Development of transferable molecular models for the oil & gas industry

Abstract

Given the world’s population growth and the consequent increase on the global energy demand, the Oil & Gas industry plays a vital role in today’s society. Not only because oil and gas are the main energy sources in our planet, but also because they serve as important feedstocks to produce a huge diversity of commodities and goods. Conversely, the huge environmental impact driven by their activities establishes an endless demand for the development of novel technologies desired to be cleaner, more sustainable, and efficient than their state-of-art homologous. Moreover, considering the depletion of oil reserves and the decrease in cost of alternative energy sources, enhanced oil recovery (EOR) is also becoming increasingly important with the use of surfactant flooding or CO2 injection being two of the most promising techniques. The latter has mainly been hindered by the scarcity of economical supplies of CO2, reinforcing the importance of developing alternative technologies for CO2 capture and storage at large scale. Taking this into account, compounds containing ethylene oxide groups are of a special and increasing interest for the Oil & Gas industry: glycols are commonly used as dehydration agents, glymes have been suggested as promising physical solvents for CO2 capture and natural gas processing, and CiEj surfactants can be used for surfactant flooding. Recently, alternative greener solvents such as protic ionic liquids and deep eutectic solvents have also been suggested to improve the sustainability of different separation processes such as CO2 separation, fuel desulfurization, among others. Prior to the industrial application of these systems, an accurate description of their thermophysical properties and phase equilibria is necessary for the rigorous design, simulation, control, and economical evaluation of new technologies or process configurations. However, most of the thermodynamic approaches and molecular models currently available to describe these compounds have a limited predictive/extrapolative ability or accuracy. Therefore, this work aims at the development, improvement, and analysis of transferable molecular models able to correctly describe complex systems of interest to the Oil & Gas industry, such as those mentioned above. The enhanced extrapolative, and in some cases predictive, ability of the modelling approaches proposed in this work are expected to constitute an advantage over current thermodynamic models, by allowing for a significant decrease on the experimental efforts required during initial solvent screenings or the initial stages of new processes and technologies development.

Dado o aumento da população mundial e das consequentes necessidades energéticas, a indústria petrolífera desempenha um papel vital na sociedade. Não só porque o petróleo e o gás natural continuam a ser as principais fontes de energia no nosso planeta, mas também porque são matérias-primas fundamentais para a produção industrial de um grande número de bens e produtos. Por outro lado, os impactos ambientais resultantes das suas atividades estabelecem uma busca incessante pelo desenvolvimento de novas tecnologias que sejam mais limpas, sustentáveis, e eficientes do que as atuais. Além disso, considerando a depleção dos reservatórios e a diminuição do custo de fontes de energia alternativas, processos de recuperação avançada tornam-se cada vez mais importantes, com a injeção de surfactantes ou de CO2 sendo duas das técnicas mais promissoras. Esta última tem tido como principal limitação a escassez de fontes económicas de CO2, o que reforça também a importância de se desenvolverem tecnologias alternativas para a sua captura e armazenamento em larga escala. Tendo tudo isto em consideração, compostos contendo óxido de etileno são de um interesse acrescido para a indústria petrolífera: glicóis são comummente usados como agentes de desidratação, glimas ou éteres de glicol são frequentemente apontados como solventes físicos promissores para a captura de CO2, ou para a remoção de gases ácidos no processamento de gás natural, e surfactantes do tipo Brij, também conhecidos como CiEj, são usados para recuperação avançada de petróleo. Recentemente, solventes verdes alternativos como os solventes eutécticos profundos e os líquidos iónicos próticos têm sido sugeridos para melhorar a sustentabilidade de diferentes processos de separação na indústria petrolífera, como por exemplo a separação de CO2, dessulfurização e desaromatização do petróleo, entre outros. Contudo, antes da aplicação industrial destes sistemas, é necessário possuir modelos capazes de providenciar uma descrição precisa das suas propriedades termofísicas e do equilíbrio de fases, conhecimentos fundamentais para efetuar o desenho, simulação, controlo e avaliação económica de novos projetos de forma rigorosa. Contudo, a maior parte dos modelos termodinâmicos disponíveis atualmente para descrever o comportamento destes sistemas possuem uma precisão insatisfatória, bem como uma capacidade preditiva e extrapolativa muito limitada. Como tal, este projeto tem como principal objetivo o desenvolvimento, melhoria e análise de modelos termodinâmicos de base molecular com alta transferibilidade, capazes de descrever sistemas complexos de interesse para a indústria petrolífera, como os acima mencionados. É expectável que o aumento da capacidade extrapolativa, e em alguns casos preditiva, das ferramentas de modelação aqui discutidas constitua uma vantagem sobre os modelos usados atualmente, permitindo uma diminuição significativa do trabalho experimental (mais caro e demorado) tipicamente necessário durante as fases iniciais do desenvolvimento de novos processos e tecnologias.