Produção de O2 por PSA: correlacionando a pressão e as vazões das correntes para entender as etapas do Ciclo Skarstrom




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

RESUMO: O processo de adsorção por oscilação de pressão, em inglês, pressure swing adsorption (PSA), é um processo cíclico de adsorção que pode ser empregado na obtenção de O2. Esse processo normalmente opera com um ciclo tipo Skarstrom, mas entendê-lo teoricamente para aplicá-lo na prática não é simples. Este trabalho tem o objetivo de auxiliar no entendimento das etapas que compõem esse tipo de ciclo. Para isso, os gráficos de variação de pressão e vazão, obtidos com um simulador comercial, serão empregados. O resultado verificado é que se compreende a relação entre as etapas que compõem o ciclo mais rapidamente. Por fim, sugere-se complementar o estudo com a observação de uma unidade PSA em funcionamento.

PALAVRAS CHAVES: Pressure swing adsorption; Ciclo Skarstrom; adsorção

INTRODUÇÃO: O O2 é empregado em vários setores, como o industrial e o hospitalar, e requisitos como a pureza e a quantidade demandada desse gás são diversificados. Dessa forma, estudar a adequação da técnica empregada para produção desse gás, contemplando os requisitos prévios, possibilita uma operação com maior economicidade. Para a produção de O2, o uso de membranas é, no momento, limitado pela pureza máxima alcançada (40 % V/V) (FAVRE, 2010). O processo de destilação criogênica possibilita a obtenção de O2 com pureza superior a 99,5 % V/V (COOKE, 2007), mas devido ao grande consumo de energia e à estrutura especializada para armazenamento do gás na forma liquefeita, seu uso é recomendado para demandas maiores desse gás. Assim, para pequenas e médias demandas, de até 250 toneladas de O2 por dia (MOFARAHI; TOWFIGHI; FATHI, 2009), a produção de O2 por PSA ou outro processo cíclico de adsorção apresenta-se como uma alternativa viável, em especial por possibilitar a obtenção de correntes de O2 com 90 % V/V de pureza. No entanto, entender as etapas que compõem o ciclo tipo Skarstrom (SKARSTROM, 1958) empregado no processo PSA não é algo simples. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo empregar os gráficos da variação da pressão e das vazões de uma simulação de uma unidade PSA e correlacioná-los para simplificar o entendimento do funcionamento desse ciclo. Para isso, serão apresentadas as etapas consideradas, suas durações e como elas se interagem durante o processo de produção de O2.

MATERIAL E MÉTODOS: Para este trabalho usou-se o Aspen Adsorption V10, parte integrante do software comercial Aspen Plus. Empregou-se uma planilha completa no simulador, a simplificação do leito simples e o bloco de repetição de leitos, que permite simular dois leitos de adsorção, porém com menor esforço computacional. O cenário simulado foi o de uma corrente de alimentação com pressão de 8,5 bar, tempo de ciclo de 120 segundos, simulação de 50 ciclos e corrente de alimentação com composição de 79 % de N2, 20 % de O2 e 1 % de Ar, todas em base volumétrica. A zeólita considerada foi uma zeólita 5A. A corrente de produto obtida está enriquecida em O2, com pureza de 90 % V/V. O ciclo considerado foi um ciclo tipo Skarstrom com as seguintes etapas: (1) etapa de despressurização e interação de topo (40 segundos), (2) etapa de evacuação (20 segundos), (3) etapa de repressurização parcial (40 segundos) e (4) etapa de repressurização (20 segundos). Os gráficos foram obtidos com recurso específico do simulador. O intervalo considerado tem início em 5.020 s e termina em 5.140 s, apenas para facilitar a visualização e interpretação. Além disso, nessa simulação, por conta do bloco repetidor de leitos, será observado apenas o comportamento de um leito. Enfatiza-se que as etapas 1 e 3 se correlacionam, bem como as etapas 2 e 4.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Na Figura 1, em t = 5.020 s, é possível observar o início da etapa (4) no leito que está em operação, e em t = 5.040 s, seu término. Destaca-se que a etapa (2) está acontecendo no leito que está no processo de regeneração. A etapa (2) pode ser visualizada na Figura 1 em t = 5.080 s. Essa correlação também pode ser verificada na Figura 2, observando-se o comportamento de F1, corrente de alimentação, e W1, corrente de descarga dos gases não desejados, para os mesmos instantes de tempo. O formato de F1 e W1 é justificado pela configuração das válvulas. A etapa (1) tem início em t = 5.040 s e termina em t = 5.080 s. Ela interage com a etapa (3), que está acontecendo no segundo leito, a qual pode ser verificada ilustrativamente em t = 5.100 s até t = 5.140 s, na Figura 1. Na Figura 2, esse intervalo é caracterizado pela produção de O2, o produto desejado. Destaca-se que em ambas as figuras está representado apenas o comportamento de um leito e D1 representa o bloco simplificador previamente mencionado. Durante o intervalo t = 5.040 s até perto de t = 5.160 é possível verificar na Figura 2 como a corrente P1, que é a vazão de O2, está variando. Um valor fixo para as vazões não foi definido previamente nas configurações das válvulas. Enfatiza-se que, na Figura 1, Buffer.P, a pressão de O2 no tanque de armazenamento, apresenta pouca variação ao longo do ciclo, mesmo observando-se a variação da vazão de P1 na Figura 2, previamente mencionada.

Figura 1

Variação da pressão ao longo do ciclo tipo Skarstrom para o processo PSA simulado.

Figura 2

Variação da vazão das correntes ao longo do ciclo tipo Skarstrom para o processo PSA simulado.

CONCLUSÕES: Com os gráficos das variações das pressões e das vazões das correntes é possível verificar de modo mais simples as etapas que compõem um ciclo tipo Skarstrom. Correlacionar as etapas, suas durações e o comportamento de cada etapa do ciclo tipo Skarstrom complementa o entendimento de possíveis modificações em uma unidade que podem contribuir no processo de aprimoramento da condição de operação de uma unidade PSA. Finalizar esse aprendizado observando uma unidade PSA funcionando é um procedimento recomendável.

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.
FAVRE, E. 2.08 - Polymeric Membranes for Gas Separation. In: DRIOLI, E.; GIORNO, L. (Eds.). Comprehensive Membrane Science and Engineering. Oxford: Elsevier, 2010. p. 155–212.
MOFARAHI, M.; TOWFIGHI, J.; FATHI, L. Oxygen separation from air by four-bed pressure swing adsorption. Industrial and Engineering Chemistry Research, v. 48, n. 11, p. 5439–5444, 2009.
SKARSTROM, C. W. Method and apparatus for fractionating gaseous mixturesby adsorption. p. 23, 1958.