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Apr 30, 2023

Fatos ao seu alcance: Gás físico

1º de maio de 2022 | Por Scott Jenkins, revista Chemical Engineering

1º de maio de 2022 | Por Scott Jenkins, revista Chemical Engineering

Os gases industriais são críticos para uma ampla gama de aplicações nas indústrias de processos químicos (CPI). Muitos desses gases devem ser separados de outros, como nitrogênio do ar ou hidrogênio do gás natural, usando técnicas físicas de separação de gases que incluem separação por membrana, processos catalíticos e de adsorção, destilação criogênica e outras tecnologias. Alguns métodos comuns são discutidos aqui.

A separação por membrana usa membranas de fibra oca para separar o nitrogênio do oxigênio (Figura 1). A tecnologia de membrana é comumente usada quando os requisitos de pureza não são rigorosos. Dentro do sistema de membrana, muitos milhares de fibras ocas são colocadas em um alojamento e o ar comprimido é fornecido a uma extremidade. A parede da fibra é permeável aos gases, mas a taxa de difusão através da parede da fibra varia de acordo com o tipo de gás. Pois o ar, o oxigênio, o dióxido de carbono, o argônio e outros vestígios de contaminantes passam pela parede em uma taxa mais rápida do que o nitrogênio e são liberados. O nitrogênio sai do sistema de membrana com uma pureza típica superior a 95%. Os usuários podem ajustar o fluxo através do sistema para variar a pureza alcançada por um sistema baseado em membrana. A vantagem de um sistema baseado em membrana é que não há partes móveis, mas a pureza da saída pode variar com a vazão.

FIGURA 1. Os métodos de separação por membrana são usados ​​em aplicações onde os requisitos de pureza não são especialmente rigorosos

A adsorção por oscilação de pressão (PSA) e a adsorção por oscilação de pressão a vácuo (VPSA) são usadas em situações que requerem maior pureza. Quando a separação de impurezas no alto nível de partes por milhão (ppm) é necessária, em oposição à separação de impurezas no nível percentual, o PSA é uma opção (Figura 2). Os sistemas PSA são normalmente usados ​​como pré-purificação de gases que entram em um processo criogênico e para a purificação de hidrogênio. A tecnologia VPSA é usada para a produção local de vidro float e oxigênio de grau médico.

FIGURA 2. Adsorção por oscilação de pressão é uma opção quando a separação de impurezas precisa atingir o alto nível de partes por milhão

Os sistemas PSA consistem em pares de vasos operando em paralelo ou podem ser projetados em configurações com vários vasos em série. Cada recipiente é embalado com meios de adsorção, como peneiras moleculares de carbono, zeólitos e carvão. O gás de alimentação a ser purificado passa por um ou mais recipientes operando a pressões tipicamente superiores a 100 psig. As impurezas no fluxo de gás de alimentação são fisicamente adsorvidas (fisissorção) na superfície do meio pelas forças de Van der Waals (ligações fracas criadas por interações eletrostáticas de curto alcance entre dipolos moleculares). Os sistemas PSA funcionam aproveitando diferentes comportamentos de adsorção em diferentes pressões e temperaturas. Os locais de adsorção são ocupados por moléculas de impurezas, enquanto o gás desejado passa pelo meio. A capacidade de cada impureza varia com base na seleção do meio, muitas vezes determinada pelo tamanho do poro. À medida que as moléculas de impureza rompem os vasos do PSA, a mídia requer regeneração para remover as impurezas adsorvidas. Dentro de um sistema PSA, o vaso é isolado e o gás é rapidamente ventilado para a pressão atmosférica, o que libera as impurezas presas. O recipiente é então repressurizado e está pronto para mais gás de alimentação. Esta regeneração pode ser concluída em um tempo de ciclo de minutos a horas. Para a separação de nitrogênio ou oxigênio do ar, o ciclo é tipicamente curto.

Quando a pureza do gás de baixo nível de PPM é necessária, a destilação criogênica é normalmente usada. Os processos criogênicos são baseados na separação física dos gases em relação aos seus pontos de ebulição. Muitos gases podem ser separados criogenicamente, mas a separação do ar é descrita aqui. O ar comprimido é resfriado e depois passado por um leito de peneira molecular para remover a umidade, hidrocarbonetos e dióxido de carbono antes de entrar na coluna de destilação. O gás que entra na coluna é resfriado a temperaturas criogênicas contra os gases que saem. Para manter o equilíbrio de refrigeração necessário para sustentar o processo, uma turbina de expansão é freqüentemente usada. O ar sobe a coluna através de uma série de bandejas contra o líquido de refluxo que desce pela coluna. A separação dos gases ocorre devido a diferentes temperaturas de ebulição. Nitrogênio com pureza de 99,999% ou superior pode ser fornecido diretamente como vapor ou liquefeito para distribuição criogênica. As impurezas dentro do nitrogênio normalmente incluem monóxido de carbono e hidrogênio, que têm um ponto de ebulição semelhante ou inferior.