Comparative study of mathematical models of gas permeators for CO2 separation from natural gas.

O gás associado produzido nos campos do pré-sal brasileiro contém alta concentração de CO2. A separação deste composto dos hidrocarbonetos é realizada por permeação através de membranas poliméricas. Neste trabalho, dois modelos matemáticos foram avaliados para a simulação desta operação unitária: um baseado no modelo de Solução-Difusão e outro que utiliza equação análoga à equação global de transferência de calor para calcular a taxa de permeação dos compostos pela membrana. Para avaliação dos modelos, foram utilizadas condições de projeto de planta industrial e condições reais de operação. Os dados industriais foram tratados, passando por limpeza, agrupamento e seleção, resultando na obtenção de pontos representativos das condições de operação. Por meio de simulações computacionais, tanto a aderência dos modelos ao comportamento esperado quanto a capacidade dos modelos de reproduzir os resultados operacionais foram avaliadas. O modelo que utiliza equações análogas à global de transferência de calor demonstrou uma limitação importante: os balanços de massa e energia são termodinamicamente desacoplados. O modelo baseado no modelo de Solução Difusão mostrou-se capaz de reproduzir a maioria das situações operacionais reais. Os desvios e limitações de cada um dos modelos foram discutidos e melhorias foram propostas.Associated gas produced in the Brazilian pre-salt fields presents high CO2 concentration. The separation of this compound from the hydrocarbon fraction is accomplished by permeation through polymeric membranes. In this study, two mathematical models to simulate this unit operation were evaluated: one based on solution-diffusion model and another which uses an equation analogous to the global heat transfer equation to calculate the permeation rate of compounds. To evaluate the models, industrial plant design conditions and actual operational conditions were utilized. Industrial data were treated, being cleaned, grouped and selected, yielding field data representing the operation conditions. Through computational simulations, both the adherence to the expected behavior and the ability to reproduce the operational results were evaluated. The model that uses an equation analogous to the global heat transfer equation presented a significant limitation: mass and energy balances are thermodynamically decoupled. The model based on solution-diffusion model was capable to reproduce the majority of the real operational situations. Deviations and limitations of each model were discussed, and suggestions were proposed attempting to improve the models