Processo de Destilação Criogénica: Um Guia para a Separação de Ar

Introdução à Destilação Criogénica

No domínio da separação do ar, a destilação criogénica é um processo importante que permite produzir azoto, oxigénio e árgon de alta pureza. Esta tecnologia avançada, uma das principais tecnologias criogénicas, funciona com base na destilação fraccionada e depende de temperaturas extremamente baixas para separar os componentes do ar devido aos seus diferentes pontos de ebulição. A destilação criogénica é normalmente utilizada em muitas indústrias, incluindo a produção de gases industriais, o enriquecimento da combustão e a produção de gases especiais.

As unidades criogénicas de separação de ar (ASU) ou instalações de separação de ar são os locais onde se realiza a destilação criogénica através da compressão do ar atmosférico, do seu arrefecimento e da sua separação nos seus principais constituintes. O processo envolve uma combinação de permutadores de calor, colunas para fracionar a mistura em diferentes níveis de composição de líquidos, bem como sistemas de refrigeração que trabalham em conjunto para atingir os requisitos de pureza pretendidos. Estas tecnologias criogénicas são também utilizadas na liquefação e separação do gás natural. As peneiras moleculares são partes vitais deste sistema, uma vez que ajudam a remover impurezas como o vapor de água, o dióxido de carbono e os hidrocarbonetos dos fluxos de entrada e de produto. De acordo com um relatório da Grand View Research, o tamanho do mercado global para plantas de separação de ar foi avaliado em $4.8 bilhões em 2020 e deve crescer a um CAGR de 5.2% entre 2021-2028.

Componentes principais de um sistema de destilação criogénica

Compressão e arrefecimento do ar

A destilação criogénica começa com a compressão e o arrefecimento do ar. A filtragem do ar para eliminar quaisquer impurezas é o primeiro passo antes de o comprimir a altas pressões, muitas vezes entre 6-8 bar. O ar comprimido é submetido a vários processos de permuta de calor, que reduzem a sua temperatura para valores próximos do ambiente. O principal objetivo desta fase inicial de arrefecimento é preparar o ar para o processamento posterior, assegurando simultaneamente uma maior eficácia das fases criogénicas.

Permutadores de calor no arrefecimento criogénico

A rede de permutadores de calor, por sua vez, arrefece o ar comprimido a níveis criogénicos após uma fase inicial de arrefecimento. Estes permutadores de calor atingem uma temperatura de entrada gradualmente mais baixa através da utilização de gases de escape frios das colunas de destilação. A cerca de -180°C, atinge um ponto em que começa a liquefação. A liquefação é um processo importante na destilação criogénica, uma vez que permite o fracionamento dos seus constituintes através dos seus diferentes pontos de ebulição.

Colunas de Destilação e Refrigeração

O coração do processo de destilação criogénica encontra-se nas colunas de destilação, onde ocorre a separação do ar nos seus ingredientes básicos. Um vapor rico em azoto e um líquido rico em oxigénio são produzidos quando o ar liquidificado entra numa coluna de destilação de alta pressão. Em seguida, o gás rico em azoto é purificado através de uma coluna de destilação de baixa pressão, enquanto o líquido rico em oxigénio se livra de outras impurezas e recupera árgon.

A refrigeração desempenha um papel importante na manutenção das condições criogénicas necessárias para uma separação atmosférica eficaz. Nos sistemas de refrigeração de circuito fechado utilizados durante os processos de destilação criogénica, são também normalmente utilizados o ciclo de expansão do azoto ou o ciclo misto de refrigerante. Os sistemas de refrigeração asseguram que as colunas estão a trabalhar dentro das temperaturas corretas necessárias para uma boa separação entre os vários componentes do ar.

O papel dos crivos moleculares na destilação criogénica

Unidades de pré-purificação de crivo molecular

O processo de destilação criogénica consiste principalmente na utilização de crivos moleculares para pré-purificar o ar. O ar comprimido passa por um leito de crivo molecular antes de entrar na unidade principal de separação do ar, com o objetivo de eliminar as impurezas que podem dificultar o processo criogénico ou prejudicar a qualidade do produto.

Uma das funções importantes das peneiras moleculares nesta fase é a remoção do vapor de água e do dióxido de carbono do ar comprimido. Quando não são removidas, estas impurezas podem congelar e bloquear os permutadores de calor, bem como as colunas de destilação, causando interrupções no processo e uma eficácia reduzida. As peneiras moleculares são capazes de reter o vapor de água e o dióxido de carbono com a sua capacidade de adsorção selectiva, proporcionando assim uma alimentação de ar limpo e seco para a destilação criogénica.

As unidades de pré-purificação por crivo molecular têm várias vantagens em relação aos permutadores de calor invertidos clássicos. No entanto, os permutadores de calor invertidos não conseguem eliminar eficazmente o dióxido de carbono, embora sejam competentes na remoção do vapor de água. Ao contrário destes últimos, as peneiras moleculares podem remover simultaneamente o vapor de água e o dióxido de carbono, proporcionando assim uma solução de purificação completa. Em segundo lugar, as peneiras moleculares têm uma melhor capacidade de adsorção e funcionam a temperaturas mais elevadas do que os permutadores de calor invertidos, o que conduz a uma maior eficiência energética e a menores custos de manutenção.

Aplicações de crivo molecular na separação de ar

Para o fabrico de produtos puros na destilação criogénica, os crivos moleculares são muito importantes. Os crivos moleculares removem substâncias como o vapor de água, o dióxido de carbono e os hidrocarbonetos da corrente de ar, de modo a produzir azoto, oxigénio e árgon de elevada pureza.

Os crivos moleculares também protegem o equipamento a jusante na destilação criogénica. Ao remover as impurezas que podem danificar ou prejudicar o desempenho dos permutadores de calor, colunas de destilação e outros componentes-chave, os crivos moleculares prolongam a vida útil do equipamento e reduzem a manutenção. Em aplicações criogénicas, esta proteção é essencial porque estas temperaturas extremamente baixas conduzem a um desgaste rápido do equipamento devido à presença de impurezas.

O processo de destilação criogénica

Colunas de destilação de alta e baixa pressão

No processo de destilação criogénica, são utilizadas várias colunas de destilação de alta e baixa pressão para separar o ar nos seus componentes principais. A coluna de alta pressão funciona a cerca de 6 a 8 bar, separando o ar num vapor rico em azoto e num líquido rico em oxigénio. No topo da coluna de alta pressão, encontra-se o vapor rico em azoto que alimenta a coluna de baixa pressão com cerca de 1-1,5 bar como pressão de funcionamento. Na coluna de baixa pressão, ocorre uma purificação adicional do azoto, deixando para trás o oxigénio e o árgon.

Separação de azoto, oxigénio e árgon

No processo de destilação criogénica, a separação do azoto, do oxigénio e do árgon depende dos seus diferentes pontos de ebulição: O azoto tem o ponto de ebulição mais baixo (-195,8°C), seguido do árgon (-185,8°C) e do oxigénio (-183°C). O vapor rico em azoto é separado do oxigénio líquido numa coluna de alta pressão, enquanto numa coluna de baixa pressão é limpo para ser condensado posteriormente como azoto altamente purificado. As impurezas são removidas do fundo da coluna de alta pressão, onde voltam a recolher árgon puro.

Processos de refrigeração e expansão

Os processos de refrigeração e expansão são fundamentais para manter as temperaturas criogénicas necessárias para uma separação eficiente do ar. Normalmente, o processo de destilação criogénica utiliza sistemas de refrigeração em circuito fechado que envolvem o ciclo de expansão do azoto ou ciclos mistos de refrigerantes, respetivamente. Por exemplo, uma certa quantidade de azoto pressurizado proveniente das colunas de destilação pode expandir-se através de turbinas, produzindo assim o efeito de arrefecimento necessário para atingir as temperaturas criogénicas (ciclo de expansão do azoto). Em alternativa, o ciclo de refrigerante misto utiliza uma variedade de refrigerantes, como o metano ou o etano, entre outros, juntamente com azoto gasoso para efeitos de eficácia.

Purificação do produto e recuperação de árgon

O processo de destilação criogénica segue a separação do ar nos seus componentes principais, a purificação do produto e a recuperação do árgon. A purificação adicional do vapor rico em azoto da coluna de baixa pressão ocorre para eliminar quaisquer outras impurezas, como o oxigénio e o árgon, a fim de obter azoto de elevada pureza. Esta purificação é efectuada através de outras etapas de destilação ou da utilização de técnicas de adsorção.

O árgon pode ser recuperado como um passo importante na destilação criogénica, uma vez que é um componente valioso derivado da separação do ar. A recuperação do árgon através de uma série de etapas de destilação e de processos de retificação tem lugar num líquido rico em oxigénio na parte inferior da coluna de alta pressão. O árgon bruto concentra-se em primeiro lugar na coluna de árgon antes de ser purificado numa coluna de árgon puro para se obter um nível de pureza adequado. A recuperação de árgon não só aumenta a viabilidade económica de um processo de separação de ar, como também ajuda a satisfazer a crescente procura industrial em diversas indústrias.

O papel dos crivos moleculares no pós-processamento

Além disso, as peneiras moleculares também desempenham um papel crucial na fase de pós-processamento da destilação criogénica. Depois de o ar ter sido separado nos seus componentes primários e de a purificação ter sido inicialmente efectuada, as peneiras moleculares são utilizadas para limpar quaisquer contaminantes remanescentes que possam ainda ser encontrados nos fluxos de produtos. Pode tratar-se de vapor de água residual, dióxido de carbono e hidrocarbonetos que não foram completamente eliminados na fase de pré-purificação ou que podem ter sido adicionados durante a destilação.

A utilização de peneiras moleculares durante as fases de pós-processamento é indispensável para os elevados níveis de pureza exigidos em diferentes aplicações industriais. Desta forma, asseguram que os fluxos de produtos finais cumprem especificações rigorosas de pureza, de acordo com as necessidades dos clientes, através da adsorção selectiva de quaisquer impurezas residuais. Por exemplo, a produção de nitrogénio de elevada pureza para a indústria eletrónica pode utilizar peneiras moleculares para remover vestígios de impurezas que, de outra forma, reduziriam a sua qualidade e afectariam negativamente os processos de fabrico.

Eficiência energética e redução de custos

Sendo o processo de separação do ar altamente intensivo em termos de energia, a eficiência energética torna-se uma questão crítica na destilação criogénica. A melhoria contínua da eficiência energética é importante para reduzir as despesas de funcionamento e reduzir o impacto das alterações ambientais que acompanham as instalações de separação de ar. O calor pode ser melhor utilizado para tornar o processo de destilação criogénica mais eficiente em termos energéticos. A energia pode ser poupada utilizando fluxos de azoto e oxigénio frios do processo para pré-arrefecer o ar de entrada. Além disso, a carga do equipamento criogénico a jusante pode ser reduzida se forem utilizadas peneiras moleculares de elevado desempenho na fase de pré-purificação, reduzindo assim as etapas de purificação adicionais.

Um método alternativo para minimizar os custos da destilação criogénica consiste em utilizar sistemas avançados de controlo do processo. Estes possuem algoritmos complexos e análises de dados em tempo real para um funcionamento ótimo das instalações de separação de ar, de modo a que os parâmetros do processo sejam mantidos dentro dos intervalos necessários. O controlo avançado do processo reduz o consumo de energia, melhora a qualidade do produto e aumenta a eficiência global da instalação. Um relatório da Agência Internacional da Energia afirma que a mudança para sistemas avançados de controlo de processos em instalações de separação de ar pode diminuir até 10% de utilização de energia, indicando assim um grande potencial de redução de custos na destilação criogénica (Agência Internacional da Energia).

Aplicações da destilação criogénica na indústria

Em algum momento, muitas indústrias utilizam a destilação criogénica para a produção de gases de elevada pureza. Antes de examinar as aplicações específicas, é importante considerar como a destilação criogénica se compara com outros métodos de separação de ar em termos de energia consumida, pureza do produto e capacidade da instalação. A tabela seguinte ilustra uma comparação entre os três principais métodos de separação de ar:

Como se pode ver na tabela acima, as destilações criogénicas são as melhores quando se trata de gases de pureza ultra-alta (>99,999%) e são apropriadas para o fabrico em grande escala (5000 toneladas/dia). São estas vantagens que tornam a destilação criogénica popular em várias indústrias, como se verá mais adiante neste documento.

Produção industrial de gás

O método de destilação criogénica é amplamente utilizado neste sector para a separação de grandes quantidades de azoto, oxigénio e árgon de elevada pureza. Estes gases industriais são utilizados em várias indústrias, tais como a metalurgia de processamento químico, a eletrónica e a saúde, etc. Através da destilação criogénica, é possível satisfazer as exigências mais rigorosas destas indústrias, uma vez que permite obter gases com purezas superiores a 99,999%.

Enriquecimento da combustão

No domínio do enriquecimento da combustão, a destilação criogénica também tem um papel importante a desempenhar. Os processos de combustão podem ser optimizados através da aplicação do processo de destilação criogénica que resulta num ar enriquecido com oxigénio. A utilização de ar enriquecido com oxigénio conduz a um aumento da eficiência da combustão, à redução do consumo de combustível e à diminuição das emissões de poluentes como os óxidos de azoto (NOx) e o dióxido de carbono (CO2).

Fabrico de gases especiais

Além disso, o processo de fabrico de gases especiais é realizado através de um processo de destilação criogénica que envolve quantidades muito pequenas de gases altamente puros necessários para fins específicos. Estes gases especiais incluem o azoto, o oxigénio e o árgon de pureza ultra elevada (UHP), para além dos gases raros néon, crípton e xénon. A produção de gases especiais exige níveis de pureza muito mais elevados do que os presentes nos gases industriais, uma vez que podem ir até 99,9999%. A destilação criogénica combinada com técnicas de purificação avançadas, como a adsorção por crivo molecular ou a purificação catalítica, constitui uma via para a produção destes gases de pureza ultraelevada para as aplicações da indústria de semicondutores, células solares ou investigação que deles necessitam.

Conclusão

O processo de destilação criogénica é amplamente utilizado para o fabrico e produção de gases industriais, enriquecimento da combustão e preparação de gases especiais. A sua capacidade de produzir gases com uma pureza superior a 99,999% torna-o uma tecnologia insubstituível em várias indústrias, tais como o processamento químico, a metalurgia, a eletrónica e os cuidados de saúde.

As peneiras moleculares desempenham um papel fundamental no processo de destilação criogénica, tanto na fase de pré-purificação como durante o pós-processamento. A este respeito, a separação criogénica do ar através de processos de destilação será cada vez mais significativa devido ao aumento contínuo da procura de gases industriais de elevada pureza.