Considerações para purificação de gás industrial

1º de agosto de 2019 | Por Brian Warrick e Dan Spohn, Applied Energy Systems, Inc.

Os requisitos de pureza e as propriedades do gás exigem métodos diferentes para a purificação de gases industriais. Aqui estão as principais considerações para selecionar a tecnologia de purificação de gás

Os gases industriais são críticos para uma ampla gama de aplicações nas indústrias de processos químicos (CPI). Na maioria dos casos, os gases industriais são produzidos com uma especificação de pureza específica, o que significa que podem conter apenas uma quantidade limitada de contaminantes. Para muitas aplicações, os gases fornecidos pelos fornecedores podem não atender às especificações do processo para um determinado processo, o que significa que o gás exigiria purificação para reduzir ainda mais os contaminantes. Uma melhor compreensão da geração, armazenamento e separação de gás industrial pode ajudar na seleção da tecnologia de purificação de gás que atenda às necessidades do processo. Várias considerações importantes podem ter impacto no tipo de purificador de gás selecionado. Estes incluem o seguinte: o método de produção para o fornecimento de gás; a pureza da fonte de gás; como a fonte de gás é embalada; as espécies de moléculas de impurezas a serem removidas e a pureza esperada; bem como seleção de mídia, capacidade de mídia, velocidade espacial, design de embalagem e requisitos de envio. Este artigo discute a produção de gases industriais no que diz respeito aos métodos de purificação, armazenamento, segurança e transporte.

Existem muitos métodos de geração de gás, mas para este artigo, consideraremos principalmente a separação física de componentes (como nitrogênio do ar ou hidrogênio do gás natural), em vez da geração de gases por meio de reações químicas. As reações geram gases como a amônia, usando o processo Haber-Bosch. Outras reações criam gases como NO, SiH4, PH3 e assim por diante, que são comumente usados ​​na indústria eletrônica.

A separação física de gases depende de processos de membrana, catalíticos e de adsorção, destilação criogênica e outras tecnologias. Alguns comuns são discutidos aqui.

Separação por membrana. Uma tecnologia comum de separação de ar usa membranas de fibra oca para separar o nitrogênio do oxigênio (Figura 1). A tecnologia de membrana é comumente usada quando os requisitos de pureza não são rigorosos. Dentro do sistema de membrana, muitos milhares de fibras ocas são colocadas em um invólucro e o ar comprimido é fornecido a uma extremidade. A parede da fibra é permeável aos gases, mas a taxa de difusão através da parede da fibra varia de acordo com o gás. Pois o ar, o oxigênio, o dióxido de carbono, o argônio e outros vestígios de contaminantes passam pela parede em uma taxa mais rápida do que o nitrogênio e são direcionados para a ventilação. O nitrogênio sai do sistema de membrana com uma pureza típica superior a 95%. A pureza alcançada por um sistema baseado em membrana pode ser variada pelo usuário ajustando o fluxo através do sistema. A vantagem de um sistema baseado em membrana é que não há partes móveis, mas a pureza da saída pode variar com a vazão.

Figura 1. Dispositivos de separação por membrana, usados ​​quando os requisitos de pureza não são rigorosos, empregam membranas de fibra oca para separar o nitrogênio do oxigênio

Adsorção do balanço de pressão. A adsorção por oscilação de pressão (PSA) e a adsorção por oscilação de pressão a vácuo (VPSA) são usadas onde os requisitos de pureza são maiores. Quando a separação de impurezas no nível alto de partes por milhão (PPM) é necessária, em oposição à separação de impurezas no nível percentual, o PSA é uma opção (Figura 2). Os sistemas PSA são normalmente usados ​​como pré-purificação de gases que entram em um processo criogênico e para a purificação de hidrogênio. A tecnologia VPSA (Figura 3) é usada para a produção local de vidro float e oxigênio de grau médico.

Figura 2. Os gases podem ser purificados usando uma variedade de diferentes meios de purificação, incluindo zeólitos, ligas metálicas e outros

Figura 3. Adsorção de oscilação de pressão a vácuo é usada quando os requisitos de pureza do gás são maiores

Os sistemas PSA consistem em pares de vasos operando em paralelo ou podem ser projetados em configurações com vários vasos em série. Cada recipiente é embalado com meios de adsorção, como peneiras moleculares de carbono, zeólitos e carvão. O gás de alimentação a ser purificado passa por um ou mais recipientes operando a pressões tipicamente superiores a 100 psig. As impurezas no fluxo de gás de alimentação são fisicamente adsorvidas (fisissorção) na superfície do meio pelas forças de Van der Waals (ligações fracas criadas por interações eletrostáticas de curto alcance entre dipolos moleculares). Os sistemas PSA funcionam aproveitando diferentes comportamentos de adsorção em diferentes pressões e temperaturas. Os locais de adsorção são ocupados por moléculas de impurezas, enquanto o gás desejado passa pelo meio. A capacidade de cada impureza varia com base na seleção do meio, muitas vezes determinada pelo tamanho do poro. À medida que as moléculas de impureza rompem os vasos do PSA, a mídia requer regeneração para remover as impurezas adsorvidas. Dentro de um sistema PSA, o vaso é isolado e o gás é rapidamente ventilado para a pressão atmosférica, o que libera as impurezas presas. O recipiente é então repressurizado e está pronto para mais gás de alimentação. Esta regeneração pode ser concluída em um tempo de ciclo de minutos a horas. Para a separação de nitrogênio ou oxigênio do ar, o ciclo é tipicamente curto.

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