Compreender os princípios básicos de funcionamento do gerador de oxigénio PSA

Introdução

Para o mundo moderno, o fornecimento de oxigénio às indústrias é necessário e tem de ser fiável e eficiente. A procura de oxigénio puro nos centros de saúde está a aumentar, bem como nas estações de tratamento de águas residuais. É por isso que os geradores de oxigénio PSA são utilizados para este fim. Estes novos dispositivos aplicam tecnologia de ponta para extrair oxigénio do ar natural, proporcionando assim uma forma económica e ecológica de produzir este gás.

O que é um gerador de oxigénio PSA?

Um gerador de oxigénio PSA é um dispositivo avançado que utiliza o princípio da adsorção por oscilação de pressão para produzir oxigénio de elevada pureza a partir do ar ambiente. Aqui, o ar comprimido é passado através de um leito de peneira molecular no qual as moléculas de azoto são seletivamente adsorvidas e as moléculas de oxigénio são deixadas passar. Isto permite que o sistema PSA separe o oxigénio da mistura de gases no ar, expondo ciclicamente as peneiras moleculares a pressões altas e baixas, de modo a manter um fluxo constante de gás rico em oxigénio.

Os geradores de PSA para oxigénio combinam simplicidade e eficiência. Ao contrário das formas mais antigas de produzir líquidos criogénicos, que envolvem processos intensivos em energia, como a liquefação e a destilação, a tecnologia PSA funciona em condições normais de temperatura e pressão. Como tal, é consumida menos energia e torna-se desnecessário equipamento complexo e dispendioso. A outra vantagem destes geradores é a sua adaptabilidade no que diz respeito ao caudal ou mesmo ao nível de pureza para diferentes aplicações.

Aplicações dos geradores de oxigénio PSA

Vários sectores não podem prescindir dos geradores de oxigénio PSA devido à sua flexibilidade. É no campo da medicina que actuam como uma fonte fiável de oxigénio de qualidade médica para hospitais, clínicas e situações de cuidados de saúde ao domicílio. Os sistemas asseguram um fornecimento constante e ininterrupto de oxigénio, o que é essencial para cuidar de doentes e de situações de emergência. Além disso, os geradores de oxigénio PSA são muito utilizados em aplicações industriais. Estas aplicações vão desde o tratamento de água e a aquacultura até ao fabrico de vidro e à moldagem de metais, que requerem oxigénio puro. Assim, a tecnologia PSA resolve o desafio do transporte de oxigénio líquido, dispendioso e logisticamente exigente, fornecendo um meio de o produzir no local.

Além disso, a indústria do gás natural depende fortemente dos geradores de oxigénio PSA. As peneiras moleculares são normalmente utilizadas para eliminar a humidade e as impurezas do fluxo de gás durante o processo de desidratação ou secagem do gás natural. Quando integrados nestes processos, os geradores de oxigénio PSA podem permitir uma purificação eficiente do gás, ao mesmo tempo que geram oxigénio para outras aplicações a jusante. A geração de oxigénio e a purificação de gás utilizando peneiras moleculares foram alteradas por esta união entre elas e a tecnologia PSA, de modo a que nos tenha sido disponibilizada uma solução sustentável e económica para as indústrias a nível mundial.

Princípio de funcionamento do gerador de oxigénio PSA

No centro de um gerador de oxigénio PSA, encontra-se o processo de adsorção por oscilação de pressão. Esta tecnologia avançada explora o poder de adsorção discriminatório das peneiras moleculares de zeólito para isolar o gás oxigénio do ar. O processo é caracterizado por duas fases principais: adsorção e dessorção. No decurso da adsorção, o ar comprimido é introduzido num adsorvente que contém o crivo molecular. Assim, as moléculas de gás nitrogénio são preferencialmente absorvidas pelo sistema de poros do zeólito, em vez de passarem através deles, de modo a que, tanto quanto possível, apenas o oxigénio chegue ao exterior, enquanto os outros são deixados na peneira sem serem absorvidos, enriquecendo assim o fluxo resultante.

Assim que o ponto de saturação é atingido pelo crivo molecular, o sistema passa para o ciclo de dessorção. A este respeito, quando a pressão elevada desce num recipiente de absorção, o gás de azoto absorvido é libertado, sendo assim ventilado para o exterior. Isto reaviva-o de novo, pronto para outro ciclo de absorção. Repetindo estes dois passos sem interrupção, o gás oxigénio de elevada pureza em grandes quantidades pode ser produzido continuamente, conforme exigido pelos clientes numa fábrica de oxigénio psa. A eficiência e a eficácia do processo de PSA dependem em grande medida das caraterísticas e do desempenho do crivo molecular nele utilizado.

Componentes principais de um gerador de oxigénio PSA

Para tentar compreender o funcionamento de um gerador de oxigénio PSA, é importante examinar alguns dos seus componentes mais significativos. Todos estes componentes funcionam em conjunto para facilitar a produção e o fornecimento eficientes de oxigénio.

Compressores de ar e filtros de ar

Em primeiro lugar, a viagem em direção ao oxigénio começa com a compressão do ar circundante. Para pressurizar o ar, pelo menos ao nível da adsorção, utiliza-se um compressor de ar de primeira qualidade. No entanto, antes da entrada do ar comprimido nos recipientes de adsorção, este tem de passar por vários tipos de filtros. As partículas de pó, as gotículas de óleo e a humidade, entre outras impurezas, são filtradas por estes filtros, garantindo assim a preservação e a pureza das peneiras moleculares. A eficácia e a vida útil das peneiras moleculares dependem do grau de limpeza do ar de entrada, tornando assim os processos de filtragem vitais durante o processo PSA.

Peneiras moleculares

As peneiras moleculares são o coração de um gerador de oxigénio PSA. Estas substâncias zeolíticas artificiais têm uma estrutura interna especial, que as torna capazes de adsorver seletivamente átomos de azoto enquanto passam os de oxigénio. O crivo molecular mais utilizado na produção de oxigénio é o zeólito 13X com um tamanho de poro aproximadamente igual a dez angstroms. A pureza e o rendimento do oxigénio gerado estão diretamente relacionados com a capacidade de adsorção e a seletividade da peneira molecular.

Tanque de armazenamento de oxigénio

O processo PSA gera e purifica o oxigénio que é depois colocado num tanque de armazenamento separado. O tanque funciona como um tampão de oxigénio que mantém o fornecimento estável e consistente, mesmo durante os períodos de pico da procura. Ao conceber o tamanho deste tanque de armazenamento, é necessário ter em conta as aplicações específicas e os caudais de oxigénio necessários. Por conseguinte, o dimensionamento e a manutenção adequados do depósito de armazenamento de O2 são absolutamente essenciais para o funcionamento ininterrupto dos geradores de oxigénio PSA. Por isso, são efectuadas inspecções regulares e verificações de segurança no sistema de armazenamento para garantir o seu bom desempenho sem qualquer falha.

Seleção da peneira molecular correta para geradores de oxigénio PSA

O desempenho de um gerador de oxigénio PSA depende em grande medida da escolha da peneira molecular adequada. As diferentes peneiras moleculares têm diferentes atributos de adsorção que afectam a pureza do oxigénio, a taxa de recuperação e a eficiência global do sistema. Há vários factores a ter em conta ao selecionar uma peneira molecular para a produção de oxigénio, incluindo a seletividade de adsorção de azoto, a capacidade de adsorção, a dimensão e a distribuição dos poros.

A zeólita 13X é amplamente reconhecida como padrão da indústria em geradores de oxigénio PSA, devido à sua estrutura especial de poros e propriedades de adsorção. Entretanto, a investigação e o desenvolvimento concentram-se em novas gerações de peneiras moleculares inovadoras com caraterísticas de desempenho melhoradas. Estes materiais avançados destinam-se a melhorar a pureza do oxigénio, ao mesmo tempo que aumentam a capacidade de absorção e reduzem as taxas de consumo envolvidas nos sistemas PSA. A peneira molecular correta é, portanto, uma parte essencial da otimização do desempenho e da eficiência de um gerador de oxigénio PSA.

A Jalon desenvolveu a série JLOX, que é um exemplo de peneiras moleculares avançadas para a produção de oxigénio PSA. Entre estas, encontra-se uma peneira molecular de alta eficiência do tipo X, conhecida como JLOX-500, destinada especificamente à produção industrial de oxigénio através da técnica de absorção por oscilação de pressão ou à necessidade de um centro médico para o sistema de fornecimento de oxigénio; possui uma capacidade de adsorção de azoto extremamente elevada, associada a um excelente coeficiente de separação entre N2 e O2. Além disso, o JLOX-501 foi concebido para concentradores de oxigénio médicos portáteis com caudais que variam entre 1-5 L/min, atingindo um nível de pureza de oxigénio até 93%±3%. Estes avanços representam a possibilidade que existe na tecnologia atual de melhorar os rendimentos e a relação custo-eficácia associados ao O2 gerado por absorção por oscilação de pressão (PSA).

O processo PSA: Fase de adsorção

Em seguida, o recipiente de adsorção que contém o crivo molecular recebe ar comprimido e filtrado no decurso da fase de adsorção. Como fenómeno notável, ocorre uma interação molecular entre o ar e o leito da peneira, o que leva à adsorção selectiva de azoto (N2). Este crivo molecular é tipicamente o zeólito 13X com uma dimensão de poro específica e uma química de superfície que atrai fortemente as moléculas de azoto devido à sua dimensão de poro específica e à sua química de superfície. As moléculas de azoto são atraídas para a superfície do zeólito, onde ficam presas nos seus poros à medida que a mistura de ar passa através dele. Por sua vez, esta seletividade na adsorção é determinada pelo momento de quadrupolo mais elevado do azoto em comparação com o oxigénio, o que conduz a interações mais fortes entre o azoto e a estrutura do zeólito.

Quando isto ocorre, o fluxo de gás enriquecido com oxigénio permanece após a adsorção selectiva de moléculas de azoto por peneiras moleculares. As moléculas de oxigénio, que são ligeiramente mais pequenas do que as de azoto, passarão relativamente incólumes pelo seu percurso no interior e através do leito ou diretamente para as regiões a jusante. Este processo continua até que, a certa altura, todos os vasos estão cheios de N2, o que significa que o vaso adsorvente está saturado de azoto. Consequentemente, este processo é considerado vital na primeira fase antes da produção de qualquer oxigénio de elevada pureza utilizando o sistema e princípios PSA, estabelecendo assim o ritmo para a produção de oxigénio de elevada qualidade. A função global do sistema pode ser influenciada em grande medida pela eficiência durante o processo de absorção, juntamente com a seletividade da peneira molecular.

O processo PSA: Fase de dessorção

O sistema PSA passa para a fase de dessorção quando o crivo molecular no recipiente do adsorvente fica saturado com azoto. O processo de dessorção é importante para regenerar a peneira molecular e prepará-la para os ciclos de adsorção subsequentes. A pressão no recipiente de adsorção cai rapidamente durante a dessorção. A queda brusca de pressão perturba o equilíbrio entre as moléculas de azoto adsorvidas e a superfície do zeólito. Consequentemente, as moléculas de azoto deixam os poros do crivo molecular e são expelidas do sistema. Normalmente, é utilizado gás de purga para auxiliar a dessorção, que gera oxigénio e é utilizado para varrer o azoto libertado.

O processo de dessorção não se limita a remover o azoto adsorvido, mas também faz com que o crivo molecular volte ao seu estado original, de modo a poder ser utilizado novamente noutro ciclo. A duração e as condições da fase de dessorção têm de ser bem controladas para a regeneração completa do material do crivo. Se a dessorção não for suficiente, o desempenho do processo degradar-se-á gradualmente ao longo dos vários ciclos seguintes, afectando a pureza do oxigénio e a eficiência da produção. Uma vez concluída esta fase, ocorrerá outro ciclo de adsorção num crivo molecular. O ciclo contínuo entre a absorção e a dessorção faz com que o gerador de oxigénio PSA mantenha um fornecimento constante de oxigénio de elevada pureza, sem qualquer falha ou interrupção a todo o momento.

Controlo da pureza e do fluxo de oxigénio

A capacidade de controlar a pureza e o caudal do oxigénio produzido é uma das vantagens mais importantes dos geradores de oxigénio PSA. Isto permite que sejam ajustados de modo a satisfazerem requisitos específicos para inúmeras aplicações. Por outro lado, a pureza do oxigénio pode ser regulada através da modificação de parâmetros como a oscilação da pressão, bem como do ajuste dos tempos de ciclo de adsorção e dessorção. Geralmente, uma maior pureza do oxigénio resulta da adsorção durante períodos mais longos ou da adsorção a pressões elevadas, enquanto que rendimentos globais de oxigénio mais baixos podem resultar em formas mais puras de oxigénio. Num sistema PSA típico, é comum um nível de pureza do oxigénio entre 90% e 95%, dependendo das especificidades do projeto e das condições de funcionamento.

O caudal nos recipientes que contêm adsorventes e a frequência de ciclos entre a absorção e a dessorção são utilizados para controlar o fluxo de ar do O2 produzido. O aumento das taxas de caudal de ar e a redução dos tempos de reciclagem melhoram o desempenho da produção de O2. No entanto, a gestão deve assegurar que os caudais não excedam as capacidades de adsorção da peneira molecular, garantindo assim um desempenho ótimo e evitando a fuga de azoto antes do tempo. O azoto apresenta uma capacidade finita de absorção quando se utilizam crivos moleculares como o zeólito13X no fabrico de geradores de oxigénio PSA. Se o fluxo de ar for demasiado rápido ou se os ciclos mudarem rapidamente, o N2 pode não ser totalmente absorvido antes de o azoto começar a ser absorvido, o que afecta a qualidade do O2 produzido. Nos geradores de oxigénio PSA avançados, os ajustamentos das operações em tempo real são efectuados através da utilização de sistemas de controlo e sensores sofisticados. A monitorização contínua de variáveis cruciais, incluindo o caudal e a pureza do oxigénio, por esses sistemas, permite atingir automaticamente os objectivos estabelecidos. Esta caraterística assegura a uniformidade da qualidade e reduz o trabalho manual, diminuindo os níveis de intervenção humana ao controlar as propriedades de mistura do gás

Vantagens dos geradores de oxigénio PSA

Por conseguinte, os geradores de oxigénio PSA têm muitos méritos em relação aos métodos normais de produção de oxigénio, como o oxigénio líquido criogénico ou as garrafas de oxigénio comprimido. Em primeiro lugar, os geradores de oxigénio PSA oferecem uma abordagem económica para gerar oxigénio no local, eliminando assim as entregas regulares do gás e as despesas de transporte e armazenamento. Em segundo lugar, se forem bem tratados, os sistemas PSA podem funcionar ininterruptamente, permitindo assim o fornecimento contínuo de oxigénio sem interrupções. Especialmente quando é necessário manter um caudal constante, como acontece nas instituições médicas e nas indústrias que o utilizam.

Além disso, existem várias opções de escala disponíveis através da utilização de geradores de oxigénio PSA. O gerador pode ser concebido para diferentes níveis de procura, desde aplicações médicas de pequena escala até processos industriais de grande escala. Além disso, estes geradores são modulares por natureza, o que facilita a sua expansão de modo a satisfazer as necessidades futuras de maiores volumes de oxigénio. Além disso, a utilização da tecnologia PSA é amiga do ambiente, uma vez que utiliza ar proveniente de condições ambientais, eliminando assim os processos criogénicos intensivos em energia ou o transporte de garrafas de oxigénio comprimido. Além disso, a produção direta utilizando este método reduz os incidentes de manuseamento e armazenamento relacionados com as garrafas de alta pressão para O2 gasoso, melhorando assim a segurança e a facilidade.

Manutenção de geradores de oxigénio PSA

É obrigatório efetuar uma manutenção regular para garantir o desempenho e a vida útil ideais do gerador de oxigénio PSA. Uma manutenção adequada não só garante o fornecimento constante de oxigénio de alta pureza, como também evita períodos de inatividade e reparações dispendiosas. A substituição regular dos filtros de ar é uma das tarefas de manutenção mais importantes. Os filtros de ar podem acabar por ficar obstruídos por impurezas, reduzindo assim a eficácia da compressão do ar, bem como os processos de purificação.

Na manutenção das peneiras moleculares, a sua monitorização é essencial como um aspeto adicional. De acordo com um estudo da American Chemical Society, as peneiras moleculares são concebidas para uma vida útil prolongada em condições de funcionamento e manutenção adequadas. Assim, as peneiras moleculares 13X utilizadas nos geradores de oxigénio PSA podem durar, em média, 30 000 a 40 000 horas ou 3,4 a 4,5 anos de funcionamento contínuo. No entanto, podem gradualmente deixar de absorver eficazmente devido a danos provocados pela humidade, contaminantes ou simplesmente desgaste por trabalho mecânico. A realização de testes e avaliações periódicas do desempenho do adsorvente permite identificar a degradação do desempenho ou a necessidade de substituição.

Para otimizar o desempenho e a vida útil de um gerador de oxigénio PSA, é importante respeitar os intervalos de manutenção e os procedimentos recomendados no manual do fabricante. As peneiras moleculares têm normalmente um tempo de vida útil que varia entre três e cinco anos; enquanto os filtros de ar devem ser inspeccionados regularmente e substituídos após um período de seis a doze meses, dependendo das condições de funcionamento e da qualidade do ar de entrada. Técnicas de regeneração regulares, como a regeneração aquecida em linha ou a lavagem química, podem prolongar a duração da sua utilização. No entanto, se se verificar uma diminuição significativa da pureza do oxigénio ou uma queda de pressão nos recipientes do adsorvente, pode ser necessário substituir a peneira molecular. Para obter orientações corretas sobre os processos e calendários de manutenção, consulte os manuais dos fabricantes de crivos moleculares, as especificações técnicas ou fornecedores experientes de equipamento de oxigénio PSA.

A inspeção de rotina e a manutenção de compressores, válvulas e outros equipamentos mecânicos são igualmente essenciais para o funcionamento eficiente de um gerador de oxigénio PSA. É necessário um programa de manutenção abrangente, com formação adequada do pessoal, para aumentar a vida útil do gerador de PSA e garantir a sua eficiência ao longo do tempo.

Melhore as suas soluções industriais com as peneiras moleculares avançadas da Jalon

Para facilitar a máxima eficiência, as empresas que utilizam geradores de oxigénio PSA devem estabelecer parcerias com um fornecedor de crivos moleculares de confiança. A Jalon é considerada uma das maiores empresas de investigação, produção e apoio técnico em casos de peneiras moleculares de adsorção, tendo começado em 1998 (Jalon). A nossa gama de produtos avançados, como a Zeolite 13X e outros tipos de peneiras moleculares especiais, tem como objetivo melhorar o desempenho dos sistemas PSA. Optar pela Jalon significa que lhe serão fornecidas novas ideias e que terá a oportunidade de receber ajuda imediata do nosso pessoal, garantindo assim uma produção de oxigénio de elevada pureza pelos seus geradores de oxigénio numa base contínua. Seja um dos muitos utilizadores que dependem desta empresa para as suas necessidades de geração de oxigénio PSA, experimentando uma melhor qualidade de produto, bem como conhecimentos em tecnologia.

Conclusão

A evolução dos geradores de oxigénio PSA mudou completamente a forma como produzimos e distribuímos oxigénio em várias indústrias. Estas máquinas empregam o processo PSA, que utiliza peneiras moleculares com propriedades de adsorção selectiva para fornecer uma solução económica, fiável e ecológica para a produção de oxigénio no local. O domínio dos princípios operacionais dos geradores de oxigénio PSA é vital para aumentar a sua produtividade e garantir um fornecimento constante de oxigénio de elevada pureza.

A eficiência e a eficácia do processo PSA dependem fortemente das fases de adsorção e dessorção, bem como da escolha adequada da peneira molecular. À medida que a tecnologia avança, serão introduzidas novas melhorias no projeto, eficiência que é demonstrada por um gerador PSU para O2. As actividades de investigação e desenvolvimento em curso visam melhorar os materiais dos crivos moleculares, otimizar os parâmetros do processo e integrar técnicas de controlo inteligentes. Por este motivo, a adoção da tecnologia PSA e a compreensão dos seus princípios de funcionamento abrem oportunidades para as indústrias no sentido de uma operação sustentável e eficiente com um impacto ambiental mínimo na produção de O2 de elevada pureza, atualmente muito procurado.