Considerazioni sulla purificazione del gas industriale

1 agosto 2019 | Di Brian Warrick e Dan Spohn, Applied Energy Systems, Inc.

I requisiti di purezza e le proprietà dei gas richiedono metodi diversi per la purificazione dei gas industriali. Di seguito vengono fornite le considerazioni chiave per la scelta della tecnologia di purificazione del gas

I gas industriali sono fondamentali per un'ampia gamma di applicazioni nelle industrie di processo chimico (CPI). Nella maggior parte dei casi, i gas industriali vengono prodotti secondo specifiche di purezza particolari, il che significa che possono contenere solo una quantità limitata di contaminanti. Per molte applicazioni, i gas forniti dai fornitori potrebbero non soddisfare le specifiche di processo per un determinato processo, il che significa che il gas richiederebbe una purificazione per ridurre ulteriormente i contaminanti. Una migliore comprensione della generazione, dello stoccaggio e della separazione del gas industriale può aiutare nella scelta della tecnologia di purificazione del gas che soddisfa le esigenze del processo. Una serie di considerazioni chiave possono avere un impatto sul tipo di purificatore di gas selezionato. Questi includono quanto segue: il metodo di produzione per la fornitura di gas; la purezza della fonte di gas; come è confezionata la fonte di gas; la specie di molecole di impurità da rimuovere e la purezza attesa; nonché la selezione dei supporti, la capacità dei supporti, la velocità spaziale, la progettazione dell'imballaggio e i requisiti di spedizione. Questo articolo discute la produzione di gas industriali rispetto ai metodi di purificazione, stoccaggio, sicurezza e spedizione.

Esistono molti metodi di generazione del gas, ma per questo articolo considereremo principalmente la separazione fisica dei componenti (come l'azoto dall'aria o l'idrogeno dal gas naturale), piuttosto che la generazione di gas tramite reazioni chimiche. Le reazioni generano gas come l'ammoniaca, utilizzando il processo Haber-Bosch. Altre reazioni creano gas come NO, SiH4, PH3 e così via, comunemente utilizzati nell'industria elettronica.

La separazione fisica del gas si basa su processi a membrana, catalitici e di adsorbimento, distillazione criogenica e altre tecnologie. Alcuni di quelli comuni sono discussi qui.

Separazione della membrana. Una comune tecnologia di separazione dell'aria 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 gas. Poiché l'aria, l'ossigeno, l'anidride carbonica, l'argon e altri contaminanti in tracce passano attraverso la parete a una velocità maggiore rispetto all'azoto e vengono diretti verso lo sfiato. L'azoto esce dal sistema a membrana con una purezza tipica superiore al 95%. La purezza raggiunta da un sistema a membrana può essere variata dall'utente regolando il flusso attraverso il sistema. 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 dispositivi di separazione a membrana, utilizzati quando i requisiti di purezza non sono rigorosi, impiegano membrane a fibra cava per separare l'azoto dall'ossigeno

Adsorbimento con oscillazione di pressione. L'adsorbimento con oscillazione della pressione (PSA) e l'adsorbimento con oscillazione della pressione del vuoto (VPSA) vengono utilizzati laddove i requisiti di purezza sono più elevati. 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 (Figura 3) viene utilizzata per la produzione in loco di vetro float e ossigeno per uso medico.

Figura 2. I gas possono essere purificati utilizzando una gamma di diversi mezzi di purificazione, tra cui zeoliti, leghe metalliche e altri

Figura 3. L'adsorbimento con oscillazione della pressione del vuoto viene utilizzato quando i requisiti di purezza del gas sono più elevati

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.

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