Estudo para desenvolvimento de novas tecnologias com tubo Vortex para a remoção parcial por liquefação de CO2 de emissões gasosas

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta uma abordagem termodinâmica sobre o potencial uso de Tubos Vortex para mitigar a emissão de dióxido de carbono pós-combustão de fontes pontuais. Uma configuração física de um novo sistema equipado com tubo Vortex para liquefazer parcialmente dióxido de carbono de misturas gasosas está sendo estudada. Para avaliar o desempenho desse novo equipamento um modelo matemático é desenvolvido e depois utilizado para simulações numéricas considerando as composições químicas típicas de vários tipos de gás de combustão, como gás de combustão de ciclos de potência a gás natural, gás de exaustão de motores a diesel ou gás de combustão de fábricas de cimento. Um processo termomecânico que ocorre em duas fases está sendo considerado para remover parcialmente por liquefação o CO2 da mistura de gases. Na primeira fase, a pressão da mistura gasosa é aumentada para valores que permitem que a pressão parcial de dióxido de carbono na mistura exceda a pressão de seu ponto triplo. Na segunda fase, a temperatura da mistura gasosa já em alta pressão é reduzida abaixo da temperatura do ponto de orvalho do CO2 para fazer possível a sua liquefação. A operação do Tubo Vortex é assegurada pela própria mistura gasosa pressurizada, cujo conteúdo de CO2 foi reduzido anteriormente. Os resultados numéricos indicam um potencial de remoção do dióxido de carbono entre 0,055 e 0,163 kg de CO2 por kg de gás de combustão comprimido entre 6 a 12 MPa e com consumo de energia entre 2,16 e 6,10 M J/kg CO2 removido.

Abstract: This work presents a thermodynamic approach on the potential use of the Vortex Tube to mitigate the emission of post-combustion carbon dioxide from point sources. It describes a physical configuration of a new Vortex Tube equipped system for liquefying carbon dioxide. A new mathematical model to assess its capacity is developed and solved numerically considering various chemical compositions typical of flue gases, such as combustion gases from combined natural gas cycles, exhaust gases from diesel engines and combustion gases from cement plants. A thermomechanical two-step process of flue gas partially removes carbon dioxide from the original gas mixture by liquefaction. In the first stage, the pressure of the gas mixture is increased to values that allow the partial pressure of carbon dioxide in the mixture to exceed CO2 triple point pressure. And in the second stage, the temperature of the compressed flue gas is reduced below the condensation point temperature of CO2 to reach physical conditions for its liquefaction. The operation of the Vortex Tube is ensured by the mixture of pressurized gas itself, of which CO2 content was previously reduced. The numerically evaluated carbon dioxide removal potential ranges from 0.055 to 0.163 kg of CO2 per kg of flue gas compressed in the range 6-12 MPa for an energy input within 2.16 and 6.10 M J/kg CO2. Keywords: Vortex Tube equipped device, flue gas, CO2 liquefac