressão inal de 500 kpa, não há condensação de metano, enquanto que para uma pressão inal de 100 kpa, é obtida uma mistura na qual ainda há grande quantidade de vapor (título próximo a 1). Considerando que processo real não é isentrópico, o título da mistura inal será ainda maior, indicando a condensação de uma parcela muito pequena de metano. Ainda, caso considere-se a obtenção de através da expansão através de uma válvula de estrangulamento (considerando uma expansão isentálpica), nota-se, através do diagrama temperatura-entalpia (Fig. (3)), que também não é possível produzir através deste processo. Figura 2 Diagrama Temperatura Entropia (T-s) para o metano Figura 3 Diagrama Temperatura Entalpia (T-h) para o metano Considerando uma composição teórica para o gás natural, apresentada na Tab. (1), e observando a questão de equilíbrios de ase e termodinâmicos, pode-se realizar uma análise análoga à análise eetuada anteriormente. Tabela 1 Composição para o gás natural. Componente Fração na mistura Metano (CH 4 ) 90,16 % Etano (C 2 H 6 ) 7,84 % Nitrogênio (N 2) 2,00 %
Observando a Fig. (4), onde se apresenta um diagrama entropia- temperatura (s-t) para a mistura, nota-se que, nesta segunda hipótese, também não é possível obter o direto, uma vez que, no estado inal indicado, não alcançase a aixa de condensação de metano, que é o componente de maior presença. Novamente, considerando que processo real não é isentrópico, pode-se airmar que a obtenção de diretamente através deste processo torna-se ainda mais irrealizável. Considerando a obtenção de diretamente através da expansão através de uma válvula de estrangulamento (considerando um processo isentálpico), observa-se, através do diagrama entalpia-temperatura (h-t), apresentado na Fig. (5), que também não é possível produzir através deste processo. Ainda, em ambas as iguras, é indicada a temperatura inicial mínima de resriamento para que seja possível a obtenção de direto aproximadamente 8 C para a expansão isentrópica e -62ºC para o estrangulamento adiabático. Expansão Isentrópica Estrangulamento Adiabático 2 1 P = 0,1MPa 200 100 0 Estrangulamento adiabático Estado inal Entropia (kj/.k) 0-1 -2-3 -4-5 Estado inal Faixa de condensação do metano P = 10 MPa Expansão isentrópica Temperatura mínima para o início da condensação Estado inicial Entalpia (kj/.k) -100-200 -300-400 -500-600 -700-800 P = 0,1 MPa Faixa de condensação do metano P = 10 MPa Temperatura mínima para o início da condensação Estado inicial -6-170 -150-130 -110-90 -70-50 -30-10 10 30 Temperatura ( C) -900-170 -150-130 -110-90 -70-50 -30-10 10 30 Temperatura ( C) Figura 4 Diagrama entropia temperatura para uma mistura multicomponente. Figura 5 Diagrama entalpia temperatura para uma mistura multicomponente. 4. O Ciclo Proposto O ciclo proposto para liqueação de gás natural é ilustrado esquematicamente na Fig. (6). O gás natural, ao ser transerido do gasoduto de transporte para o de distribuição, atravessa o ciclo de liqueação, onde uma parcela () do gás é liqueeita, sendo mantida no tanque de armazenamento. O restante do gás, juntamente com a ase vapor que icaria retida no tanque de armazenamento, é enviado então ao gasoduto de distribuição, sendo necessário, em alguns casos, adequar sua pressão à pressão de distribuição no local e elevar sua temperatura para que não haja problemas na rede de distribuição, como por exemplo, ormação de gelo. As partes principais deste ciclo são um turbo-expansor (TE), um trocador de calor (TC-res) de contra-corrente, uma válvula de lashing (VF) e um tanque de armazenamento. Cabe observar que o trocador de calor (TC-res) é também o evaporador de um ciclo de rerigeração (CR) de compressão mecânica a vapor. Este ciclo, além do evaporador, é ormado por um compressor (CP), um condensador (TC) e uma válvula de expansão (VE). A potência mecânica produzida pelo turbo-expansor ( W & ) é utilizada para acionar o ciclo de compressão a vapor ( E W & ), e outros C equipamentos auxiliares, como o compressor para elevar a pressão do gás que volta à linha de distribuição, que pode ser movimentado também por um motor de combustão interna movido a gás natural. Dentro das considerações já realizadas, pode-se analisar o sistema de liqueação de gás natural proposto, considerando também as seguintes características do sistema: Capacidade de produção entre 10 e 50 m³ de líquido/dia; Dados da linha de alta pressão P 1 = 10 MPa e T 1 = 30 C; Pressão da linha de distribuição entre 0,5 e 3,5 MPa, variando 0,5 em 0,5 MPa; Pressão de armazenamento do 0,1 MPa; 4.1. Equações de Modelagem e Balanço Conhecidos o estado termodinâmico do gás natural da linha de alta pressão (indicado por 1, na Fig (6)) e a eiciência isentrópica do expansor (η S ), pode-se obter o estado 2 (na saída do expansor) através da Eq. (1), onde h i é a entalpia especíica correspondente ao estado i, e h 2s é a entalpia do estado 2 ideal (considerando expansão isentrópica). h ( h ) = h η h 2 1 S 1 2S (1) Desta orma, pode-se calcular também o trabalho produzido no turbo-expansor através da expansão do gás natural, através da Eq. (2). W = h h (2) E 1 2
Deinindo-se o estado 4 (pressão e temperatura) de orma a garantir a obtenção de gás natural liqueeito na saída da válvula de lashing, e admitindo que o processo de expansão através da mesma é isentálpico, isto é, h 3 = h 4, pode-se então calcular a ração que é liqueeita, utilizando para isso, a Eq. (3), baseada na aplicação da 1ª Lei da Termodinâmica no TC-res. Nesta equação, η COMP corresponde à eiciência isentrópica do compressor. (h (3) 3 h 2) = WE COP ηcomp Deve-se notar que a temperatura T 3 na saída do trocador de calor deve ser maior que a temperatura de vaporização do luido de trabalho do ciclo de rerigeração. Desta orma, ica evidente que luido utilizado no ciclo de rerigeração será também um luido criogênico, como por exemplo, o nitrogênio. Para deinir o estado 5, na entrada do gasoduto de distribuição, oi estimada uma temperatura na qual a probabilidade de ormação de gelo na rede de distribuição seria quase nula. Desta orma, pode-se então calcular o calor necessário para condicionar a ração (1-) de gás natural que não é liqueeito, chamado Q req1, através da Eq. (4). Qreq1 5 2 = (1 ) (h h ) (4) Além disso, é também necessário ornecer calor e elevar a pressão do gás natural que retorna do tanque de armazenamento, utilizando para tanto a Eq. (5). Q req2 ( h h ) = x (5) 5 4 Deve-se mencionar, ainda, que todas as equações acima oram obtidas ao considerar a hipótese de que a massa total de trabalho neste ciclo é de 1 de gás natural. Assim sendo, todos os valores encontrados para trabalho e calor têm como unidade [kj/ total de gás natural]. Como exemplo, considerando a expansão de 1 de gás natural no turbo expansor, são gerados W E kj e são requeridos Q req kj. Figura 6 - Ciclo proposto. 5. Resultados Na análise do ciclo proposto, oram consideradas as seguintes hipóteses, além das hipóteses já listadas: Fluxo mássico total de gás natural: m& T = 1/s ; Eiciência isentrópica do expansor: η S = 85% ; Eiciência isentrópica do compressor: 80% η COMP = Temperatura e pressão do estado 1, na entrada do ciclo: T 1 = 30ºC e P 1 = 10 MPa; Não há variação de pressão no interior do trocador de calor, isto é, P 2 = P 3 ; e Temperatura de entrada no gasoduto de distribuição: T 5 = 15 C Utilizando o sotware EES (Engineering Equation Solver), realizaram-se primeiramente simulações variando o valor da pressão P 2 (pressão do gasoduto de distribuição), considerando um valor constante para o coeiciente de desempenho do ciclo de rerigeração (COP). Desta orma, pode-se avaliar a inluência deste parâmetro na ração produzida (quantidade de gás natural liqueeito sobre a quantidade de gás natural cuja pressão oi reduzida no turboexpansor). Posteriormente, para veriicar também a inluência do valor COP na quantidade de produzida, oi eita uma nova análise, variando seu valor entre 2 e 4 e mantendo os valores de pressão P 2 constantes.
Cabe ressaltar que tais análises oram realizadas considerando-se primeiramente a hipótese de que o gás natural é composto somente por metano, sendo, portanto, estes os resultados apresentados na Seção (5.1). Posteriormente, visando obter resultados mais próximos ao comportamento real do gás natural, utilizou-se a composição aproximada mostrada na Tab.(1), obtendo os resultados indicados na Seção (5.2). 5.1 Análise 1 Como já mencionado anteriormente, em uma primeira análise, a modelagem do ciclo termodinâmico oi simpliicada, considerando-se a hipótese de que o gás natural é composto somente por metano (CH 4 ). Além disso, para possibilitar uma análise mais detalhada da inluência da pressão do gasoduto de distribuição na quantidade de produzida, as simulações oram realizadas considerando uma aixa de pressão de distribuição que variava entre 10 MPa e 0,5 MPa. Como exemplo dos resultados, a Tab. (2) ilustra os valores encontrados em unção da pressão P 2, para um coeiciente de desempenho para o ciclo de rerigeração (COP) igual a 3. Deve-se ressaltar aqui que, nesta simulação, não há a necessidade de calcular o valor de Q req2, uma vez que, no estado 4, todo o metano oi liqueeito e não há ase vapor para ser retornada ao gasoduto de distribuição. Ainda analisando os valores apresentados na Tab. (2), nota-se que o valor de Q req1 não varia linearmente com a temperatura do gás natural T 2 ou com a pressão P 2, uma vez que este valor depende também da ração () de gás natural que é liqueeita. Caso não houvesse a inluência da ração, o valor de Q req1 seria inversamente proporcional ao valor da pressão P 2. Isto ocorre uma vez que, quanto menor a pressão no estado 2, menor a temperatura T 2, resultando em uma maior demanda de calor para adequar a temperatura do gás natural que retorna ao gasoduto de distribuição. Entretanto, como pode ser observado na Fig. (7), quanto menor o valor da pressão P 2, maior o valor da ração, indicando que mais gás natural liqueeito oi produzido. Tendo essa airmação como base, pode-se concluir que, numa situação em que quase todo o gás natural expandido é liqueeito ( é próximo a 1), será necessário uma grande quantidade de calor para uma pequena quantidade de gás, implicando, portanto, em um valor muito pequeno para Q req 1. Na Fig. (7), que ilustra a inluência do valor do COP na ração de gás natural que é liqueeita e na quantidade de calor requerida, pode-se observar ainda que, quanto maior o valor do COP, maior a quantidade de gás natural liqueeita e consequentemente, menor a quantidade de calor requerida. Este eeito já era esperado, uma vez que o COP é um indicador da eiciência do ciclo de rerigeração; quanto maior seu valor, menores as perdas. Tabela 2 - Resultados da primeira simulação: ração de produzida em unção da pressão P 2, para COP= 3. P 2 T 2 W E W C F Q req1 P 2 T 2 W E W C Q req1 [kj/] [kpa] [ C] [kj/] [kj/] [kj/] [kpa] [ C] [kj/] [kj/] 10000 30 0,00 0,00 0,00 0,00 5000-15,89 71,94 57,55 0,23 63,44 9500 26,39 5,86 4,68 0,02 0,00 4500-22,26 81,68 65,34 0,26 71,89 9000 22,62 11,93 9,54 0,04 0,00 4000-29,19 92,26 73,81 0,30 79,39 8500 18,67 18,23 14,58 0,05 0,00 3500-36,77 103,90 83,12 0,35 85,66 8000 14,53 24,80 19,84 0,07 1,276 3000-45,19 116,80 93,44 0,40 90,25 7500 10,17 31,66 25,33 0,10 12,54 2500-54,68 131,40 105,12 0,45 92,42 7000 5,567 38,85 31,08 0,12 23,54 2000-65,62 148,40 118,72 0,53 90,92 6500 0,7002 46,41 37,13 0,14 34,2 1500-78,69 169,10 135,28 0,62 83,24 6000-4,469 54,40 43,52 0,17 44,46 1000-95,25 195,90 156,72 0,75 63,44 5500-9,982 62,88 50,30 0,20 54,25 500-119,2 236,30 189,04 0,96 11,42 1,2 Inluência do Coeiciente de Desempenho (COP) 140 1,0 120 Fração de produzida 0,8 0,6 0,4 100 80 60 40 Calor ornecido [kj/ total] 0,2 20 0,0 10000 7500 5000 2500 Pressão de distribuição [kpa] Fração de (COP=2) Fração de (COP=3) Fração de (COP=4) Calor ornecido (COP=2) Calor ornecido (COP=3) Calor ornecido (COP=4) 0 Figura 7 Inluência do valor do COP do ciclo de rerigeração nos resultados.
5.2 Análise 2 Nesta análise, é utilizada a composição apresentada na Tab. (1), visando obter resultados que apresentem a inluência do equilíbrio químico e termodinâmico entre as ases da mistura multicomponente durante o processo de liqueação. Cabe ressaltar que a composição adotada também é simpliicada, embora apresente propriedades bastante semelhantes a um gás natural de composição real. Analogamente à análise anterior, a Tab. (3) ilustra os resultados obtidos em unção de P 2, para um COP=3. Novamente, observa-se que o valor de Q req total não varia linearmente, embora neste caso, haja a necessidade de calcular o valor do calor necessário para retornar a parcela de vapor que se acumula no tanque de armazenamento à linha de distribuição (Q req 2). Isso se deve ao ato de que, nesta análise, o título da mistura na entrada do tanque de armazenamento (estado 4) não é igual a zero, embora esteja bastante próximo, como mostra a Tab. (4), que apresenta as propriedades dos estados termodinâmicos do ciclo, para uma pressão de distribuição de 1500 kpa. Tabela 3 Resultados da segunda simulação: ração de produzida em unção da pressão P 2, para COP= 3. P distribuição [kpa] Fração W exp [kj/] h entrega (kj/) Q req 1 [kj/] Q req 2 [kj/] Q req total [kj/] 500 1,00 213,3 28,41 0 92,43 92,43 1000 1,00 188,8 24,37 0 70,87 122,35 1500 0,84 161,4 20,3 31,07 57,58 129,11 2000 0,71 141,7 16,19 48,42 48,74 127,33 2500 0,62 125,6 12,06 57,03 41,91 121,90 3000 0,54 111,7 7,896 60,55 36,29 114,40 3500 0,47 99,2 3,702 60,68 31,50 105,55 Tabela 4 Propriedades dos estados termodinâmicos do ciclo, para uma pressão de distribuição de 1500 kpa. Estados Composição Molar Pressão Temp. Líquido Vapor [kpa] [ C] N 2 C1 C2 N 2 C1 C2 T orvalho [ C] h mistura [kj/] Titulo 1 0 0 0 2 90 8 10000 30,00-39,76-11,26 -- 2 0 0 0 2 90 8 1500-85,97-85,79-172,62 -- 3 0 92 8 86 14 0 1500-150,80-85,79-788,1 -- 4 0 91 9 19 82 0 100-163,00-125,6-788,1 0,11 Da mesma orma que na seção anterior, observa-se na Fig. (8) que a ração, para um mesmo valor de COP, diminui conorme a pressão de distribuição aumenta, uma vez que diminui também a quantidade de energia liberada no processo de rebaixamento de pressão. Além disso, quando se considera uma mesma pressão de distribuição, a ração de produzida aumenta conorme aumenta o COP do ciclo de rerigeração, já que o rendimento do ciclo aumenta. Fração de 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Inluência do Coeiciente de Desempenho - COP 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Pressão de distribuição [kpa] Fração de (COP=2) Fração de (COP=3) Fração de (COP=4) Calor requerido (COP=2) Calor requerido (COP=3) Calor requerido (COP=4) 170 150 130 110 90 70 50 Calor requerido [kj/ total] Figura 8 Inluência do valor do COP do ciclo de rerigeração nos resultados.
5.3 Comparação entre os resultados Para eeito de comparação entre os resultados encontrados nas duas análises realizadas, pode-se calcular, em ambos os casos, qual a massa de gás natural que deve ser expandida no turbo-expansor para que seja possível produzir 1 de. Tais valores estão apresentados na Tab. (5), em unção do coeiciente de desempenho (COP) e da composição adotada. Com base nos resultados apresentados, pode-se concluir então que, quanto maior a quantidade de metano presente na composição do gás natural, menor a quantidade de gás que deverá ser expandida para produzir 1 de gás natural liqueeito. Entretanto, a dierença obtida (0,3 ) não deve ser considerada signiicativa a ponto de inviabilizar a liqueação de um gás que possua uma menor quantidade de metano em sua composição. Tabela 5 Razão mássica necessária para produzir 1 de Pressão 100% CH4 90,16% CH4; 7,84%C2H6; 2% N2 COP=2 COP=3 COP=4 COP=2 COP=3 COP=4 GN GN GN GN GN 3500 0,23 4,3 0,35 2,9 0,46 2,2 0,23 4,8 0,35 3,2 0,47 2,4 3000 0,26 3,8 0,40 2,5 0,53 1,9 0,26 4,3 0,4 2,8 0,54 2,1 2500 0,30 3,3 0,45 2,2 0,61 1,7 0,31 3,7 0,46 2,5 0,62 1,8 2000 0,35 2,9 0,53 1,9 0,70 1,4 0,36 3,2 0,54 2,1 0,71 1,6 1500 0,41 2,4 0,62 1,6 0,82 1,2 0,42 2,7 0,63 1,8 0,84 1,3 1000 0,50 2,0 0,75 1,3 0,99 1,0 0,51 2,2 0,77 1,5 1,00 1,1 500 0,64 1,6 0,96 1,0 1,00 1,0 0,68 1,7 1,00 1,1 1,00 1,1 6. Conclusões Devido às recentes crises envolvendo o ornecimento de gás natural, está sendo dado um grande enoque às tecnologias relacionadas a ormas alternativas de transporte do gás natural, como o gás natural liqueeito () e o gás natural comprimido (GNC). Sob a orma de ou GNC, o gás natural pode ser então armazenado e transportado através de carretas, trens ou navios, da estação de liqueação/compressão até o mercado consumidor, dispensando a utilização de gasodutos. Desta orma, pode-se diversiicar então as possíveis ontes de ornecimento de gás natural, tornando o Brasil menos dependente de alguns poucos ornecedores, como a Bolívia. Além disso, estas ormas de transporte do gás natural, chamadas gasodutos virtuais, quando relacionadas ao mercado interno, são uma das ormas mais eicientes para suprir regiões com baixas ou médias demandas, que não justiiquem o elevado investimento em gasodutos. No entanto, devido às vantagens apresentadas pelo gás natural liqueeito em relação ao gás natural comprimido, este trabalho deu maior enoque a esta tecnologia e às ormas de obtenção de. Foram realizadas duas análises do processo de liqueação, considerando composições distintas. A primeira análise, mais simpliicada, considera que o gás natural é composto somente por metano e permite veriicar a inluência global de diversos parâmetros do sistema na quantidade inal de gás natural liqueeito que pode ser produzida. A segunda análise, por sua vez, ao considerar uma mistura multicomponente, permite veriicar o comportamento das substâncias durante o processo de liqueação e sua inluência na quantidade de que pode ser produzida. Assim, primeiramente, concluiu-se que o chamado direto, que poderia ser obtido através de uma expansão simples em um turbo-expansor, entre dois níveis de pressão distintos, não é tecnicamente viável. Isto signiica dizer que, para as duas análises realizadas, não é possível obter considerando somente uma expansão isentrópica. Com base nesta inormação, oi elaborada uma coniguração para um ciclo de liqueação de pequena escala, que aproveita então a energia gerada no turbo-expansor durante o processo de rebaixamento de pressão para movimentar um ciclo de rerigeração. Tal processo de aproveitamento de energia é atualmente denominado letdown. Em uma primeira análise da viabilidade técnica do ciclo de liqueação proposto, pode-se concluir que é possível liqueazer todo o gás natural que é expandido no turbo-expansor, caso este seja composto somente por metano. No entanto, isto exige que o luido de trabalho do ciclo de rerigeração seja capaz de trabalhar a temperaturas cada vez menores, diicultando a operação do ciclo de liqueação. No entanto, apesar deste entrave, observa-se que a coniguração proposta para um ciclo de liqueação auto-suiciente do ponto de vista energético é actível. Pode-se concluir também que a porcentagem de produzida pode ser aumentada diminuindo-se a pressão P 2 (na saída do turbo-expansor) ou aumentando-se o valor do coeiciente de desempenho do ciclo de rerigeração. Tais medidas aumentam a eiciência do ciclo, reduzindo temperatura T3, na saída do trocador de calor de resriamento. Já na segunda análise realizada, considerando-se o gás natural como uma mistura multicomponente, observa-se que os resultados obtidos são análogos aos resultados anteriores, isto é, os parâmetros que inluenciam os resultados são semelhantes. GN
Ao comparar os resultados das duas simulações realizadas, calculando, em ambos os casos, a massa de gás natural que deve ser expandida no turbo-expansor para que seja possível produzir 1 de, pode-se notar que, quanto maior a quantidade de metano presente na composição do gás natural, menor a quantidade de gás que deverá ser expandida para produzir 1 de gás natural liqueeito. Entretanto, a dierença obtida (0,3 ) não deve ser considerada signiicativa a ponto de inviabilizar a liqueação de um gás que possua uma menor quantidade de metano em sua composição. Finalmente, considerando que o ciclo não necessita de uma onte externa de energia e visa à produção em pequena escala, mostra-se que sua utilização, principalmente para armazenamento de gás durante períodos de baixa demanda ( peak-shaving ), é viável, sendo teoricamente possível liqueazer 100% do gás natural que é expandido no turboexpansor, dependendo das condições de trabalho. Além disso, através das análises apresentadas neste trabalho, pode-se airmar que a instalação de um ciclo de liqueação letdown no ponto de transerência de custódia pode contribuir signiicativamente para a expansão da área de atuação do gás natural, diversiicando os possíveis ornecedores e as ormas de transporte. 7. Reerências Abreu, P. L. e Martinez, J., 2003. A. Gás Natural: O Combustível do Novo Milênio. Plural Comunicação, 2a edição, Porto Alegre. Arruda, F. I. F. de, 2002. Viabilidade técnico-economica da implantação de uma unidade de liqueação de gás natural. Trabalho de Conclusão de Curso, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. ANP, 2005. Agência Nacional de Petróleo. Disponível em: <http://www.anp.gov.br/gas/gas_precotarias.asp>. Acesso em: 11/02/2006. BEN, 2004. Balanço Energético Nacional. Disponível em: <http://www.mme.gov.br>. Acesso em 02/02/2006. Barron, R., 1966. Cryogenic systems. Series in Mechanical Engineering. McGraw Hill, Nova York, Comgás, 2006. Companhia de Gás de São Paulo. Disponível em: <http://www.comgas.com.br>. Acesso em 02/02/2006. Dominion Gas Transmission, 2005. Disponível em: <http://www.dom.com/>. Acesso em 02/02//2006. Gasnet, 2005. Disponível em http://www.gasnet.com.br/ - Data de acesso: 03/02/2006. GTI: Gas Technology Institute, 2005. Small Scale Liqueier Development. Disponível em: <http://www.nrel.gov/vehiclesanduels/ ngvt/pds/gti_liqueier.pd>. Data de acesso: 09/02/2006. Lom, W. L., 1974, Liqueied Natural Gas, Applied Science Publishers, UK. PETROBRAS, 2006. Disponível em: <http://www.petrobras.com.br>. Acesso em 15/04/2006. Poulallion, P. Manual do gás natural. Coleção José Ermírio de Moraes, 1986 Shen, D., e Simões-Moreira, J. R., 2006. Use gas pipeline pressure to liquey natural gas or generate electricity. Hidrocarbon Processing, Janeiro de 2006. 8. Direitos autorais A autora é a única responsável pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. STUDY OF TECHNICAL VIABILITY OF A SMALL-SCALE NATURAL GAS LIQUEFACTION SYSTEM Débora Mei Shen debora.shen@gmail.com José R. Simões Moreira jrsimoes@usp.br Abstract. Nowadays, natural gas is one o the most popular sources o energy used in the world. However, its participation in the Brazilian energetic matrix is still very small, since the transport inrastructure is still deicit, depending signiicantly on the use o a pipeline system little ramiied and linked. Moreover, the great dependency on ew natural gas suppliers still generates insecurity in the home market, mainly ater the recent crisis involving Bolivia. In such a way, new technologies related to the diversiication o the transport orms and suppliers o natural gas are being strongly researched. In this context, this project discusses the liqueied natural gas (LNG) technology, presenting a technical easibility study or a thermodinamical cycle to liquey natural gas in small scale. This cycle, by using the energy generated in the pressure degradation during the process o custody transer, becomes less dependant o external energy sources, or even auto-suicient rom the energetic view. Key words: Natural Gas; Liqueaction; Thermodynamic (Simulation)