101 Guia de Processos para a Separação de Ar Criogénico

Nas operações de média a grande escala, as tecnologias de separação criogénica do ar são frequentemente utilizadas para criar azoto, oxigénio e árgon como gases e/ou saídas líquidas.

Para o fabrico de oxigénio e azoto ultra-puros, a separação criogénica do ar é o método recomendado. Para instalações de elevada taxa de produção, é a técnica mais económica. A tecnologia criogénica é utilizada em todas as operações de produção de gás industrial liquefeito.

A quantidade de saídas gasosas e líquidas a serem geradas, as suas purezas de produto necessárias e as pressões de entrega necessárias afectam a complexidade do separação criogénica do ar bem como as dimensões físicas dos equipamentos e a energia necessária para os fazer funcionar.

Este artigo inclui o guia do processo de separação criogénica do ar. Vamos a isso!

O que é a Separação e Destilação Criogénica do Ar?

A técnica de separação do azoto e do oxigénio do ar é conhecida como destilação criogénica. O árgon também é isolado em algumas circunstâncias. O termo "criogénico" refere-se a temperaturas frias, enquanto "destilação" se refere à separação de elementos de uma combinação utilizando o ponto de ebulição dos elementos. Como resultado, os constituintes com pontos de ebulição muito baixos são extraídos preferencialmente a baixas temperaturas nas destilações criogénicas. Este processo produz substâncias de elevada purezamas é também altamente intensivo em termos energéticos.

A caixa fria é um enorme contentor isolado que alberga os pilares de destilação e os permutadores de calor que funcionam a temperaturas extremamente baixas. O efeito Joule Thomson, também conhecido como efeito de estrangulamento, é utilizado no circuito de refrigeração. O gás passa através de um portão isolado ou de um tampão permeável isolado durante o estrangulamento, e a temperatura do gás muda à medida que a pressão alterna.

Materiais necessários

O ar ambiente pode conter até 5% de humidade e uma variedade de outros gases (normalmente em níveis vestigiais) que devem ser eliminados em um ou mais locais na separação e saída do ar preparação da depuração.

Etapas e processo de separação de ar criogénico

Destilação criogénica do ar: Fases

1. Pré-tratamento, compressão e arrefecimento do ar de entrada.
2. Eliminação do dióxido de carbono.
3. Condução de calor para baixar a temperatura do ar de alimentação para níveis criogénicos.
4. Destilação por ar.
5. Refrigeração

1. Pré-tratamento, compressão e arrefecimento do ar de entrada

Com base no mistura de produtos planeada e uma força de produto aceitável, o ar é comprimido a uma pressão entre 5 e 8 bar (cerca de 75 a 115 psig) na maioria das circunstâncias. Após a última fase de compressão, o ar comprimido é arrefecido e grande parte do vapor no fluxo de ar é condensado e eliminado, à medida que o ar passa por uma sucessão de arrefecedores de interfase e um pós-refrigerador.

Uma vez que a temperatura da canalização de arrefecimento obtida (que é quase sempre limitada pela temperatura de bolbo húmido ou seco do ar ambiente) determina a última temperatura do ar que sai da estrutura de compressão, a temperatura do ar comprimido é frequentemente muito superior à temperatura ideal para uma eficácia máxima de desempenhos das unidades a jusante. Por conseguinte, é frequentemente utilizado um sistema de refrigeração mecânica para arrefecer significativamente o ar.

2. Eliminação do dióxido de carbono e de outras impurezas

Para atingir os critérios de qualidade do produto, certos elementos do fluxo de ar de entrada devem ser eliminados. O vapor de água e o dióxido de carbono devem ser eliminados do ar antes de entrarem na secção de destilação criogénica da instalação, uma vez que solidificariam e se acumulariam no exterior do equipamento de procedimento a temperaturas extremamente baixas.

Peneira molecular e os permutadores de inversão são os dois métodos mais utilizados para eliminar o vapor e o dióxido de carbono.

• Uma unidade de pré-purificação de peneira molecular é utilizada em quase todas as novas instalações de desconexão de ar para extrair dióxido de carbono e água do fluxo de ar, adsorvendo estas partículas no exterior de substâncias de peneira molecular a uma temperatura próxima da ambiente. Outros poluentes, como os hidrocarbonetos, que podem ser encontrados num ambiente industrial, podem ser facilmente removidos ajustando a composição de substâncias adsorventes nestes sistemas. As substâncias adsorventes são normalmente mantidas em dois recipientes idênticos, um dos quais é utilizado para purificar o ar de entrada e o outro é regenerado com gás residual limpo. Em períodos regulares, as duas folhas mudam de serviço. Quando se pretende uma elevada taxa de extração de azoto, a pré-purificação por peneira molecular é a escolha óbvia.
• A outra opção é eliminar a água e o CO2 utilizando permutadores de calor "invertidos". Embora os permutadores inversos sejam frequentemente considerados como tecnologia "antiga", podem ser mais eficientes em termos de custos para instalações de nitrogénio ou oxigénio com taxas de produção mais baixas. O fornecimento de ar comprimido é arrefecido em dois pares de permutadores de calor de alumínio soldado em instalações que utilizam permutadores de calor invertidos.

O ar que chega é arrefecido por transferência de calor "warm end" a uma temperatura suficientemente baixa para que o vapor de água e o dióxido de carbono solidifiquem nas superfícies do permutador de calor. Um sistema de válvulas alterna o funcionamento das passagens de ar e de gases residuais em intervalos regulares. Após a transição, o gás residual muito seco e diferentemente aquecido evapora a água e sublima o gelo de dióxido de carbono que se formou durante o intervalo de arrefecimento do ar. Estes gases são libertados de volta para a atmosfera e o permutador de calor invertido está preparado para uma nova inversão do regime de trânsito depois de terem sido completamente eliminados.

Os sistemas de absorção a frio são utilizados quando são utilizados permutadores de calor invertidos para eliminar quaisquer hidrocarbonetos que entrem nas unidades de destilação. (Nas unidades de pré-purificação, os hidrocarbonetos poluentes são eliminados juntamente com o vapor de água e o dióxido de carbono quando é utilizado um crivo molecular "front end").

3. Condução de calor para baixar a temperatura do ar de alimentação para níveis criogénicos

O calor é trocado entre a alimentação de ar que entra e a saída fria e o fluxo de gás residual que sai do processo de destilação criogénica em permutadores de calor de alumínio soldado. Os canais de gás de saída são reaquecidos a uma temperatura próxima da do ar ambiente. A quantidade de refrigeração que tem de ser gerada pela instalação é reduzida através da recuperação da refrigeração dos canais de produtos gasosos e dos fluxos de resíduos.

Uma técnica de refrigeração que incorpora o crescimento de um ou mais fluxos de degraus de pressão aumentada produz a temperatura extremamente fria necessária para a destilação criogénica.

4. Destilação de ar

Dois pilares de destilação são utilizados em sucessão para produzir oxigénio como subproduto no sistema de destilação. Os termos mais utilizados são os pilares de "alta" e "baixa" tensão (ou, em alternativa, os pilares "inferior" e "superior"). As instalações de azoto podem ter uma ou duas colunas, em função da sua pureza. Cada pilar de destilação deixa sair o azoto pela parte superior e o oxigénio pela parte inferior. Quando o oxigénio contaminado produzido no primeiro pilar (de maior pressão) é um produto desejado, é ainda mais refinado no segundo pilar, de menor pressão. Se se pretende obter azoto ultra-puro, o pilar superior ou de baixa pressão é utilizado para eliminar quase todo o oxigénio que não foi removido durante a primeira fase de destilação.

O árgon tem um ponto de ebulição comparável ao do oxigénio, pelo que, se forem necessários apenas oxigénio e nitrogénio como subprodutos, ficará de preferência com a saída de oxigénio. Num sistema convencional de dois pilares, isto restringe a pureza do oxigénio a cerca de 97%. Se for permitido oxigénio de baixa pureza (por exemplo, para melhorar a combustão), a pureza do oxigénio pode ser tão reduzida como 95%. No entanto, o árgon deve ser eliminado da unidade de destilação se se pretender um oxigénio de elevada pureza.

Quando o árgon é necessário, é retirado numa posição do fluxo de baixa pressão onde a concentração de árgon é máxima. O árgon extraído é tratado numa torre de destilação de árgon bruto "side-draw" que está incorporada no pilar de baixa pressão. O fluxo de árgon contaminado pode ser ventilado, tratado no local para eliminar o oxigénio e o azoto e produzir árgon "puro", ou armazenado como líquido e entregue a uma "destilaria de árgon" distante. A opção é determinada principalmente pela quantidade de árgon acessível e por uma análise custo-benefício das diferentes opções. Como orientação básica, a purificação do árgon é mais rentável quando são geradas pelo menos 100 toneladas de oxigénio por dia.

É utilizada uma técnica em várias etapas para fabricar árgon puro a partir de árgon bruto. O método convencional envolve a utilização de um componente "de-oxo" para eliminar o oxigénio 2 - 3 % existente no árgon bruto. Trata-se de um pequeno procedimento em várias etapas que combina quimicamente o oxigénio com o hidrogénio num recipiente contendo um catalisador e, em seguida, elimina a água subsequente (após arrefecimento) num secador de peneira molecular. O fluxo de árgon isento de oxigénio é em seguida destilado para eliminar os restos de azoto e hidrogénio insolúvel numa unidade de destilação de "árgon puro".

Uma segunda opção de fabrico de árgon surgiu como resultado dos avanços na tecnologia de destilação em coluna: a recuperação de árgon completamente criogénica, que emprega uma coluna de destilação muito alta (mas de diâmetro minúsculo) para conseguir o difícil desacoplamento árgon/oxigénio. A variação relativamente modesta dos pontos de ebulição entre o oxigénio e o árgon necessita de várias fases de destilação para o árgon.

A quantidade de oxigénio tratada no sistema de destilação, bem como uma variedade de outras variáveis que influenciam a taxa de recuperação, restringem o volume de árgon que uma instalação pode produzir. Estes factores incluem o volume de oxigénio líquido produzido e a consistência dos parâmetros de funcionamento da instalação. A produção de árgon não pode exceder 4,4 por cento da taxa de alimentação de oxigénio (em volume) ou 5,5 por cento em peso, devido à proporção de gás naturalmente existente no ar.

Os permutadores de calor frontais são utilizados para redirecionar os produtos gasosos frios e os fluxos de resíduos provenientes das torres de separação de ar. Arrefecem o ar de entrada à medida que o aquecem até à temperatura quase ambiente. Como mencionado anteriormente, a transferência de calor entre os fluxos de entrada e de produto reduz a carga líquida de refrigeração da instalação e, como resultado, utilização de energia.

5. Refrigeração

Para ter em conta as fugas de calor para os aparelhos de frio e a fraca troca de calor entre os fluxos gasosos que entram e saem, a refrigeração é produzida a temperaturas criogénicas.

O ciclo de refrigeração utilizado nas instalações de separação criogénica do ar é teoricamente idêntico ao aplicado nos sistemas de ar condicionado doméstico e automóvel. Consoante o tipo de instalação, um ou mais fluxos de alta pressão (azoto, gás residual, gás de alimentação ou gás de saída) sofrem uma redução de pressão, arrefecendo o fluxo. A queda de pressão (ou expansão) tem lugar no interior de um expansor para aumentar a eficácia do arrefecimento e da energia industrial. 

A temperatura do fluxo de gás é mais reduzida quando lhe é retirada energia durante o crescimento do que quando é simplesmente expandida através de uma válvula. A energia do expansor pode ser utilizada para alimentar um condensador de procedimentos, um gerador elétrico ou outro dispositivo que consome muita energia, como uma bomba de óleo ou um ventilador de ar.

As saídas gasosas de uma fábrica de oxigénio criogénico/sistema de separação de ar saem normalmente da caixa fria (o recipiente isolado que contém as secções de destilação e outras máquinas que funcionam a temperaturas muito baixas) a temperaturas próximas da atmosférica, mas a uma pressão reduzida; muitas vezes um pouco acima de um ambiente (absoluto). A processo de separação e purificação é mais eficiente, em geral, quando a pressão de entrega é reduzida.

Embora uma pressão mais baixa promova menores necessidades de energia de separação, se as saídas tiverem de ser fornecidas a uma pressão mais elevada, serão necessários compressores de produto ou uma das várias alternativas de ciclo para alimentar azoto ou oxigénio a uma pressão de distribuição mais elevada diretamente a partir da câmara frigorífica. Estas técnicas de pressão de distribuição mais elevada podem ser mais eficientes em termos de custos do que a separação acompanhada de compressão, uma vez que não requerem um compressor de produto ou a sua eletricidade.

Conselhos eficazes e de segurança

Antes de iniciar a construção e o projeto de qualquer sistema ou processo criogénico, realize uma análise formal dos riscos. Determine os riscos e a forma como os vai abordar. Colocar cenários de "e se". Lembre-se que a maquinaria pode falhar, os fluidos criogénicos podem converter-se rapidamente em gás, as válvulas podem ter fugas ou ser manipuladas incorretamente e os vácuos podem funcionar mal. Independentemente da dimensão ou da complexidade do sistema criogénico, esta avaliação deve ser efectuada.

Desde o início, inclua a segurança no seu equipamento e procedimentos. A incorporação de elementos de segurança no final da fase de projeto pode ser dispendiosa e demorada, e é possível que os riscos não sejam tidos em conta. Vale a pena notar que é sempre preferível eliminar um perigo através do projeto de engenharia em vez de o melhorar.

Mesmo os especialistas podem deixar passar algo ou cometer um erro. É fundamental que a segurança do seu sistema criogénico seja avaliada por outras pessoas, quer sejam outros colegas de trabalho, peritos externos ou organismos de análise formal, a fim de melhorar as hipóteses de um sistema seguro.

Avaliar sempre a probabilidade de perigos de deficiência de oxigénio quando se lida com líquidos criogénicos ou gases inertes, independentemente da quantidade. Estabelecer que esse perigo não existe através de uma avaliação ou implementar melhorias ou atenuações de conceção relevantes para eliminar ou reduzir o perigo. Devido ao enorme volume de gás produzido mesmo por pequenos volumes de líquido criogénico e à possibilidade de, com níveis de oxigénio suficientemente baixos, o primeiro sintoma fisiológico poder ser uma rápida perda de consciência, acompanhada de coma e morte, as dificuldades de ODH são particularmente graves.

A temperaturas criogénicas, utilizar apenas substâncias que tenham demonstrado funcionar a essas temperaturas. Não esquecer que as substâncias que supostamente funcionam a temperaturas ambientes (como as paredes exteriores dos recipientes de vácuo) podem atingir temperaturas criogénicas em determinados mecanismos de falha durante a avaliação do perigo.

Verificar se todas as pessoas que operam com ou perto de equipamentos criogénicos, mesmo os utilizadores casuais ou ocasionais, receberam o grau de formação necessário em matéria de segurança criogénica e de riscos de deficiência de oxigénio.

Utilize sempre o equipamento de proteção individual adequado e cumpra os processos operacionais estabelecidos. Tomar atalhos resulta frequentemente em acidentes.

A linha de fundo

No processo de separação criogénica do ar, os agentes de secagem são uma necessidade. É necessário trabalhar com um unidade de fabrico que podem oferecer-lhe produtos de alta qualidade. Contactar-nos e teremos todo o gosto em oferecer-lhe os nossos serviços.