Medição de umidade e gás natural liquefeito

Proteção das linhas de suprimento, da liquefação à regaseificação

O gás natural liquefeito (GNL) é uma fonte global de energia cada vez mais importante.  Os analistas de mercado da Research and Markets preveem que a demanda anual crescerá quase 9% CAGR até 2026. 

Esses números são confirmados pela mais recente perspectiva do mercado de GNL da Shell, que destaca o papel futuro que o GNL provavelmente desempenhará na descarbonização, atuando como uma alternativa mais limpa para a energia movida a carvão e um suprimento de reserva para fontes de energia renováveis.  No entanto, o relatório da Shell adverte que, a longo prazo, pode haver uma discrepância significativa entre a demanda e a oferta, potencialmente atingindo entre 200 e 300 milhões de toneladas por ano (MTPA) até 2040. 

No curto prazo, o crescimento da demanda, combinado com a volatilidade do mercado e dos custos, está exercendo uma pressão ainda maior sobre as redes de produção e distribuição de gás natural existentes, em termos de manutenção da confiabilidade do sistema e da qualidade do gás, ao mesmo tempo em que protege as margens operacionais. 

A liquefação e a regaseificação do gás natural

Embora experimentos para liquefazer gases tenham sido realizados desde o século 18, foi somente no final do século 19 que os cientistas conseguiram liquefazer o metano, o principal constituinte do gás natural.  Foi preciso esperar até a década de 1940 para que a primeira usina de liquefação comercial fosse inaugurada nos EUA, e o transporte inicial de GNL ocorreu em 1959, quando o navio construído para esse fim, o Methane Pioneer, navegou entre a Louisiana e a Ilha Canvey, no Reino Unido. 

Atualmente, a liquefação e a regaseificação do gás natural tornaram-se parte integrante e vital de nosso suprimento global de energia, permitindo que grandes volumes de gás sejam transportados de forma segura e lucrativa de locais frequentemente remotos para cada ponto de uso.   

O processo começa com a passagem do gás natural por uma série de tubos e vasos paralelos - conhecidos como "trens" - onde os líquidos mais pesados e as impurezas são removidos.  Outras impurezas, incluindo o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio, são então removidas usando solventes à base de água, e todos os líquidos de gás natural (NGL) mais leves, como propano e butano, são extraídos para uso separado, seja como subproduto comercial ou como refrigerante posteriormente no processo de resfriamento. 

O gás resultante, principalmente metano com uma pequena porcentagem de etano, está pronto para ser liquidificado.  Isso ocorre em trocadores de calor, onde ele é resfriado a -162 °C e o volume é reduzido por um fator de 600. O líquido transparente, incolor e não tóxico resultante é ideal para armazenamento e transporte por longas distâncias.  Ao chegar, ele é aquecido para retornar ao estado gasoso, adequado para queima em sistemas de geração de energia. 

Umidade residual no GNL

O processo descrito acima remove a maior parte da água encontrada no gás natural.  No entanto, há sempre o risco de que níveis residuais de umidade vaporizada permaneçam no gás.  Isso pode se condensar e congelar em cristais de gelo.  Sob pressão, a umidade também pode criar estruturas semelhantes a treliças em torno das moléculas de metano, que posteriormente se formam como hidratos sólidos.  Em cada caso, esses contaminantes podem causar bloqueios em tubulações ou válvulas.   

Há também a possibilidade de a umidade se combinar com outros contaminantes, como sulfeto de hidrogênio ou dióxido de carbono, para formar ácidos corrosivos, que atacam as superfícies metálicas.  Além disso, após a regaseificação, há o risco de que a umidade em um estágio gasoso possa se condensar, causando corrosão na tubulação.  Por fim, embora raro, pode ocorrer um fenômeno conhecido como "transição rápida de fase", em que o GNL que entra em contato com a água se expande rapidamente e libera altos níveis de energia de forma explosiva.  

A importância da medição de traços de umidade

A prevenção desses problemas exige um controle rigoroso de todas as condições do processo, desde a extração do gás natural até o ponto final de combustão.  Em particular, o monitoramento preciso da umidade é fundamental, pois mesmo níveis extremamente baixos ou traços de umidade causarão problemas.  

Normalmente, a umidade é removida do gás natural por meio de sistemas de desidratação por peneira molecular, com o gás sendo forçado a passar por um leito de um dessecante, como a zeólita (um mineral de aluminossilicato), mantido em um material aglutinante, normalmente argila.  A zeólita tem uma estrutura semelhante a uma gaiola aberta com vários canais, o que a torna um material altamente eficaz para absorver moléculas de água. 

A maioria dos sistemas usa partículas de zeólita de tamanhos diferentes, que são dispostas em camadas dentro de várias colunas de desidratação.  As colunas funcionam simultaneamente, com as colunas individuais sendo regeneradas em sequência por meio de um gás seco de retorno a altas temperaturas através do material dessecante.  Esse processo, no entanto, exige níveis consideráveis de energia e pode ser demorado, pois cada ciclo de regeneração requer períodos de aquecimento, resfriamento e espera antes que a coluna possa ser colocada novamente em operação. 

O segredo para uma operação eficiente é o monitoramento preciso dos níveis de traços de umidade do gás à medida que ele deixa o sistema de desidratação.  Com os dados de, por exemplo, um de nossos mais recentes analisadores de microbalança de cristal de quartzo, é possível garantir a qualidade do gás, protegendo os sistemas a jusante e atendendo às especificações comerciais e técnicas exigidas, além de otimizar a operação de cada coluna de desidratação.  

Em particular, a medição da umidade permite que a frequência dos ciclos de regeneração seja reduzida, possibilitando que cada coluna permaneça on-line por mais tempo sem afetar a qualidade do gás e oferecendo considerável economia de energia.  O monitoramento preciso de traços de umidade também permite a criação de perfis de desempenho detalhados para cada coluna de secagem, dando aos operadores da fábrica a confiança necessária para estender a vida útil dos materiais dessecantes, muitas vezes bem além das datas de substituição programadas.  Isso traz um benefício direto em termos de disponibilidade da planta e custos operacionais. 

Sistemas de medição de umidade residual

Nossos sistemas são projetados de forma personalizada e incluem instrumentos de análise sofisticados, baseados na tecnologia QCM (Quartz Crystal Microbalance) de resposta rápida, além de todos os equipamentos e acessórios auxiliares.  Esses sistemas são capazes de fornecer medição quase em tempo real do teor de umidade de traços ultrabaixos até 0,01 ppmV. 

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Fontes:

Relatório de mercado de GNL da Research and Markets

Perspectiva do mercado de GNL da Shell para 2022

Science Direct