Explicação Detalhada do Princípio Tecnológico e Sistemas de Apoio da Geração de Oxigênio por VPSA e PSA

1. Tecnologia de Geração de Oxigênio por VPSA

A Adsorção por Oscilação de Pressão a Vácuo (VPSA) é uma tecnologia avançada para separar oxigênio do ar. Ela utiliza a diferença na capacidade de adsorção de vários componentes do ar em adsorventes. O adsorvente adsorve seletivamente gases quando a pressão é aumentada e dessorve para regenerar quando a pressão é reduzida a um estado de vácuo.

O equipamento de geração de oxigênio VPSA opera usando eletricidade como fonte de energia e ar como matéria-prima. Aproveita a propriedade das peneiras moleculares de aumentar a capacidade de adsorção de nitrogênio sob pressão positiva e diminuí-la sob pressão negativa. Um processo cíclico de adsorção sob pressão positiva e dessorção a vácuo é alcançado alternando a operação dos 2 vasos de adsorção, permitindo a separação de oxigênio e nitrogênio do ar e a produção contínua de oxigênio industrial.

O processo de geração de oxigênio VPSA é um processo de adsorção física, não envolvendo reações químicas ou poluição ambiental, tornando-se um método ideal de fornecimento de oxigênio. Comparado à produção criogênica tradicional de oxigênio, o processo VPSA oferece vantagens significativas, incluindo composição e processo mais simples, operação mais fácil, inicialização mais rápida, operação segura e confiável em temperatura normal e baixa pressão, menor consumo de energia e custos de produção de oxigênio significativamente mais baixos.

1.1 Processo do Equipamento de Geração de Oxigênio VPSA de Dois Vasos

O equipamento de geração de oxigênio VPSA usa ar como matéria-prima. O ar passa primeiro por um filtro de ar e entra em um soprador Roots, onde é comprimido antes de entrar em um adsorvedor que completou a regeneração e está em operação.

Dentro do adsorvedor, a umidade, o dióxido de carbono e outras moléculas gasosas no ar são adsorvidos preferencialmente. O ar seco então passa por uma peneira molecular especializada para produção de oxigênio, onde o nitrogênio é adsorvido, permitindo que o oxigênio seja enriquecido na saída. O gás rico em oxigênio é então regulado em pressão através de uma válvula de controle e entra em um tanque de amortecimento. Na saída do tanque de amortecimento, o oxigênio é posteriormente comprimido por um compressor de oxigênio para atingir a pressão necessária. O oxigênio de alta pressão é então resfriado e armazenado em um tanque de armazenamento de oxigênio, de onde é fornecido aos usuários finais.

Para garantir um fornecimento contínuo e estável de oxigênio, a planta de geração de oxigênio VPSA é projetada com duas torres de adsorção que operam alternadamente. Enquanto uma torre produz oxigênio, a outra está passando por regeneração a vácuo. Durante a regeneração, o nitrogênio rico adsorvido é dessorvido e descarregado para o exterior após tratamento de redução de ruído.

1.2 Cenário de Aplicação

O equipamento de oxigênio VPSA é adequado para produção de oxigênio industrial de várias escalas, fornecendo oxigênio com pureza de aproximadamente 80%–93%.

2. Componentes Básicos de uma Planta de Oxigênio VPSA

A unidade de oxigênio VPSA consiste em 7 componentes principais, incluindo sistema de adsorvedor radial, sistema de potência (sopradores e bombas de vácuo), sistema de instrumentação e elétrica, tanques de amortecimento de oxigênio, sistema de compressão de oxigênio (opcional), sistema de controle elétrico e sistema de água.

O Diagrama de Fluxo do Processo de Geração de Oxigênio VPSA

2.1 Sistema de Adsorvedor Radial

A unidade de separação oxigênio-nitrogênio é o componente central do equipamento de geração de oxigênio. Consiste principalmente em 2 torres de adsorção alternadas, juntamente com válvulas borboleta de comutação pneumáticas, válvulas borboleta de regulagem pneumáticas e válvulas borboleta manuais. A separação de oxigênio e nitrogênio é alcançada com base na diferença na capacidade de adsorção de moléculas de nitrogênio e oxigênio em peneiras moleculares de oxigênio especializadas e de alta eficiência durante os processos de adsorção sob pressão positiva e dessorção sob pressão negativa.

Um controlador lógico programável (CLP) controla as válvulas solenoides, que por sua vez regulam as válvulas pneumáticas de acordo com uma sequência definida. Isso permite a operação automática do sistema de oxigênio, garantindo assim a produção contínua de oxigênio. Enquanto isso, a bomba de vácuo evacua e descarrega nitrogênio e outros componentes gasosos.

2.1.1 Vaso de Adsorção

A estrutura de adsorvedor duplo garante um fornecimento contínuo de gás para atender às demandas do cliente. Dentro do adsorvedor, peneiras moleculares de desidratação e peneiras moleculares LiX são preenchidas para separar efetivamente os componentes do ar e atender aos requisitos de produção de oxigênio.

2.1.2 Válvula Borboleta de Comutação Pneumática

As válvulas solenoides são controladas pelo sistema de controle para comutar periodicamente o fluxo de gás entre os dois adsorvedores, garantindo a operação estável do equipamento de oxigênio.

2.1.3 Válvula Borboleta de Regulagem Pneumática

Durante o processo de equalização e purga, uma válvula borboleta de controle pneumático é instalada para otimizar os efeitos de equalização e purga. A válvula apresenta ajustabilidade de porcentagem igual, zero vazamento e longa vida útil, entre outros.

2.2 Sistema de Potência – Soprador

Como componente de potência de admissão de ar de todo o sistema, o soprador fornece uma fonte de gás de pressão positiva adequada para o sistema de separação oxigênio-nitrogênio, desempenhando um papel crítico para garantir a operação estável e eficiente do sistema. O sistema do soprador inclui um filtro de ar de entrada, o soprador e seu motor correspondente, uma válvula borboleta de comutação pneumática de desvio, uma válvula borboleta manual, um trocador de calor, conectores de fole (ou juntas flexíveis) e outros equipamentos completos de suporte.

2.2.1 Unidade do Soprador e Motor Correspondente

O soprador Roots é um soprador de gás de deslocamento positivo. Dentro de sua carcaça, dois rotores mantêm uma folga de engrenamento específica e são acionados por engrenagens síncronas para girar a velocidades iguais em direções opostas. Este mecanismo empurra o gás aspirado da entrada para a saída, superando a resistência do gás de alta pressão no lado da saída para alcançar a exaustão forçada.

Dentro da carcaça, dois rotores em forma de oito são instalados perpendicularmente em um par de eixos paralelos. Os rotores são acionados por um par de engrenagens com uma taxa de transmissão de 1:1 para girar sincronizadamente em direções opostas. Uma certa folga é mantida entre os rotores e entre os rotores e a parede interna da carcaça da bomba.

O componente chave de um soprador Roots é o rotor, e o núcleo do rotor está em seu perfil. Os impelidores adotam um perfil especial recém-projetado, garantindo folga de engrenamento uniforme entre os dois rotores, reduzindo vazamento interno e melhorando a eficiência volumétrica. Além disso, componentes de alta precisão e alto desempenho, como engrenagens síncronas, rolamentos e vedações de PTFE, garantem operação estável com baixa vibração.

O motor correspondente é um motor assíncrono trifásico com grau de proteção IP23–IP54 e classe de isolamento F. Apresenta alta eficiência, economia de energia, baixo ruído, vibração mínima, design leve, desempenho confiável e fácil instalação e manutenção.

2.2.2 Válvula Borboleta de Comutação Pneumática de Desvio e Válvula Borboleta Manual

Para melhorar a taxa de recuperação do gás produto durante o processo VPSA e PSA, os 2 adsorvedores passam por um processo de equalização por um determinado período. Durante esta fase de equalização, o soprador desvia e ventila o excesso de gás. Além disso, para evitar refluxo quando o soprador para, é necessário um mecanismo de proteção por despressurização de desvio. Portanto, um sistema de desvio é instalado, onde a válvula borboleta de comutação pneumática é controlada por programa para descarregar externamente. Além disso, uma válvula borboleta manual é configurada para regular efetivamente a pressão de saída do soprador.

A válvula é uma válvula borboleta pneumática de sede dura com deslocamento duplo, projetada para comutação frequente em ciclo curto. Apresenta zero vazamento, longa vida útil e tempo de comutação curto.

2.2.3 Trocador de Calor

Após a pressurização pelo soprador, a temperatura do ar de saída atinge aproximadamente 65°C, enquanto a condição de trabalho ideal para a peneira molecular está entre 30–40°C. Para garantir a utilização eficiente da peneira molecular, é necessário um trocador de calor para resfriar o ar aquecido.

2.2.4 Conector de Fole

Durante a operação do soprador Roots, vibração significativa é inevitável. Para minimizar o impacto da vibração em equipamentos subsequentes e reduzir o ruído causado pela vibração, conectores flexíveis emparelhados e conectores de fole são instalados na entrada e saída do soprador.

2.3 Sistema de Energia – Bomba de Vácuo

Uma vez que a peneira molecular atinge a saturação dinâmica durante a adsorção, a dessorção e regeneração são necessárias. Estudos mostram que a regeneração da peneira molecular é mais eficaz sob condições de pressão negativa (vácuo). O sistema de bomba de vácuo é um componente indispensável de todo o sistema. Ele consiste na unidade de bomba de vácuo e seu motor correspondente, uma válvula borboleta de comutação pneumática de desvio, uma válvula borboleta manual, conectores de fole (ou conectores flexíveis) e outros equipamentos auxiliares.

2.3.1 Unidade da Bomba de Vácuo e Motor

A bomba de vácuo Roots é uma bomba de vácuo volumétrica rotativa, estruturalmente derivada do soprador Roots. Seu princípio de funcionamento é idêntico ao do soprador Roots.

2.3.2 Válvula Borboleta de Comutação Pneumática de Desvio e Válvula Borboleta Manual

Para evitar refluxo quando a bomba de vácuo é desligada, um desvio é instalado para liberar pressão antecipadamente, garantindo partida e parada com pressão zero. Uma válvula de desvio é instalada para esse fim. Além disso, uma válvula borboleta manual é usada para ajustes finos da pressão de sucção da bomba de vácuo.

A válvula é uma válvula borboleta de comutação com vedação macia, projetada para atender aos requisitos de vazamento zero sob condições de comutação de longo prazo.

2.3.3 Conector de Fole

Durante a operação da bomba de vácuo Roots, vibrações significativas são inevitáveis. Para minimizar o impacto da vibração nos equipamentos subsequentes e reduzir o ruído causado pela vibração, conectores flexíveis ou conectores de fole são instalados na entrada e saída da bomba de vácuo.

2.4 Sistema de Ar de Instrumentação

Tanto as válvulas borboleta pneumáticas quanto as válvulas borboleta reguladoras pneumáticas requerem uma fonte de ar de instrumentação de aproximadamente 0,5-0,7 MPa como força motriz do atuador durante a comutação do controle automático. O sistema consiste em componentes como um filtro de tratamento de fonte de ar e um tanque de armazenamento de ar. Para garantir a taxa de operação, uma válvula de desvio é adicionada à unidade de filtração, que requer manutenção e reparos frequentes.

2.5 Tanque de Amortecimento de Oxigênio

O sistema do tanque de amortecimento de oxigênio consiste principalmente em um tanque de amortecimento de oxigênio, medidor de vazão por orifício, analisador de pureza de oxigênio, válvula de controle e sensor de pressão.

O tanque de amortecimento de oxigênio serve como uma medida chave para mitigar flutuações excessivas de pressão nos adsorvedores e estabilizar a pressão e a pureza do oxigênio produto.

2.6 Sistema de Compressão de Oxigênio (Opcional)

O sistema de compressão de oxigênio consiste em uma válvula borboleta específica para oxigênio, um compressor de oxigênio e outros componentes. Sua função principal é aumentar a pressão do oxigênio produto para atender à pressão exigida pelo usuário e entregá-lo ao tanque de armazenamento de oxigênio.

O sistema de tanque de armazenamento de oxigênio inclui tanques de armazenamento de oxigênio, válvulas, manômetros, válvulas de segurança e outros componentes. Sua função principal é armazenar uma parte do oxigênio produto, garantindo uma saída estável de oxigênio. Além disso, fornece um suprimento temporário de oxigênio em caso de parada inesperada, evitando a falha do sistema de fornecimento de oxigênio.

2.7 Sistema de Controle Elétrico e de Instrumentação

O sistema de controle elétrico e de instrumentação inclui um computador industrial, painel de controle elétrico, painel de instrumentação, controlador lógico programável (PLC), válvulas solenoides, luzes indicadoras, botões de controle e outros componentes.

O sistema opera automaticamente de acordo com o programa editado no PLC, controlando a energização e desenergização das válvulas solenoides, que por sua vez abrem e fecham válvulas pneumáticas através do sistema de controle pneumático. Ele coleta e processa vários sinais, exibindo o status operacional do equipamento de oxigênio. Os usuários podem definir ou modificar parâmetros de controle no computador industrial para configurar ou verificar o status operacional do equipamento.

2.8 Sistema de Água

O sistema de água geralmente consiste em duas partes: o sistema de água de circulação e o sistema de água de selagem. O sistema de água de circulação inclui principalmente uma torre de resfriamento, bombas d'água, filtros, tubulações de entrada e retorno de água e válvulas associadas. Ele fornece água de circulação de resfriamento para todo o sistema de oxigênio. O sistema de água de selagem é usado principalmente para fornecer água ao impulsor da bomba de vácuo para melhorar a vedação, alcançando assim um nível de vácuo mais alto durante o processo de dessorção. Água mole ou água desmineralizada, cujo sistema de produção é fornecido por fabricantes especializados, é tipicamente usada para esse fim.

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