Dimensionamento de compressor de ar para N2: guia completo

A maioria das falhas durante o comissionamento de uma planta de nitrogênio não ocorre quando um engenheiro multiplica a vazão de nitrogênio pelo fator de ar errado. Elas acontecem na tubulação física entre a descarga do compressor e a entrada do gerador. Tratar o dimensionamento do compressor de ar para alimentação de N2 como uma simples consulta a um catálogo ignora a purga de regeneração de 15%-18% dos secadores por adsorção sem aquecimento, a perda de pressão de 0,5-1,0 bar (7-15 psi, medida em libras por polegada quadrada) nos filtros coalescentes e torres de carvão, além da queda da densidade barométrica, que reduz o suprimento de ar durante as tardes quentes de verão.

Este guia de dimensionamento de compressores ajuda a dimensionar um compressor de ar avaliando os fatores a considerar entre diferentes orçamentos de purga do pré-tratamento, redução de capacidade nominal por efeito térmico combinado e decisões sobre divisão de pressão entre o conjunto principal de ar e os boosters de nitrogênio a jusante. Para usar nossa calculadora de CFM de compressor de ar ou a planilha básica de sete etapas para o fator de ar, comece pela nossa planilha de cálculo para dimensionamento do compressor de ar de alimentação de N2. Use as boas práticas de engenharia a seguir para confirmar a capacidade total do compressor de ar e definir as especificações de compra para vários fornecedores.

Mapeie os limites de fornecimento entre o ar de alimentação e o nitrogênio antes do dimensionamento

Uma especificação confiável para dimensionamento de compressor de ar de alimentação de n₂ começa pela identificação de cinco limites físicos de fornecimento, do filtro de entrada de ar ambiente ao flange de entrada do gerador de nitrogênio. Para escolher o compressor de ar e o tamanho corretos, é preciso saber quanta vazão se perde entre os componentes, pois a vazão necessária depende de cada válvula e reservatório do sistema. Quando o comprador copia um único valor de vazão de um folheto e o entrega a um vendedor de ar comprimido, nenhum dos dois sabe se a purga do secador ou a pressão diferencial do filtro está incluída — o que deixa a planta com um compressor subdimensionado e paradas não planejadas.

Em sistemas industriais de ar, os fabricantes informam a vazão do conjunto do compressor no terminal de descarga, segundo as condições de referência dos Anexos C (velocidade fixa) ou E (velocidade variável) da ISO 1217: 20°C (68°F), 1,0 bar(a) (14,5 psia) e cerca de 0% de umidade relativa. CFM significa pés cúbicos por minuto; enquanto as fichas norte-americanas informam scfm e psi, as fichas europeias de geradores de nitrogênio expressam a demanda em Nm³/h, referenciados a 0°C (32°F) e 1,01325 bar(a). Pela lei dos gases ideais, 100 Nm³/h de gás seco a 0°C se expandem para 107,3 m³/h a 20°C e 1,0 bar(a). Não conciliar as duas fichas deixa o sistema com uma vazão cerca de 7,3% abaixo do necessário antes mesmo de verificar se o compressor atende à demanda de pico.

O controle em malha fechada do compressor e a regulação da vazão do gerador, como a arquitetura de realimentação por sensor de oxigênio e orifício limitador de vazão descrita na Patente dos EUA US4725293A, modulam dinamicamente a vazão e a pressão de entrada para manter a pureza do produto sob cargas variáveis. Ao mesmo tempo, a pureza do ar que chega a essa válvula de controle deve atender aos limites de contaminantes da ISO 8573-1:2010, para que a umidade e os hidrocarbonetos nunca atinjam o meio de separação. Definir os cinco limites de fornecimento na tabela abaixo distingue o que o compressor entrega em seu terminal do gás condicionado líquido que entra nos leitos de separação.

Dimensione o sistema de pré-tratamento ISO 8573-1 e a margem para purga do secador

Depois de definir os limites de fornecimento, a próxima etapa é elaborar o Orçamento de FAD bruta ajustado ao pré-tratamento. Como a necessidade de CFM depende das perdas de purificação a jusante, cada metro cúbico de ar que sai do resfriador posterior do compressor costuma estar 100% saturado com vapor d’água e conter aerossóis de lubrificante, vapores de hidrocarbonetos e incrustações da tubulação. Segundo a ISO 8573-1:2010, 3ª edição, a pureza do ar comprimido é especificada por três números entre colchetes [Partículas : Água : Óleo total], e os skids de geração de nitrogênio geralmente exigem a Classe [1:4:1] (PSA interno com ponto de orvalho sob pressão de +3°C) ou a Classe [1:2:1] (ponto de orvalho sob pressão de -40°C para tubulações em ambientes frios, PSA de pureza ultra-alta ou membranas de fibra oca).

Cada estágio de purificação impõe perdas de vazão e pressão que exigem maior capacidade em CFM do compressor. Um secador por refrigeração consome quase nenhum ar comprimido (cerca de 0,5%–1,5% com drenos de condensado sem perda ou temporizados) e acrescenta uma queda de pressão de 0,15–0,25 bar (2–3,5 psi), mas só consegue resfriar o ar até um ponto de orvalho sob pressão de +3°C (37,4°F). Quando as especificações exigem ponto de orvalho de -40°C (-40°F), um secador por adsorção sem aquecimento, com duas torres, costuma liberar cerca de 15%–18% do fluxo de ar comprimido para a atmosfera para regenerar o leito inativo de alumina ou peneira molecular, enquanto um secador com purga por soprador aquecido ainda consome cerca de 7%–8% de purga de resfriamento durante a regeneração do leito.

Uma alternativa de engenharia comprovada, detalhada originalmente na Patente dos EUA US4439213A, conecta um secador por oscilação de pressão diretamente às torres de nitrogênio PSA. Assim, o gás de exaustão da purga, enriquecido em oxigênio e seco, proveniente dos vasos PSA regenera o secador de ar a montante, eliminando a purga dedicada de ar comprimido do secador e, muitas vezes, usando menos de cerca de 30% de purga interna de nitrogênio. Quando se usam secadores independentes convencionais, porém, a vazão bruta do compressor (Q_gross) deve seguir a equação de orçamento do pré-tratamento:

Por que os leitos de peneira molecular de carbono e as fibras de membrana falham mesmo com filtros coalescentes?

Em comparação com filtros coalescentes padrão, tanto os leitos de peneira molecular de carbono (CMS) quanto as fibras de membrana polimérica falham pelo mesmo motivo: coalescentes mecânicos capturam gotas e aerossóis de óleo líquido, mas os vapores de hidrocarbonetos atravessam os filtros coalescentes em forma gasosa. Conforme documentado em investigações sobre contaminação de CMS em aplicações industriais, moléculas de óleo e umidade bloqueiam os microporos da peneira de carbono, causando perda irreversível de pureza, silenciadores de descarga de óleo e pó preto de carbono na exaustão do PSA.

Mesmo um elemento coalescente de alta eficiência de 0,01 µm, que reduz o aerossol de óleo líquido para menos de 0,0008 ppm, deixa vapor de óleo residual no fluxo de ar quente. Além disso, guias de engenharia para geração de nitrogênio no local ressaltam que pequenos filtros de carvão ativado com cartucho rosqueável não são suficientes para proteger um gerador de nitrogênio: a pouca profundidade do leito não proporciona o tempo de residência por contato com o gás de 2,5–4,0 segundos necessário para adsorver todos os vapores de hidrocarbonetos. Sempre que se utiliza um compressor inundado com óleo, deve-se instalar a jusante do secador e do coalescente uma torre completa de carvão ativado, preenchida com carvão em pellets.

Corrija as capacidades nominais dos compressores para altitude, calor ambiente e temperatura de entrada

Escolher um compressor com base em uma tabela de catálogo para o nível do mar, sem corrigir a capacidade para as condições locais, garante gargalos de produção no verão. Como os sistemas de separação de nitrogênio dependem da vazão mássica, e não do volume deslocado bruto, altitude e calor ambiente afetam o sistema de alimentação de ar em três pontos interligados: menor densidade do ar de entrada na sucção do compressor, temperaturas de aproximação mais altas na descarga do resfriador posterior e fatores maiores de correção de temperatura e umidade no secador e no gerador de nitrogênio.

Primeiro, à medida que a altitude aumenta, a pressão barométrica cai de 1,013 bar(a) (14,7 psia) ao nível do mar para cerca de 0,85 bar(a) a 1.500 m e 0,70 bar(a) (10,1 psia) a 3.000 m (10.000 ft). Embora um compressor rotativo de parafuso de deslocamento positivo aspire o mesmo volume geométrico de ar ambiente em pés cúbicos por minuto, a menor densidade do ar costuma reduzir a vazão mássica fornecida (Nm³/h ou scfm) em cerca de 15%–30% em grandes altitudes, conforme detalhado nas diretrizes de dimensionamento de compressores para grandes altitudes. Ao mesmo tempo, o ar ambiente menos denso reduz a vazão mássica de resfriamento dos ventiladores nos motores refrigerados a ar e nos resfriadores de óleo.

Segundo, a temperatura de entrada afeta diretamente tanto a potência quanto a carga do secador. De acordo com a folha de referência sobre ar comprimido do programa Better Plants do Departamento de Energia dos EUA, cerca de 80% da energia elétrica fornecida a um compressor se transforma em calor, e reduzir a temperatura do ar na entrada do compressor em 10°F (5,6°C) costuma gerar uma economia de energia de cerca de 2%. Por outro lado, quando a temperatura ambiente na sala do compressor chega a 40°C (104°F) e o resfriador posterior refrigerado a ar opera com temperatura de aproximação de 10°C, o ar comprimido entra no secador por refrigeração a 50°C (122°F), em vez da temperatura nominal de 35°C (95°F). Esse aumento de 15°C mais que dobra a carga de vapor d’água arrastado, sobrecarrega o circuito de refrigeração do secador, eleva o ponto de orvalho sob pressão acima de +10°C e costuma reduzir em mais 8%–15% a capacidade da peneira de carbono do PSA.

Compatibilize os limites de pressão e temperatura nas arquiteturas PSA e de membrana

Nem todos os geradores de nitrogênio impõem a mesma carga ao compressor de ar de alimentação em diferentes aplicações. Entender as diferenças de regime de operação do compressor de ar entre torres de peneira molecular de carbono por adsorção com oscilação de pressão (PSA) e separadores de membrana de fibra oca é essencial para escolher os requisitos de pressão do compressor e o sistema de controle térmico adequados, pois cada tecnologia exige uma faixa de pressão específica.

Em um sistema PSA, o ar comprimido alterna entre dois vasos adsorvedores preenchidos com peneira molecular de carbono. Conforme explicado nas análises técnicas de adsorção por PSA, os poros da CMS fazem a separação cinética com base em uma diferença de diâmetro de 0.18 Å, retendo moléculas de oxigênio (3.46 Å) enquanto deixam passar moléculas de nitrogênio (3.64 Å) em uma faixa operacional de 4–13 bar (58–188 psig) e 10–25°C (50–77°F). Da mesma forma, a Patente dos EUA US5711787A mostra que os ciclos de separação por oscilação de pressão dependem da manutenção de faixas estreitas de pressão e temperatura do ar de alimentação para evitar penalidades severas no fator de tamanho do leito (BSF) e na recuperação. Como as torres PSA alternam a cada 45–90 segundos, o compressor recebe uma demanda cíclica e pulsante de vazão.

Em contrapartida, os módulos de membrana de fibra oca não têm válvulas de ciclo móveis e recebem um fluxo de ar contínuo e estável. Porém, a permeação pela membrana depende da força motriz da pressão parcial prevista pela lei de Fick através das paredes das fibras poliméricas (pureza geralmente de 95%–99,5%). As membranas costumam exigir maior pressão de descarga do compressor, geralmente 8,5–13,5 bar(g) (125–195 psig), para atender aos requisitos de pressão do módulo, e incluem um aquecedor elétrico de processo na entrada do skid para manter o ar de alimentação a 35–50°C (95–122°F), o que aumenta a capacidade de permeação das fibras, mas também eleva ligeiramente a permeação de oxigênio. Como observam profissionais do setor nas discussões de engenharia sobre compressão de gases no Eng-Tips, quando um gerador de membrana exige pressão de 145 psig (10 bar(g)) na entrada do módulo e a pré-filtragem reduz a pressão em 15 psi, o compressor de alimentação deve fornecer 160 psig (11 bar(g)) no flange de descarga.

Decida entre conectar à rede de ar existente da planta e usar um skid dedicado de ar de alimentação

Qual é a dúvida mais comum dos gerentes de fábrica? Muitas vezes, é saber se podem conectar um coletor de utilidades existente em vez de comprar um compressor dedicado para um novo gerador de nitrogênio. Quando há um compressor de utilidades geral para toda a fábrica, e os engenheiros apenas contam as ferramentas ou aplicações, verificam o uso de ferramentas pequenas e avaliam a frequência e a duração de cada uso, conectar uma carga contínua de separação de gases, 24/7, a um coletor compartilhado com ferramentas pneumáticas e máquinas costuma causar alarmes de baixa pressão e interrupções por perda de pureza.

Primeiro, auditar as perdas reais do coletor. Segundo a ficha de orientação nº 3 sobre ar comprimido do Departamento de Energia dos EUA, mesmo uma instalação industrial bem mantida costuma perder cerca de 5%–10% da vazão total do sistema de ar comprimido por vazamentos na rede de distribuição; coletores sem manutenção perdem regularmente cerca de 20%–30%. Segundo, os coletores gerais de fábrica são dimensionados para a demanda intermitente de ferramentas pneumáticas, expressa em cfm. Esmerilhadeiras, chaves de impacto ou cilindros de ensacamento costumam operar com um ciclo de carga de 15%–30%, enquanto um gerador de nitrogênio demanda uma carga nominal contínua de 100% tanto em cfm quanto em psi. Se máquinas pneumáticas fizerem a pressão do coletor cair abaixo de 6,5 bar(g) (95 psig) por apenas 30 segundos, a velocidade do gás no leito PSA aumenta bruscamente e o oxigênio passa para o tanque de produto. Para comparações mais amplas entre utilidades industriais, consulte nosso guia de engenharia de sistemas industriais de compressores de ar.

Um compressor rotativo de parafuso lubrificado pode abastecer um gerador de nitrogênio com segurança?

Sim. Um compressor rotativo de parafuso com injeção de óleo pode abastecer um gerador de nitrogênio por PSA ou membrana com segurança e eficiência quando combinado com um sistema projetado de filtragem em vários estágios e torre de carvão ativado. Nem toda instalação exige um compressor Classe 0 isento de óleo, conforme documentado nas análises dos requisitos de ar comprimido para geradores de nitrogênio.

Na prática, um compressor de parafuso com injeção de óleo que opera a 7,5–10 bar(g) tem menor custo de capital, maior eficiência volumétrica e vida útil mais longa dos rolamentos do elemento compressor do que as alternativas de parafuso seco, desde que a temperatura do ar de descarga seja reduzida para menos de 35°C antes de passar por um pré-filtro de 1,0 µm, um filtro coalescente de 0,01 µm, um secador e um vaso com carvão ativado granular dimensionado para teor residual de hidrocarbonetos ≤0,003 mg/m³. Por outro lado, instalar um compressor isento de óleo não elimina a necessidade de filtragem: o ar ambiente em zonas industriais costuma conter 1–5 mg/m³ de gases de escapamento de veículos e hidrocarbonetos de solventes, que um compressor isento de óleo comprime e injeta diretamente no gerador de nitrogênio, a menos que seja mantido um estágio de carvão ativado.

Amortecer os pulsos de comutação dos leitos PSA com reservatórios pulmão de ar úmido e seco

Dimensionar a vazão do compressor sem dispor em estágios reservatórios pulmão de ar úmido e seco provoca uma interação hidráulica destrutiva entre o descarregador do compressor, o secador de ar e as válvulas do ciclo PSA. Embora a ficha técnica de um gerador de nitrogênio por PSA informe o consumo médio de ar por hora ou por minuto, a demanda real é altamente não linear: durante a etapa de equalização e repressurização do leito, que dura 2–5 segundos, a vazão instantânea de ar para a torre inativa aumenta para 2,5×–3,5× a vazão média nominal.

Como ilustram os equipamentos experimentais de ciclo por oscilação de pressão da patente dos EUA US5032150A, vasos de surto são necessários para amortecer as oscilações cíclicas de pressão durante a despressurização, a equalização e a pressurização, permitindo que a frente de adsorção atravesse o leito de maneira uniforme. Na engenharia de instalações industriais (como descrevem os engenheiros químicos nas discussões da Cheresources sobre o dimensionamento de reservatórios pulmão de ar de processo), dividir o armazenamento entre um reservatório de ar úmido antes do secador e um reservatório de ar seco depois do sistema de purificação cumpre duas funções mecânicas distintas.

• No Estágio 1 (reservatório de ar úmido entre o pós-resfriador e o secador), o vaso dissipa calor por radiação, separa a maior parte do condensado líquido (removendo com frequência cerca de 60%–70% da água condensada antes dos filtros coalescentes) e serve como reservatório pulmão para o ciclo de carga e alívio do compressor de ar. Regra padrão de dimensionamento: 3–5 galões por SCFM (0,4–0,7 m³ por m³/min de FAD).
• No Estágio 2 (reservatório de ar seco + orifício de escoamento crítico entre a torre de carvão e o conjunto PSA), o vaso fornece o fluxo instantâneo elevado necessário durante a comutação dos leitos PSA, de modo que o pico seja suprido pelo ar seco armazenado, em vez de atravessar o secador dessecante e a torre de carvão a uma velocidade triplicada. Instalar um orifício limitador de vazão ou uma válvula de controle na entrada do PSA, conforme previsto na patente dos EUA US4725293A, limita a velocidade máxima de repressurização e evita a fluidização do leito dessecante (“batida do leito”) e o arraste de líquido do coalescedor. Regra padrão de dimensionamento: 4–6 galões por SCFM da vazão média de alimentação do PSA, com a faixa de pressão de carga e alívio do compressor ajustada 0,8–1,2 bar (12–18 psi) acima da pressão mínima regulada de entrada do PSA.

Dividir a carga de compressão entre o conjunto de ar de alimentação e os compressores booster de nitrogênio a jusante

Uma decisão importante de investimento e consumo de energia ao longo da vida útil, a matriz de divisão de pressão entre o ar de alimentação e o compressor booster de nitrogênio, surge sempre que a aplicação exige nitrogênio a média ou alta pressão, como para inertização de reatores químicos a 16–25 bar(g), corte a laser de fibra a 25–40 bar(g) ou enchimento de cilindros e acumuladores a 150–300 bar(g). Deve-se especificar um compressor de ar de alimentação de alta pressão antes do gerador de nitrogênio ou manter o compressor de ar de alimentação na pressão padrão da fábrica (7,5–10 bar(g)) e comprimir apenas o nitrogênio produto purificado em um compressor booster a jusante?

A termodinâmica e a física da separação favorecem fortemente a divisão da carga de compressão quando a pressão de fornecimento supera 10–13 bar(g) (145–190 psig). Primeiro, segundo a ficha de referência do programa Better Plants do Departamento de Energia dos EUA sobre ar comprimido, aumentar a pressão de descarga do compressor eleva o consumo de energia em cerca de 1% para cada aumento de 2 psig (0,14 bar); com a potência do motor fixa, um estágio rotativo de parafuso de maior pressão fornece menos pés cúbicos por minuto. Segundo, como explica a análise da Plant Engineering sobre compressores booster de ar comprimido, comprimir todo o fluxo primário de ar apenas para atender a um ponto de uso de alta pressão desperdiça cada quilowatt gasto na compressão do gás que nunca chega ao processo.

Em um sistema de geração de nitrogênio, esse desperdício é ampliado pelo fator de ar (`AF`). Para produzir 100 Nm³/h de nitrogênio nominal a 99,9% com um fator de ar de 4.2:1, o compressor de ar de alimentação precisa comprimir 420 Nm³/h de ar; desses, 320 Nm³/h (cerca de 76% da vazão mássica total) são liberados de volta à atmosfera a ~0,2 bar(g) como corrente permeada de rejeito rica em oxigênio. Comprimir toda a vazão de 420 Nm³/h de ar de alimentação a 25 bar(g) ou 40 bar(g) significa pagar pelo trabalho de eixo de alta pressão em 320 Nm³/h de gás rejeitado, que é imediatamente estrangulado e descartado, além de exceder a classificação estrutural de pressão de 13 bar(g) dos adsorvedores PSA padrão. Em vez disso, manter o compressor rotativo de parafuso de alimentação em 8–10 bar(g) e direcionar apenas o fluxo purificado de 100 Nm³/h de N₂ para compressores de nitrogênio dedicados e isentos de óleo (ou selecionar a unidade alternativa ou de diafragma adequada com nosso guia de seleção de compressores booster de nitrogênio de alta pressão) reduz bastante a potência total instalada e protege o conjunto de separação.

Especificar os limites de fornecimento na solicitação de cotação a vários fornecedores, sem lacunas de escopo

Quando as equipes de compras adquirem o compressor de ar rotativo de parafuso do Fornecedor A, o secador dessecante e a torre de carvão do Fornecedor B e o conjunto PSA de nitrogênio do Fornecedor C, pequenas diferenças nas convenções das fichas técnicas costumam se somar e provocar uma deficiência de capacidade típica de 15%–25%. Mesmo ciclos PSA de alta eficiência — como o projeto integrado de regeneração do secador da patente CA1201663A, que alcança rendimentos acima de aproximadamente 25% com pureza de nitrogênio mais argônio de cerca de 99,5% (60 volumes de produto por volume de adsorvente por hora) — falharão no teste de aceitação da fábrica se o conjunto de ar a montante fornecer menos vazão mássica ou pressão no flange inferior à exigida pelas válvulas dos adsorvedores.

Durante o comissionamento, esse problema de atribuição de culpa é tratado exigindo que cada fornecedor inclua a tabela de interfaces de 8 pontos em sua resposta à nossa solicitação de cotação (RFQ). Na ausência da tabela de interfaces de 8 pontos, a responsabilidade do fornecedor por um conjunto individual no sistema integrado pode ser definida usando nossa documentação de escopo de fornecimento para solicitação de cotação de conjuntos de compressores de gás.

Perguntas frequentes