Industrial

Uma Abordagem de Eficiência Energética para o Abastecimento de Nitrogênio

Parte 1 – entendendo os processos e seus impactos

Este blog já documentou em vários de seus posts, aplicações de gás nitrogênio nos mais diversos tipos de indústrias e processos. Desde que o primeiro processo industrial para separá-lo do ar atmosférico foi desenvolvido em 1883, através de liquefação a temperaturas extremamente baixas, seu uso só tem crescido. Mas a sua forma de produção e entrega tem mudado.

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Gás liquefeito transportado em cilindros, em 1910.

O método original, do século 19, essencialmente ainda é o mais amplamente utilizado, por uma questão de hábito, mas seu custo, complexidade e impacto ambiental têm provocado a busca por novas tecnologias, como a de geração on site através de membranas e a tecnologia PSA.

Os motivos para isso são vários: o antigo processo de produção do gás em grandes plantas, com o posterior transporte para o usuário através de cilindros, consome uma grande quantidade de energia, demanda muitas etapas com diferentes equipamentos e mão de obra, não apenas no processo produtivo, mas também na operação de entrega. Analisando todos os detalhes destes procedimentos mais de perto, podemos perceber o quão grandes são seus problemas inerentes a produtividade e sustentabilidade.

O método convencional para geração de nitrogênio consiste na destilação fracionada de ar. Enquanto o N2 não é considerado um gás que causa efeito estufa, é importante reconhecer que o isolamento do gás do ar por destilação fracionada exige consumo intensivo de energia, o que por sua vez produz uma quantidade significativa de CO2 (dióxido de carbono).

Este sim, é um gás que causa efeito estufa, com um impacto desfavorável significativo sobre mudanças climáticas globais. Assim sendo, é importante considerar abordagens alternativas de geração de nitrogênio e sua contribuição relativa aos gases de efeito estufa.

Geração de nitrogênio usando um sistema de membrana de fibra oca on site

O nitrogênio com alto nível de pureza pode ser gerado a partir do ar atmosférico usando um sistema de membrana de fibra oca interna. Ele é alimentado por um compressor de ar, que gera um fluxo através de um filtro coalescente de alta eficiência para remover vapor d’água e partículas. O ar limpo e seco prossegue então através de um filtro de carvão ativado, removendo hidrocarbonetos antes de entrar no módulo de separação. Nesta etapa, ele passa por membranas de fibras ocas para separar o oxigênio e qualquer vapor d’água restante da corrente de gás enriquecida com nitrogênio.

O módulo de membrana, que é o coração do sistema, é projetado para seletivamente permitir que o oxigênio e vapor de água permeiem a parede da membrana enquanto o nitrogênio permanece dentro da fibra oca. Ele então passa através de um filtro final, contendo um meio coalescente ou carbono ativado, para garantir limpeza e um fornecimento de nitrogênio de alta pureza. Por fim, o nitrogênio purificado passa para o orifício de saída do sistema que está diretamente conectado à aplicação desejada.

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Geradores de nitrogênio com tecnologia de fibra oca podem ser utilizados em ambientes externos, aproveitando espaços disponíveis.

A fibra oca usada para separar o nitrogênio do ar tem um pequeno diâmetro interno. Milhares de fibras são agrupadas para proporcionar uma grande área de superfície que forneça o fluxo desejado de nitrogênio. Em um sistema típico, a pureza supera 99,5% de N2 a uma taxa de centenas de pés cúbicos por minuto de fluxo.

Geração de nitrogênio on site usando um sistema de adsorção por balanço de pressão

A tecnologia de Adsorção Swing Pressure (PSA) é usada para a geração de gases com base na adsorção preferencial de nitrogênio e dessorção do oxigênio e outros contaminantes em uma peneira molecular de carbono. Uma vez que a peneira molecular está saturada de oxigênio, a pressão é reduzida e os contaminantes (Incluindo oxigênio, CO2 e vapor de água) são liberados para a atmosfera. Para obter um fluxo contínuo de N2 e maximizar a produtividade do sistema, dois equipamentos são conectados em paralelo, de modo que um está fornecendo nitrogênio ao sistema enquanto o outro está sendo regenerado. Além de produzir um suprimento contínuo de nitrogênio, o uso de dois adsorventes permite compensação de pressão, onde o gás de um é usado para pressurizar o outro, reduzindo o custo total da operação, mantendo a pressão constante.

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Geradores de nitrogênio com tecnologia PSA podem ser locados na forma de sistemas
completos, montados em skid.

Abordagens alternativas para a geração de N2 têm uma demanda de energia consideravelmente menor do que a destilação fracionada do ar. Essas abordagens podem ser empregadas on site, evitando assim o impacto ambiental do transporte. Isso é o que veremos no próximo post desta série.

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