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Nov 07, 2023

Fatti a portata di mano: gas fisico

May 1, 2022 | By Scott Jenkins, Chemical Engineering magazine

1 maggio 2022 | Di Scott Jenkins, rivista di ingegneria chimica

I gas industriali sono fondamentali per un'ampia gamma di applicazioni nelle industrie di processo chimico (CPI). Molti di questi gas devono essere separati dagli altri, come l’azoto dall’aria o l’idrogeno dal gas naturale, utilizzando tecniche fisiche di separazione del gas che includono separazione a membrana, processi catalitici e di adsorbimento, distillazione criogenica e altre tecnologie. Alcuni metodi comuni sono discussi qui.

La separazione a membrana utilizza membrane a fibra cava per separare l'azoto dall'ossigeno (Figura 1). La tecnologia a membrana viene comunemente utilizzata quando i requisiti di purezza non sono rigorosi. All'interno del sistema a membrana, molte migliaia di fibre cave sono collocate in un alloggiamento e ad un'estremità viene fornita aria compressa. La parete della fibra è permeabile ai gas, ma la velocità di diffusione attraverso la parete della fibra varia a seconda del tipo di gas. Poiché l'aria, l'ossigeno, l'anidride carbonica, l'argon e altri contaminanti in tracce passano attraverso la parete a una velocità maggiore dell'azoto e vengono scaricati. L'azoto esce dal sistema a membrana con una purezza tipica superiore al 95%. Gli utenti possono regolare il flusso attraverso il sistema per variare la purezza raggiunta da un sistema basato su membrana. Il vantaggio di un sistema a membrana è che non sono presenti parti mobili, ma la purezza dell'uscita può variare in base alla portata.

FIGURA 1. I metodi di separazione a membrana vengono utilizzati in applicazioni in cui i requisiti di purezza non sono particolarmente rigorosi

L'adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA) e l'adsorbimento con oscillazione di pressione del vuoto (VPSA) vengono utilizzati in situazioni che richiedono una maggiore purezza. Quando è richiesta la separazione delle impurità a un livello elevato di parti per milione (ppm), invece della separazione delle impurità a livello percentuale, il PSA è un'opzione (Figura 2). I sistemi PSA sono tipicamente utilizzati come pre-purificazione dei gas che entrano in un processo criogenico e per la purificazione dell'idrogeno. La tecnologia VPSA viene utilizzata per la produzione in loco di vetro float e ossigeno per uso medico.

FIGURA 2. L’adsorbimento con oscillazione di pressione è un’opzione quando la separazione delle impurità deve raggiungere un livello elevato di parti per milione

I sistemi PSA sono costituiti da coppie di vasi che operano in parallelo oppure possono essere progettati in configurazioni con più vasi in serie. Ogni recipiente è pieno di mezzi di adsorbimento, come setacci molecolari di carbonio, zeoliti e carbone. Il gas di alimentazione da purificare passa attraverso uno o più recipienti funzionanti a pressioni tipicamente superiori a 100 psig. Le impurità all'interno del flusso di gas di alimentazione vengono fisicamente adsorbite (fisiassorbimento) sulla superficie del mezzo dalle forze di Van der Waals (legami deboli creati da interazioni elettrostatiche a corto raggio tra dipoli molecolari). I sistemi PSA funzionano sfruttando il diverso comportamento di adsorbimento a diverse pressioni e temperature. I siti di adsorbimento sono occupati da molecole di impurità, mentre il gas desiderato passa attraverso il mezzo. La capacità di ciascuna impurità varia in base alla selezione del mezzo, spesso determinata dalla dimensione dei pori. Quando le molecole di impurità sfondano i vasi del PSA, il mezzo necessita di rigenerazione per rimuovere le impurità adsorbite. All'interno di un sistema PSA, il recipiente viene isolato e il gas viene rapidamente scaricato alla pressione atmosferica, che rilascia le impurità intrappolate. Il recipiente viene quindi ripressurizzato ed è pronto per ulteriore gas di alimentazione. Questa rigenerazione può essere completata in un tempo di ciclo compreso tra minuti e ore. Per la separazione dell'azoto o dell'ossigeno dall'aria, il ciclo è generalmente breve.

Quando è richiesta una purezza del gas a basso livello di PPM, viene generalmente utilizzata la distillazione criogenica. I processi criogenici si basano sulla separazione fisica dei gas rispetto al loro punto di ebollizione. Molti gas possono essere separati criogenicamente, ma qui viene descritta la separazione dell'aria. L'aria compressa viene raffreddata e quindi fatta passare attraverso un letto di setacci molecolari per rimuovere umidità, idrocarburi e anidride carbonica prima di entrare nella colonna di distillazione. Il gas che entra nella colonna viene raffreddato a temperature criogeniche contro i gas in uscita. Per mantenere l'equilibrio di refrigerazione necessario a sostenere il processo, viene spesso utilizzata una turbina di espansione. L'aria viaggia lungo la colonna attraverso una serie di vassoi contro il liquido di riflusso che scende a cascata lungo la colonna. La separazione dei gas avviene a causa delle diverse temperature di ebollizione. L'azoto con purezza pari o superiore al 99,999% può essere fornito direttamente come vapore o liquefatto per la consegna criogenica. Le impurità all'interno dell'azoto includono tipicamente monossido di carbonio e idrogeno, che hanno un punto di ebollizione simile o inferiore.