Como e por que se liquefaz o gás: tecnologia de produção e áreas de uso do gás liquefeito

As tecnologias relacionadas à extração, transporte e processamento do gás natural se desenvolvem em ritmo acelerado. E hoje muitas pessoas conhecem as siglas GNL (LPG) e GLP (LNG). Praticamente todos os dias, o combustível gasoso natural é mencionado nas notícias em algum contexto.

Mas, convenhamos, para ter uma compreensão clara do que está acontecendo, é importante primeiro entender como o gás é liquefeito, por que isso é feito e que benefício traz ou não. E há muitos nuances nessa questão.

Para produzir a liquefação de hidrocarbonetos gasosos, são construídas grandes usinas de alta tecnologia. A seguir, analisaremos detalhadamente: para que tudo isso é necessário e como acontece.

Por que liquefazem o gás natural?

Das entranhas da terra, o combustível azul é extraído na forma de uma mistura de metano, etano, propano, butano, hélio, nitrogênio, sulfeto de hidrogênio e outros gases, bem como vários derivados deles.

Parte deles é utilizada na indústria química, e parte é queimada em caldeiras ou turbinas para geração de energia térmica e elétrica. Além disso, um certo volume do extraído é usado como combustível para motores a gás.

Os cálculos dos gasistas mostram que, se o combustível azul precisar ser transportado a uma distância de 2500 km ou mais, na forma liquefeita muitas vezes é mais vantajoso fazê-lo do que por meio de gasoduto

A principal razão para liquefazer o gás natural é simplificar seu transporte a longas distâncias. Se o consumidor e o poço de extração do combustível gasoso estiverem em terra firme próximos um do outro, é mais simples e vantajoso construir um duto entre eles. Mas em alguns casos, construir uma linha principal é muito caro e problemático devido a nuances geográficas. Por isso, recorrem a várias tecnologias para obter GNL ou GLP na forma líquida.

Economia e segurança de transportes

Depois que o gás é liquefeito, ele, já na forma líquida, é bombeado para tanques especiais para transporte marítimo, fluvial, rodoviário e/ou ferroviário. No entanto, tecnologicamente, a liquefação é um processo bastante dispendioso do ponto de vista energético.

Em diferentes usinas, isso consome até 25% do volume original de combustível. Ou seja, para gerar a energia necessária pela tecnologia, é preciso queimar até 1 tonelada de GNL para cada três toneladas dele no produto final. Mas o gás natural é muito demandado atualmente, tudo se paga.

No estado liquefeito, o metano (propano-butano) ocupa um volume 500–600 vezes menor do que no estado gasoso

Enquanto o gás natural está no estado líquido, ele não é inflamável e é à prova de explosão. Somente após a evaporação durante a regaseificação, a mistura gasosa resultante torna-se adequada para queima em caldeiras e fogões. Portanto, se o GNL ou GLP são usados como combustível de hidrocarboneto, eles devem ser regaseificados.

Uso em diversas áreas

Na maioria das vezes, os termos 'gás liquefeito' e 'liquefação de gás' são mencionados no contexto do transporte de energia de hidrocarboneto. Ou seja, primeiro ocorre a extração do gás natural e, em seguida, sua conversão em GLP ou GNL. Depois, o líquido obtido é transportado e novamente retornado ao estado gasoso para uma ou outra aplicação.

O GLP (gás liquefeito de petróleo) consiste em 95% ou mais de mistura de propano-butano, enquanto o GNL (gás natural liquefeito) consiste em 85–95% de metano. São tipos de combustível semelhantes e ao mesmo tempo radicalmente diferentes.

O GLP de propano-butano é usado principalmente como:

• combustível para motores a gás;
• combustível para injeção em tanques de gás de sistemas de aquecimento autônomos;
• líquido para recarregar isqueiros e botijões de gás com capacidade de 200 ml a 50 L.

O GNL é geralmente produzido exclusivamente para transporte de longa distância. Enquanto para armazenar GLP é suficiente um recipiente capaz de suportar pressão de algumas atmosferas, para o metano liquefeito são necessários tanques criogênicos especiais.

O equipamento para armazenamento de GNL é altamente tecnológico e ocupa muito espaço. Usar esse combustível em carros de passeio não é vantajoso devido ao alto custo dos tanques. Caminhões movidos a GNL já circulam como modelos experimentais únicos, mas no segmento de carros de passeio, esse combustível 'líquido' dificilmente encontrará ampla aplicação no futuro próximo.

O metano liquefeito como combustível está sendo cada vez mais usado na operação de:

• locomotivas ferroviárias;
• navios marítimos;
• transporte fluvial.

Além do uso como fonte de energia, o LPG e o LNG também são aplicados diretamente na forma líquida em plantas petroquímicas de gás. Deles são feitos vários plásticos e outros materiais à base de hidrocarbonetos.

Tecnologias de obtenção de GLP e GNL

Para transformar o metano do estado gasoso para o líquido, é necessário resfriá-lo a -163 °C. Já o propano-butano liquefaz a -40 °C. Consequentemente, as tecnologias e os custos em ambos os casos diferem significativamente.

Um litro de GNL equivale a aproximadamente 1,38 metros cúbicos de gás natural original (esse número depende da temperatura e pressão), a redução de volume é de cerca de 620 vezes.

Para a liquefação de gás natural, são utilizadas as seguintes tecnologias de diferentes empresas:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL e outros.

Na base de todas elas estão processos de compressão e/ou troca térmica. A operação de liquefação ocorre em uma planta em várias etapas, durante as quais o gás é gradualmente comprimido e resfriado até a temperatura de transição para a fase líquida.

Preparação da mistura gasosa

Antes de começar a liquefazer o gás natural bruto, é necessário remover dele água, hélio, hidrogênio, nitrogênio, compostos de enxofre e outras impurezas. Para isso, geralmente se aplica a tecnologia de adsorção de limpeza profunda da mistura gasosa, passando-a através de peneiras moleculares.

Em seguida, ocorre a segunda etapa de preparação da matéria-prima, durante a qual são removidos os hidrocarbonetos pesados. No final, restam apenas etano e metano (ou propano e butano) no gás, com volume de impurezas inferior a 5%, para que esta fração comece a ser resfriada e liquefeita.

O preparo primário com a remoção de tudo o que é desnecessário do gás natural é realizado para proteger o equipamento de refrigeração da ação agressiva da água, dióxido de carbono, compostos de enxofre, etc.

O fracionamento permite eliminar impurezas prejudiciais e extrair apenas o gás principal para posterior liquefação. A uma pressão de 1 atm, a temperatura de transição para o estado líquido para o metano é -163 °C, para o etano -88 °C, para o propano -42 °C e para o butano -0,5 °C.

São exatamente essas diferenças de temperatura que explicam a razão pela qual se separa em frações e só depois se liquefaz o gás que chega à planta. Não existe uma tecnologia única de liquefação para todos os tipos de compostos de hidrocarbonetos gasosos. Para cada um deles, é necessário construir e aplicar sua própria linha tecnológica.

Processo principal de liquefação

A base para converter o gás em estado líquido é o ciclo de refrigeração, durante o qual, por meio de um ou outro refrigerante, o calor é transferido de um meio de baixa temperatura para um meio de temperatura mais alta. Este processo é de múltiplas etapas e requer a presença de compressores potentes para expansão/compressão do fluido de transferência de calor e trocadores de calor.

As tecnologias de compressão são de alta tecnologia, intensivas em energia e custosas, porém, em um ciclo, elas permitem comprimir o gás de 5 a 12 vezes.

Como refrigerante em diferentes estágios de liquefação, são utilizados:

• propano;
• metano;
• etano;
• nitrogênio;
• água (marinha e purificada);
• ar.

Por exemplo, para o resfriamento primário do gás natural no 'Yamal-SPG' da Novatek, é utilizado o ar frio do Ártico, que permite reduzir a temperatura da matéria-prima com custos mínimos imediatamente para +10 °C. E nos meses quentes de verão, em vez disso, está previsto o uso de água do mar do Oceano Ártico, que, independentemente da época do ano, tem constante 3-4 °C na profundidade.

Além disso, como refrigerante final em Yamal, utiliza-se nitrogênio obtido diretamente no local a partir do ar. Como resultado, o Ártico fornece tudo o que é necessário para a produção de GNL – desde o gás natural bruto até os agentes de trabalho usados no processo de liquefação.

O propano é liquefeito em um esquema similar ao do metano. Apenas as temperaturas de resfriamento necessárias são muito menos baixas – menos 42 °C contra menos 163 °C. Portanto, a liquefação de gás para gasômetros custa várias vezes menos, porém o próprio GLP propano-butano obtido tem menor demanda no mercado.

Transporte e armazenamento

Praticamente todo o volume de GNL é transportado por grandes navios-tanque gaseiros de uma costa a outra. O transporte terrestre é limitado pela necessidade de manter a temperatura do 'combustível azul líquido' em valores em torno de -160 °C, caso contrário, o metano começa a se transformar em estado gasoso e se torna explosivo.

Para o transporte de GLP, são utilizados cilindros de 5 a 50 litros com pressão interna de até 1,5–2 MPa e recipientes-tanque maiores, projetados para 5–17 MPa.

A pressão no recipiente com GNL é próxima da atmosférica. No entanto, se a temperatura do metano líquido subir acima de -160 °C, ele começará a se transformar de líquido em gás. Como resultado, a pressão no recipiente começará a aumentar, o que representa um sério perigo. Portanto, os navios-tanque para transporte de GNL são equipados com sistemas de manutenção de baixas temperaturas e uma espessa camada de isolante térmico.

O GLP é regaseificado em gás diretamente no gasômetro. Já a regaseificação do GNL é realizada em instalações industriais especiais sem acesso de oxigênio. De acordo com a física, o metano líquido a temperaturas positivas gradualmente se transforma em gás. No entanto, se isso ocorrer diretamente ao ar livre fora de condições especiais, tal processo levará a uma explosão.

Depois que o gás natural na forma de GNL é liquefeito em uma usina, ele é transportado e, em seguida, novamente em uma usina (agora de regaseificação) é convertido de volta ao estado gasoso para uso posterior.

Perspectivas do hidrogênio liquefeito

Além da liquefação direta e do uso nessa forma, a partir do gás natural também é possível obter outro vetor energético – o hidrogênio. Metano é CH₄, propano é C₃H₈, e butano é C₄H₁₀.

O componente hidrogênio está presente em todos esses combustíveis fósseis, basta apenas extraí-lo.

As principais vantagens do hidrogênio são a ecologia e a ampla ocorrência na natureza, porém o alto custo de sua liquefação e as perdas devido à evaporação constante praticamente anulam esses pontos positivos.

Para transformar o hidrogênio do estado gasoso para líquido, é necessário resfriá-lo a -253 °C. Para isso, são utilizados sistemas de resfriamento de múltiplos estágios e unidades de 'compressão/expansão'. No momento, essas tecnologias são muito caras, mas o trabalho para torná-las mais baratas está em andamento.

Recomendamos também que leia outro artigo nosso, onde explicamos detalhadamente como fazer um gerador de hidrogênio para casa com as próprias mãos. Mais detalhes – acesse por este link.

Além disso, ao contrário do GLP e do GNL, o hidrogênio liquefeito é muito mais explosivo. O menor vazamento em combinação com oxigênio forma uma mistura gás-ar que se inflama com a menor faísca. E o armazenamento de hidrogênio líquido só é possível em recipientes criogênicos especiais. As desvantagens do combustível de hidrogênio ainda são muitas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como o gás liquefeito é produzido e por que é liquefeito:

Tudo sobre gases liquefeitos:

Existem várias tecnologias de liquefação de gases. Para o metano, são próprias; para o propano-butano, também são próprias. Ao mesmo tempo, obter GLP é mais barato, e transportar/armazenar é mais fácil e seguro. A obtenção de GNL de metano é um processo mais caro e complexo. Além disso, sua regaseificação requer equipamentos especializados. No entanto, o metano é mais demandado hoje no mercado, por isso é liquefeito em volumes muito maiores.

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