VPSA vs. PSA: Diferentes tecnologias de separação de gases na produção de oxigénio

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Por mais que o ar ocorra naturalmente à nossa volta na atmosfera, o processo de separação dos gases individuais que estão presentes não é assim tão fácil se estivermos a falar do ar normal. Ao mesmo tempo, estes gases individuais são muito importantes para uma série de aplicações que afectam a nossa vida quotidiana. É por isso que tecnologias de ponta como o VPSA e o PSA foram desenvolvidos para ajudar a extrair gases importantes, como o oxigénio, de compostos na sua forma mais pura.

Vamos analisar o que são VPSA e PSA, como cada um deles funciona, as vantagens e desvantagens de cada um e as muitas aplicações para as quais são utilizados no mundo moderno. Se sempre teve curiosidade em saber como estes dois funcionam, então está no sítio certo.

VPSA

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VPSA é um acrónimo de Adsorção por oscilação de pressão no vácuoe é uma tecnologia que é utilizada em geradores de produção de oxigénio a nível industrial. A tecnologia VPSA utiliza um sistema de peneira molecular e vários dessecantes especiais para absorver impurezas como o dióxido de carbono, o nitrogénio e a água que estão presentes em qualquer mistura de ar, para que o oxigénio se acumule no que fica para trás. É um método muito eficiente de obter oxigénio puro, com níveis de pureza que chegam a atingir 95%. Este é o nível exigido para o oxigénio medicinal e outras aplicações importantes.

Princípio de funcionamento

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A configuração básica da produção de oxigénio da VPSA não é muito complicada. É composta por várias estruturas e equipamentos que trabalham em conjunto para garantir que o oxigénio produzido no final é da mais alta qualidade. As diferentes estruturas envolvidas neste processo são as seguintes

Soprador de ar

Existe um ventilador de ar que está ligado a uma bomba de vácuo que fornece à instalação ar puro, alimentando-o através de todo o sistema. A pressão que fornece o ar ao sistema deve ser calibrada de modo a satisfazer os requisitos de toda a configuração para que esta seja bem sucedida. A principal função da bomba de vácuo é garantir que todo o sistema é analisado e, ao mesmo tempo, mantém toda a instalação num estado de vácuo inativo, o que cria as condições adequadas para as máquinas VPSA absorverem outros gases enquanto produzem oxigénio puro.

Um refrigerador

Os processos VPSA envolvem temperaturas e pressões elevadas. Isto pode afetar a qualidade do produto final, pelo que tem de existir um mecanismo através do qual a temperatura e as pressões sejam reguladas. Este mecanismo assume a forma de um refrigerador. É à base de água e o ar que é recebido do ventilador é passado através do refrigerador, onde a temperatura e a pressão são significativamente reduzidas para melhorar a adsorção dos gases indesejados e outros compostos.

Sistema de adsorção

Esta é a parte principal de todo o sistema. É geralmente constituída por duas torres e uma conduta cheia de válvulas suficientemente armadas com peneiras moleculares de zeólito e alumina activada que actuam como os principais adsorventes. Aqui, as coisas começam com a chegada do ar comprimido, que tem baixas temperaturas e alta pressão, que entra na primeira torre. Este ar flui sobre os materiais adsorventes na conduta, onde o vapor de água, o azoto, o dióxido de carbono e qualquer outro material são adsorvidos.

O que fica para trás é principalmente oxigénio, que é recolhido através de um leito de adsorção localizado no topo da torre de adsorção e libertado como saída de gás. Ao mesmo tempo, enquanto tudo isto está a acontecer na primeira torre, existe a segunda torre onde ocorre a regeneração das peneiras moleculares. Sempre que as peneiras estão prestes a atingir a sua saturação e limite de adsorção, é injetado um fluxo de ar a baixa temperatura e alta pressão na segunda torre para que ocorra mais adsorção e seja produzido oxigénio.

É assim que estas duas torres são capazes de produzir oxigénio puro; combinam-se perfeitamente entre si, eliminando os gases indesejados de uma torre e recolhendo oxigénio puro e limpo na torre seguinte.

Tanque tampão de oxigénio

Este é o tanque que serve para armazenar o oxigénio final que foi recolhido durante todo o processo. Tem de ser bem protegido para impedir qualquer mistura com o ar normal, que pode introduzir azoto e dióxido de carbono. O tamanho do tanque varia consoante a escala da operação. São muito maiores se toda a instalação da CPSA for muito maior e vice-versa. 

Sistema de controlo

Este é um centro de controlo que executa um programa criado especificamente para controlar todos os aspectos de toda esta configuração. Trata-se normalmente de um programa de controlo de válvulas pré-escrito que é instalado no controlador PLC e que ajusta principalmente o fecho e a abertura de cada válvula pneumática em toda a tubagem. Isto é necessário para que a adsorção e a regeneração das peneiras ocorram de forma eficiente e sem interrupções. Isto não seria possível se o sistema fosse manual, pois aumenta as hipóteses de erros humanos, o que poderia afetar os tempos de produção e aumentar as hipóteses de contaminação.

Benefícios da VPSA

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Existem muitas vantagens associadas à utilização da VPSA em relação a qualquer outro processo ou tecnologia. Estes benefícios são parte das razões pelas quais a VPSA é altamente preferida por muitos fabricantes que lidam com purificação do ar. As vantagens mais notáveis da utilização deste sistema são as seguintes.

• Utiliza um soprador isento de óleo, o que reduz as possibilidades de uma transferência de óleo, que é um defeito muito comum e incómodo que afecta os sopradores lubrificados a óleo, que acabam por contaminar o oxigénio a ser processado.
• Utiliza pressões mais baixas, o que minimiza significativamente o potencial de retenção de água e condensação. Isto assegura que existe muito pouca humidade no produto a ser purificado.
• Há menos utilização de válvulas e colectores, o que torna a transferência de gases e líquidos de um tanque para outro muito mais rápida, poupando tempo e energia, algo que a maioria das outras opções não pode oferecer.
• O sistema não é tão vulnerável à humidade em comparação com outros sistemas. Isto torna-o uma opção ideal para quem procura processar a mais elevada pureza de qualquer gás ou líquido com que possa estar a lidar.
• Produz uma das formas mais puras de oxigénio sem desperdiçar muito. O peneiras moleculares activadas utilizados nos sistemas VPSA são altamente eficientes, e o facto de o sistema também se encarregar da sua regeneração quando atingem os seus limites de saturação garante que a limpeza do ar continua sem interrupções.
• A baixa pressão de funcionamento também ajuda a minimizar o pó do crivo. Esta é uma situação em que a peneira se livra do nitrogénio do ar. Esta baixa pressão faz baixar o custo de operação de uma forma muito significativa, e isto é algo de que qualquer pessoa que lide com operações em grande escala beneficiará muito.
• Os sistemas VPSA duram muito mais tempo devido aos baixos custos de energia e à combinação de uma série de peças que funcionam eficientemente umas com as outras. Isto reduz a tensão em cada componente, permitindo que todo o sistema tenha espaço para funcionar com flexibilidade, aumentando um pouco mais a sua vida útil em comparação com outros sistemas disponíveis.
• Os tempos de arranque rápidos requerem apenas 5 minutos para que o fabricante obtenha a qualidade desejada de pureza do oxigénio. Podem ser ligados e desligados em função das necessidades de oxigénio em qualquer momento.

Aplicações dos sistemas VPSA

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Ser tão fiável a produzir oxigénio de alta qualidade e outros componentes, os sistemas VPSA foram adoptados por uma série de grandes indústrias e são utilizados em várias aplicações que incluem as seguintes.

• Na indústria química, para reacções de oxidação e para o funcionamento de incineradores que, normalmente, funcionam melhor quando são alimentados com oxigénio puro, que arde mais do que qualquer outra coisa.
• Nas indústrias metalúrgicas que dependem de altas temperaturas para fazer funcionar fornos suficientemente quentes para fundir metais com pontos de fusão muito elevados.
• Para a deslenhificação e o oxibranqueamento do papel nas fábricas de pasta e de papel que se dedicam ao fabrico de todos os produtos de papel utilizados no fabrico de livros, entre outros produtos.
• Os processos de gestão da água e dos resíduos requerem a remoção de gases tóxicos como o sulfureto de hidrogénio, que pode ser venenoso para o ambiente se for deixado a acumular-se em grandes quantidades em espaços abertos.
• Para alimentar queimadores de combustível de oxigénio e a geração de gases de ozono que são utilizados em vários sectores de produção em todo o mundo.
• Na indústria mineira, para processos como a purificação de ouro ou a recuperação de urânio para enriquecimento e outras utilizações. 
• Nas fábricas de vidro e de aço, a utilização do calor é muito necessária para transformar as matérias-primas em formas maleáveis, fáceis de trabalhar noutras fases de fabrico.

PSA

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PSA é o acrónimo de Pressure Swing Absorption (absorção por oscilação de pressão) e é uma nova tecnologia de produção de gás que foi criado para oferecer uma alternativa ao popular VPSA. Também utiliza materiais adsorventes que actuam como peneira para filtrar as moléculas de gás com base nos seus tamanhos. 

O processo utiliza o ar natural como matéria-prima e baseia-se numa elevada eficiência e seletividade para adsorver os gases necessários e separá-los do oxigénio. As peneiras moleculares de zeólito utilizadas neste processo não são muito diferentes das utilizadas na VPSA. No entanto, nesta situação, as peneiras moleculares adsorvem as moléculas de gás de acordo com o tamanho dos poros presentes. 

Basicamente, todas as moléculas que são suficientemente pequenas para caberem nos poros são adornadas, enquanto as maiores são repelidas. Isto significa que a separação de gases é muito eficiente através deste processo, e é uma das formas de obter oxigénio rico em energia no final.

Tal como no VPSA, a capacidade de adsorção das sementes atinge o seu limite e a regeneração é acionada para manter o processo em curso até que seja recolhida a quantidade certa de oxigénio puro. Isto é feito através da redução das pressões que, por sua vez, aumentam a taxa de adsorção de azoto, deixando para trás oxigénio puro para fácil recolha.

Princípio de funcionamento

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Há uma série de peças e componentes utilizados no sistema PSA que se combinam entre si para garantir que a produção de oxigénio é feita sem qualquer contratempo ou contaminação no final. De seguida, apresentam-se as principais peças que compõem o sistema PSA.

Um compressor de ar

É este que fornece ar bruto a todo o sistema e a saída é controlada pela quantidade necessária de oxigénio a ser processado. É necessário selecionar um compressor de ar que tenha capacidade para lidar com todo o sistema. Uma instalação maior requer um compressor de ar maior e vice-versa. Tem de haver um equilíbrio.

Secador a frio

Uma vez que o compressor tenha pressurizado o ar, ele empurra tudo isso para dentro do secador a frioA câmara de tratamento de ar é uma câmara de ar condicionado, onde as altas temperaturas e pressões são reguladas para níveis controláveis. Nesta câmara, o ar é arrefecido, seco e todas as impurezas que possam estar presentes são totalmente removidas. Tudo isto se conjuga para baixar significativamente a temperatura e aumentar a pressão, preparando o processo para a fase seguinte.

Dispositivo de desengorduramento

Trata-se de um dispositivo que elimina o óleo e a gordura que se acumulam ao longo do tempo à volta dos componentes e da tubagem. Esta névoa de óleo acumula-se normalmente quando as temperaturas descem até um determinado nível, e pode ser uma fonte de contaminação se nada for feito a tempo. A névoa de óleo também tem um efeito negativo nas peneiras moleculares de zeólito, pois afecta a sua vida útil, fazendo com que atinjam os seus limites de saturação muito mais depressa do que o normal.

Sistema de adsorção

Este também vem com duas torres e uma tubagem com uma rede de válvulas que estão presas com adsorventes de crivos de zeólito. Quando o ar comprimido é injetado na primeira torre, passa por cima de uma camada de adsorventes onde o azoto, a água e o dióxido de carbono são absorvidos, deixando o oxigénio para trás.

Na segunda torre, as peneiras moleculares de zeólito são submetidas a uma regeneração constante sempre que atingem o seu limite, e é isto que mantém o processo ininterrupto até que a quantidade desejada de oxigénio seja colhida. As duas combinam-se perfeitamente, tal como um sistema VPSA, para garantir que o nível de pureza do oxigénio é o mais elevado possível.

Um tanque tampão

Este é um tanque especializado que é utilizado para recolher o oxigénio que é gerado por todo o sistema. Também é usado para estabilizar as coisas enquanto a geração e a separação dos gases continuam em segundo plano até que tudo esteja pronto.

Um sistema de controlo

Trata-se de um sistema que utiliza instruções pré-programadas que controlam o funcionamento natural do Absorção por oscilação de pressão sistema a partir de um ponto. A única coisa que o engenheiro tem de fazer é adicionar o programa e integrar tudo em todo o sistema, e o resto fica por sua conta. É uma forma muito prática de garantir a eficiência para obter a forma mais pobre de oxigénio, sem qualquer contaminação.

Benefícios do PSA

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A utilização da tecnologia PSA para a geração e separação de gases apresenta uma série de vantagens. Sendo uma alternativa ao VPSA, um bom número de fabricantes e empresas adoptou o sistema em detrimento de outros, e os seguintes são alguns dos benefícios que isso traz para a mesa.

• Há o uso de automação, o que torna o processo muito mais seguro e eficiente. Este não seria o espaço se houvesse trabalho manual direto envolvido. Se considerarmos as altas temperaturas e pressões e o facto de o oxigénio puro ser muito inflamável, ter operadores humanos a ocupar a área do chão não é uma boa ideia.
• É um processo muito fiável que vem com uma maior segurança contra falhas. Isto significa que a probabilidade de as coxas correrem mal é mínima e, no caso de ocorrerem, é muito mais fácil lidar com as consequências.
• É fácil de arrancar e parar. Oferece um grande controlo e precisão, permitindo a produção das quantidades certas de oxigénio quando necessário. Isto poupa custos e reduz as hipóteses de desperdício de matérias-primas, como as peneiras moleculares.
• É um sistema que pode ser utilizado durante muito tempo, graças a uma vida operacional alargada. Isto faz com que seja um método muito económico a adotar se pretender montar uma operação de separação e geração de gás em grande escala.
• Os sistemas PSA têm baixos custos operacionais. Isto deve-se ao facto de cada peça ser optimizada para as suas funções. Isto reduz os atrasos, a perda de tempo e o desperdício de recursos. Estes três factores combinam-se para reduzir o custo global da operação.
• Não são necessários requisitos especiais de oficina e a configuração do sistema é bastante fácil. Há sempre espaço para expansão mais tarde, se alguma vez pensar em aumentar as suas operações.

Aplicações dos sistemas PSA

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Existem várias aplicações para as quais os sistemas PSA são utilizados nas indústrias transformadoras e comerciais. Provavelmente, já utilizou alguns produtos que foram fabricados através de processos PSA. Seguem-se algumas das aplicações mais notáveis atualmente.

• Soldadura de metais e de gases: O oxigénio puro é altamente inflamável e arde a temperaturas muito elevadas. Este é o tipo de calor ideal para a soldadura a gás e a metal. A maior parte do oxigénio recolhido através do processo PSA é utilizada para realizar trabalhos de soldadura precisos na maioria dos sectores industriais pesados, como a indústria automóvel, entre muitos outros.
• Metalurgia: Este é o processo de criação de estruturas utilizando metais de todos os tipos e formas. Para que o metal possa ser moldado, tem de ser sujeito a um calor intenso que o leva ao ponto de fusão. Isto pode ser feito utilizando eletricidade, mas acaba por consumir muita energia, o que representa um custo adicional. Para contornar esta situação, muitos fabricantes que lidam com metais utilizam oxigénio puro para queimar os metais a altas temperaturas, o que facilita o processo.
• Indústrias petroquímicas: A maioria dos produtos químicos e petroquímicos depende de formas puras de oxigénio para os seus processos de oxidação quando se trata de coisas como a recuperação de ácido nítrico, óxido de propileno, óxido de etileno, cloreto de vinilo, secagem do etanole uma série de outros compostos químicos que são amplamente utilizados em todo o mundo.
• Piscicultura: Isto é uma surpresa, mas o oxigénio gerado pelos sistemas PSA também é utilizado na piscicultura de várias formas engenhosas. Uma das mais populares é a utilização do oxigénio para reduzir os períodos de incubação dos ovos de peixe, fornecendo à água um oxigénio rico que acelera o processo de crescimento tanto dos ovos como dos peixes adultos. Assim se aumenta a produção.
• Indústria do vidro: Fabricação de vidro é outro processo que requer muito calor para transformar a matéria-prima de areia em vidro. A utilização da eletricidade acaba por aumentar a fatura energética, mas a utilização do oxigénio do forno torna o processo de fusão mais rápido, é menos dispendioso e permite um maior controlo.
• Purificação do biogás: Um dos maiores inconvenientes da adoção da energia do biogás é o facto de, a par do tão necessário gás metano, haver uma produção muito elevada de sulfureto de hidrogénio. Este não é apenas tóxico para as pessoas, mas pode causar sérios danos se exposto a chamas. Os sistemas PSA são utilizados para eliminar o sulfureto de hidrogénio e outros gases tóxicos que não são necessários nas instalações de biogás.

Veredicto final

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Como é que estes dois sistemas se comparam um ao outro? Como é que se faz uma escolha entre os dois? A resposta curta à segunda pergunta é que tudo se resume a preferências pessoais. Tanto o PSA e VPSA são capazes de realizar as mesmas tarefas com muito pouca diferença. Basta escolher o que melhor se adapta às suas necessidades.

Segue-se uma tabela de comparação rápida que mostra como os dois processos se comparam entre si. As informações podem ajudá-lo a tomar uma decisão melhor quando se trata de escolher o PSA ou o VPSA.

Como pode ver no gráfico acima, as diferenças não se centram na funcionalidade, mas mais no custo e na escala da operação. Tenha todos estes factores em mente quando se trata de tomar a decisão certa.

Conclusão

O VPSA e o PSA são ambos processos altamente eficientes e fiáveis que podem funcionar em qualquer ambiente, tudo se resume ao tipo de configuração que se pretende utilizar e às indústrias que se pretende servir. Para saber mais sobre separação e geração de gás, as máquinas necessárias e como configurar tudo a partir do zero, então consultar o nosso sítio Web e obter respostas a todas as suas perguntas por uma equipa de especialistas.