UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO BRUNA CARVALHO DE SOUZA LIMA Análise ...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

BRUNA CARVALHO DE SOUZA LIMA

Análise de Processos Offshore de Reforma Seca de Gás Natural
com Alto Teor de CO para Síntese de Metanol: Simulação, Estudo
2
de Viabilidade e Otimização

RIO DE JANEIRO
2015
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Bruna Carvalho de Souza Lima

Análise de Processos Offshore de Reforma Seca de Gás Natural
com Alto Teor de CO para Síntese de Metanol: Simulação, Estudo
2
de Viabilidade e Otimização

Dissertação submetida ao corpo docente do
curso de Pós-Graduação em Tecnologia de
Processos Químicos e Bioquímicos da Escola
de Química da Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários
à obtenção do grau de Mestre em Ciências.

Orientadores: Ofélia de Queiroz Fernandes Araújo, Ph.D.
José Luiz de Medeiros, D.Sc.

Rio de Janeiro
2015
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Lima, Bruna Carvalho de Souza
Análise de Processos Offshore de Reforma Seca de Gás Natural com
Alto Teor de CO para Síntese de Metanol: Simulação, Estudo de
2

Viabilidade e Otimização./Bruna Carvalho de Souza Lima. – 2015.
247 f.: il.

Dissertação - (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos
e Bioquímicos) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de
Química, Rio de Janeiro, 2015.

Orientadores: Ofélia de Queiroz Fernandes Araújo e José Luiz
de Medeiros .

1. Processamento de Gás Natural. 2. Sequestro e Conversão
de CO . 3. Otimização. 4. Tese. (Mestrado – UFRJ/EQ). 5. Ofélia de
2
Queiroz Fernandes Araújo, Ph.D. e José Luiz de Medeiros, D.Sc.. I.

Análise de Processos Offshore de Reforma Seca de Gás Natural com
Alto Teor de CO para Síntese de Metanol: Simulação, Estudo de
2
Viabilidade e Otimização.

v

AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço aos meus pais, Lucia e Heitor, sem os quais
realmente nada disto seria possível. Os maiores incentivadores, que
suportaram todas as fases difíceis do meu lado, e comemoraram também todas
as conquistas como se fossem deles próprios. Não poderia ter apoio melhor.
Obrigada! Tudo é por vocês!
Agradeço também a minha avó Deolinda por sua compreensão, que nessa fase
final foi essencial, com todo o seu acolhimento.
Agradeço aos meus melhores amigos, por terem tido paciência e por terem
compreendido minha ausência nos últimos meses.
Agradeço aos meus orientadores, com os quais tanto aprendi. À professora
Ofélia por todo ensinamento e dedicação a qualquer instante, e,
principalmente, por acreditar em mim, e ao professor José Luiz por dividir seu
conhecimento.
Agradeço ao apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo por meio do
Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo e Gás –
PRH-ANP/MCT, em particular ao PRH 41, Programa de Engenharia Ambiental
na Indústria de Petróleo, Gás e Biocombustíveis.
E agradeço a Deus, por ter saúde e por ter todas as pessoas mencionadas
acima do meu lado.
vi

Sê

Se não puderes ser um pinheiro, no topo de uma colina,
Sê um arbusto no vale mas sê
O melhor arbusto à margem do regato.
Sê um ramo, se não puderes ser uma árvore.
Se não puderes ser um ramo, sê um pouco de relva
E dá alegria a algum caminho.

Se não puderes ser uma estrada,
Sê apenas uma senda,
Se não puderes ser o Sol, sê uma estrela.
Não é pelo tamanho que terás êxito ou fracasso...
Mas sê o melhor no que quer que sejas.

Pablo Neruda
vii

RESUMO
LIMA, Bruna Carvalho de Souza. Análise de Processos Offshore de
Reforma Seca de Gás Natural com Alto Teor de CO para Síntese de
2
Metanol: Simulação, Estudo de Viabilidade e Otimização. Rio de Janeiro,
2015. Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e
Bioquímicos) - Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio
de Janeiro, 2015.
As descobertas dos campos do Pré-Sal apresentam como grande desafio o
processamento offshore de gás natural (POGN) associado com altos teores de
CO , requerendo soluções tecnológicas inovadoras, viáveis economicamente e
2
com mínimo impacto ambiental. A dissertação apresenta solução integrada de
POGN e utilização do CO obtido, promovendo a sustentabilidade da atividade
2
de E&P. São reportadas duas alternativas de POGN que empregam como
primeira etapa a absorção física de CO em cabornato de propileno. Para a
2
destinação do CO é proposta a produção de metanol a partir de gás de
2
síntese obtido por reforma seca. Na Alternativa 1, utiliza-se a Bi-Reforma,
enquanto a Alternativa 2 considera a Reforma Seca e posterior reação water
gas-shift. As duas alternativas avaliadas admitem uma fração do CO
2
produzido sendo destinada a EOR. Os fluxogramas de processo foram
simulados em ambiente ASPEN HYSYS. Realizadas as avaliações técnica,
econômica (via CAPCOST) e ambiental (via algoritmo WAR desenvolvido pela
EPA), constatou-se a superioridade da Alternativa 1. Na sequência, uma
variante da Alternativa 1 foi avaliada, na qual 100% do CO separado é
2
destinado à produção de metanol. As mesmas análises foram realizadas,
sendo a Alternativa 3 aquela que apresentou melhor desempenho.
Adicionalmente, foram desenvolvidos preditores capazes de estimar índices de
desempenho químico - rendimento e composição do gás de síntese produzido
e conversão dos reagentes em função dos fatores temperatura, pressão e
–
razão H O/CH . Os modelos construídos por Superfícies de Resposta foram
2 4
analisados estatisticamente e utilizados na formulação de problemas de
otimização mono e multiobjetivo, a fim de maximizar o rendimento e a
conversão da reforma seca. Com as condições ótimas obtidas, foi realizada a
simulação do fluxograma do processo offshore em larga escala.
viii

ABSTRACT
LIMA, Bruna Carvalho de Souza. Analysis of Offshore Dry Reforming of
Natural Gas with High Content of CO Processes for Methanol Synthesis:
2
Simulation, Feasibility Study and Optimization. Rio de Janeiro, 2015. Thesis
(Master of Science in Chemical and Biochemical Process Technology) – School
of Chemistry, Federal University of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2015.
The discoveries of Pre-Salt layers in Brazil present as a huge challenge the
offshore natural gas processing (ONGP) associated with an expressive amount
of CO requiring technological solutions that are innovative, economically
2,
feasible and with a minimal environmental impact. The thesis introduces an
integrated solution of ONGP and utilization of the CO obtained, promoting the
2
sustainability of the E&P activity. Two alternatives for ONGP, which employ as
first step the physical absorption of CO from natural gas, with propylene
2
carbonate, are reported. For CO destination, it is proposed the methanol
2
production from synthesis gas obtained in Dry Reforming. At Alternative 1, Bi-
Reforming is used, whereas Alternative 2 considers Dry Reforming and then the
water gas-shift reaction. Both evaluated alternatives admit a fraction of the CO
2
produced being destined for EOR. The process flow diagrams were simulated
with ASPEN HYSYS. Conducted the technical, economic (via CAPCOST) and
environmental (via WAR algorithm developed by EPA) assessments; it was
observed the better performance of Alternative 1. In the following, a variant of
Alternative 1 was evaluated, wherein 100% of the separated CO is intended for
2
methanol production. The same performance analyses were done, being this
last alternative the best one. Furthermore, predictors able to estimate chemical
performance indicators - yield and composition of the produced synthesis gas
and reactants conversion - from temperature, pressure and ratio H O/CH
2 4
factors, were developed. The models built by Response Surfaces were
statistically analyzed and used in the formulation of mono and multi-objective
optimization problems, in order to maximize the yield and conversion in
reforming. Then, with the optimal solution, it was performed the simulation of
the process flow diagram on a large scale.
ix

ÍNDICE
Capítulo I – Introdução ..................................................................................... 22
I.1. Motivação ............................................................................................... 25
I.2. Objetivos ................................................................................................ 27
I.3. Estrutura do Trabalho ............................................................................. 28
II.1. Gás Natural: Classificação e Composição, Reservas do Pré-Sal e
Especificação para Comercialização ................................................................ 30
II.1.1. Classificação e Composição do Gás Natural ...................................... 30
II.1.2. Reservas do Pré-Sal ........................................................................... 31
II.1.3. Especificação para Comercialização de Gás Natural.......................... 34
II.2. Processamento Offshore de Gás Natural ............................................... 35
II.2.1. Etapas de Processamento de GN ....................................................... 35
II.2.1.1. Separação Primária ......................................................................... 36
II.2.1.2. Desidratação .................................................................................... 37
II.2.1.3. Remoção de Hidrocarbonetos Condensáveis .................................. 43
II.2.1.4. Remoção de gases ácidos ............................................................... 45
II.3. Utilização de Gás Natural ....................................................................... 55
II.3.1. Gás Natural para Geração de Energia ................................................ 55
II.3.2. Gás Natural para fins Não Energéticos ............................................... 58
II.3.2.1. Produção de Metanol a partir de GN ............................................... 60
II.4. Utilização do CO ................................................................................... 64
2
II.4.1. Reforma Seca ..................................................................................... 68
II.5. Simulação de Processos e o Software ASPEN HYSYS ......................... 71
II.6. Avaliação Econômica ............................................................................. 74
II.7. Avaliação Ambiental ............................................................................... 75
II.8. Método de Superfície de Resposta ........................................................ 77
II.8.1. Estimação de Parâmetros ................................................................... 79
II.8.2. Análise Estatística dos Parâmetros Estimados ................................... 80
II.9. Otimização.............................................................................................. 80
II.10. FPSO: Unidades Flutuantes de Produção, Armazenamento e Descarga
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Capítulo III – Simulação de Fluxogramas de Processos com Compressão para
EOR ................................................................................................................. 92
x

III.1. Premissas de Projeto ............................................................................. 92
III.2. Fluxograma de Processo da Alternativa 1 .............................................. 94
III.3. Fluxograma de Processo da Alternativa 2 ............................................ 100
III.4. Resultados das Simulações ................................................................. 103
III.5. Avaliação Econômica ........................................................................... 104
III.5.1. Dimensionamento ............................................................................. 104
III.5.1.1. Alternativa 1 (Bi-Reforma + EOR) .................................................. 105
III.5.1.2. Alternativa 2 (Reforma Seca + EOR) ............................................. 108
III.5.2. Cálculo de CAPEX ............................................................................ 110
III.5.3. Cálculo de OPEX .............................................................................. 111
III.5.4. Receita de Vendas ............................................................................ 112
III.5.5. Comparação entre os processos ...................................................... 113
III.5.6. Resultados da Avaliação Ambiental .................................................. 114
Capítulo IV – Alternativa 3 (Bi-Reforma sem EOR): Fluxogramas de Processos
e Resultados de Simulação ............................................................................ 115
IV.1. Fluxograma de Processo da Alternativa 3 ......................................... 115
IV.2. Resultados da Simulação da Alternativa 3 ........................................ 118
IV.3. Avaliação Econômica da Alternativa 3 .............................................. 118
IV.3.1. Dimensionamento da Alternativa 3 ................................................... 118
IV.3.2. Cálculo de CAPEX da Alternativa 3 .................................................. 120
IV.3.3. Cálculo de OPEX da Alternativa 3 .................................................... 121
IV.3.4. Receita de Vendas da Alternativa 3 .................................................. 121
IV.3.5. Comparação entre Alternativas 1, 2 e 3 ............................................ 122
IV.4. Avaliação Ambiental da Alternativa 3 ................................................ 123
Capítulo V – Modelos de Superfícies de Resposta ........................................ 125
V.1. Seleção de Fatores de Entrada e Respostas ....................................... 126
V.1.1. Fatores de Entrada............................................................................ 126
V.1.2. Respostas ......................................................................................... 128
V.2. Análise dos Resultados dos Pseudo-Experimentos ............................. 129
V.3. Desenvolvimento dos Modelos Empíricos: Proposição da Estrutura,
Estimação de Parâmetros e Análise Estatística ............................................. 132
V.3.1. Resposta : razão H /CO................................................................ 132
2
(cid:1)(cid:2)
V.3.2. Resposta : rendimento GS/GN ..................................................... 139
(cid:1)(cid:3)