Resumo em Português – 7 temas

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FRICÇÃO DE FLUIDO

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TUBOS A GÁS E LÍQUIDOS

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FLUXO DIFÁSICO

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DIÓXIDO DE CARBONO

Dióxido de carbono: turbinas a gás, caldeiras, motores de veículos; Pressurização e expansão, captura, compressão, transporte e injeção; Recuperação de energia; Gases ácidos; circuito geotérmico

Visão geral do dióxido de carbono

Neste capítulo, estamos particularmente interessados em dióxido de carbono, mas também nos óxidos de enxofre e nitrogênio que frequentemente estão associados a ele. Esses gases são algumas vezes referidos, na presença de água, como “gases ácidos” devido à sua agressividade em relação aos materiais. Esses gases geralmente resultam da combustão de materiais carbonáceos ou combustíveis fósseis, como dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio (também conhecido como NOx). O dióxido de carbono também é produzido durante a extração de combustíveis fósseis, às vezes associado ao sulfeto de hidrogênio.

Esses gases são perigosos ou prejudiciais à saúde dos seres vivos e ao meio ambiente. Portanto, é necessário limitar sua taxa de produção (melhoria da eficiência energética) ou capturá-los durante sua extração ou produção durante uma transformação química (combustão de elementos de carbono).

Após a extração de combustíveis fósseis, o dióxido de carbono e o sulfeto de hidrogênio são separados dos hidrocarbonetos por processos físico-químicos. No caso do sulfeto de hidrogênio, esse gás às vezes é convertido em enxofre. Às vezes, o dióxido de carbono é usado pela indústria de alimentos ou injetado no subsolo para aumentar a produção de hidrocarbonetos (especialmente na forma líquida), aumentando a pressão no tanque ou para armazenamento a longo prazo. Eles também podem ser injetados em tanques esgotados que compreendem uma fase aquosa que permite a dissolução de gases ácidos na água.

Ao refinar os hidrocarbonetos, a fração de enxofre é bastante reduzida para limitar as emissões de óxidos de enxofre na atmosfera durante a combustão de combustíveis principalmente pesados.

A combustão de hidrocarbonetos gera dióxido de carbono, uma molécula essencial no processo de produção de energia ou calor. Nos motores de combustíveis fósseis, quanto maior a produção de dióxido de carbono (portanto, menor a produção de monóxido de carbono), maior a eficiência da produção de energia. A combustão de hidrocarbonetos também gera óxidos de nitrogênio, cuja taxa depende principalmente da temperatura de combustão e do tempo de trânsito nas câmaras de combustão. Existem várias maneiras de limitar o nível de NOx durante a combustão.

A taxa de produção de dióxido de carbono por unidade de massa de combustível ou unidade de energia depende da constituição das moléculas de carbono, no sentido de que quanto mais uma molécula de carbono contém átomos de hidrogênio, mais energia essa molécula tem para uma determinada massa. Portanto, a combustão de uma molécula de metano (CH4) é relativamente mais energética que a do etano (C2H6), que por si só é mais energética, sucessivamente, que a do propano (C3H8), butano (C4H10), pentano, hexano, etc. Por esse mesmo motivo, a gasolina é mais energética que o diesel (motor diesel), as cadeias C8 de uma gasolina média contêm relativamente mais átomos de hidrogênio do que as cadeias C13 de um diesel médio. A eficiência energética de um combustível não deve ser confundida aqui com a eficiência de combustão de um motor. Portanto, um motor diesel é mais eficiente que um motor a gasolina devido à temperatura de combustão que é mais alta no primeiro caso do que no segundo e não devido à qualidade do combustível.

Este capítulo apresenta cinco situações relacionadas ao dióxido de carbono : a) Usinas de alta potência (eletricidade) baseadas na combustão de combustíveis fósseis; b) Meios de transporte que usam energia produzida por combustíveis fósseis; c) A injeção combinada de gases ácidos e uma fase aquosa em um aqüífero; d) O princípio de operação de um dióxido de carbono geotérmico em circuito fechado para a produção de energia e calor; e) Problemas que podem surgir ao comprimir dióxido de carbono.

Usinas de combustíveis fósseis: captura de dióxido de carbono por um solvente físico com recuperação de energia

As usinas de alta potência fornecem eletricidade a partir de combustíveis nucleares, carvão ou hidrocarbonetos e usam geradores elétricos movidos por turbinas a vapor ou a gás. Esses combustíveis têm suas próprias vantagens e desvantagens. Nos três casos mencionados acima, a eficiência térmica é relativamente baixa (bem abaixo de 50%) caracterizada pela rejeição de uma grande quantidade de calor na atmosfera que não é convertida em energia. Além disso, no caso de carvão e hidrocarbonetos, vários tipos de poluentes são liberados na atmosfera, sendo o principal o dióxido de carbono.

Este documento analisa o caso de turbinas a gás que oferecem algumas soluções para melhorar a eficiência térmica da unidade de produção de energia e permitir a captura de gases ácidos, em particular dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio. Na solução básica, o dióxido de carbono é capturado em alta pressão usando um solvente físico em um ciclo de compressão-expansão. Essas soluções também podem ser adequadas no caso de combustão de carvão em uma caldeira que produz vapor a alta temperatura e alta pressão.

Na crise ambiental que estamos enfrentando atualmente, deve-se notar que a combustão de materiais carbonáceos seria uma esperança e não uma desvantagem se facilitássemos a produção de gasolina e diesel a partir de biomassa e a associamos ao sistema descrito neste documento. De fato, em primeiro lugar, a produção de biomassa se concentraria em materiais com alta taxa de crescimento (alta taxa de absorção de dióxido de carbono), enquanto, em segundo lugar, o dióxido de carbono seria capturado imediatamente abaixo da combustão (fumaça). Ao contrário da situação atual em que a concentração de dióxido de carbono na atmosfera está aumentando devido à combustão de combustíveis fósseis e à falta de captura desse gás, iríamos para uma diminuição dessa concentração com um aumento na produção de energia.

http://yvcharron.com/index.php/fossil-fuel-power-plants/

Motores de veículos combustíveis: recuperação adicional de energia e captura de dióxido de carbono

A seção anterior trata das usinas estacionárias de combustível fóssil de alta potência. Nessas instalações terrestres, é possível implantar grandes e complexos meios de recuperação de energia (aquecimento de edifícios, produção de vapor, mas também o uso de um ciclo Rankine ou um ciclo combinado), bem como a captura de dióxido de carbono (com solventes química ou física), bem como a compressão, exportação, injeção e armazenamento de gases tóxicos produzidos durante a combustão.

Para unidades móveis de geração de energia (aplicação terrestre ou marítima), as condições para recuperação de energia e tratamento de gás ácido são muito menos fáceis, pois requerem recursos adaptados à situação.

No século XXI, a poluição ambiental (efeito estufa, emissões de partículas finas) é tal que os veículos elétricos são vistos como a principal solução para solucionar a crescente demanda por meios de transporte. No entanto, isso ignora todas as novas restrições que surgirão gradual e inevitavelmente em um mundo focado na energia elétrica. Pelo contrário, no futuro, os meios de transporte devem se basear em uma combinação de energia que inclua a produção de eletricidade, baterias, células de combustível, hidrogênio, ar comprimido e combustíveis carbonáceos. (não necessariamente fósseis). Além disso, as baterias elétricas não atendem às necessidades de motores de alta potência (caminhões, trens, navios) para os quais combustíveis como hidrogênio, gás natural e GLP podem ser mais apropriados para a situação. Para reduzir significativamente a concentração de dióxido de carbono na atmosfera, o uso de combustíveis fósseis (mais geralmente materiais carbonáceos) só pode ser mantido se os motores de combustíveis fósseis aumentarem consideravelmente sua eficiência térmica e forem projetados para capturar, a partir da fonte de emissão, dióxido de carbono e devolva-o a um centro de tratamento.

Como nas usinas térmicas de alta potência, o crescimento do setor de motores térmicos usando materiais carbonáceos produzidos a partir de biomassa pode formar um sistema virtuoso assim que gases tóxicos forem capturados abaixo do sistema de emissão. Isso não levaria a um aumento na concentração de dióxido de carbono (motores atuais que usam combustíveis fósseis) na atmosfera, mas a uma diminuição.

O artigo descreve um sistema que compreende um ciclo Rankine abaixo dos gases de combustão, bem como um sistema para capturar gases ácidos a alta pressão usando um solvente físico.

http://yvcharron.com/index.php/fuel-engine-vehicles/

Gases ácidos dissolvidos na água e injetados em um aqüífero: dióxido de carbono e sulfeto de hidrogênio

Em alguns campos de petróleo, a produção de hidrocarbonetos é acompanhada pela produção de água, dióxido de carbono e até mesmo sulfeto de hidrogênio. Em geral, a qualidade da água não permite sua liberação para a superfície ou a liberação de CO2 ou H2S na atmosfera acima de uma determinada concentração. Para esse fim, às vezes água, CO2 e H2S são injetados no subsolo usando equipamento de bombeamento e compressão. A pressão de injeção na superfície é determinada pela pressão do tanque, bem como pela altura manométrica correspondente à altura da coluna de injeção de fluido.

Em alguns campos de operação, após a compressão e o resfriamento, os gases ácidos (CO2 e H2S) se misturam com a água. Dependendo da proporção dos fluxos de massa de água e gases ácidos, esses gases se dissolvem total ou parcialmente na água. Esta mistura com dissolução total ou parcial tem várias vantagens.

No caso de dissolução total, o fluxo de volume dos gases injetados é consideravelmente reduzido, uma vez que o fluxo de volume total realmente injetado é semelhante ao da água. Isso permite uma forte redução no diâmetro da coluna de injeção, bem como na pressão de injeção (densidade da água significativamente maior que a do gás).

No caso de dissolução parcial, a pressão da cabeça do poço e o diâmetro do tubo de injeção são intermediários entre os correspondentes a injeções separadas de água e gás sem dissolução prévia. No entanto, considerando que a pressurização de uma fase compressível (gás) consome muito mais energia do que a de uma fase incompressível (líquida), esse caso de dissolução acima do poço de injeção consome muito menos energia em comparação com as injeções individuais não precedidas pela dissolução. .

Tradicionalmente, essa operação é realizada usando uma unidade de bombeamento de água, uma unidade de compressão para gases ácidos e um misturador na saída de bombeamento e compressão. A compressão de gás requer muito equipamento. Considerando o aquecimento do gás durante a compressão: além dos compressores e das bombas e sua atuação, são necessários trocadores de calor e separadores de água (gás parcialmente úmido) para evitar a entrada de água no estágio de compressão abaixo.

O artigo descreve um sistema de bombeamento exclusivo no qual água e gás são pressurizados simultaneamente em uma única máquina, denominada bomba multifásica. Esse arranjo requer uma quantidade muito pequena de equipamento: pouquíssimos trocadores de calor, sem separador ou mesmo sem misturador.

O artigo menciona uma desvantagem da solução quando os gases são produzidos por uma unidade de tratamento com aminas (pressão próxima a 1 bar abs) que recomenda o uso de uma bomba multifásica que compreende dois estágios montados um atrás do outro, incluindo o primeiro estágio para compressão de gás somente antes da introdução em um segundo estágio multifásico.

http://yvcharron.com/index.php/acid-gas-water-disposal/

Circuito geotérmico de CO2: produção de energia e calor

Às vezes, o calor do subsolo é recuperado através de sistemas de produção geotérmica que bombeiam a água quente armazenada a grandes profundidades. Na maioria dos casos, a água está disponível a uma temperatura média (entre 50 e 100 ° C, dependendo das características do reservatório), geralmente alta o suficiente para alimentar áreas residenciais. Em outros casos, a pressão e a temperatura da água são consideravelmente mais altas, fornecendo vapor a alta pressão e água quente. A energia do vapor pode ser recuperada através do uso de uma turbina a vapor. Após o tratamento, a água é evacuada para a superfície ou injetada no subsolo de acordo com as características da água e dos regulamentos locais.

O dióxido de carbono é prejudicial ao meio ambiente. Como resultado, esse gás é cada vez mais injetado no subsolo para armazenamento a longo prazo.

O armazenamento de dióxido de carbono e o calor subterrâneo disponível são dois parâmetros a serem considerados para o fornecimento gratuito de energia e calor. Isso pode ser feito usando um circuito geotérmico que extrai gás de uma cavidade de armazenamento, recuperando energia e calor do gás na superfície e, em seguida, reinjetando esse mesmo gás no subsolo.

Usar esse sistema com a maioria dos gases não traria necessariamente vantagens energéticas, a energia necessária para a reinjeção de gás é equivalente ou até maior que a energia recuperada da superfície.

As propriedades termodinâmicas do dióxido de carbono são cruciais para fornecer excesso de energia em um circuito geotérmico. O artigo descreve esse sistema.

http://yvcharron.com/index.php/co2-geothermal-loop-motor-cycle/

Compressão de dióxido de carbono

A compressão do dióxido de carbono pode apresentar certas dificuldades em vários campos. O dióxido de carbono não se comporta como um gás ideal; portanto, é necessário um bom entendimento de suas propriedades termodinâmicas para determinar melhor os parâmetros de compressão. Atenção especial deve ser dada à velocidade relativa do gás nas entradas da asas para evitar perdas sônicas, bem como dentro dos canais hidráulicos para limitar as perdas de choque. O risco de formação de carboidratos na presença de água e hidrocarbonetos a baixas temperaturas, bem como a liquefação parcial do dióxido de carbono abaixo de uma temperatura crítica (em função da pressão – ponto de orvalho), principalmente quando usa uma máquina de compressão monofásica. Acima do ponto crítico (fase densa), o fluido se comporta, em termos de compressibilidade, entre uma fase compressível (gás) e uma fase incompressível (líquida), portanto, as células hidráulicas (Impulsor – Roda e Difusor – Retificador ) deve ter uma geometria adequada para otimizar a eficiência e o coeficiente de pressão. A operacionalidade de um trem de compressão que inclui várias seções pode ser limitada em termos de fluxo, pressão e velocidade de rotação em torno do ponto de estudo. São necessários materiais especiais para levar em conta a agressividade do dióxido de carbono úmido (gás ácido), a presença de sulfeto de hidrogênio e também o risco de atingir uma temperatura muito baixa após a repentina despressurização das instalações de compressão (de alta pressão para pressão atmosférica).

Às vezes é questionada a vantagem de um sistema de compressão difásica (dióxido de carbono, semi-gás – semi-líquido) em comparação com um sistema monofásico. Este artigo examina a vantagem relativa de tal modo de compressão.

http://yvcharron.com/index.php/compression-and-re-injection-of-co2/