Compreender as unidades de separação de ar: Princípio de funcionamento e aplicações

Devido à crescente necessidade de gases de elevada pureza nas indústrias, as Unidades de Separação de Ar (UAS) são atualmente uma necessidade. Estas oferecem um meio económico de gerar a pureza necessária de oxigénio, azoto e árgon em grandes quantidades. Em comparação com outros métodos de fornecimento de gás, a separação criogénica do ar é mais eficiente, custa menos por unidade de gás e é mais adaptável à produção em grande escala.

Mas o que é uma ASU, como funciona e porque é que é relevante em vários campos? Neste artigo, vamos centrar-nos na forma como funcionam, de que são feitas e onde são utilizadas na indústria.

O que é uma Unidade de Separação de Ar (ASU)?

Uma Unidade de Separação de Ar, ou ASU, é uma instalação industrial que é utilizada para separar os gases individuais do ar. O ar, que pode ser considerado como uma substância pura, é na realidade uma mistura de gases, principalmente azoto, oxigénio e árgon, e alguns outros gases.

A principal função da ASU é desmisturar esta mistura nos seus componentes. Isto não se destina apenas a fins académicos; os produtos finais - azoto, oxigénio e árgon - são ingredientes essenciais para uma vasta gama de aplicações industriais. O azoto é utilizado como gás inerte nas indústrias química e eletrónica, o oxigénio é utilizado nas indústrias de combustão e médica e o árgon é utilizado nas indústrias de soldadura e iluminação.

A ASU não é, portanto, apenas uma peça de equipamento, mas uma tecnologia fundamental que apoia muitas indústrias da economia contemporânea. É um fator de produção fundamental para indústrias tão diversas como a siderurgia e os cuidados de saúde, convertendo o ar em produtos industriais valiosos. É importante compreender a ASU para compreender a espinha dorsal de muitos processos de fabrico no mundo atual.

Explicação das principais tecnologias e princípios da ASU

As Unidades de Separação de Ar utilizam os princípios da termodinâmica e da ciência dos materiais, principalmente através da destilação criogénica, gerindo ciclos de baixa temperatura reforçados pelo efeito Joule-Thomson para liquefazer eficazmente o ar para a separação de gases.

No entanto, a destilação criogénica continua a ser o método mais comum de separação do ar, apesar de existirem outros métodos como a separação por membranas e os processos de adsorção. É o mais eficiente e amplamente utilizado para requisitos de separação em grande escala e de elevada pureza.

Princípio da destilação criogénica

A destilação criogénica é o processo de trabalho mais comum da maioria das unidades de separação de ar. Este método baseia-se nas diferenças de pontos de ebulição dos principais constituintes do ar.

Depois de o ar ter sido arrefecido e comprimido, é introduzido em colunas de destilação. Estas são estruturas muito altas e especializadas que são utilizadas para fins de destilação fraccionada. O nitrogénio, que é o primeiro a vaporizar devido ao seu baixo ponto de ebulição, sobe na coluna, enquanto os outros componentes permanecem na base. O oxigénio, que tem um ponto de ebulição mais elevado, permanece no estado líquido e é recolhido no fundo. O árgon, que está presente em menor quantidade, é normalmente recolhido numa secção intermédia da coluna.

O processo de separação não é um processo de uma só etapa, mas um processo que envolve o processo de vaporização e condensação na coluna. É possível imaginar um regime de fluxo em contracorrente onde as fases de vapor e líquida interagem, enriquecendo os componentes desejados em diferentes níveis.

Os gradientes de temperatura e pressão no interior destas colunas de destilação devem ser controlados para os níveis necessários para atingir a pureza desejada dos gases separados. A destilação criogénica é, portanto, uma forma mais avançada e eficiente de separar gases do ar com elevada pureza.

Efeito Joule-Thomson no arrefecimento

O arrefecimento do gás a temperaturas criogénicas dentro de uma ASU baseia-se principalmente no efeito Joule-Thomson. Este princípio termodinâmico refere-se à mudança de temperatura de um gás ou vapor real quando este passa através de uma válvula ou de um tampão poroso e todo o calor é impedido de ser transferido para o meio envolvente.

Em particular, quando se deixa um gás comprimido expandir-se livremente, ele arrefece. Este efeito de arrefecimento ocorre porque, nos gases reais, existem forças intermoleculares. É necessário fazer um esforço para contrariar estas forças de atração à medida que o gás se expande e esta energia é derivada da energia interna do gás e, consequentemente, da diminuição da temperatura.

Nos sistemas ASU, o efeito Joule-Thomson é utilizado de forma muito eficaz nos ciclos de arrefecimento. O ar comprimido é então passado através de um dispositivo de expansão, como uma válvula ou uma turbina. Esta expansão resulta numa diminuição considerável da temperatura. O gás arrefecido é então utilizado para pré-arrefecer o ar comprimido de entrada num permutador de calor para formar um ciclo de arrefecimento regenerativo. Este processo de expansão e troca de calor é feito de forma cíclica e a temperatura é reduzida até ao ponto em que se consegue a liquefação e os produtos finais são o oxigénio líquido e o azoto líquido.

O efeito Joule-Thomson é, portanto, um componente crítico das tecnologias criogénicas, que são utilizadas para liquefazer o ar para posterior separação.

Componentes chave em sistemas ASU

Uma ASU é composta por vários sistemas que se integram para funcionar como uma única unidade: compressores de ar para aumentar a pressão, pré-arrefecimento para diminuir a temperatura e peneiras moleculares para purificação. As colunas de destilação são essenciais para a separação dos gases, enquanto os liquefactores são utilizados para manter os gases a temperaturas criogénicas.

Estes componentes integrados e controlados permitem separar o ar em azoto, oxigénio e árgon de elevada pureza, essenciais para o funcionamento da ASU.

Compressor de ar e Pré-arrefecimento

O compressor de ar é a primeira e a mais básica peça de uma ASU. O seu objetivo é aspirar o ar do ambiente e comprimi-lo até às altas pressões necessárias para o processo de liquefação criogénica. Trata-se, na sua maioria, de compressores industriais de várias fases, construídos para uma utilização constante e eficaz. No entanto, o próprio processo de compressão aumenta a temperatura do ar, uma vez que o calor é produzido durante o processo. Este ar comprimido quente não é adequado para o processamento criogénico do material. Assim, é inevitável uma fase de pré-arrefecimento.

Os sistemas de pré-arrefecimento são utilizados para arrefecer o ar comprimido a uma temperatura mais baixa, utilizando refrigeração mecânica e permutadores de calor antes de ser arrefecido na secção criogénica. O pré-arrefecimento tem várias funções importantes: reduz a carga de arrefecimento do sistema de refrigeração criogénica, aumenta a eficiência do processo de liquefação subsequente e, mais importante, ajuda a eliminar uma parte significativa do vapor de água contido no ar de admissão. É importante remover o vapor de água nesta fase para evitar a formação de gelo nas secções extremamente frias da ASU, o que pode causar bloqueios e interferências operacionais. O compressor de ar e o sistema de pré-arrefecimento, trabalhando em conjunto, preparam o fluxo de ar para as fases de separação criogénica delicadas e intensivas em energia que se seguem.

Sistema de purificação por peneira molecular

A separação eficaz do ar a temperaturas criogénicas exige uma purificação meticulosa do fluxo de ar de entrada. O ar, como fonte de azoto, oxigénio e árgon, contém não só componentes úteis, mas também misturas indesejáveis, como vapor de água, dióxido de carbono e hidrocarbonetos. Estes contaminantes, se não forem removidos, precipitarão a temperaturas criogénicas, o que causará problemas operacionais, tais como bloqueios no equipamento, má transferência de calor e qualidade do produto.

O sistema de purificação por peneira molecular foi concebido para satisfazer esta importante necessidade. Utiliza um sistema específico de peneira molecular adsorventes (4A, 5A, 13X, etc.) para adsorver seletivamente estas impurezas. Estes materiais são selecionados devido ao seu tamanho de poro bem definido que pode filtrar seletivamente a nível molecular. Isto permite-lhes captar as moléculas de água, o dióxido de carbono e os hidrocarbonetos, deixando passar livremente os outros componentes do ar.

Os sistemas de purificação ASU têm normalmente vários leitos de adsorvente que funcionam de forma cíclica, o que é feito utilizando a adsorção por oscilação de pressão (PSA ou VPSA) ou a adsorção por oscilação de temperatura (TSA). Este funcionamento cíclico permite uma remoção altamente eficaz dos contaminantes a todo o momento. O sistema de purificação por peneira molecular é muito importante para o funcionamento a longo prazo da ASU e para atingir a pureza necessária dos gases separados, o que, por sua vez, resulta em gases de elevada pureza. Por conseguinte, é necessário garantir que o sistema de purificação por peneira molecular adequado e eficaz seja implementado para obter o melhor e mais fiável desempenho da ASU.

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Colunas de destilação e liquefactores

As colunas de destilação são o núcleo de uma ASU, uma vez que é aqui que ocorre a separação efectiva do ar liquefeito. Não se trata apenas de simples canais, mas de projectos de engenharia complexos, que podem conter tabuleiros ou embalagens estruturadas para garantir que as fases de vapor e de líquido entram em contacto eficaz para efeitos de separação.

Os liquefactores fazem parte do equipamento integrado que funciona em conjunto com as colunas de destilação. O seu principal objetivo é manter as baixas temperaturas necessárias para a destilação e manter o ar constantemente no estado líquido. Os liquefactores utilizam refrigerantes e ciclos de expansão para remover o calor do sistema e garantir que as colunas de destilação se encontram às baixas temperaturas adequadas. Nestas colunas, o processo de separação é controlado por gradientes de temperatura e pressão que são mantidos no interior da coluna. O azoto, sendo mais volátil, evapora-se e sobe na coluna, enquanto o oxigénio e o árgon, com pontos de ebulição mais elevados, se condensam e descem.

As especificações das colunas de destilação e dos liquefactores são fundamentais para determinar a eficiência do processo de separação e a pureza dos gases separados. São a tecnologia chave que converte o ar liquefeito em gases industriais valiosos e de elevada pureza.

Diversas aplicações industriais da ASU

Os gases gerados pelas ASUs não são produtos de nicho; são requisitos básicos numa vasta gama de indústrias e estão envolvidos em quase todos os aspectos do mundo contemporâneo. As aplicações são numerosas e essenciais, e muitas delas exigem a utilização de uma quantidade significativa de oxigénio.

No fabrico de aço, o oxigénio das ASUs ajuda a melhorar a eficiência da combustão dos fornos. A indústria química depende do azoto derivado das ASU para atmosferas inertes e como reagente em processos como a produção de amoníaco. Os cuidados de saúde necessitam de oxigénio medicinal para o tratamento e cuidados dos doentes. Para além destas, as ASU são úteis no fabrico de produtos electrónicos, no processamento de alimentos e em muitas outras indústrias, como as centrais eléctricas, onde o oxigénio pode melhorar a eficiência da combustão e diminuir as emissões em algumas tecnologias, como a gaseificação.

Desde a produção em grande escala até às operações complexas no domínio da saúde, a tecnologia ASU é essencial, uma vez que os processos que suporta são cruciais para o mundo industrial contemporâneo.

ASU na indústria siderúrgica

A indústria siderúrgica é uma das indústrias mais importantes do mundo moderno e é um dos maiores consumidores de produtos da Unidade de Separação de Ar. O oxigénio, que é o principal produto da ASU para a produção de aço, é útil para aumentar a eficiência dos altos-fornos e dos fornos de oxigénio básicos. A suplementação destes fornos com oxigénio de elevada pureza aumenta a taxa de combustão e, por conseguinte, a taxa de produção de aço e diminui a quantidade de combustível utilizada por tonelada de aço. Isto não só acelera o processo de produção de aço, como também diminui o custo de produção, tornando-o mais económico e amigo do ambiente.

Além disso, o azoto gerado pelas ASUs é utilizado nas indústrias siderúrgicas para fins de inertização e purga, a fim de evitar qualquer forma de oxidação durante o processo de fabrico e manuseamento do aço. As ASUs e a indústria siderúrgica são mutuamente dependentes: As ASU fornecem o oxigénio necessário para uma produção de aço eficiente e, por outro lado, a grande escala da indústria siderúrgica cria a procura e a necessidade de desenvolvimento da tecnologia ASU.

As ASU são, de facto, activos estratégicos para a indústria siderúrgica contemporânea, uma vez que permitem o fabrico deste material de engenharia vital.

ASU na indústria química

A indústria química é uma indústria altamente sensível que envolve muitas reacções químicas e, por isso, requer as propriedades inertes e reactivas dos gases gerados pelas Unidades de Separação de Ar. O nitrogénio, que é o gás mais comum separado pelas UAS, é um elemento crítico na segurança e no controlo de processos nas indústrias de fabrico de produtos químicos. É utilizado como um gás inerte de cobertura para evitar reacções com o oxigénio ou a humidade em tanques de armazenamento, condutas e reactores químicos. Esta atmosfera inerte é especialmente importante no manuseamento de produtos químicos inflamáveis, explosivos ou sensíveis ao oxigénio para proporcionar condições seguras de produção e armazenamento.

Para além da inertização, o oxigénio das UAS é utilizado como reagente em vários processos de síntese química, incluindo reacções de oxidação na produção química em grande escala e etapas de oxidação nas indústrias química fina e farmacêutica. Isto deve-se ao facto de, na indústria química, a pureza e a fiabilidade do fornecimento de gás das UAS terem de ser muito elevadas, uma vez que mesmo pequenas impurezas podem perturbar o equilíbrio químico e afetar a qualidade do produto final.

Desde a melhoria das medidas de segurança até à facilitação de reacções químicas complexas, os gases ASU são instrumentos versáteis que são cruciais para os engenheiros químicos e para a indústria química.

ASU no sector da saúde

No sector dos cuidados de saúde, as ASU já não são apenas ferramentas industriais; são instalações de suporte de vida que fornecem oxigénio de qualidade médica necessário para o tratamento de doentes e para a ventilação. Hospitais, clínicas e outras instalações médicas requerem uma pureza constante e elevada de oxigénio para várias utilizações nas suas operações. Estas são a terapia respiratória para pacientes com doenças pulmonares, anestesia durante cirurgias, incubadoras de oxigénio para recém-nascidos e reanimação cardiopulmonar.

O oxigénio medicinal gerado pelas ASUs é posteriormente purificado e testado para cumprir as normas exigidas de oxigénio puro para a respiração humana, que normalmente é de 99,5% ou superior, para garantir que os pacientes estão seguros e que o oxigénio é eficaz no processo de tratamento.

Para além do oxigénio, o azoto das ASU é utilizado na preservação de amostras biológicas, como sangue e tecidos, e em algumas operações cirúrgicas. A disponibilidade contínua e consistente de oxigénio medicinal produzido por ASU é obrigatória nas instalações de cuidados de saúde; qualquer interrupção pode levar a efeitos adversos nas condições dos pacientes. As ASU nos cuidados de saúde são normalmente construídas com sistemas de reserva para funcionarem 24 horas por dia, 365 dias por ano, como protectores invisíveis da saúde respiratória em instalações de cuidados de saúde em todo o mundo.

Otimização do desempenho da ASU: Factores-chave

O desempenho ótimo da ASU depende de vários factores-chave. Eles incluem: Exigências de pureza e caudal, eficiência energética e custo, e seleção da peneira molecular. Estes factores devem ser geridos de forma óptima para aumentar a eficácia da ASU e o seu valor económico.

Exigências de pureza e caudal

As condições de funcionamento e as caraterísticas de conceção de uma unidade de separação de ar são determinadas principalmente pelo nível de pureza e pelo caudal das aplicações que a unidade deve servir. Por exemplo, as aplicações de oxigénio medicinal requerem níveis de pureza muito elevados de oxigénio, frequentemente acima de 99,999%, com limites regulamentares específicos para as impurezas permitidas. Para cumprir estes requisitos de elevada pureza, são necessárias etapas de purificação e destilação adicionais e possivelmente mais consumidoras de energia na ASU, o que exige uma integração muito estreita dos permutadores de calor para um desempenho ótimo.

Por outro lado, algumas utilizações industriais, por exemplo, o azoto para a cobertura de inertes, podem exigir níveis de pureza mais baixos, o que pode permitir a utilização de técnicas de separação mais simples e menos intensivas em energia. Do mesmo modo, os requisitos de caudal também são diferentes consoante a dimensão da aplicação final. Uma grande siderurgia integrada necessitará de uma quantidade enorme e constante de oxigénio e, por conseguinte, de ASUs de grande capacidade, ao passo que um pequeno laboratório de investigação poderá necessitar apenas de uma pequena quantidade de azoto de elevada pureza.

Por isso, é importante que a definição exacta dos requisitos de pureza e de caudal seja claramente definida no início da conceção e funcionamento da ASU. Isto significa que a produção da ASU é ajustada às necessidades do utilizador final, excluindo assim a possibilidade de uma engenharia excessiva e de eventuais problemas de desempenho.

Eficiência energética e Custo

As ASU, pela sua própria conceção, requerem uma grande quantidade de energia eléctrica para conduzir o processo de compressão. O processo de liquefação e destilação do ar requer temperaturas baixas, que são alcançadas através da utilização de uma grande quantidade de energia para a compressão e refrigeração do ar. Assim, a eficiência energética não é apenas um fator ambiental para os operadores da ASU; é uma necessidade comercial que afecta o resultado final. Reduzir o consumo de energia equivale a reduzir custos e aumentar a competitividade da empresa.

Existem muitas soluções de engenharia que são utilizadas para melhorar a eficiência energética da ASU. Estas incluem a melhoria das caraterísticas dos compressores de ar, a utilização de sistemas de recuperação de calor para captar o calor residual de diferentes processos e reutilizá-lo, a utilização de ciclos de refrigeração melhores e mais eficientes e a utilização de componentes energeticamente eficientes nas instalações da ASU.

Além disso, os novos desenvolvimentos na conceção do processo ASU, incluindo o acoplamento das etapas do processo e a otimização da conceção das colunas de destilação, ajudam a minimizar o consumo global de energia. A procura constante de melhoria da eficiência energética na tecnologia ASU deve-se aos benefícios económicos e à crescente preocupação com o ambiente e às normas mais rigorosas que regulam o consumo de energia nas indústrias. É um processo contínuo de melhoria que procura aumentar a eficiência da tecnologia ASU numa tentativa de reduzir os custos de produção no futuro.

Seleção de crivo molecular

A seleção do adsorvente de peneira molecular adequado para o sistema de purificação de uma Unidade de Separação de Ar é uma decisão com implicações significativas para o desempenho da ASU, fiabilidade operacional e custos operacionais globais. Diferentes tipos de peneiras moleculares apresentam variações na capacidade de adsorção, seletividade para contaminantes específicos (vapor de água, dióxido de carbono, hidrocarbonetos) e caraterísticas de regeneração.

A seleção do tipo e grau de peneira molecular ideal para uma instalação específica de ASU requer uma consideração cuidadosa de factores como a composição da entrada de ar ambiente, as especificações de pureza desejadas dos gases separados e as condições específicas de funcionamento do sistema de purificação.

Um crivo molecular criteriosamente escolhido não só assegurará uma remoção eficiente e fiável dos contaminantes visados, evitando a incrustação do sistema e mantendo a pureza do gás do produto, como também contribuirá para aumentar a vida útil do adsorvente e reduzir o consumo de energia durante os ciclos de regeneração.

Por outro lado, uma seleção de peneira molecular abaixo do ideal pode levar a uma diminuição da eficiência da purificação, a um aumento do tempo de inatividade operacional devido a incrustações, a custos de energia elevados associados a uma regeneração mais frequente e, em última análise, a uma qualidade comprometida do gás produzido. Por conseguinte, a seleção da peneira molecular não é uma decisão de rotina, mas uma consideração estratégica de engenharia que tem um impacto direto no sucesso operacional a longo prazo e no desempenho económico das instalações da ASU.

Avanços e futuro da tecnologia ASU

O campo da tecnologia da Unidade de Separação de Ar (ASU) está a evoluir rapidamente, impulsionado pelas crescentes exigências de eficiência, sustentabilidade e novas aplicações. Os futuros sistemas ASU serão mais eficientes do ponto de vista energético, integrando materiais avançados, designs de processos optimizados e sistemas de controlo inteligentes para minimizar o consumo de energia e maximizar a recuperação de gás.

As ASUs modulares e mais pequenas estão a ganhar força, permitindo a produção de gás no local para aplicações de menor escala e locais remotos. Além disso, a digitalização e as operações de ASU orientadas para a IA estão a aumentar a eficiência, com sensores inteligentes, análise de dados e sistemas de manutenção preditiva que garantem um desempenho ideal e um tempo de inatividade reduzido.

As melhorias contínuas na tecnologia de peneiras moleculares também estão a contribuir para os avanços do ASU. As peneiras moleculares desempenham um papel fundamental na purificação do ASU, garantindo uma elevada pureza do gás através da remoção efectiva de contaminantes. Atualmente, os investigadores estão a desenvolver ativamente peneiras moleculares mais selectivas e eficientes para melhorar a capacidade de adsorção, prolongar a vida útil e reduzir os custos de energia. Se pretende impulsionar a inovação na purificação de ASU, a parceria com a Jalon pode apoiar o desenvolvimento de peneiras moleculares da próxima geração, melhorando o desempenho e a sustentabilidade.

Para além das aplicações tradicionais, a tecnologia ASU está a expandir-se para a produção de energia de hidrogénio e captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS), desempenhando um papel crucial na descarbonização e na transição para um futuro energético mais sustentável. À medida que as indústrias de todo o mundo continuam a depender de gases industriais de alta pureza, o futuro da tecnologia ASU permanece brilhante - oferecendo soluções mais eficientes, versáteis e impactantes para um mundo em rápida evolução.