Notizia

Nov 08, 2023

Tecnologia di adsorbimento con oscillazione di pressione

April 16, 2019 | By Tobias Keller, Linde Engineering; and Goutam

16 aprile 2019 | Di Tobias Keller, Linde Engineering; e Goutam Shahani, Shure-Line Construction

La tecnologia di adsorbimento con oscillazione di pressione è ben nota per le applicazioni di purificazione dell'H2, ma la tecnica può essere utilizzata anche per altri processi di separazione del gas negli impianti di raffinazione del petrolio

L'adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA) è un processo consolidato per la separazione e la purificazione di un'ampia gamma di gas industriali. Il PSA è generalmente sicuro, affidabile ed economico. Nell'industria della raffinazione del petrolio, i sistemi PSA vengono utilizzati per produrre idrogeno dal gas di sintesi prodotto mediante reforming del vapore-metano (SMR), ossidazione parziale (POX) o gassificazione.

Sebbene sia ben nota per la purificazione dell'H2, la tecnologia PSA può essere utilizzata anche per altre attività di separazione del gas. I sistemi PSA possono essere utilizzati per recuperare H2 dai gas di scarico delle raffinerie, per catturare CO2 e per generare gas O2 e N2. Questo articolo fornisce una panoramica della tecnologia PSA, compresi i principi scientifici che ne determinano il funzionamento, insieme a considerazioni sulla progettazione dei sistemi PSA. Inoltre, l’articolo riassume come la tecnologia PSA possa essere utilizzata in diverse altre applicazioni della raffineria di petrolio oltre alla purificazione dell’H2 e i potenziali vantaggi economici che possono essere realizzati con questo approccio.

La scelta della migliore tecnologia per un dato problema di separazione del gas richiede una conoscenza approfondita delle tecnologie di produzione disponibili, tra cui SMR, POX e gassificazione, nonché delle tecnologie di separazione disponibili, come membrana, criogenica, assorbimento e adsorbimento. L’identificazione della soluzione ottimale e l’eventuale vantaggio della tecnologia PSA richiedono anche una conoscenza dettagliata dei costi di capitale e operativi per il processo in questione.

La tecnologia PSA si basa sul legame fisico delle molecole di gas con un materiale solido adsorbente. Il materiale adsorbente può essere una combinazione di carbone attivo, gel di silice, setacci molecolari di carbonio e zeoliti. Le forze di attrazione tra le molecole di gas e il materiale adsorbente dipendono dal componente del gas, dal tipo di materiale adsorbente, dalla pressione parziale del componente del gas e dalla temperatura operativa. I composti altamente volatili con bassa polarità, come H2 o He, sostanzialmente non vengono affatto adsorbiti rispetto a molecole come CO2, CO, N2 e idrocarburi. La forza di attrazione relativa di varie molecole di gas con un tipico materiale adsorbente è mostrata nella Figura 1.

Figura 1. I composti altamente volatili con bassa polarità non vengono adsorbiti sul materiale adsorbente in un sistema PSA

Il processo PSA funziona a temperatura sostanzialmente costante e utilizza l'effetto della pressione alternata e della pressione parziale per eseguire l'adsorbimento e il desorbimento. Poiché non è richiesto il riscaldamento o il raffreddamento, il tempo di ciclo può essere breve, nell'ordine di pochi minuti. Inoltre non è necessario calore per la rigenerazione dell'adsorbente. Le variazioni di temperatura sono causate solo dal calore di adsorbimento e desorbimento e dalla depressurizzazione. Ciò si traduce in una durata estremamente lunga del materiale adsorbente.

Il processo PSA funziona tra due livelli di pressione. L'adsorbimento delle impurità viene effettuato ad alta pressione per aumentare la pressione parziale dei gas indesiderati e, quindi, per aumentare il carico delle impurità sul materiale adsorbente. Il desorbimento, o rigenerazione, avviene a bassa pressione per ridurre il più possibile il carico residuo delle impurità.

La maggior parte dei sistemi PSA si basano su considerazioni di equilibrio. Una tipica isoterma di equilibrio è mostrata nella Figura 2. Le isoterme di adsorbimento mostrano la relazione tra la pressione parziale di una molecola di gas e il suo carico di equilibrio sul materiale adsorbente a una data temperatura.

Figura 2. Le isoterme di adsorbimento mostrano la relazione tra la pressione parziale di una molecola di gas e il suo carico di equilibrio sul materiale adsorbente a una data temperatura

L'adsorbimento viene effettuato ad alta pressione, generalmente compresa tra 10 e 40 bar, fino al raggiungimento del carico di equilibrio. A questo punto il materiale adsorbente deve essere rigenerato per evitare la penetrazione di impurità nel prodotto. Questa rigenerazione viene effettuata abbassando la pressione leggermente al di sopra della pressione atmosferica, con conseguente diminuzione corrispondente del carico di equilibrio. Di conseguenza, le impurità sul materiale adsorbente vengono desorbite e il materiale adsorbente viene rigenerato. La quantità di impurità rimosse da un flusso di gas in un ciclo corrisponde alla differenza nel carico da adsorbimento a desorbimento.