Este trabalho tem como objetivo analisar a tecnologia do ciclo refrigerante misto para obtenção de gás natural liquefeito (GNL). Nessa tecnologia, o GNL é obtido por meio do seu resfriamento através de um ciclo de refrigeração, cujo fluido refrigerante é formado por uma mistura de diversos componentes. O ciclo de refrigeração é usado para resfriar a corrente de gás natural até as condições criogênicas por meio de um trocador de calor. A determinação da composição ótima dessa mistura de refrigerantes é de suma importância para a correta e eficiente operação da planta. O modelo termodinâmico para o cálculo de equilíbrio de fases dos componentes da mistura refrigerante é o baseado na Lei de Raoult, válido para misturas e soluções ideais. Inicialmente, revisam-se os conceitos de refrigerantes mistos, curvas compostas e o ponto de pinça (pinch point), utilizados na implementação da solução computacional. A aplicação dos modelos de gás e solução ideal influencia nos resultados, mas, não obstante, produz bons resultados como os obtidos no presente trabalho. A operação eficiente do ciclo depende, sobretudo, de três parâmetros principais, quais sejam: vazão da mistura refrigerante, razão de pressões alta e baixa do ciclo de refrigeração e composição da mistura refrigerante. Da análise dos resultados obtidos conclui-se que a alteração nas proporções da composição do refrigerante muda significativamente a forma das curvas composta quente e composta fria, quando comparados à alteração dos níveis de pressão e da vazão do ciclo refrigerante. Entretanto, a operacionalização do ciclo somente ocorre se um dado conjunto de valores daqueles parâmetros satisfaça uma determinada diferença mínima de temperatura, ou ponto de pinça, entre as curvas composta quente e composta fria dentro do trocador de calor. Assim, a operação eficiente do ciclo de refrigeração requer a otimização daqueles três parâmetros operacionais. / This work has the objective of analyzing the technology of mixed refrigerant cycle for obtaining liquefied natural gas (LNG). In that technology, the liquefied natural gas is obtained by means of cooling through a refrigeration cycle, whose fluid refrigerant is formed by a mixture of various components. The refrigeration cycle is used to cool the natural gas stream to cryogenic condition with the use of a heat exchanger. The determination of the optimal composition of this refrigerant mixture is very important for the correct and efficient operation of the plant. The thermodynamic model for the equilibrium phase calculation of the refrigerant mixture is based on the Law of Raoult, which is valid for ideal mixtures and solutions. Initially, the concepts of refrigerant mixture, composite curves and pinch point used in the implementation of the numerical solution were reviewed. The application of ideal-gas and ideal-solution models has influence on the results. Nevertheless, it produces good results as those obtained in the present work. The efficient operation of the cycle depends essentially of three key parameters, which are: refrigerant flow rate, the ratio of high to low pressures of the refrigerant cycle and the mixed refrigerant composition. The results indicated that the composition variation of the refrigerant changes significantly the shape of hot and cold composite curves in comparison to the modification in the pressure levels and the refrigerant flow rate of the refrigerant cycle. However, the process will operate only if a given set of values of those parameters satisfies a minimum temperature difference, or pinch point, between the hot and cold composite curves within the heat exchanger. Thus, the efficient operation of the refrigerant cycle requires the optimization of those three operational parameters.

A partir da leitura do PEMAT 2022, referência sobre a expansão da malha dutoviária no Brasil, constata-se que não há previsão de novos gasodutos no médio prazo, fato que prejudica os planos do governo Federal de aumentar a participação do gás natural no mix energético nacional, atualmente responsável por 12,9% da oferta interna de energia. Nesse sentido, surge a possibilidade da indústria do gás natural e de seus consumidores se beneficiarem da infraestrutura existente das ferrovias, a partir do transporte de GNL (gás natural liquefeito) em pequena escala, através de vagões-tanque e contêineres criogênicos. A viabilidade no contexto brasileiro é justificada pelo cenário atual de limitado alcance da rede de gasodutos, grandes distâncias percorridas e potencial oferta de gás natural de fontes energéticas não-convencionais, como os campos do pré-sal e as bacias sedimentares com gás de folhelho. Ainda que a temática seja incipiente no setor do gás natural internacional, experiências bem-sucedidas como as do Japão, dos EUA e da Suécia trazem boas perspectivas de adoção do modal ferroviário para a distribuição do GNL para regiões não atendidas pelas redes de gasodutos. Nos três casos, foram descritos a conjuntura energética, a matriz de transportes e os condicionantes operacionais, no sentido de detectar possíveis similaridades e trazê-las para o Brasil. No caso brasileiro, os mesmos parâmetros foram analisados, além de identificadas algumas das possíveis demandas como, por exemplo, uma maior participação no setor agropecuário e a substituição do diesel utilizado nas locomotivas por GNL. O Brasil reúne as condições mínimas para o funcionamento do modal ferroviário como distribuidor de GN pelo país, porém depende do desenvolvimento destes parâmetros para amadurecimento do mercado de gás natural. / Regarding the PEMAT 2022, Brazils pipeline network expansion reference, it is shown that new pipelines are not foreseen in the medium term, which could impair the Federal governments plans to increase natural gas share in the national energy mix, currently responsible for 12,9% of the total primary energy supply. In this sense, it is possible for the natural gas industry and its consumers to benefit from the existing railroad infrastructure, to haul LNG (liquefied natural gas) on a small-scale, through tank wagons and cryogenic containers. The Brazilian contexts viability is justified by the current scenario of limited gas pipelines range, large distances traveled and potential natural gas supply from unconventional energy sources, such as pre-salt fields and sediment basins with shale gas. Although the topic is incipient in the international natural gas sector, successful experiences such as those in Japan, the USA and Sweden have good prospects for adopting the rail modal for the distribution of LNG to regions not served by pipeline networks. In all three cases, the energy scenario, the transport matrix and the operational constraints were described, in order to detect possible similarities and bring them to Brazil. In the Brazilian case, the same parameters were analyzed, in addition to identified demands, such as a greater participation in the agricultural sector and the replacement of diesel used in locomotives for LNG. Brazil meets the minimum conditions for the operation of the railway modal as natural gas distributor among the country but depends on the development of these parameters for the development of the natural gas market.

Este trabalho tem como objetivo analisar a tecnologia do ciclo refrigerante misto para obtenção de gás natural liquefeito (GNL). Nessa tecnologia, o GNL é obtido por meio do seu resfriamento através de um ciclo de refrigeração, cujo fluido refrigerante é formado por uma mistura de diversos componentes. O ciclo de refrigeração é usado para resfriar a corrente de gás natural até as condições criogênicas por meio de um trocador de calor. A determinação da composição ótima dessa mistura de refrigerantes é de suma importância para a correta e eficiente operação da planta. O modelo termodinâmico para o cálculo de equilíbrio de fases dos componentes da mistura refrigerante é o baseado na Lei de Raoult, válido para misturas e soluções ideais. Inicialmente, revisam-se os conceitos de refrigerantes mistos, curvas compostas e o ponto de pinça (pinch point), utilizados na implementação da solução computacional. A aplicação dos modelos de gás e solução ideal influencia nos resultados, mas, não obstante, produz bons resultados como os obtidos no presente trabalho. A operação eficiente do ciclo depende, sobretudo, de três parâmetros principais, quais sejam: vazão da mistura refrigerante, razão de pressões alta e baixa do ciclo de refrigeração e composição da mistura refrigerante. Da análise dos resultados obtidos conclui-se que a alteração nas proporções da composição do refrigerante muda significativamente a forma das curvas composta quente e composta fria, quando comparados à alteração dos níveis de pressão e da vazão do ciclo refrigerante. Entretanto, a operacionalização do ciclo somente ocorre se um dado conjunto de valores daqueles parâmetros satisfaça uma determinada diferença mínima de temperatura, ou ponto de pinça, entre as curvas composta quente e composta fria dentro do trocador de calor. Assim, a operação eficiente do ciclo de refrigeração requer a otimização daqueles três parâmetros operacionais. / This work has the objective of analyzing the technology of mixed refrigerant cycle for obtaining liquefied natural gas (LNG). In that technology, the liquefied natural gas is obtained by means of cooling through a refrigeration cycle, whose fluid refrigerant is formed by a mixture of various components. The refrigeration cycle is used to cool the natural gas stream to cryogenic condition with the use of a heat exchanger. The determination of the optimal composition of this refrigerant mixture is very important for the correct and efficient operation of the plant. The thermodynamic model for the equilibrium phase calculation of the refrigerant mixture is based on the Law of Raoult, which is valid for ideal mixtures and solutions. Initially, the concepts of refrigerant mixture, composite curves and pinch point used in the implementation of the numerical solution were reviewed. The application of ideal-gas and ideal-solution models has influence on the results. Nevertheless, it produces good results as those obtained in the present work. The efficient operation of the cycle depends essentially of three key parameters, which are: refrigerant flow rate, the ratio of high to low pressures of the refrigerant cycle and the mixed refrigerant composition. The results indicated that the composition variation of the refrigerant changes significantly the shape of hot and cold composite curves in comparison to the modification in the pressure levels and the refrigerant flow rate of the refrigerant cycle. However, the process will operate only if a given set of values of those parameters satisfies a minimum temperature difference, or pinch point, between the hot and cold composite curves within the heat exchanger. Thus, the efficient operation of the refrigerant cycle requires the optimization of those three operational parameters.

[pt] Gás Natural Liquefeito (GNL) vem sendo transportado desde 1959 em navios metaneiros, elos essenciais na movimentação do GNL entre as locações de produção e consumo. Este trabalho apresenta modelagens para: (i) mecânica do derrame e espalhamento de fluido criogênico no mar, decorrente de punção no casco desses vasos, e (ii) subsequente incêndio de difusão turbulenta. A revisão bibliográfica contempou seis décadas, e não foram encontradas evidências de que os temas, espalhamento criogênico e incêndio da poça com difusão turbulenta, tivessem sido tratados em único trabalho. Essa lacuna foi identificada, e os assuntos foram acoplados de forma inédita e implementados em dois códigos computacionais. O derrame/espalhamento é modelado com formulação integral conservativa, tendo como parâmetros a área do rasgo, área máxima da poça derramada e tempos de descarga e vaporização do criogênico no mar. O escoamento foi modelado com rasgos de 1 a 100 m(2) coerentes com a indústria de GNL, formando poças semicirculares. A modelagem da pluma térmica contempla poças circulares entre 10 e 500 m de diâmetro, bem como zonas de combustão e intermitência da pluma térmica. Provê esquema consistente e robusto para o desenvolvimento de parâmetros adimensionalizados de escala, possibilitando correlacionar e extrapolar o comprimento da pluma visível, com a inclinação e o arrasto da mesma, com o poder emissivo de sua superfície e a vazão mássica de vaporização do combustível criogênico na poça. Avalia também: (i) a variação axial do poder emissivo com a altura da pluma visível, (ii) a queima do combustível ao longo da zona luminosa (base do incêndio), e (iii) o transporte de radiação térmica emitida por gases cinza e partículas de fuligem na zona de combustão, considerando a emissão e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma térmica. / [en] Liquefied Natural Gas (LNG) has been carried since 1959 in methane carriers, which are the essential link in the movement of LNG between the locations of production and consumption. This thesis presents modeling to: (i) the fluid mechanics of spills/scattering at sea of a cryogenic fluid, due to puncture the hull of these vessels, and (ii) the subsequent burning of the pool by turbulent diffusion fire. The literature review contemplated six decades, and no evidence was found that the themes such as scattering of cryogenic pool followed by turbulent diffusion fires were treated in a single work. This gap was identified, and the subjects were connected in an unprecedented manner and implemented in two computer codes. The spill/scattering is modeled with conservative integral formulation, having as parameters the area of maximum pool poured on the sea and unloading and vaporization times of cryogenic. The flow was modeled with tears between 10 and 100 m(2), consistent with the LNG industry, forming semicircular pools. The modeling of the fire thermal plumes considers circular pools with diameters varying between 10 and 500 m, and combustion and intermittency zones of the thermal plume. Provides a consistent and robust scheme for the development of dimensionless scale parameters, allowing to correlate and extrapolate the length of the visible plume, with the its tilt and drag, its surface emissive power and with cryogenic fuel vaporization mass flow rate in the pool. It also evaluates: (i) the axial variation of emissive power with height of the visible plume, (ii) the burning of fuel along the luminous zone (the base of the fire), and (iii) the transport of thermal radiation emitted by gray gases and soot particles within the combustion zone, considering the emission and absorption in optically thin and thick regions of the thermal plume.

Global climate change concerns help shape current environmental regulations, which increasingly seek to reduce or capture CO2 emissions. Methods for capturing CO2 emissions from energy processes have been the focus of numerous studies to provide support for those seeking to reduce the environmental impact of their processes. This research has (1) simulated a baseline case of energy-storing cryogenic carbon capture for implementation on a 550 MWe coal fired power plant, (2) presented a novel cryogenic carbon capture process for removing CO2 from natural gas down to arbitrary levels, (3) presented a natural gas liquefaction process that has the ability to be highly CO2 tolerant, and (4) developed theoretical models and their experimental validation of CO2 capture predictions for all aforementioned processes.

[pt] Esta dissertação apresenta dois estudos de caso de Plantas Industriais que atualmente utilizam Óleo Combustível e/ou Carvão como fontes de energia para seus processos. Dada a grande relevância destes combustíveis em seus custos de manufatura e seu caráter estratégico para a estabilidade das operações, torna-se extremamente pertinente a busca contínua por alternativas mais econômicas, com garantia de oferta no longo prazo e atendimento aos requisitos ambientais cada vez mais restritivos. Uma particularidade importante para as duas plantas é a sua localização em regiões brasileiras sem oferta de Gás Natural (GN) canalizado. Neste contexto, o Gás Natural Liquefeito (GNL) é a alternativa logística estudada neste trabalho para suprimento de GN para as plantas estudadas. Ainda não ocorrem no Brasil importações de GNL, entretanto a primeira descarga do combustível deve ocorrer em breve e pode passar a ser fonte regular de energia para diversos consumidores. Exatamente por ser tão recente enquanto alternativa de suprimento de energia para o mercado brasileiro, busca- se conhecer suas características logísticas e, considerando o valor de investimento necessário, avaliar a viabilidade econômica de sua implementação. / [en] This dissertation presents two case studies of Industrial Plants that currently use Fuel Oil and/or Coal as source of energy for its processes. Given the great importance of these fuels in the manufacturing costs and its strategic role to the stability of the operations, it is extremely relevant the continuous search for most economic alternatives, with long term supply security and alignment with more and more restrict environmental standards. An important particularity of these two plants is its location in Brazilian areas without availability of Natural Gas (NG) in pipelines. Therefore, the Liquefied Natural Gas (LNG) is the logistic alternative to supply the NG to the plants under analysis. Still Brazil does not import LNG, however the first unloading of this fuel shall happen very soon and may become a regular source of energy to many consumers. Exactly for being such a recent energy supply alternative to the Brazilian market, it is so important to understand its logistic and, considering the value of needed investments, evaluate its economic viability of implementation.

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Globally, there are significant quantities of natural gas reserves that lie economically or physically stranded from markets. Options to monetize such reserves include Gas to Liquids (GTL) and Liquefied Natural Gas (LNG) technologies. GTL is a unique monetization option that brings natural gas products to crude oil markets. This technology is commercially immature, appears to have attractive market potential, requires substantial capital investments, and has uncertain operating costs and revenue generation. LNG is a more established monetization option. Project economics for the two technologies are reviewed, as well as literature evaluating such for either or both. Discounted cash flow models are studied for two project scenarios, and results are discussed and compared. The modeling effort seeks to inform the decision to invest in GTL or LNG for the monetization of a stranded gas reserve. / text

No Brasil a geração de energia elétrica é predominantemente baseada no uso de fontes renováveis e obtida por meio de centrais hidroelétricas. Ainda assim é necessária a diversificação das fontes de suprimento de energia para a geração de eletricidade quando o recurso hídrico for escasso. Uma alternativa é utilizar gás natural como combustível para as usinas termoelétricas, como vem sendo introduzido na matriz energética de outros países, permitindo a diversificação das fontes energéticas dos mesmos. A indústria do gás natural, assim como outras atividades industriais, não está isenta de acidentes que podem provocar graves consequências à integridade das pessoas e das propriedades. Por este motivo, é necessário desenvolver estudos para determinar quais são as possíveis causas que poderiam ocasionar estes acidentes, e quais são os possíveis cenários associados a estas falhas especificamente na área do transporte de GNL (Gás Natural Liquefeito). É neste contexto que este trabalho de pesquisa tem por objetivo desenvolver um método, baseado nas técnicas de análise de risco, que permita identificar os principais cenários de falha associados à ocorrência de um vazamento de GNL ou de boil-off durante as operações de carga e/ou descarga de navios. Neste cenário, considera-se a presença das barreiras de proteção destinadas a conter esse evento iniciador de perigo no sistema de carga e descarga do navio transportador de GNL, quando o navio está atracado no porto. Adicionalmente à apresentação do método, e como resultado do trabalho, são identificados quais os componentes que pertencem ao circuito de carga e descarga de GNL, e que tenham uma categoria de risco denominada como Crítica (C), Moderada (M) ou Não Crítica (NC). Finalmente, a implantação do método propõe medidas que ajudam a diminuir o nível de risco associado aos componentes denominados críticos, a fim de garantir uma operação segura e livre de acidentes que ponham em risco a integridade dos operadores, dos equipamentos e do ambiente. / Although the electricity generation in Brazil is predominantly based on renewable sources and obtained by means of hydroelectric power plants, it is still necessary to diversify sources of energy supply to generate electricity when the water resource is scarce. An alternative is the use natural gas as fuel for power plants, once it has been introduced in the energy matrix of other countries, allowing the diversification of their energy sources. The natural gas industry, as well as other industrial activities, is not free from accidents, which can cause serious consequences to the integrity of people and properties. For this reason, it is necessary to develop studies to determine what are the possible causes that could lead to serious accidents and what are the possible scenarios of these faults specifically in the area of LNG (Liquefied Natural Gas) transportation. In this context, this research aims to develop a method based on risk analysis concepts which identifies the main failure scenarios given the occurrence of LNG or boil-off leakage during ship loading and unloading operations, considering the presence of containment barriers designed to hold this hazard initiator event in loading and unloading system of the LNG carrier when the ship is in harbor. In addition to the method presentation this research identifies which are the components of LNG loading and unloading circuit, which have a risk category classified as Critical (C), Moderate (M) and NonCritical (NC). Finally, the method implementation allows the proposal of safety and maintenance measures to help reducing the risk level in order to ensure safe operation, free of accidents that endanger the integrity of the operators, the equipment and the environment.

No Brasil a geração de energia elétrica é predominantemente baseada no uso de fontes renováveis e obtida por meio de centrais hidroelétricas. Ainda assim é necessária a diversificação das fontes de suprimento de energia para a geração de eletricidade quando o recurso hídrico for escasso. Uma alternativa é utilizar gás natural como combustível para as usinas termoelétricas, como vem sendo introduzido na matriz energética de outros países, permitindo a diversificação das fontes energéticas dos mesmos. A indústria do gás natural, assim como outras atividades industriais, não está isenta de acidentes que podem provocar graves consequências à integridade das pessoas e das propriedades. Por este motivo, é necessário desenvolver estudos para determinar quais são as possíveis causas que poderiam ocasionar estes acidentes, e quais são os possíveis cenários associados a estas falhas especificamente na área do transporte de GNL (Gás Natural Liquefeito). É neste contexto que este trabalho de pesquisa tem por objetivo desenvolver um método, baseado nas técnicas de análise de risco, que permita identificar os principais cenários de falha associados à ocorrência de um vazamento de GNL ou de boil-off durante as operações de carga e/ou descarga de navios. Neste cenário, considera-se a presença das barreiras de proteção destinadas a conter esse evento iniciador de perigo no sistema de carga e descarga do navio transportador de GNL, quando o navio está atracado no porto. Adicionalmente à apresentação do método, e como resultado do trabalho, são identificados quais os componentes que pertencem ao circuito de carga e descarga de GNL, e que tenham uma categoria de risco denominada como Crítica (C), Moderada (M) ou Não Crítica (NC). Finalmente, a implantação do método propõe medidas que ajudam a diminuir o nível de risco associado aos componentes denominados críticos, a fim de garantir uma operação segura e livre de acidentes que ponham em risco a integridade dos operadores, dos equipamentos e do ambiente. / Although the electricity generation in Brazil is predominantly based on renewable sources and obtained by means of hydroelectric power plants, it is still necessary to diversify sources of energy supply to generate electricity when the water resource is scarce. An alternative is the use natural gas as fuel for power plants, once it has been introduced in the energy matrix of other countries, allowing the diversification of their energy sources. The natural gas industry, as well as other industrial activities, is not free from accidents, which can cause serious consequences to the integrity of people and properties. For this reason, it is necessary to develop studies to determine what are the possible causes that could lead to serious accidents and what are the possible scenarios of these faults specifically in the area of LNG (Liquefied Natural Gas) transportation. In this context, this research aims to develop a method based on risk analysis concepts which identifies the main failure scenarios given the occurrence of LNG or boil-off leakage during ship loading and unloading operations, considering the presence of containment barriers designed to hold this hazard initiator event in loading and unloading system of the LNG carrier when the ship is in harbor. In addition to the method presentation this research identifies which are the components of LNG loading and unloading circuit, which have a risk category classified as Critical (C), Moderate (M) and NonCritical (NC). Finally, the method implementation allows the proposal of safety and maintenance measures to help reducing the risk level in order to ensure safe operation, free of accidents that endanger the integrity of the operators, the equipment and the environment.