Separação de ar - Air separation

Uma planta de separação de ar separa o ar atmosférico em seus componentes primários, normalmente nitrogênio e oxigênio , e às vezes também argônio e outros gases inertes raros .

O método mais comum de separação do ar é a destilação fracionada . As unidades criogênicas de separação de ar (ASUs) são construídas para fornecer nitrogênio ou oxigênio e frequentemente co-produzir argônio. Outros métodos, como membrana, adsorção de oscilação de pressão (PSA) e adsorção de oscilação de pressão a vácuo (VPSA) são comercialmente usados ​​para separar um único componente do ar comum. Oxigênio , nitrogênio e argônio de alta pureza , usados ​​na fabricação de dispositivos semicondutores , requerem destilação criogênica. Da mesma forma, a única fonte viável dos gases raros néon , criptônio e xenônio é a destilação do ar usando pelo menos duas colunas de destilação .

Processo de destilação criogênica

Composição do ar atmosférico seco

Os gases puros podem ser separados do ar, primeiro resfriando-o até que se liquefaça e, em seguida, destilando seletivamente os componentes em suas várias temperaturas de ebulição. O processo pode produzir gases de alta pureza, mas consome muita energia. Esse processo foi iniciado por Carl von Linde no início do século 20 e ainda é usado hoje para produzir gases de alta pureza. Ele o desenvolveu no ano de 1895; o processo permaneceu puramente acadêmico por sete anos antes de ser usado em aplicações industriais pela primeira vez (1902).

Coluna de destilação em uma planta de separação de ar criogênica

O processo de separação criogênica requer uma integração muito estreita de trocadores de calor e colunas de separação para obter uma boa eficiência e toda a energia para refrigeração é fornecida pela compressão do ar na entrada da unidade.

Para atingir as baixas temperaturas de destilação, uma unidade de separação de ar requer um ciclo de refrigeração que opera por meio do efeito Joule-Thomson , e o equipamento frio deve ser mantido dentro de um invólucro isolado (comumente chamado de "caixa fria"). O resfriamento dos gases requer uma grande quantidade de energia para fazer esse ciclo de refrigeração funcionar e é fornecido por um compressor de ar . As ASUs modernas usam turbinas de expansão para resfriamento; a saída do expansor ajuda a acionar o compressor de ar, para maior eficiência. O processo consiste nas seguintes etapas principais:

  1. Antes da compressão, o ar é pré-filtrado de poeira.
  2. O ar é comprimido onde a pressão final de entrega é determinada pelas recuperações e pelo estado do fluido (gás ou líquido) dos produtos. As pressões típicas variam entre 5 e 10 bar. A corrente de ar também pode ser comprimida a diferentes pressões para aumentar a eficiência da ASU. Durante a compressão, a água é condensada em resfriadores entre estágios.
  3. O ar do processo é geralmente passado por um leito de peneira molecular , que remove qualquer vapor de água remanescente, bem como dióxido de carbono , que congelaria e obstruiria o equipamento criogênico. As peneiras moleculares são frequentemente projetadas para remover quaisquer hidrocarbonetos gasosos do ar, uma vez que podem ser um problema na destilação de ar subsequente que pode levar a explosões. O leito das peneiras moleculares deve ser regenerado. Isso é feito instalando várias unidades operando em modo alternado e usando o gás residual co-produzido a seco para dessorver a água.
  4. O ar do processo é passado por um trocador de calor integrado (geralmente um trocador de calor de placa ) e resfriado contra fluxos criogênicos de produto (e resíduos). Parte do ar se liquefaz para formar um líquido que é enriquecido em oxigênio. O gás restante é mais rico em nitrogênio e é destilado a nitrogênio quase puro (normalmente <1ppm) em uma coluna de destilação de alta pressão (HP). O condensador desta coluna requer refrigeração que é obtida expandindo a corrente mais rica em oxigênio através de uma válvula ou através de um Expansor (um compressor reverso).
  5. Alternativamente, o condensador pode ser resfriado pela troca de calor com um reboiler em uma coluna de destilação de baixa pressão (LP) (operando a 1,2-1,3 bar abs.) Quando a ASU está produzindo oxigênio puro. Para minimizar o custo de compressão, o condensador / reboiler combinado das colunas HP / LP deve operar com uma diferença de temperatura de apenas 1-2 K, exigindo trocadores de calor de alumínio soldado com aleta de placa. A pureza típica do oxigênio varia de 97,5% a 99,5% e influencia a recuperação máxima de oxigênio. A refrigeração necessária para a produção de produtos líquidos é obtida por meio do efeito Joule-Thomson em um expansor que alimenta ar comprimido diretamente para a coluna de baixa pressão. Conseqüentemente, uma certa parte do ar não deve ser separada e deve deixar a coluna de baixa pressão como um fluxo de resíduos de sua seção superior.
  6. Como o ponto de ebulição do argônio (87,3 K em condições padrão) está entre o do oxigênio (90,2 K) e o do nitrogênio (77,4 K), o argônio se acumula na seção inferior da coluna de baixa pressão. Quando o argônio é produzido, uma extração do lado do vapor é obtida da coluna de baixa pressão onde a concentração de argônio é mais alta. Ele é enviado para outra coluna retificando o argônio até a pureza desejada, a partir do qual o líquido retorna para o mesmo local na coluna LP. O uso de embalagens estruturadas modernas com quedas de pressão muito baixas permitem o argônio com menos de 1 ppm de impurezas. Embora o argônio esteja presente em menos de 1% da entrada, a coluna de argônio de ar requer uma quantidade significativa de energia devido à alta razão de refluxo necessária (cerca de 30) na coluna de argônio. O resfriamento da coluna de argônio pode ser fornecido a partir de um líquido rico expandido frio ou por nitrogênio líquido.
  7. Finalmente, os produtos produzidos na forma de gás são aquecidos contra a entrada do ar até a temperatura ambiente. Isso requer uma integração de calor cuidadosamente elaborada que deve permitir robustez contra distúrbios (devido à troca dos leitos de peneira molecular). Também pode exigir refrigeração externa adicional durante a inicialização.

Os produtos separados às vezes são fornecidos por dutos para grandes usuários industriais próximos à planta de produção. O transporte de produtos de longa distância é feito através do envio de produtos líquidos para grandes quantidades ou como frascos dewar ou botijões de gás para pequenas quantidades.

Processos não criogênicos

Um gerador de nitrogênio
Garrafa de peneiras moleculares de 4Å

A adsorção com oscilação de pressão fornece separação de oxigênio ou nitrogênio do ar sem liquefação. O processo opera em torno da temperatura ambiente; um zeólito (esponja molecular) é exposto ao ar de alta pressão, então o ar é liberado e um filme adsorvido do gás desejado é liberado. O tamanho do compressor é muito reduzido em relação a uma planta de liquefação, e os concentradores de oxigênio portáteis são feitos dessa maneira para fornecer ar enriquecido com oxigênio para fins médicos. A adsorção de oscilação a vácuo é um processo semelhante; o produto gasoso é desenvolvido a partir do zeólito à pressão subatmosférica.

Gerador de nitrogênio de membrana

As tecnologias de membrana podem fornecer abordagens alternativas e de baixa energia para a separação do ar. Por exemplo, várias abordagens estão sendo exploradas para a geração de oxigênio. Membranas poliméricas operando em temperatura ambiente ou quente, por exemplo, podem ser capazes de produzir ar enriquecido com oxigênio (25-50% de oxigênio). As membranas cerâmicas podem fornecer oxigênio de alta pureza (90% ou mais), mas requerem temperaturas mais altas (800-900 ° C) para operar. Essas membranas cerâmicas incluem Membranas de Transporte de Íons (ITM) e Membranas de Transporte de Oxigênio (OTM). A Air Products and Chemicals Inc e a Praxair estão desenvolvendo sistemas ITM planos e tubulares OTM.

A separação de gases por membrana é usada para fornecer gases pobres em oxigênio e ricos em nitrogênio, em vez de ar para encher os tanques de combustível dos aviões de jato, reduzindo muito as chances de incêndios e explosões acidentais. Por outro lado, a separação de gás por membrana é usada atualmente para fornecer ar enriquecido com oxigênio aos pilotos que voam em grandes altitudes em aeronaves sem cabines pressurizadas.

O ar enriquecido com oxigênio pode ser obtido explorando as diferentes solubilidades de oxigênio e nitrogênio. O oxigênio é mais solúvel do que o nitrogênio na água, portanto, se o ar for desgaseificado da água, um fluxo de 35% de oxigênio pode ser obtido.

Formulários

Aço

Na fabricação de aço, o oxigênio é necessário para o oxigênio básico na fabricação de aço . Hoje, a moderna produção de aço com oxigênio básico usa quase duas toneladas de oxigênio por tonelada de aço.

Amônia

Nitrogênio usado no processo de Haber para fazer amônia .

Gás de carvão

Grandes quantidades de oxigênio são necessárias para projetos de gaseificação de carvão ; plantas criogênicas que produzem 3.000 toneladas / dia são encontradas em alguns projetos.

Gás inerte

Inertização com tanques de armazenamento de nitrogênio de navios e tanques para produtos de petróleo, ou para proteger produtos de óleo comestível da oxidação.

Veja também

Referências

links externos