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Document Type: Dissertação
Title: Modelagem e simulação termodinâmica para estimativa da energia mínima de regeneração de MDEA saturada no refino de petróleo
Authors: Vieira, Lucas Paixão
Issue Date: 13-Oct-2025
Advisor: Marques, José Jailton
Resumo : A regeneração de soluções aquosas de metildietanolamina (MDEA) saturadas com gases ácidos, como CO₂ e H₂S, representa um desafio energético e ambiental significativo no refino de petróleo. Este trabalho estima a energia mínima teórica requerida para esse processo, alinhando-se aos princípios de eficiência energética e sustentabilidade. A modelagem termodinâmica foi baseada principalmente no modelo Electrolyte NonRandom Two-Liquid (eNRTL), utilizado para calcular coeficientes de atividade, constantes de equilíbrio e variações da energia livre de Gibbs (ΔG) em um sistema aquoso MDEA–H₂O–CO₂–H₂S, em temperaturas entre 393 K e 403 K. A implementação computacional em Python permitiu simular o equilíbrio químico entre os estados inicial (solução saturada) e final (solução regenerada), considerando reações de dissociação e interações iônicas. Os resultados indicaram uma energia mínima de 207,8 kJ para regenerar 100 mol de solução, equivalente a 806,95 kJ/kg de CO₂ removido, o que corresponde a aproximadamente 6,45% do consumo energético real reportado em processos industriais (12.500 kJ/kg de CO₂). As análises de sensibilidade mostraram que o ΔG_total diminui com maiores cargas de gases ácidos e temperaturas elevadas, atingindo um máximo em frações molares de MDEA próximas a 0,5. Do ponto de vista econômico, o custo mínimo de regeneração é de R$ 190,53/tCO₂, considerando tarifa elétrica de R$ 0,85/kWh no Nordeste brasileiro, enquanto o custo real, baseado no consumo no refervedor, é de R$ 2.951,39/tCO₂, valor competitivo nos mercados globais de carbono (como o EU ETS, a cerca de R$ 410/tCO₂). A regeneração mostra-se ainda mais vantajosa frente à substituição por MDEA nova (R$ 24.000–48.000/tCO₂) e apresenta potencial de reutilização da MDEA exausta na captura de CO₂ do ar ou de gases de chaminé, gerando créditos de maior valor (US$ 170–500/tCO₂). Os resultados contribuem para a otimização de processos industriais, redução de emissões e alinhamento com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável, além de sugerirem futuras integrações com modelos cinéticos, análises de ciclo de vida e tecnologias híbridas de regeneração.
Abstract: The regeneration of aqueous solutions of methyldiethanolamine (MDEA) saturated with acid gases such as CO₂ and H₂S represents a significant energy and environmental challenge in petroleum refining. This work estimates the theoretical minimum energy required for this process, in alignment with the principles of energy efficiency and sustainability. Thermodynamic modeling was based mainly on the Electrolyte NonRandom Two-Liquid (eNRTL) model, used to calculate activity coefficients, equilibrium constants, and Gibbs free energy variations (ΔG) in an aqueous MDEA–H₂O–CO₂–H₂S system at temperatures between 393 K and 403 K. The computational implementation in Python enabled the simulation of chemical equilibrium between the initial (saturated) and final (regenerated) states, considering dissociation reactions and ionic interactions. Results indicated a minimum energy of 207.8 kJ to regenerate 100 mol of solution, equivalent to 806.95 kJ/kg of CO₂ removed, corresponding to approximately 6.45% of the actual energy consumption reported in industrial processes (12,500 kJ/kg of CO₂). Sensitivity analyses showed that ΔG_total decreases with higher acid gas loading and elevated temperatures, reaching a maximum at MDEA mole fractions around 0.5. From an economic perspective, the minimum regeneration cost was estimated at R$ 190.53/tCO₂, considering an electricity tariff of R$ 0.85/kWh in Northeastern Brazil, while the actual cost based on reboiler energy consumption reached R$ 2,951.39/tCO₂ — a competitive value in global carbon markets (such as the EU ETS, at around R$ 410/tCO₂). Regeneration proved far more advantageous than replacing MDEA with fresh solvent (R$ 24,000–48,000/tCO₂) and showed potential for reuse of the exhausted MDEA in CO₂ capture from air or flue gases, generating higher-value credits (US$ 170– 500/tCO₂). The findings contribute to the optimization of industrial processes, emission reduction, and alignment with the Sustainable Development Goals, while suggesting future integration with kinetic models, life-cycle assessments, and hybrid regeneration technologies.
Keywords: Regeneração de solventes
Energia mínima
Modelagem termodinâmica
Metildietanolamina (MDEA)
Captura de CO₂ e H₂S
Refino de petróleo
Solvent regeneration
Minimum energy
Thermodynamic modeling
CO₂ and H₂S capture
Petroleum refining
Subject CNPQ: ENGENHARIAS
Language: por
Institution: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Program Affiliation: Pós-Graduação em Engenharia e Ciências Ambientais
Citation: VIEIRA, Lucas Paixão. Modelagem e simulação termodinâmica para estimativa da energia mínima de regeneração de MDEA saturada no refino de petróleo. 2025. 81 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciências Ambientais) - Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2025.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/23999
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