Gerador de Nitrogênio - Separação por Membranas

Muito provável que esta seja minha última publicação deste ano no Blog. Então, vou aproveitar para explicar como funciona um Gerador de Nitrogênio que utiliza membranas de fibra ocas. 

Membranas, em uma visão genérica, são barreiras finas que permitem passagem preferencial de determinadas substâncias, líquidas ou gasosas, e são utilizadas em processos de separação visando o fracionamento dos componentes de uma mistura, em função de suas diferentes taxas de permeação. Permear significa atravessar. No entanto, o desempenho do conjunto para separação gasosa por membrana não depende apenas da permeabilidade e da seletividade da membrana, mas também da sua estrutura.

Vejam a figura 1 a seguir. Nela, é possível visualizarmos o que ocorre no interior de uma membrana de fibra oca e como ocorre a separação dos gases.

Fig. 1: Fluxo de gases dentro de uma Membrana de Fibra oca
Fonte: o Autor

Em muitas aplicações industriais e até em aplicações analíticas, o uso de um Gerador de Nitrogênio apresenta algumas vantagens quando comparado ao recebimento de gás nitrogênio em cilindros. Posso citar:

1) Fornecimento contínuo de nitrogênio: um sistema gerador pode produzir nitrogênio, sob condições que a aplicação exigir, com elevado nível de pureza, que varia entre 95,00% e 99,99%.

2) Segurança operacional: elimina-se o risco do manuseio de cilindros de alta pressão.

3) Menor desperdício: o sistema gerador produz nitrogênio sob demanda, de acordo com a pressão e vazão exigidas para a aplicação, reduzindo muito o desperdício de gás.

4) Baixo custo: um gerador de nitrogênio consome bem menos energia para fornecer o volume de 1,00 m³ de nitrogênio se comparado ao custo do nitrogênio adquirido. Associa-se a isto, o menor gasto administrativo e de logística.

5) Confiabilidade no fornecimento de nitrogênio: também se elimina a dependência do serviço de fornecedores externos, evitando-se atrasos na entrega, contratos de longo prazo e aumentos de preço.

Além disso, é de suma importância considerar também os benefícios relacionados ao meio ambiente e ao ambiente industrial em comparação com outro processo de separação: a destilação ou liquefação fracionada. Este é um processo que tem um consumo energético intenso e que separa gases em uma mistura homogênea. Seu funcionamento é assim: primeiramente resfriam-se os gases até eles atingirem seu estado líquido para em seguida passarem pelo processo de destilação fracionada, no qual os mesmos voltam a ser gases, de acordo com os seus respectivos pontos de evaporação, assim conseguindo fazer a separação. Por exemplo, este processo é utilizado para separar nitrogênio e oxigênio do ar atmosférico. Assim, após a liquefação do ar, a uma temperatura de – 200°C, a mistura líquida é submetida a destilação fracionada e o primeiro componente que temos é o nitrogênio pelo fato do seu ponto de evaporação ser menor do que o oxigênio (-193°C contra -183°C do oxigênio). O sistema com membranas de fibra oca usa uma quantidade significativamente menor de energia para a geração de nitrogênio. 

Em muitas situações o uso do gerador de nitrogênio com membrana de fibra oca é a solução mais conveniente, mais econômica e mais confiável para o fornecimento contínuo de nitrogênio puro, além de apresentar maior eficiência energética e contribuir para a preservação do meio ambiente, como já citei anteriormente.

Na figura 2, vemos uma ilustração de um banco de membranas de fibra oca. Este é constituído por um feixe de membranas poliméricas na forma de cilindros finos e fixados nas extremidades por placas e distribuídos no interior de um casco tubular de modo, muito semelhante a um trocador de calor casco-tubo. Neste caso, a alimentação (ar atmosférico) do banco de membranas é introduzida no interior das fibras, sendo os gases permeados recolhidos no lado do casco e o nitrogênio puro é recolhido na saída do banco.

Fig. 2: Banco de Membranas
Fonte: o Autor

Então vamos estudar um processo típico de geração de nitrogênio, que será separado do ar atmosférico pelas membranas de fibra oca. Vejam o diagrama de blocos (figura 3) a seguir.

Fig. 3: Diagrama de Blocos de um Gerador de Nitrogênio típico
Fonte: o Autor

O ar atmosférico, com pressão de 1 atm (101,5 kPa) é captado pelo compressor, tipo parafuso. Este ar comprimido passa pelo primeiro sistema de filtragem: filtro coalescente, cuja função é a remoção de partículas submicrônicas de impurezas, como óleo e vapor de água do ar comprimido, garantindo a qualidade deste ar. Os filtros convencionais removem apenas partículas de 2 mícrons. No entanto, 80% dos contaminantes em suspensão são inferiores a este valor em tamanho. O ar comprimido, então, é direcionado até o sistema de secagem composto por duas torres de secagem por adsorção – em condição normal, uma torre seca o ar enquanto a outra fica regenerando o elemento adsorvente. O ar comprimido seco atravessa três filtros antes de entrar no sistema de separação do nitrogênio: um filtro coalescente, um filtro de carvão ativado e um filtro de sólidos em suspensão. Os filtros coalescente e de carvão ativado são responsáveis pela retenção de impurezas e de hidrocarbonetos, e associados ao filtro de particulados, que retém sólidos em suspensão, garantem a qualidade do ar antes de entrar nas membranas de separação. Este ar, comprimido, seco e limpo entra nas membranas de separação, que são compostas por fibras ocas de polímero, que permitem, preferencialmente, que o oxigênio e outros gases permeiem, enquanto o nitrogênio continua passando pelo tubo formado pela membrana. A partir daí o nitrogênio passa por um filtro final que contém mídia filtrante de nitrogênio esterilizada e ativada. Após passagem pelas membranas, o nitrogênio tem a sua pureza avaliada por um analisador. Caso a pureza do nitrogênio seja inferior a 96%, este é descartado para a atmosfera. Caso a pureza do nitrogênio esteja dentro da especificação desejada, este será direcionado para um vaso de armazenamento, que tem o objetivo de ser um reservatório pulmão, antes da distribuição para os consumidores. 

Pronto. O nitrogênio com alto teor de pureza será distribuído agora.

É isso. Espero que tenham gostado da explicação. Desejo a todos Boas Festas neste final de 2017. Ano que vem tem mais publicações. Tudo de bom.

Sistema de Refrigeração de Ar - Self Contained

Estudar é muito bom. Conhecimento nunca é demais. Nesta publicação, vou conversar acerca de um sistema de refrigeração de ar conhecido como Self Contained. Diferentemente do sistema conhecido como chiller, no qual a água gelada circula nos locais onde se deseja refrigerar o ar (o ar troca calor com a água gelada em um trocador de calor), no sistema Self Contained o gás refrigerante é que circula no trocador de calor, fazendo a troca térmica com o ar a ser refrigerado. A utilização de cada um dos sistemas citados dependerá da concepção do projeto, levando-se em consideração a carga térmica a ser utilizada.

Para ajudar o entendimento, vejam o desenho a seguir.

Fig. 1: Diagrama Esquemático de um sistema Self Contained típico
Fonte: Do autor

A explicação a seguir tomará como referência apenas um conjunto de refrigeração do ar (compressor, condensador e demais componentes).

Este sistema é alimentado com água do mar (linha verde), uma vez que a temperatura desta água gira em torno de 20°C (depende da região do país e da época do ano). O gás refrigerante exposto nesta explicação é o R407 C que tem as seguintes características:

• Composto de R-32 (Difluorometano), R-125 (Pentafluoroetano) e R-134a (Tetrafluoroetano);
• Tem capacidade de condensar e expandir sem perdas significativas no seu volume;
• Não degrada a camada de ozônio;
• Baixa toxicidade;
• Não é inflamável; e
• Substitui o gás R-22.

Ao darmos partida (iniciar a operação) no sistema, o compressor comprime o gás refrigerante na sua forma gasosa (linha amarela), elevando a pressão de descarga do compressor. Um resistor imerso no óleo do compressor o mantém pré-aquecido, auxiliando a partida do compressor. Este gás, comprimido, é enviado para o condensador, cujo volume é maior do que a câmara do compressor, fazendo o gás refrigerante ocupar todo espaço e, assim, perder temperatura, liquefazendo-se. Por diferença de pressão, o gás refrigerante liquefeito (linha azul) é enviado para o conjunto de evaporação, passando pelo filtro secador para retirar umidade e por válvulas termostáticas de expansão, nas quais inicia-se o processo de expansão do gás liquefeito dentro da serpentina (trocador de calor) do evaporador. O ar, a ser refrigerado, passa pelo lado de fora da serpentina do evaporador, troca calor com o conjunto refrigerado, deixando este ar frio. Como o gás refrigerante ganha calor, o mesmo evapora e, na saída do evaporador, este gás é enviado para a sucção do compressor, iniciando-se um novo ciclo de refrigeração.

Para manter a temperatura do condensador em um valor que seja possível liquefazer o gás refrigerante, é utilizada uma válvula de controle de temperatura, autorregulada, na saída da água do mar do condensador. Quando a temperatura do condensador aumenta, a referida válvula abre para passar mais água do mar para diminuir a temperatura do condensador.  E quando a temperatura do condensador diminui, a válvula controladora de temperatura fecha para passar menos água do mar afim de aumentar a temperatura do condensador.

É preciso também comentar que, dependo da situação, podemos utilizar compressores herméticos (motor e compressor estão no mesmo invólucro e totalmente lacrados), compressores semi-herméticos (motor e compressor estão no mesmo invólucro, mas existe possibilidade de abri-los) e os compressores abertos (motor e compressor estão separados).

Como vocês perceberam, a publicação refere-se ao funcionamento do sistema e, portanto, não mencionei nada sobre instrumentação, intertravamento e comando elétrico porque não foi o objetivo neste momento.

É isso. Espero que gostem da publicação. Tudo de bom e até a próxima.

Lei de Kirchhoff - Método das Malhas - Circuito 2

Osmose e Osmose Inversa

Fiquei curioso ao verificar que é possível dessalinizar a água do mar utilizando o método de osmose inversa, técnica utilizada em plataformas de petróleo com o objetivo de gerar água destilada para utilização no processo industrial.

Vamos conhecer um pouco este processo?👍

Primeiramente, precisamos recordar alguns conceitos. Vamos relembrar um pouco das aulas de química?😏

SOLUÇÃO: É qualquer substância homogênea, ou seja, substância que tem apenas uma fase.

SUBSTÂNCIA HOMOGÊNEA: Substância que tem o soluto e o solvente. De maneira geral, o soluto está em menor quantidade na substância homogênea uma vez que será dissolvido e o solvente está em maior quantidade na substância homogênea já que este é o que dissolve.

SOLUÇÃO HIPOTÔNICA: Sempre comparada ou em contato com outra solução, é aquela que tem MENOR concentração de SOLUTO (sais).

SOLUÇÃO HIPERTÔNICA: Sempre comparada ou em contato com outra solução, é aquela que tem MAIOR concentração de SOLUTO (sais).

SOLUÇÃO ISOTÔNICA: Sempre comparada ou em contato com outra solução, a concentração de SOLUTO (sais) é equivalente.

Observação: Os termos hipotônico e hipertônicos referem-se sempre ao SOLUTO.

Antes de irmos à diante, vamos exemplificar:

Nos seres humanos, os fluidos corporais são os referenciais. Deste modo, ao compararmos a água do mar, ou até ao entrarmos em contato com esta água, podemos dizer que é hipertônica em relação aos fluidos corporais, pois a água do mar tem mais sais. Já a água destilada, em comparação aos fluidos corporais dos seres humanos, é hipotônica. Por fim, aquelas bebidas eletrolíticas, como o Gatorade da Pepsico, são isotônicas em relação aos fluidos corporais dos seres humanos, pois possuem a mesma concentração de sais.

Conseguiram entender? É importante termos estes conceitos na mente para seguirmos em frente. Então, vamos continuar. 

OSMOSE: É a passagem de solvente do meio HIPOTÔNICO para o meio HIPERTÔNICO. É um processo que não gasta energia por ser um transporte passivo do solvente.

Vou repetir:

OSMOSE: É a passagem de solvente do meio HIPOTÔNICO para o meio HIPERTÔNICO. É um processo que não gasta energia por ser um transporte passivo do solvente.

Não esqueçam:

OSMOSE: É a passagem de solvente do meio HIPOTÔNICO para o meio HIPERTÔNICO. É um processo que não gasta energia por ser um transporte passivo do solvente.

Vejam as representações gráficas a seguir. Dois recipientes contendo solução aquosa cada um adicionado soluto. As soluções estão em contato por meio de uma membrana semipermeável (membrana plasmática) que promove passagem seletiva entre as soluções. 

Na situação A, temos uma solução isotônica, pois a concentração de soluto é equivalente nas soluções 1 e 2. Assim, o solvente ficará em repouso, ou seja, não há movimento do mesmo.

Na situação B a seguir, adicionamos mais sais à solução 1, de modo que ela está hipertônica em relação à solução 2.

A solução 2, que é hipotônica em relação à solução 1, tem mais solvente, neste caso a água, para realizar trabalho. Assim, através da membrana semipermeável, a água passará da solução 2 para a solução 1. Vejam a figura a seguir.

Na situação C, vemos que a há a passagem de solvente do meio HIPOTÔNICO para o meio HIPERTÔNICO. Como se chama este processo? Lembram?

Acertou que disse OSMOSE. Muito bom. Parabéns!

Esta passagem do solvente (água) do meio HIPOTÔNICO para o meio HIPERTÔNICO, se dá pela Pressão Osmótica (PO) e é um processo espontâneo, passivo e não gasta energia.

E a Osmose Inversa? Como acontece este processo?

A situação D, a seguir, vai explicar graficamente. Vejamos.

A OSMOSE INVERSA é a passagem do solvente (água) do meio HIPERTÔNICO para o meio HIPOTÔNICO. Isto só é possível se aplicarmos uma pressão maior do que a pressão osmótica (PO) no recipiente da solução 1, utilizando um êmbolo, por exemplo. Podemos observar que não é um processo espontâneo e, por conseguinte, é um processo ativo e que gasta mais energia em relação ao processo de osmose. Por outro lado, na osmose inversa obtemos água pura (destilada), que pode ser utilizada em processos industriais de plataformas de petróleo, uma vez que podemos dessalinizar a água do mar. Por fim, outra aplicação é a utilização desta água destilada no processo para hemodiálise.

É isso. Espero que tenham gostado da explicação.

Tudo de bom a todos. E até a próxima publicação.