Como é que o oxigénio é produzido industrialmente? Um guia completo para o processo

A questão da preparação industrial do oxigénio é importante, uma vez que o oxigénio é utilizado em muitas indústrias, incluindo a saúde, a indústria transformadora, a soldadura e a produção de eletricidade, entre outras utilizações. O processo de produção de oxigénio industrial baseia-se na extração e purificação do oxigénio do ar para satisfazer determinados requisitos. Além disso, o que está a ser feito nesta fase não é apenas a separação do oxigénio, mas também a garantia da sua qualidade, pureza e eficiência.

Neste guia, iremos explorar as principais técnicas de produção industrial de oxigénio, as dificuldades que surgem durante a produção e as tecnologias que irão definir o futuro. No final deste artigo, estará em condições de compreender todas as etapas da produção de oxigénio.

O que é a produção industrial de oxigénio?

A produção industrial de oxigénio é o processo de obtenção e purificação do oxigénio do ar para as necessidades de várias indústrias. Embora o oxigénio esteja presente no ar atmosférico da Terra sob a forma de aproximadamente 21%, não pode ser utilizado na maioria dos processos industriais como tal. Para tal, é normalmente necessário utilizar um método para separar o oxigénio de outros elementos que constituem o ar, em que o principal constituinte é o azoto, o árgon e outros gases residuais, e para obter a pureza e o volume certo de oxigénio.

O objetivo da produção industrial de oxigénio é, por conseguinte, fornecer oxigénio nas quantidades necessárias e com níveis de pureza adequados para utilização em sectores relacionados, considerados aqui como médicos, metalúrgicos, químicos e energéticos. Por exemplo, o oxigénio medicinal utilizado no hospital tem de ter uma pureza superior a 99,5%, enquanto o oxigénio industrial para processos de soldadura ou combustão não exige um nível de pureza tão elevado.

Para este fim, são utilizados vários sistemas e aparelhos complexos nas instalações de produção de oxigénio. As configurações mais comuns incluem:

Unidade de separação de ar (ASU): Esta é a parte central de muitas grandes instalações de produção de oxigénio. As ASUs utilizam tecnologias como a destilação criogénica para arrefecer o ar e depois isolar os gases individuais. Na ASU, as caixas frias também são utilizadas para manter o perfil de temperatura extremamente baixo necessário para a liquefação do ar.

Compressores: É utilizada para comprimir o ar atmosférico antes da sua separação nos elementos constituintes de um determinado gás. Estas máquinas são igualmente úteis para fazer com que o ar atinja os níveis de pressão definidos para funções a jusante, como a adsorção ou a destilação criogénica.

Torres de adsorção (para sistemas PSA): Nos sistemas de adsorção por oscilação de pressão (PSA), as torres de adsorção têm de ser preenchidas com materiais como zeólitos, através dos quais as moléculas de azoto são seletivamente adsorvidas, enquanto o oxigénio permanece libertado.

Sistemas de membranas: Para aplicações em que são necessários volumes mais pequenos ou oxigénio de menor pureza, são utilizados sistemas de separação por membranas. Estes sistemas utilizam membranas que são selectivas para o oxigénio e, por conseguinte, permitem a passagem do oxigénio em vez de outros gases.

Reservatórios de armazenamento criogénico: O oxigénio líquido, em particular, é armazenado em tanques criogénicos depois de ter sido gerado. Estes tanques têm temperaturas muito baixas que mantêm o oxigénio no seu estado líquido até ser necessário para utilização ou até ser bombeado através do processo de conversão para gás.

Os equipamentos acima referidos funcionam em conjunto para garantir que a produção de oxigénio é tão eficiente quanto relevante para a indústria. A decisão sobre esta matéria e a escolha do equipamento, bem como do método, depende da aplicação a que se destina, da escala de produção, bem como do grau de pureza exigido.

Por conseguinte, a produção industrial de oxigénio é um projeto complexo que faz parte integrante da economia atual. Assim, as indústrias podem obter a quantidade necessária de oxigénio, a sua pureza e alcançar o nível necessário de eficiência de produção com a ajuda das mais modernas tecnologias e equipamentos.

Os principais métodos de produção industrial de oxigénio

A produção de oxigénio à escala industrial baseia-se em três métodos principais: método criogénico de produção de oxigénio, adsorção por oscilação de pressão (PSA) e separação por membranas. Todos eles têm particularidades e são utilizados no modo correspondente, dependendo da escala, pureza e custo do material necessário.

Produção de Oxigénio Criogénico: Utilização do processo de liquefação e destilação do ar para separar o oxigénio

A produção de oxigénio criogénico é o método mais comum de produção de oxigénio para a produção de oxigénio em grande escala devido à sua elevada pureza. Este processo utiliza a destilação criogénica, que é um processo de arrefecimento do ar abaixo do seu ponto de liquefação. A estas temperaturas, o ar passa ao estado líquido e os vários componentes do ar podem ser separados com base nos seus pontos de ebulição. Por exemplo, o oxigénio ferve a -183 graus Celsius, enquanto o azoto ferve a -196 graus Celsius.

No entanto, antes da liquefação, o ar tem de ser purificado para remover o vapor de água e outros contaminantes, como o CO₂. Este passo é importante porque, em condições criogénicas, mesmo uma pequena quantidade de água ou CO₂ condensa-se para formar gelo ou CO₂ sólido, que entope o equipamento e dificulta o processo de separação. Nesta fase, as peneiras moleculares como 4A e 13X são muito essenciais. Elas são capazes de adsorver água e CO₂ com alta seletividade e as concentrações desses componentes são reduzidas para menos de 1 ppm. As peneiras moleculares também são únicas na sua capacidade de remover a humidade e o CO₂ ao mesmo tempo, e o seu desempenho durante múltiplos ciclos de regeneração. Outros dessecantes, como a sílica gel e a alumina activada, podem ser utilizados antes das peneiras moleculares para tratar grandes quantidades de humidade, mas não conseguem igualar a secagem fina e profunda proporcionada pelas peneiras moleculares, especialmente para aplicações criogénicas.

Depois de o ar ter sido seco e purificado, é arrefecido até à sua temperatura de liquefação e depois bombeado para uma caixa fria. Aqui, colunas de destilação separam o oxigénio do azoto, árgon e outros componentes menores. O produto final é oxigénio líquido de pureza muito elevada, que pode ser utilizado como tal ou vaporizado para utilização em oxigénio medicinal, soldadura e indústrias siderúrgicas. Este método é mais adequado para aplicações que necessitem de oxigénio com um grau de pureza superior a 99% e para a produção de oxigénio em grande escala, o que o torna uma tecnologia fundamental para as indústrias com elevada procura de oxigénio.

No entanto, a produção criogénica de oxigénio não está isenta de problemas. As temperaturas criogénicas são difíceis de atingir e manter, e os sistemas de refrigeração necessários para este fim consomem muita energia e são caros. Mas para as indústrias que requerem um fornecimento grande e constante de oxigénio, como as indústrias siderúrgicas, de soldadura a gás ou de cuidados de saúde, este método continua a ser muito útil devido à sua fiabilidade e capacidade de produzir grandes quantidades de oxigénio.

Adsorção por oscilação de pressão (PSA)

A adsorção por oscilação de pressão (PSA) é uma das formas mais eficientes e económicas de produzir oxigénio. Emprega a utilização de materiais como zeólitos para adsorver seletivamente o azoto e, ao mesmo tempo, fazer passar o oxigénio. Trabalhando a pressões comparativamente baixas, os sistemas PSA são adequados para a produção de oxigénio no local, especialmente em sectores como os cuidados de saúde, onde a disponibilidade de oxigénio é essencial.

Nos sistemas PSA, o ar comprimido passa inicialmente por um material absorvente que captura o azoto e outros contaminantes, como o CO₂ e a humidade. Se não forem tratadas, estas impurezas podem diminuir muito a eficiência e a vida útil do sistema. As peneiras moleculares como a 5A e a 13X são utilizadas neste processo porque são os principais adsorventes utilizados tanto para a separação do azoto como para a secagem em profundidade. As peneiras moleculares ajudam a manter o desempenho do sistema e a produção constante de oxigénio, diminuindo o teor de humidade e de CO₂ para menos de 1 ppm. Algumas das etapas de pré-tratamento envolvem agentes de secagem, como a alumina activada e o gel de sílica, que lidam com a humidade a granel e protegem as peneiras moleculares. No entanto, as peneiras moleculares são absolutamente essenciais para atingir o nível de precisão e penetração necessário para as operações de PSA.

Quando a pressão no sistema é libertada, o azoto é dessorvido e o material adsorvente fica pronto para o ciclo de funcionamento seguinte. O PSA não consegue atingir o mesmo nível de pureza que a destilação criogénica, mas pode produzir oxigénio com uma pureza de 90-95%, o que é adequado para utilizações como a soldadura a gás ou para fins médicos.

O PSA é também escalável, o que constitui uma das suas vantagens significativas. Podem ser concebidos para produção em pequena ou média escala e, por conseguinte, acessíveis a indústrias que não necessitam das grandes quantidades produzidas por instalações criogénicas. No entanto, o material adsorvente requer uma regeneração frequente para manter uma elevada eficiência e eficácia a longo prazo.

Adsorção por oscilação de pressão no vácuo (VPSA)

O VPSA é uma modificação do PSA que melhora a eficiência, uma vez que é utilizado um vácuo para retirar o azoto durante o processo de dessorção. Isto reduz o consumo de energia e aumenta o desempenho global do sistema, tornando o VPSA uma escolha rentável para a produção de oxigénio de pureza média a caudais mais elevados. É comummente utilizado na produção de aço, no tratamento de água e em sistemas de combustão.

Para conseguir um funcionamento estável dos sistemas VPSA, é necessário utilizar ar isento de humidade e CO₂, pois estes componentes podem danificar os adsorventes ou diminuir o desempenho do sistema. As peneiras moleculares 5A, 13X e LiX avançadas são importantes neste processo, especialmente as peneiras moleculares LiX, têm maior capacidade de adsorção de nitrogénio, melhor desempenho de remoção de água e CO₂, e melhor estabilidade sob alta pressão e condições de regeneração múltipla.

O pré-tratamento consiste normalmente em alumina activada e gel de sílica para lidar com a remoção de humidade bruta e minimizar o trabalho dos crivos moleculares. No entanto, as peneiras moleculares são vitais para atingir pontos de orvalho extremamente baixos e preservar o desempenho dos sistemas VPSA a longo prazo. Embora a VPSA tenha um custo de energia mais baixo por volume de oxigénio gerado em comparação com a PSA, tem custos de capital mais elevados devido aos sistemas de vácuo. A este respeito, a VPSA é mais adequada para indústrias que requerem uma elevada eficiência e uma grande capacidade.

Separação por Membranas: Extração de Oxigénio Através da Permeabilidade de Membranas Específicas

A separação por membranas é uma tecnologia relativamente nova na produção de oxigénio. Utiliza membranas poliméricas selectivas que permitem a passagem de moléculas de oxigénio em vez de moléculas de azoto para produzir um fluxo concentrado de oxigénio. Este método tem dimensões reduzidas, o consumo de energia é baixo e é adequado para aplicações que não exigem níveis elevados de pureza do oxigénio.

Os sistemas de membrana são particularmente vantajosos para instalações remotas ou móveis devido à sua simplicidade e baixa manutenção. Por exemplo, a indústria de soldadura a gás ou as indústrias de produção química utilizam este método devido à sua flexibilidade. No entanto, devido à sua incapacidade de atingir o mesmo nível de pureza de oxigénio que o PSA ou os processos criogénicos, a utilização desta técnica é um pouco limitada a exigências moderadas de pureza de oxigénio.

Antes de o ar entrar nas membranas, tem de ser desumidificado para se obterem os melhores resultados. A água e o CO₂ podem diminuir a eficiência da membrana e diminuir a vida útil do sistema. A alumina activada é utilizada como agente de secagem primário nestes sistemas para remover a humidade a granel até um nível suficiente para a maioria dos processos. Para aplicações mais exigentes, em que é necessária uma secagem mais profunda ou a remoção de CO₂, são utilizadas peneiras moleculares devido à sua maior capacidade de adsorção. As peneiras moleculares do tipo 4A ou 13X podem remover a humidade e o CO₂ a níveis ultra elevados. Assim, as membranas estão bem protegidas e o sistema pode funcionar de forma estável em condições de trabalho elevadas. O gel de sílica é aplicado com menos frequência, mas é por vezes utilizado no primeiro passo para eliminar a maior parte da humidade e para diminuir o trabalho da alumina activada e das peneiras moleculares.

Embora a separação por membrana não consiga atingir o mesmo nível de pureza que as técnicas de PSA ou criogénicas, o baixo consumo de energia, a compacidade e a simplicidade do método tornam-no adequado para utilização quando são suficientes níveis moderados de pureza de oxigénio.

Conclusão

A produção industrial de oxigénio baseia-se em vários métodos adaptados a necessidades específicas: Destilação criogénica para oxigénio de elevada pureza, Adsorção por oscilação de pressão (PSA) e Adsorção por oscilação de pressão no vácuo (VPSA) para pureza média e Separação por membrana para soluções compactas de pureza moderada. Em todos estes métodos, a secagem ao ar é essencial, pelo que as peneiras moleculares são de grande importância. Isto deve-se ao facto de terem uma maior capacidade de adsorver humidade e CO₂, aumentando assim a fiabilidade e a eficiência do sistema. Devido à sua precisão, robustez e versatilidade, as peneiras moleculares continuam a ser uma parte vital da produção contemporânea de oxigénio e ajudam várias indústrias a obter resultados fiáveis.

Como as peneiras moleculares Jalon apoiam uma produção de oxigénio eficiente e fiável

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Para além das peneiras moleculares convencionais, a Jalon desenvolveu produtos melhorados para a melhoria da produção industrial de oxigénio. A nova geração das nossas peneiras moleculares, JLOX-500 e JLOX-103, aumenta a adsorção de azoto e a seletividade do azoto em relação ao oxigénio. Isto garante uma maior eficiência do oxigénio, o que é ideal para sistemas industriais de produção de oxigénio PSA e VPSA.

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Questões e soluções potenciais na produção industrial de oxigénio

Estes desafios podem ser classificados em quatro áreas principais: consumo de energia, pureza, funcionamento e armazenamento e transporte.

Consumo de energia

A destilação criogénica, que é normalmente utilizada, necessita de muita energia para arrefecer o ar até temperaturas inferiores a -183°C para a liquefação. Em resposta a esta situação, os fabricantes estão a procurar formas de utilizar técnicas de arrefecimento energeticamente eficientes e de incorporar as energias renováveis nos processos de produção.

Manutenção da pureza

O dióxido de carbono, a água ou o árgon podem contaminar o oxigénio, o que não é bom para aplicações que exijam níveis elevados de pureza do oxigénio, como nas instalações de saúde. Os sistemas de secagem de alta eficiência, como as peneiras moleculares, e a monitorização e filtragem contínuas garantem que o oxigénio fornecido é da qualidade certa.

Continuidade operacional

Os sistemas PSA exigem que o adsorvente seja regenerado periodicamente, o que resulta em paragens na produção. Sistemas duplicados e materiais adsorventes avançados, incluindo peneiras moleculares de alta capacidade, reduzem o tempo de falha do equipamento e aumentam a produtividade.

Armazenamento e transporte

O armazenamento e o transporte de oxigénio também exigem recipientes específicos, como cilindros de alta pressão ou tanques criogénicos, que necessitam de inspeção frequente. Os avanços nos meios de armazenamento leves e robustos e na geração de oxigénio no local eliminam os problemas de gestão da cadeia de fornecimento.

Com a ajuda destes desafios, a produção industrial de oxigénio continua a ser capaz de satisfazer as necessidades de diferentes indústrias com a ajuda de tecnologias modernas e práticas eficazes.

Tecnologias emergentes e inovações na produção industrial de oxigénio

O futuro da produção industrial de oxigénio é a inovação, onde são feitos esforços para tornar os processos mais eficientes, sustentáveis e baratos. Os novos desenvolvimentos na destilação criogénica visam a utilização de energia, que é um dos maiores factores de despesa. Estão a ser desenvolvidas novas tecnologias de arrefecimento para reduzir a potência necessária para atingir temperaturas abaixo de zero, inferiores a -183°C, para melhorar a eficiência da produção de oxigénio em grande escala.

Na tecnologia PSA, estão a ser concebidos novos e melhores materiais adsorventes, como as peneiras moleculares, para melhorar a adsorção de azoto e a seletividade do oxigénio. Estes materiais aumentam a produção de oxigénio, prolongam a vida útil dos sistemas e reduzem as despesas de manutenção. Há também tentativas de utilizar uma combinação de PSA e técnicas criogénicas para obter um elevado grau de pureza e custos de funcionamento relativamente baixos.

Novas soluções de monitorização baseadas em IA já estão a mudar a indústria de produção de oxigénio, fornecendo análise de dados em tempo real e manutenção preditiva. Estes sistemas reduzem o desperdício, garantem o nível de desempenho exigido e contribuem para os objectivos ambientais.

Finalmente, o desenvolvimento da tecnologia de separação por membranas está a alargar as oportunidades de produção de oxigénio. Estes sistemas são pequenos e energeticamente eficientes, o que os torna adequados para as indústrias que necessitam de sistemas pequenos a preços razoáveis.

Desde a melhoria das tecnologias actuais até ao desenvolvimento de novos métodos de produção de oxigénio industrial, o mundo está a ser abastecido com o gás de uma forma mais eficiente e sustentável.