AVALIAÇÃO COMPUTACIONAL DA INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DA CORRENTE DE ALIMENTAÇÃO EM UMA UNIDADE PSA EM RELAÇÃO À PUREZA E À QUANTIDADE DE O2 NA CORRENTE DE PRODUTO




AUTORES: Souza, B.D.F.P. (UNICAMP) ; Lisbôa, A.C.L. (UNICAMP)

RESUMO: A demanda por O2 em uma empresa pode variar. A produção pelo processo de adsorção por oscilação de pressão, em inglês, pressure swing adsorption (PSA), é uma alternativa para cenários de até média demanda. Neste trabalho, avaliou-se computacionalmente a influência da pressão da corrente de alimentação em uma unidade PSA com zeólita 5A, com o objetivo de verificar seu impacto na pureza e na quantidade de O2. O software empregado foi o Aspen Adsorption V10. O tempo de ciclo e o conjunto das configurações das válvulas foram mantidos constantes. Observou-se redução na quantidade de gases ao se reduzir a pressão. A pureza se manteve próxima ao valor desejado de 90 % V/V. Por fim, mesmo sem alterar as válvulas, foi possível trabalhar com vários cenários de demanda de O2, mantendo- se a pureza.

PALAVRAS CHAVES: Pressure swing adsorption; simulação computacional; adsorção

INTRODUÇÃO: O O2 é um gás empregado por uma grande variedade de segmentos. As três principais maneiras de obtenção de corrente enriquecida em O2 são os processos cíclicos de adsorção, como o PSA, a separação de gases com o auxílio de membranas e o processo de destilação criogênica (COOKE, 2007). O emprego de cada forma de produção está associado à pureza requerida bem como a quantidade demandada do gás. O processo PSA é um processo cíclico de adsorção que permite a obtenção de corrente enriquecida em uma espécie, como o O2. Esse processo de separação emprega uma fase sólida e uma fase fluída (GRANDE, 2012). Normalmente, opera-se com mais de um leito de adsorção para possibilitar uma produção contínua. Esse processo normalmente opera com o Ciclo Skarstrom (SKARSTROM, 1958) ou uma adaptação dele. Dado que a demanda de O2 pode ser variável ao longo dos meses e que em uma unidade PSA existe a possibilidade de incorporação de um inversor de frequência para alterar a pressão da corrente de alimentação, neste trabalho avaliou-se computacionalmente o impacto da variação da pressão da corrente de alimentação na pureza e na quantidade de O2, com o objetivo de verificar a possibilidade de ofertar ao usuário dessa forma de produção maior flexibilidade operacional. Reforça-se que nem sempre há a possibilidade de operar uma unidade por um regime de horas superior ao empregado naquele momento, nem o de reduzi-lo, uma vez que poderia impactar no tempo mínimo que a unidade deve operar para alcançar uma produção contínua. Assim, estudar computacionalmente o impacto da variação da pressão da corrente de alimentação permite verificar a viabilidade de tal procedimento.

MATERIAL E MÉTODOS: Empregou-se o software Aspen Adsorption V10, parte integrante do Aspen Plus, na simulação de uma unidade PSA, para produção de O2, com pureza de 90 % V/V. Adotou-se a planilha completa, com a simplificação do leito simples e o uso do bloco de repetição de leitos. Considerou-se uma corrente de alimentação com 79 % de N2, 20 % de O2 e 1 % de Ar, todas em base volumétrica. A zeólita considerada foi a 5A. O tempo de ciclo foi de 120 segundos e simulou-se 50 ciclos para cada pressão. O processo apresenta um ciclo tipo Skarstrom, com quatro etapas: etapa de despressurização e interação de topo (40 segundos), etapa de evacuação (20 segundos), etapa de repressurização parcial (40 segundos) e etapa de repressurização (20 segundos). As pressões para a corrente de alimentação foram 8,5, 6,5 e 4,5 bar. As hipóteses foram de perda de pressão ao longo do leito empacotado dada pela Equação de Ergun, para o balanço de momento; a presença apenas de convecção para o balanço de massa; modelo de filme sólido para a transferência de massa, com a hipótese da capacitância e dependência linear; processo não-isotérmico e que não há condução de calor, para o balanço de energia; hipótese de transferência adiabática de calor para o meio; processo de adsorção bem representado pela isoterma de Langmuir estendida número 2 (modelo ofertado pelo software), com dependência da temperatura e da pressão parcial; equação de estado de Peng- Robinson; não há reações químicas. As configurações adotadas estão presentes no arquivo “Oxygen separation using PSA”, na opção “Demonstrações” do software. A escolha desse arquivo deveu-se a facilidade de acesso. Todos que possuem acesso ao simulador conseguem acessar as configurações sobre a unidade simulada. Assim, simplifica-se o processo de aprendizagem sobre o tema.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Durante as etapas de redução de pressão da corrente de alimentação na simulação verificou-se que a pureza de O2 manteve-se próxima ao valor desejado de 90 % V/V, como pode ser verificado na Figura 1–a). Destaca-se, no entanto, que, nesse processo, é possível verificar uma ligeira redução da pureza em um cenário de menor pressão em comparação ao cenário prévio, de maior pressão. Enfatiza-se que as configurações das válvulas não foram modificadas ao se alterar o valor da pressão da corrente de alimentação. Em relação à quantidade de O2 produzida pela unidade, presente na Figura 1–b), o comportamento esperado teoricamente foi verificado. Com as etapas sequenciais de redução de pressão, observou-se, em consonância com essas etapas, a redução na quantidade armazenada de gás. Para o cenário de 8,5 bar, o valor alcançado foi de 0,45 kmol O2, aproximadamente; para 6,5 bar, o valor de 0,36 kmol O2, aproximadamente; para 4,5 bar, o valor de 0,26 kmol, aproximadamente. O cenário de pressão de 8,5 bar foi até t = 6.000 s; para 6,5 bar, entre t = 6.000 e t = 12.000 s; para 4,5 bar, entre t = 12.000 e t = 18.000 s. O processo de repressurização da unidade, de 4,5 bar até 8,5 bar, ocorreu de t = 12.000 até t = 30.000, como pode ser verificado tanto na Figura 2–a) quanto na Figura 2–b). Novamente, nessa sequência avaliada na simulação, a pureza do O2 ficou próxima ao valor desejado de 90 % V/V e o valor tendeu a se elevar ao se avaliar os cenários de maior pressão, comportamento apresentado na Figura 2–a). Em relação à quantidade armazenada de O2, os valores verificados no processo de repressurização são compatíveis com os verificados no processo prévio, comportamento apresentado na Figura 2–b). Destaca-se o pequeno aumento na quantidade armazenada de Ar na pressurização final.

Figura 1

a) Variação da pureza de O2 durante o processo de redução de pressão. b) Variação da quantidade de O2 durante o processo de redução da pressão.

Figura 2

a) Variação da pureza de O2 durante o processo de aumento de pressão. b) Variação da quantidade de O2 durante o processo de aumento da pressão.

CONCLUSÕES: Enfatiza-se que foi possível operar com a pureza desejada, superior à 90 % V/V, para os cenários de redução e posterior aumento de pressão, sendo observada a variação na quantidade armazenada de O2 ao se modificar a pressão, fato que era esperado teoricamente. Observou-se, de outros estudos no laboratório, que o impacto da combinação entre pressão da corrente de alimentação e tempo de ciclo, sem alteração nas válvulas, pode ser significativo na pureza da corrente de produto. Portanto, sugere-se verificar o impacto das configurações das válvulas, corrigindo-as para as condições simuladas.

AGRADECIMENTOS: CNPQ; FEQ-UNICAMP; LDPSP

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: COOKE, S. J. Industrial Gases. In: KENT, J. A. (Ed.). Kent and Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology. Boston, MA: Springer US, 2007. p. 1215–1233.
GRANDE, C. A. Advances in Pressure Swing Adsorption for Gas Separation. ISRN Chemical Engineering, v. 2012, p. 1–13, 2012.
SKARSTROM, C. W. Method and apparatus for fractionating gaseous mixturesby adsorption. p. 23, 1958.