BR102017027727A2 - Processo de preparo e purificação do ar para fracionamento criogênico utilizando separador supersônico de baixa pressão - Google Patents

Abstract

a presente invenção define um novo conceito de unidade ppu ? air preparation and purification unit ? para preparo e purificação de ar a ser fracionado criogenicamente na etapa seguinte conhecida como cold-box. o conceito ppu alternativa aqui proposto utiliza separador supersônico (ss) em baixa pressão para remover 97,5% da água do ar, seguindo-se etapa de remoção de acabamento por adsorção (eraa) ou tratamentos similares com meio sólido (por exemplo, adsorção química) para remoção de contaminantes co2, n2o e hidrocarbonetos, além de traços residuais de h2o, adequando os níveis de contaminantes para posterior processamento na cold-box de uma planta criogênica de fracionamento de ar.

Description

PROCESSO DE PREPARO E PURIFICAÇÃO DO AR PARA FRACIONAMENTO CRIOGÊNICO UTILIZANDO SEPARADOR SUPERSÔNICO DE BAIXA PRESSÃO

Campo Técnico [0001] A presente invenção pertence ao campo da indústria de separação criogênica do ar e refere-se a um processo de preparo e purificação do ar que utiliza um separador supersônico (SS) com o objetivo de promover desidratação à montante de umaetapa de purificação de acabamento para remoção de CO₂, resíduos de água e outros micro-contaminantes, adequando a pureza do ar para posterior processamento criogênico, de forma a reduzir significativamente o custo da etapa de preparo e purificação do ar.

Antecedentes da Invenção [0002] Processos criogênicos são os mais indicados quando se deseja promover a separação do ar em larga escala, sendo, portanto, largamente aplicados para o fornecimento industrial de oxigênio em siderúrgicas e plantas de gaseificação de carvão. Além disto, aexpectativa do uso de oxigênio com o objetivo de realizar captura de dióxido de carbono em plantas termoelétricas comerciais implica em um provável crescimento da demanda global de oxigênio nas próximas décadas. Plantas de separação do ar são intensivas em energia e capital, e nesse sentido há grande demanda tecnológica por processos mais eficientes visando reduzir o custo de captura do dióxido de carbono emitido por termoelétricas. Tanto em termos conceituais quanto práticos, pode-se dividir uma planta de grande porte de produção de oxigênio (O2) por fracionamento

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2/33 criogênico de ar em duas sub-plantas que têm características muito diferentes, a saber: (i) Unidade de Preparação e Purificação de Ar ou PPU; e (ii) Fracionamento Criogênico de Ar ou Cold-Box. Pode-se entender a PPU como a fornecedora de ar pressurizado e purificado nas condições requeridas pela Cold-Box. É possível que no futuro, em plantas de grande capacidade, o serviço PPU seja terceirizado para maior eficiência do conjunto PPU-Cold-Box. Os objetivos da PPU são: (i) Comprimir ar bruto até a pressão requerida pela Cold-Box adicionada da perda de pressão na PPU; (ii) Remover 100% da água (H2O) do ar; (iii) Remover 100% do CO2 do ar; (iv) Remover 100% de hidrocarbonetos (HCs) do ar; e (v) Pré-resfriar o ar até 10-15^oC. O método atualmente usado nas PPUs para remover H2O e CO2 e HCs é a adsorção em leitos sólidos de alumina e peneira molecular com regeneração de leitos por N2 residual da Cold-Box aquecido a 120-130^oC e a 1 atm de pressão.

[0003] A unidade PPU viabiliza e torna segura a operação da Cold-Box, tendo por objetivo remover componentes contaminantes do ar, especialmente H2O, CO2 e hidrocarbonetos (HCs), para evitar a formação de sólidos por congelamento e ainda a introdução de compostos potencialmente inflamáveis que se concentrariam no oxigênio líquido devido a uma menor volatilidade. A formação de sólidos obstrui as passagens do trocador de calor principal da Cold-Box, o que limita o fluxo de ar em resfriamento, representando um sério problema operacional e de segurança de grande perda econômica, que requer a parada da unidade para descongelamento.

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3/33 [0004] A remoção de H₂O, CO₂ e hidrocarbonetos do ar em PPU convencional baseia-se em unidades de adsorção com modulação de pressão ou de temperatura, esta última doravante denominada TSA. Na PPU tradicional a regeneração dos leitos de adsorção TSA é promovida sob fluxo de nitrogênio (N2) residual da ColdBox aquecido a 120-130^oC, sendo isento de H₂O e CO₂. Um préresfriamento da carga de ar comprimido é geralmente realizado à montante da unidade TSA para reduzir o teor de H2O da corrente visando a reduzir o volume de leito, aumentar o tempo de operação e diminuir o custo operacional com aquecimento de N₂. A Patente dos EUA No. 5.728.198 descreve uma unidade TSA convencional de preparo e purificação do ar deste tipo, caracterizada por um leito duplo de material adsorvente, sendo o primeiro leito destinado a adsorver H2O e o segundo destinado a adsorver CO₂. A Patente dos EUA No. 6.106.593 apresenta um terceiro leito adicional para a remoção de N2O. A Patente dos EUA No. 5.846.295 descreve uma versão mais simplificada deste

tipo	deunidade	TSA,	com apenas	um leito	de material
adsorvente.
[0005]	Unidades	de	adsorção com	modulação	de pressão,

doravante denominadas PSA, exibem vantagem energética sobre unidades TSA em virtude de não haver resfriamento da corrente de ar e nem aquecimento e resfriamento dos vasos durante o período de regeneração do leito. A Patente da Europa No. EP 1.254.695 descreve uma típica unidade PSA de preparo e purificação do ar. Unidades PSA deste tipo são caracterizadas por ciclos curtos de aproximadamente 20 min, em contraste com a faixa de 4 a 8 horas dos ciclos TSA. Como resultado, a

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4/33 frequente despressurização da unidade induz a perdas significativas de ar comprimido.

[0006] A Patente dos EUA No. 5.914.455 apresenta PPU convencional constituída por uma combinação de processos PSA e TSA em série, respectivamente para remoção de H₂O e CO₂, como forma de reduzir o consumo energético de regeneração dos leitos ao evitar uso de calor para purgar H2O, que além da estar em maior quantidade possui também calor de dessorção mais elevado.

[0007] A Patente dos EUA No. 5.614.000 descreve uma variação do método PSA, denominada TEPSA, ao incorporar um pulso de calor de baixa temperatura à etapa de dessorção, entre 40 e 100°C, utilizando um tempo de ciclo pouco superior ao PSA, preferencialmente na faixa de 30 a 45 min.

[0008] A Patente dos EUA No. 5.137.548 descreve um processo PPU convencional que combina os métodos TSA e PSA ao utilizar calor de baixa de temperatura para promover a dessorção dos contaminantes, no máximo 50°C acima da temperatura de adsorção, com ciclos pouco mais curtos que os do método TSA, na faixa típica de 1 a 3h.

[0009] Os modernos processos criogênicos para a produção de oxigênio gasoso impuro são caracterizados por custo energético consideravelmente inferiores ao de processos mais antigos. Naqueles, a potência do compressor principal é minimizada em função de uma menor pressão requerida na linha principal do ar de entrada da Cold-Box. Tais processos envolvem a utilização de múltiplas colunas de fracionamento e múltiplos refervedores

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5/33 na coluna de baixa pressão. Como mostra a Patente dos EUA No. 5.682.764, caracterizada por um processo de três colunas, sendo a pressão do ar de alimentação da Cold-Box de apenas 3,24 bar, ao passo que a pressão requerida nos processos

antigos	é	tipicamente	de 5,5	bar.	A	literatura	mais recente
(DILLON	et	al, 2005;	HIGGINBOTHAM	et	al, 2011)	relata que	a
pressão	requerida no	processo	de	três	colunas é	de até 3,	10

bar. Considerando que o consumo de potência nestes processos é ainda três vezes maior que a potência teórica mínima de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica para o fracionamento do ar, é possível que novos processos possam vir a utilizar pressões inferiores a 3 bar na linha principal de fornecimento de ar. Em processos de fracionamento de ar de alta eficiência energética, onde há minimização da pressão de fornecimento do ar, o efeito de dessorção provocado pela despressurização é reduzido, assim desfavorecendo o método PSA de regeneração de leitos, o que torna a modulação de temperatura (TSA) o mecanismo dominante para a purga dos componentes adsorvidos nos leitos. Todavia, na PPU-TSA convencional o investimento e custo operacional da unidade TSA são altos, pois PPUs convencionais, operando TSA, caracterizam-se por: (i) grandes vasos de adsorção; (ii) grande inventário de sólido adsorvente (alumina para H2O e peneira molecular zeolítica para CO2 e HCs); (iii) consumo energético alto para regeneração dos sólidos; (iv) custos de reposição de sólidos por quebra e geração de finos pelo stress termo-mecânico nos frequentes ciclos TSA.

[0010] Desta forma, na PPU convencional típica o ar comprimido a 3,1-3,4 bar, já resfriado, tem aproximadamente ^4000 ppm mol

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6/33 de H₂O, ^380 ppm mol CO₂ e ~20 ppm mol HCs, sendo, portanto, o respectivo serviço de adsorção TSA responsável por abater ~4400 ppm mol de impurezas do ar. A presente invenção preconiza alterar o esquema da PPU convencional pela introdução de uma bateria de1 ou mais separadores supersônicos (SS) em paralelo antes do tratamento de adsorção visando a reduzir o teor de H2O a 100 ppm mol. Desta forma o serviço de adsorção é reduzido drasticamente a apenas 500 ppm mol (100 ppm H₂O + 380 ppm CO₂ + 20 ppm HCs), ou seja, a importância e os custos da adsorção são reduzidos em 88,6%. Em outras palavras, o tratamento com separador supersônico (SS) reduz o teor de H2O no ar comprimido de 4000 ppm mol a menos de 100 ppm mol, correspondendo isto a uma redução de 97,5% da captura de H₂O por adsorção, não sendo ocioso lembrar que H2O é a principal espécie a ser abatida do ar para Cold-Box. O conteúdo restante de impurezas do ar a jusante do SS, agora com 500 ppm mol, ainda demanda operação de adsorção TSA para zerar teores H2O, CO2 e HCs, porém em moldes bem menos intensos (88,6% a menos de adsorção, como mostrado acima) comparativamente à adsorção da PPU convencional. Esta etapa de acabamento é aqui denominada Etapa de Remoção de Acabamento por Adsorção (ERAA), na qual, graças ao pré-serviço do SS, há consideráveis reduções de investimento e custos operacionais com adsorção TSA devido a: (i) redução de consumo energético da regeneração dos leitos devido ao menor volume de adsorvato a purgar; (ii) redução da temperatura do N2 de regeneração, agora apenas entre 70-80^oC devido ao menor teor de H2O adsorvida a purgar, que é a espécie de maior resiliência na regeneração; (iii)redução do tamanho dos vasos e do leito de material adsorvente; (iv) aumento do

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7/33 tempo da fase de adsorção, pelo menor volume de adsorvato, resultando em aumento do tempo de operação do ciclo TSA, assim proporcionando significativos ganhos econômicos ao reduzir a frequência de regeneração e, portanto, o stress termo-mecânico sobre o sólido reduzindo quebras e custos de reposições.

[0011] O uso de separador supersônico (SS) é conhecido no atual estado da técnica para o ajuste simultâneo de pontos de orvalho de água e de hidrocarbonetos em cargas de gás natural. Ao acelerar o gás a velocidades supersônicas provoca expansão e grande queda de temperatura, havendo coleta de água e de hidrocarbonetos de três ou mais carbonos (C3+) condensados pelo resfriamento. Na presente invenção, a desidratação do ar é proposta como uma nova aplicação do separador supersônico.

[0012]

A Patente dos EUA No. 6.524.368 refere-se a um separador supersônico

SS) para promover condensação de um ou mais componentes a serem removidos em uma corrente de condensado. A patente é destinada à separação de um fluido incompressível, tal como água, em uma mistura caracterizada por um fluido compressível gás) que contém o fluido incompressível que se deseja remover.

Neste processo, é fornecida a um

SS uma corrente de gás contendo um fluido incompressível, no qual gás converge através de uma garganta e expande em um canal, aumentando a velocidade da corrente gasosa para velocidades supersônicas, levando à formação de gotículas de fluido incompressível, que são então separadas do fluido compressível pela submissão das gotículas e do fluido compressível a um grande turbilhão, que assim separa as gotículas do fluido compressível por meio de campo centrífugo.

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8/33 [0013]

A patente dos EUA No. 3.528.218 descreve um processo para condensar e separar componentes de uma corrente gasosa, o que envolve expandir a referida corrente de gás através de um efusor supersônico com o objetivo de atingir baixas pressões e baixas temperaturas na corrente gasosa supersônica, formando partículas de condensado, para remover tais partículas de condensado por movimento de inércia através de uma parede permeável, desacelerar corrente gasosa para escoamento subsônico através de um difusor e misturar um material com a referida corrente gasosa antes da separação das partículas de condensado para aumentar a razão de volume de líquido/vapor e aumentar a eficácia de recuperação de líquidos.

[0014]

O pedido de patente dos

EUA No. 2015/0090117 referese a um sistema de tratamento de gás natural onde são utilizados dois SS's em série, onde no primeiro SS é promovida a remoção de H2O e hidrocarbonetos pesados e no segundo SS é promovida a remoção de CO₂ e hidrocarbonetos condensáveis mais leves. Segundo o mesmo documento, além dos dois separadores supersônicos em série, uma etapa suplementar de separação pode opcionalmente ser utilizada para a remoção de acabamento, que consiste em um sistema de separação por absorção, por membrana ou ainda por um terceiro separador supersônico, não havendo menção à separação por adsorção.

Além disso, referido documento se diferencia da presente invenção também por se limitar à aplicação de tratamento de gás natural bruto, caracterizado por condições de operação muito distintas, de grande interferência no comportamento termodinâmico do processamento do fluido, que envolve, sobretudo, um teor muito

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9/33 mais elevado de CO₂ na corrente gasosa e uma pressão de trabalho muito superior à atmosférica.

[0015] O recente pedido de patente de invenção registrado sob o No. BR102017015092-5 refere-se a um processo que também utiliza em papel central o separador supersônico (SS) em uma aplicação inovadora, como na presente invenção, porém radicalmente diferindo desta, em quese visa a recuperar inibidores termodinâmicos de hidratos (ITHs) de cargas de gás natural previamente tratadas com tais ITHs. Nesta invenção também é utilizado separador supersônico que, reduzindo drasticamente as perdas de ITHs, também ajusta simultaneamente o ponto de orvalho de hidrocarbonetos e o ponto de orvalho de água do gás, assim promovendo o condicionamento do gás para exportação, além de evitar gastos desnecessários com reposição de ITHs. O inibidor termodinâmico de hidratos (ITH) a que se refere consiste em um fluido pertencente ao seguinte conjunto de substâncias: metanol, etanol, monoetileno glicol, glicóis em geral, ou qualquer outro composto líquido multi-hidroxilado como glicerol, ou multi-oxigenados como poli-éteres e carbonatos orgânicos. O mesmo processo proporciona ainda uma corrente de condensado que consiste em gás liquefeito de petróleo de alto valor de mercado.

[0016] Assim, não há no estado da técnica qualquer referência ou sugestão à utilização de separadores supersônicos para promover a desidratação de ar em uma unidade PPU híbrida de preparo e pré-purificação, destinada ao condicionamento de ar para posterior fracionamento criogênico. A presente invenção compreende uma etapa principal de

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10/33 separação supersônica, que remove cerca de 88,6% de contaminantes do ar, sendo a maior parte água, seguida por uma etapa secundária de acabamento para remoção de contaminantes residuais do ar, como ^380 ppm de CO₂, ^100 ppm de H₂O e traços de hidrocarbonetos, podendo ser usado nesta etapa um grande leque de opções em leito sólido, como adsorção em zeólita, adsorção química em alumina ativada com NaOH, adsorção química em alumina ativada com CaO, adsorção química em NaOH sólido, adsorção em carvão ativado, entre outras, etapa esta que doravante é denominada Etapa de Remoção de Acabamento por Adsorção (ERAA). A unidade ERAA é necessária como complemento à ação do separador supersônico (SS) aqui prescrito, pois este consegue abater a carga de contaminantes do ar - umidade, CO₂ e hidrocarbonetos - em até 88,6% mol, permanecendo um resíduo de 11,4% de contaminantes recalcitrantes relativamente ao teor inicial, majoritariamente composto por ~380 ppm CO₂,^100 ppm H₂O e ~2 0 ppm HCs, que deverão requerer tecnologia de captura em leito sólido, tal como adsorção TSA, adsorção química, leito de conversão química, etc.

Objetivos da Invenção [0017]

Um objetivo da presente invenção é demonstrar um novo conceito PPU de pré-purificação de ar a alimentar na

Cold-Box criogênica para fracionamento. Na presente invenção a PPU é reformulada sendo constituída por um sistema híbrido compreendendo: (i) etapa principal de desidratação com separador supersônico (SS); e (ii) etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA). Desta forma, o SS reduz drasticamente o teor de H₂O (aproximadamente em 97,5%) a ser

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11/33 enviado para a etapa de acabamento ERAA em leitos sólidos, permitindo obter vantagens econômicas significativas no custo operacional do fornecimento de ar para Cold-Box, por minimizar capital e custo operacional da etapa de adsorção TSA (ERAA) ao: (i) reduzir o consumo energético e a temperatura associados à regeneração de leitos de adsorção; (ii) reduzir drasticamente a carga de material a ser adsorvido e o tamanho de vasos TSA e inventário de sólidos; (iii) reduzir o custo com reposição de sólidos e geração de finos por quebras de sólidos ao reduzir o stress termo-mecânico na adsorção TSA. Em síntese, a invenção proposta insere um separador supersônico (SS) que reduz em 88,6% o serviço de adsorção ou tratamento com leitos sólidos na unidade ERAA, desta forma reduzindo os custos de capital e de operação com respeito à tratamento de ar por leitos sólidos (adsorção, etc). É ponto central da presente invenção que os custos agregados - de capital e de operação - pela entrada do separador supersônico são inferiores às reduções de custo obtidas pela redução em 88,6% do tamanho do serviço de adsorção TSA, definindo, portanto, uma alternativa economicamente mais eficiente que a adsorção TSA de alta capacidade usada nas PPUs convencionais.

[0018] Outro objetivo da presente invenção é demonstrar um processo que minimiza o investimento da adsorção TSA e maximiza o tempo de operação dos vasos, permitindo estender a duração da fase de adsorção em até 4 vezes, com possibilidade de utilizar temperaturas mais brandas para regeneração (70°C a 90°C), assim proporcionando aumento da durabilidade dos leitos com consequente redução de custo de reposição desses sólidos, em função de uma minimização do stress termo-mecânico

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12/33 provocado por uma variação menos frequente das condições de temperatura e vazão do leito.

[0019] Outro objetivo da presente invenção é demonstrar um processo que minimiza a reposição de água no sistema de resfriamento da PPU como resultado da recirculação de condensado frio proveniente do separador supersônico, recirculação esta que é inexistente nas PPUs convencionais baseadas em adsorção TSA de alta capacidade. Em outras palavras, os 4000 ppm mol de H₂O do ar pressurizado e resfriado são totalmente perdidos na etapa de regeneração dos leitos TSA nas PPUs convencionais, enquanto que na PPU alternativa com SS, apenas 100 ppm de H2O (dos 4000 ppm originais) são perdidos na regeneração dos menores leitos TSA na unidade ERAA.

[0020] Outro objetivo da presente invenção é demonstrar uma processo particularmente mais vantajoso economicamente para o fornecimento de ar purificado à Cold-Box de fracionamento de ar quando uma das linhas de alimentação de ar comprimido purificado da Cold-Box encontra-se em pressão inferior a 4 bar(a), constituindo uma tecnologia de grande interesse para plantas mais modernas destinadas a produção de oxigênio gasoso impuro, onde invariavelmente há penalização energética em função de um teor mais elevado de H2O no ar.

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Sumário da Invenção [0021] É aqui revelado um processo de preparo e purificação de ar que, destinado a uma unidade criogênica de separação, compreende as seguintes etapas:

(a) ar comprimido é preferencialmente enviado para o fundo de uma coluna de resfriamento em contato direto caraterizada por:

(i) duas seções, onde a seção inferior, também denominada seção quente, é alimentada ao fundo por ar comprimido bruto e ao topo por água fria produzida por uma torre de resfriamento convencional (atmosférica);

(ii) duas seções, onde a seção superior, também denominada seção fria, é alimentada ao topo por água gelada produzida, por sua vez, em outra coluna de contato direto na qual água de resfriamento é contactada com corrente gasosa fria residual da Cold-Box, preferencialmente nitrogênio impuro em pressão próxima à atmosférica;

(b) ar frio comprimido (5°C a 15°C) é enviado para um ou mais separadores supersônicos (SS) em paralelo, que produzem uma corrente de ar comprimido desidratado semi-fria (10°C a 20°C) e uma corrente de água condensada e super-resfriada (de -30°C a -50°C), a serem tratadas da seguinte forma:

(i) a corrente gasosa semi-fria que sai do SS, ou do conjunto de SS's, é enviada para uma segunda etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), onde são abatidos resíduos remanescentes de H2O, CO2, hidrocarbonetos e outros contaminantes do ar;

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14/33 (ii) a corrente de água condensada super-resfriada que sai do SS, ou do conjunto de SS's, é misturada à corrente de água gelada destinada a promover resfriamento do ar por contato direto, ar resfriado este que alimenta a bateria de SS's, o que permite não apenas diminuir a temperatura do ar de alimentação dos SS's, beneficiando seu desempenho, como também reduzir a demanda de água do processo, em função da captura de ~97,5% da água existente no ar bruto em processamento;

(c) ar frio comprimido e desumidificado da bateria de SS's é enviado para a etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), de onde sai purificado, isento de contaminantes de qualquer tipo, em condições adequadas para processamento criogênico na Cold-Box, sendo caracterizada por:

(i) dois ou mais vasos de adsorção TSA que operam alternadamente, havendo necessariamente ao menos um vaso operando em fase de adsorção, sob alimentação de ar comprimido desumidificado frio, e ao menos um vaso operando em fase de regeneração de leito, sob alimentação de gás aquecido (7090^oC), isento de H₂O e CO₂, e em pressão próxima à atmosférica, que preferencialmente é uma parte do nitrogênio residual produzido pela Cold-Box;

(ii) dois ou mais vasos de adsorção TSA que contêm um ou mais leitos de material adsorvente em série, instalados em orientação vertical ou horizontal, com escoamento em direção axial ou radial, cujo sentido é alternado segundo a fase de operação do vaso.

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15/33 [0022] É aqui revelado um processo de preparo e purificação de ar que, destinado a uma unidade criogênica Cold-Box de separação, em uma concretização preferida, utiliza, para aquecer o gás de regeneração dos leitos de adsorção, uma parte do fluido térmico de refrigeração, preferencialmente água de um circuito semi-fechado de torre atmosférica de resfriamento, que retorna a uma temperatura entre 90°C e 100°C de um trocador de calor de resfriamento da descarga de um dos estágios de compressão de ar, que preferencialmente é o trocador de calor que resfria a descarga do primeiro estágio de compressão do ar, que doravante é denominado intercooler.

Breve Descrição dos Desenhos [0023] A Figura 1 é um diagrama de blocos que ilustra simplificadamente um processo convencional de separação criogênica do ar que compreende a Cold-Box e a unidade convencional PPU de preparo e purificação do ar, constituído por uma unidade de adsorção TSA de grande capacidade.

[0024] A Figura 2 é um diagrama de blocos que ilustra simplificadamente um processo alternativo de separação criogênica do ar que compreende uma concretização da presente invenção: um novo tipo de unidade PPU de preparo e purificação de ar constituída por uma bateria de separadores supersônicos (SS) seriada por uma etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), onde o gás de regeneração é aquecido com utilidade térmica convencional (vapor de baixa pressão ou eletricidade).

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16/33 [0025]

A Figura 3 é um diagrama de blocos que ilustra simplificadamente outro processo alternativo de separação criogênica do ar que compreende outra concretização da presente invenção:

um novo tipo de unidade PPU de preparo e purificação do ar constituída por uma bateria de separadores supersônicos (SS) seriada por uma etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA), onde é aquecido o gás de regeneração usando-se recuperação de calor de compressão de ar bruto.

[0026] A Figura 4 é um fluxograma que demonstra simplificadamente o processo de fornecimento de ar preparado e purificado correspondente ao diagrama mostrado na Figura 2, que inclui uma concretização da presente invenção.

[0027] A Figura 5 é um fluxograma que demonstra simplificadamente o processo de fornecimento de ar preparado e purificado correspondente ao diagrama mostrado na Figura 3, que inclui outra concretização da presente invenção.

[0028] A Figura 6 é um gráfico comparativo e ilustrativo referente aos Exemplos 1 e 2 onde é apresentadoo detalhamento do investimento da unidade PPU de preparo e purificação do ar.

[0029] A Figura 7 é um gráfico comparativo e ilustrativo referente aos Exemplos 1 e 2 onde é apresentado o detalhamento do custo anual de operação da unidade PPU de preparo e purificação do ar.

[0030] A Figura 8 é um gráfico comparativo e ilustrativo referente aos Exemplos 1 e 2 onde é apresentado o valor

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17/33 presente líquido do fluxo de caixa acumulado da unidade PPU de preparo e purificação do ar.

Descrição Detalhada [0031] Com referência ao anterior estado-da-técnica ilustrado pelo diagrama de blocos da Figura 1, a corrente 1 de ar atmosférico é succionada pelo compressor principal do processo, que envia a corrente 2 de ar comprimido para a seção de pós-resfriamento, que compreende uma coluna de resfriamento em contato direto, doravante denominada DCA, de onde sai a corrente gasosa 3 de ar frio. Parte da água contida no ar atmosférico é removida na DCA, de onde sai pela corrente 4, que corresponde ao produto líquido de fundo da coluna. A DCA é constituída por duas seções de resfriamento: a primeira alimentada por água de uma torre atmosférica de arrefecimento, doravante denominada torre CW, e a segunda por água gelada de uma torre de arrefecimento com injeção pelo fundo de uma corrente gasosa residual da Cold-Box que preferencialmente é nitrogênio gasoso, isento de H₂O e CO₂, em pressão próxima à atmosférica, torre esta que doravante é denominada EWC. O gás de injeção da corrente 5 resfria a água no interior da EWC por efeito de evaporação, de onde sai por meio da corrente 6 saturada em água. A unidade PPU de preparo e purificação convencional é alimentada pela corrente 3, que consiste em ar saturado em água, e produz a corrente 7 de ar pressurizado, resfriado e isento de H2O e CO2 para a Cold-Box, a qual antes de alimentar a Cold-Box pode opcionalmente ser dividida em duas correntes, onde uma das quais é enviada para um estágio

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18/33 suplementar de compressão de ar (booster). A corrente 8 corresponde a uma outra partedo gás residual da Cold-Box, que preferencialmente é nitrogênio gasoso, isento de H₂O e CO₂, em pressão próxima à atmosférica, corrente 8 esta que passa por uma etapa intermitente de aquecimento: durante a primeira fase de regeneração do leito, ou etapa de aquecimento, a corrente 9, destinada à dessorção dos componentes retidos, é produto do aquecimento da corrente 8 com vapor de baixa pressão, ao passo que durante a segunda fase de regeneração do leito, ou etapa de resfriamento, a corrente 9 é igual à corrente 8.

[0032] Com referência ao diagrama de blocos apresentado na Figura 2, que compreende unidade PPU alternativa de preparo e purificação de ar como uma das possíveis concretizações desta invenção, tal processo se diferencia do processo PPU convencional ilustrado pela Figura 1 por haver uma bateria de separadores supersônicos (SS) que, por meio da corrente 11, tipicamente envia ar com ~100 ppm mol de umidade para uma etapa secundária deremoção de acabamento de contaminantes por adsorção (ERAA), cujo princípio de funcionamento é semelhante ao método convencional de purificação por adsorção sendo, porém, de muito menor tamanho de serviço de adsorção, aqui da ordem de apenas 500 ppm mol (100 ppm H₂O + 380 ppm CO₂ + 20 ppm HCs) e, portanto, muito menos intensiva em capital e energia comparativamente à PPU convencional cujo serviço de adsorção é 8-9 vezes maior da ordem de 4400 ppm (4000 ppm H₂O + 380 ppm CO₂ + 20 ppm HCs) . A água super-resfriada (de -60°C a -30°C) ejetada do SS é recirculada por meio da corrente 12 para a seção de pós-resfriamento de ar comprimido, onde é misturada à água gelada produzida pela EWC, o que reduz drasticamente os

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19/33 custos de água de reposição (make-up) da PPU alternativa e aumenta o pool de água gelada da PPU alternativa para préresfriar o ar, fatores estes inexistentes na PPU convencional que perde todos os 4000 ppm de água do ar comprimido e, portanto, além do muito maior serviço de adsorção, tem custos maiores de reposição de água de refrigeração que é evaporada na torre de resfriamento.

[0033] Com referência ao diagrama de blocos apresentado na Figura 3, que compreende unidade PPU alternativa de preparo e purificação de ar como uma outra possível concretização desta invenção, tal processo também utiliza separadores supersônicos e é similar ao da unidade PPU alternativa na Figura 2, mas se diferencia desta por realizar integração energética ao recuperar parte do calor de compressão para o aquecimento do gás de regeneração, corrente 8, por meio de uma parte da água quente (90-100^oC) produzida em um trocador de calor de resfriamento da descarga de um dos estágios de compressão do ar, preferencialmente um estágio intermediário de resfriamento

(intercooler	). Como	resultado, a	corrente	8 é	aquecida pela
corrente	13,	que se	resfria e é	retornada	para	o intercooler
por meio	da	corrente	14 .
[0034]	O	fluxograma mostrado	na Figura	4 ilustra o

fornecimento de ar preparado e purificado correspondente ao diagrama de blocos mostrado na Figura 2, que inclui uma concretização da presente invenção. A corrente 1 de ar atmosférico alimenta o compressor 20, que corresponde ao primeiro estágio de compressão do ar, de onde é descarregado para a tubulação 21, que envia ar comprimido para o

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20/33 intercooler 22, que embora esteja representado neste fluxograma por um trocador de calor convencional, sem contato entre os fluidos, pode alternativamente ser nesta concretização uma coluna de resfriamento em contato direto. Por meio da tubulação 23, o intercooler 22 envia ar frio comprimido para o vaso separador 24, que envia água condensada para a tubulação 25. O gás produzido no topo do vaso 24 é enviado para a tubulação 26 conectada à sucção do compressor 27, que preferencialmente é o segundo estágio de único equipamento que reúne ambos os estágios de compressão 20 e 27. A descarga do compressor 27 é conectada à tubulação 2, que corresponde à corrente de ar comprimido que sai da seção de compressão para a seção de pós-resfriamento, conforme o diagrama de blocos mostrado na Figura 2. A corrente 2 entra pelo fundo da DCA e percorre as seções de recheio 28 e 29, onde na primeira o ar é resfriado por água de uma torre CW, não mostrada no fluxograma, e na segunda é resfriada por água gelada produzida pela coluna 30 (EWC). O ar sai da seção de recheio 29 por meio da tubulação 3, que é conectada ao separador supersônico 31, que opcionalmente pode ser substituído por uma bateria de separadores supersônicos em paralelo, de onde saem duas correntes: uma corrente gasosa de ar desumidificado, que escoa pela tubulação 11, e uma corrente de água condensada super-resfriada (entre -30^oC e -60^oC) que escoa pela linha 12. O ar desidratado da linha 11 é enviado para a ERAA, onde alimenta o vaso de adsorção 32, que de forma simplificada representa genericamente o vaso, ou conjunto de vasos, que alternadamente se encontra em condições de operação de adsorção, em contraste com o vaso 33, que representa o

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21/33 vaso, ou conjunto de vasos, que alternadamente se encontra em condições de regeneração ou dessorção. Por meio da linha 7, o ar sai da ERAA em condições adequadas para processamento criogênico na Cold-Box.

[0035] Ainda a respeito do fluxograma mostrado na Figura 4, a regeneração dos leitos de adsorção é promovida por uma parte do nitrogênio residual da Cold-Box, representada no fluxograma pela corrente 8, que alternadamente é enviada para o trocador de calor 34 ou para a linha de by-pass do mesmo, de onde sai pela corrente 9 para alimentar o vaso em regeneração 33, cuja saída é conectada à tubulação 10, que libera para a atmosfera o gás de regeneração carreando os componentes dessorvidos do leito. O trocador de calor 34, de operação intermitente, tem por objetivo aquecer a corrente gasosa de nitrogênio, o que nesta concretização é proporcionado por meio de troca térmica com vapor de baixa pressão, que opcionalmente pode ser substituído por aquecimento elétrico ou por qualquer outra utilidade térmica. Outra parte do nitrogênio residual da ColdBox, representada pela corrente 5, é utilizada para promover resfriamento na coluna 30, que recebe água de retorno por meio da tubulação 35. Por meio de evaporação e troca de calor sensível, a corrente de água sai refrigerada da coluna 30 por meio da tubulação 36, que se conecta à sucção da bomba 37, que eleva a pressão do produto de fundo da coluna para a pressão da corrente 12 de água condensada super-resfriada do separador supersônico. A corrente de descarga da bomba 37 é então misturada à corrente 12 para produzir a corrente 38, que alimenta a sucção da bomba 39, que por sua vez alimenta o topo da DCA por meio da tubulação 40. A corrente 12 é misturada à

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22/33 corrente de descarga da bomba 37 por meio de uma simples conexão de tubulação ou opcionalmente por meio de alimentação a um vaso acumulador de líquido, não representado no fluxograma, que aumenta o tempo de contato entre os fluidos para evitar carreamento de cristais de gelo para a bomba 39. O produto líquido de fundo da seção de recheio 29 é recolhido para a tubulação 41 como água de retorno, sendo então misturado à corrente 42 de reposição de água para alimentar a

coluna 30	por	meio da	tubulação	35. A reposição	de água	é
necessária	para	compens	ar perdas	evaporativas	da	coluna 30.
Comparado	com	a unidade PPU	convencional	de	preparo	e
purificação	de	ar via	unidade	de adsorção	TSA	de grande
capacidade,	a	presente	invenção	proporciona	um	serviço	de

de reposição de adsorção vezes menor e uma menor demanda água em virtude da possibilidade de recirculação da água residual contida no ar frio que sai do topo da DCA, água esta a ser 97,5% capturada na bateria de separadores supersônicos. A seção de recheio 28, ou seção quente da DCA, é alimentada no topo pela corrente 43, que consiste em uma corrente de água proveniente de uma torre CW. O produto líquido de fundo da DCA, representado no fluxograma pela corrente 4, inclui o condensado do ar, sendo por esta razão capaz de compensar a demanda de água das correntes 42 e 43 após resfriamento opcional em uma torre CW.

[0036] O fluxograma mostrado na Figura 5 diferencia-se da Figura 4 por incluir outra concretização da presente invenção, correspondente ao diagrama de blocos mostrado na Figura 3, na qual o aquecimento do gás de regeneração é promovido por meio de recuperação de parte do calor disponível na saída do

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23/33 primeiro estágio de compressão do ar. Nesta concretização, o trocador de calor 34 é alimentado pela corrente 13 de fluido térmico aquecido, extraído de uma parte da corrente 44 de retorno do fluido de resfriamento do intercooler 22, que neste caso é necessariamente um trocador de calor convencional (não havendo contato direto dos fluidos), devolvendo tal fluido em temperatura fria o suficiente por meio da corrente 14 para retornar diretamente para a entrada do intercooler 22 por meio da corrente 45 de fornecimento do fluido de resfriamento.

[0037] É uma variação evidente desta invenção a utilização de qualquer número de leitos consecutivos na ERAA, sejam dois, três, ou mais leitos em série de material adsorvente, como forma de minimizar o custo energético de regeneração e aumentar a eficácia de remoção de contaminantes do ar.

[0038] Outra variação evidente desta invenção é a utilização de qualquer outra forma de regeneração do material adsorventeda ERAA, seja por meio de modulação de temperatura (TSA), modulação de pressão (PSA) ou qualquer combinação ou variante destes métodos, como é o caso dos métodos conhecidos na literatura por TEPSA, TPSA e VSA.

[0039] Os exemplos a serem apresentados a seguir pretendem apenas ilustrar algumas das possíveis concretizações desta invenção, não sendo, portanto, limitativos ou restritivos.

Exemplos [0040] Nos Exemplos 1 e 2 a seguir, o ar atmosférico encontra-se a 25°C e 1 atm com 60% de umidade relativa e teor de CO2 de 370 ppm mol em base seca. A base de cálculo utilizada

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24/33 para a definição da escala do processo é a carga do separador supersônico (SS) : 300.000 Nm³/h de ar frio comprimido, correspondente a uma planta de oxigênio de capacidade nominal de 2100 tpd de oxigênio gasoso.

[0041] Também em ambos os Exemplos 1 e 2, a velocidade máxima de escoamento do gás no interior do separador supersônico é 1,2 vezes a velocidade do som. O desempenho do separador supersônico (SS) foi avaliado segundo metodologia de cálculo rigoroso descrita em Arinelli et al (2017) e em de Medeiros et al (2017). O bocal da alimentação possui um diâmetro de 87 cm e o da saída de gás de 69 cm, apresentando ângulo de convergência de 12,67 graus e ângulo de divergência de 2,66 graus. O separador supersônico (SS) é alimentado por ar frio comprimido a 10°C, e produz uma corrente de ar desidratado a 14,6°C e uma corrente de água condensada superresfriada a -48°C. A recuperação de pressão do SS é excelente, sendo de 96,5% e a remoção de H₂O do ar a alimentar na Cold-Box é de 98,6%. Ou seja, o separador supersônico possibilitou abater 98,6% da H2O existente na carga de ar da Cold-Box, restando ainda remover os 1,4% restantes de água e os 370 ppm base seca de CO2 e traços de hidrocarbonetos existentes no ar. Por conta disto, é posicionada a unidade ERAA, necessariamente complementar ao equipamento SS, baseada em tratamento com leitos sólidos.

[0042] Outros dados operacionais relativos aos Exemplos 1 e 2 são apresentados nas Tabelas 1 e 2. A Tabela 1 indica a pressão em cada etapa do processo e a Tabela 2 apresenta as condições operacionais da unidade ERAA de adsorção. A base de

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25/33 cálculo utilizada para a definição da pressão de descarga do compressor de ar principal é a pressão de entrada da Cold-Box e do compressor de ar suplementar (booster): 3,10 bar(a).

Tabela 1. Pressão de operação em bar(a), ou queda de pressão em bar,de cada etapa do processo de fornecimento de ar.

-	PPU Convencional (TSA FULL)	PPU Alternativa Exemplo No. 1	PPU Alternativa Exemplo No. 2
Queda de Pressão Filtro de Admissão de Ar	0,01 bar	0,01 bar	0,01 bar
Pressão de Sucção do Estágio 1 de compressão	1,00 bar	1,00 bar	1,00 bar
Pressão de Descarga do Estágio 1 de Compressão	1,99 bar	2,01 bar	2,01 bar
Queda de Pressão Intercooler	0,10 bar	0,10 bar	0,10 bar
Pressão de Descarga do Estágio 2 de Compressão	3,23 bar	3,29 bar	3,29 bar
Queda de Pressão DCA	0,06 bar	0,06 bar	0,06 bar
Queda de Pressão SS	-	0,11 bar	0,11 bar
Queda de Pressão Leito	0,01 bar	0,01 bar	0,01 bar
Queda de Pressão Filtro	0,01 bar	0,01 bar	0,01 bar
Pressão de alimentação da ColdBox / Booster	3,10 bar	3,10 bar	3,10 bar

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Tabela 2. Condições Operacionais da Unidade de Adsorção (ERAA nas PPUs Alternativas dos Exemplos 1 e 2).

-	PPU Convencional (TSA FULL)	PPU Alternativa Exemplo No. 1	PPU Alternativa Exemplo No. 2
Temperatura da Carga de Ar para Unidade de Adsorção (ou ERAA quando SS é usado)	10°C	14,6°C	14,6°C
Temperatura do N2	7°C	11,6°C	11,6°C
Teor de H2O na Carga	4019ppm	5 6 ppm	56 ppm
Teor de CO2 na Carga	366 ppm	368 ppm	368 ppm
Composição do Leito de Material Adsorvente	Alumina ativada e Zeólita 13X	Zeólita 13X	Zeólita13X
Massa de Leito por Vaso	14,6+3,7 t	18,3 t	18,3 t
Número Total de Vasos	8 (4 op.)	3	3
Tempo Total do Ciclo	8h	12h	12h
Tempo de Regeneração	4h	4h	4h
Tempo de Aquecimento	103 min	77 min	94 min
Utilidade térmica para Aquecer N2 de Regeneração dos Leitos	Vapor saturado	Vapor saturado	Água do intercooler
Temperatura do N2 de Regeneração (TSA)	133°C	133°C	80°C

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Exemplo 1 [0043] No Exemplo 1, o processamento é realizado segundo a concretização de processo ilustrada nas Figuras 2 e 4, onde a utilidade térmica empregada para promover aquecimento do gás N2 de regeneração é vapor d'água saturado a 4 bar(a).

[0044] Ainda referindo-se ao Exemplo 1, após a descarga do compressor de ar principal da PPU, doravante denominado MAC, arquente comprimido (corrente 2) alimenta o fundo do DCA, onde é resfriado a 30°C após percorrer o recheio 28, constituído por 3 estágios teóricos, e a 10°C após percorrer o recheio 29, constituído por 10 estágios teóricos. Com a utilização de recheios estruturados, é possível alcançar-se uma perda de carga no primeiro recheio de 2 kPa e no segundo de 4 kPa. O ar frio comprimido que sai do DCA (corrente 3) é enviado para a entrada do separador supersônico (SS), de onde sai desidratado (corrente 11), com um teor de 56 ppm mol de H₂O, para finalmente ser purificado na etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA). Para efeito de comparação, a alimentação de ar frio comprimido a 10°C em uma PPU convencional encontrase saturada em água, possuindo um teor de H₂O de 4019 ppm. Como o SS praticamente não remove CO2 e outros contaminantes da corrente, em ambos os casos a quantidade destes contaminantes na alimentação da unidade de adsorção é praticamente a mesma. Como resultado, o leito de alumina ativada pode ser eliminado na PPU alternativa do Exemplo 1 enquanto o leito de zeólita precisa ser mantido, definindo desta forma a unidade ERAA de menor capacidade que a unidade TSA FULL da PPU convencional.

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28/33 [0045] Ainda referindo-se ao Exemplo 1, a ERAA é constituída por um total de 3 vasos verticais deescoamento axial com um filtro para material particulado na saída de ar de purificado, cada um deles com aproximadamente 18 toneladas de zeólita 13X, onde 2 destes operam em condições de adsorção enquanto 1 opera sob condições de regeneração do leito. O tempo de adsorção é de 8h e o de regeneração de 4h, totalizando 12h de ciclo.

[0046] A regeneração dos leitos de adsorção da ERAA da PPU alternativa do Exemplo 1 compreende fases de despressurização (10 min), aquecimento (77 min), resfriamento (133 min) e pressurização (20 min). O aquecimento do leito é promovido sob fluxo de nitrogênio a 133°C, mesmas condições de dessorção usadas na unidade TSA FULL da PPU convencional. A circulação do gás de regeneração é promovida por um soprador que eleva a pressão de 1,05 bar(a) para 1,12 bar(a).

0047]

O consumo médio de utilidades da ERAA da PPU alternativa no Exemplo 1 é apresentado a seguir: 15,32 MW de eletricidade (15.248 kW no MAC e 71 kW no soprador), 247 kW de vapor de baixa pressão e 6,835 kg/s de água de reposição para a torre CW. O tempo de vida considerado para substituir a zeólita 13X na ERAA é de 20 anos, em contraste com o tempo de vida de 15 anos da zeólita 13X na PPU convencional, graças ao 4X maior tempo de ciclo de adsorção que reduz o stress termo-

mecânico e	a fragmentação	e	geração de finos dos sólidos	de
adsorção.
[0048] O	investimento	dos equipamentos do Exemplo	1,
ilustrados	no fluxograma	da	Figura 4, foi calculado segundo
metodologia	de Turton et	al	(2012). Foi assumido o custo	de

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US$ 1,50 por kg de zeólita 13X. Para efeito de comparação, foi considerado o custo de US$ 1,32 por kg de alumina ativada na unidade TSA FULL da PPU convencional. O custo de utilidades é baseado em índices de 2009 do EUA: US$ 15,91 por tonelada de vapor de baixa pressão, US$ 0,071 por kWh de eletricidade e US$ 0,793 por m³ de água desmineralizada para reposição das torres CW. O custo operacional anual do processo foi definido como a soma do custo de utilidades com o custo de reposição de material adsorvente para 8000 horas operacionais por ano. Como resultado, a PPU alternativa com bateria de separadores supersônicos apresenta custo operacional anual de US$ 8,91 milhões e investimento de US$ 27,97 milhões. A PPU convencional de referência, utilizando TSA FULL, demandaria, por sua vez, um custo operacional anual de US$ 9,10 milhões e investimento de US$ 28,93 milhões. Admitindo-se taxa mínima de atratividade de 10%, imposto de renda de 34%, depreciação igual a 10% do investimento, foi calculado o preço do ar preparado e purificado capaz de produzir a receita necessária para levar a zero o valor presente líquido (VPL) do fluxo de caixa acumulado da unidade PPU após 20 anos de operação: US$ 5,21 por 10 Nm3 de ar purificado na PPU alternativa descrita no Exemplo 1, em contraste com o preço de US$ 5,34 por 10³ Nm3 de ar purificado na PPU convencional de referência.

Exemplo 2 [0049] No Exemplo 2, o processamento é realizado segundo a concretização de processo PPU alternativa ilustrada nas Figuras 3 e 5, onde a utilidade térmica para aquecer o

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30/33 nitrogênio gás de regeneração é água a 90°C proveniente do resfriamento de ar comprimido no intercooler do MAC.

[0050] Ainda referindo-se ao Exemplo 2, as condições operacionais de processamento do ar atmosférico são iguais às do processo descrito no Exemplo 1.

0051]

Ainda referindo-se à PPU alternativa do Exemplo 2, a configuração de processo da ERAA é igual à da EERA da PPU alternativa descrita no Exemplo 1, excetuando a temperatura do nitrogênio de regeneração.

0052] regeneração dos leitos da ERAA da

PPU alternativa do Exemplo compreende fases de despressurização (10 min), aquecimento (94 min), resfriamento (116 min) e pressurização min). O aquecimento do leito é promovido sob fluxo de nitrogênio a

80°C. A circulação do N₂ de regeneração promovida por um soprador similar ao do Exemplo 1.

[0053] O consumo médio de utilidades do Exemplo 2 é apresentado a seguir: 15,31 MW de eletricidade (15.248 kW no MAC e 67 kW no soprador) e 6, 7 64 kg/s de água de reposição para a torre CW, não havendo consumo de vapor. O tempo de vida considerado para substituir a zeólita 13X na ERAA da PPU alternativa do Exemplo 2 é de 20 anos, em contraste com o tempo de vida de 15 anos da zeólita 13X na PPU convencional. A Tabela 3 apresenta a comparação do consumo médio de utilidades dos Exemplos 1 e 2 e da PPU convencional de referência.

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Tabela 3. Consumo de utilidades por equipamento.

-	PPU Convencional (TSA Full)	PPU Alternativa Exemplo No. 1	PPU Alternativa Exemplo No. 2
Eletricidade MAC	14,79 MW	15,25 MW	15,25 MW
Eletricidade Soprador	0,372 MW	0,071 MW	0,067 MW
Vapor Saturado Aquecedor de N2	1,348 MW	0,247 MW	0 MW
Água de Reposição Torre de Resfriamento CW	6,838 kg/s	6,835 kg/s	6,764 kg/s

[0054] O investimento dos equipamentos do Exemplo 2, ilustrados no fluxograma da Figura 5, foi calculado segundo a mesma metodologia adotada no Exemplo 1. Da mesma maneira, foi assumido o mesmo custo unitário de material adsorvente e de utilidades, bem como os mesmos parâmetros utilizados na análise econômica do processo. Como resultado, o custo operacional anual seria de US$ 8,86 milhões e o investimento da PPU alternativa do Exemplo 2 de US$ 28,04 milhões. A PPU convencional de referência, utilizando adsorção TSA de alta capacidade (Full TSA), teria custo operacional anual de US$ 9,10 milhões e investimento de US$ 28,93 milhões. Admitindo uma taxa mínima de atratividade de 10%, imposto de renda de 34%, depreciação equivalente a 10% do investimento, foi calculado o preço do ar purificado capaz de produzir a receita necessária para levar a zero o valor presente líquido (VPL) do fluxo de caixa acumulado da PPU alternativa do Exemplo 2 após 20 anos de operação de US$ 5,19 por 10³ Nm³ de ar preparado e purificado, em contraste com o preço de US$ 5,34 por 10³ Nm3 de ar preparado e purificado na PPU convencional de referência.

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32/33 [0055] Para efeito de comparação dos Exemplos 1 e 2 com a PPU convencional de referência, o detalhamento do investimento de cada planta é apresentado na Figura 6 e o detalhamento do custo anual de operação é mostrado na Figura 7. A Tabela 4 apresenta a comparação da análise econômica destes processos para diferentes preços de ar preparado e purificado. A Tabela 5 apresenta uma comparação similar destes processos considerando o mesmo preço de ar preparado e purificado em todos os casos. As curvas do VPL (Valor Presente Líquido) gerados cumulativamente nos empreendimentos PPU alternativa Exemplo 1, PPU alternativa Exemplo 2 e PPU Convencional, referentes a esta última análise com preços iguais de US$ 5,34 por 10 Nm³ de ar preparado e purificado, são mostradas na Figura 8. Todos os VPLs referem-se apenas às unidades PPU das usinas de fracionamento de ar.

Tabela 4. Resultado da análise econômica para PPUs Alternativas dos Exemplos 1 e 2 e PPU Convencional.

-	PPU Convencional (TSA FULL)	PPU Alternativa Exemplo No. 1	PPU Alternativa Exemplo No. 2
Investimento PPU	US$	US$	US$
28,93*106	27,97*106	28,04*106
Custo anual	US$	US$	US$
de operação PPU	9,10*106	8,91*106	8,86*106
Preço do ar	US$ 5,34	US$ 5,21	US$ 5,19
preparado e purificado*	por 103 Nm3	por 103 Nm3	por 103 Nm3
VPL-PPU após 20 anos	US$ 0	US$ 0	US$ 0

* Preço de ar purificado para zerar VPL em 20 anos de operação da PPU

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Tabela 5. Resultado da análise econômica para PPUs Alternativas dos Exemplos 1 e 2 e PPU Convencional, usando preços iguais de ar purificado em US$ 5,34 por 10³ Nm³.

-	PPU Convencional (TSA FULL)	PPU Alternativa Exemplo No. 1	PPU Alternativa Exemplo No. 2
Investimento PPU	US$	US$	US$
28,93*106	27,97*106	28,04*106
Custo anual de operação PPU	US$ 9,10*106	US$ 8,91*106	US$ 8,86*106
Preço do ar Preparado e purificado	US$ 5,34 por 103 Nm3	US$ 5,34 por 103 Nm3	US$ 5,34 por 103 Nm3
VPL-PPU após	US$ 0	US$	US$
20 anos	1,70*106	1,98*106

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Claims (4)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Processo de Unidade PPU - Air Preparation and Purification Unit - de preparo e purificação do ar para fracionamento criogênico em Cold-Box, utilizando separador supersônico de baixa pressão para remover pelo menos 97,5% da água do ar e reinjetar esta água condensada super-resfriada diretamente no pool de água gelada da PPU, processo este caracterizado por:

   (a) uma etapa preliminar de resfriamento e desumidificação de ar, imediatamente após a descarga de um compressor via contato direto com água de refrigeração convencional, seguindo-se contato direto com água gelada proveniente do pool de água gelada da PPU;

   b) uma etapa principal de desidratação em separador supersônico, ou em uma bateria de separadores supersônicos em paralelo, separadores supersônicos estes operando com Número de Mach máximo de 1,10 a 1,30, de forma a reduzir drasticamente, em pelo menos

   97,5%, o teor de

   H₂O no ar pressurizado, pré-resfriado e pré-desumidificado, permitindo reciclar água condensada super-resfriada capturada nos separadores supersônicos diretamente para o pool de água gelada da Planta PPU, o que reduz apreciavelmente a necessidade de reposição de água da PPU, pois pelo menos 97,5% de toda a água alimentada com o ar bruto terá ingressado nos circuitos de água de refrigeração ou água gelada da PPU;

   (c) uma etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) ou através de outro tratamento em leito sólido, obrigatoriamente posicionada após o separador supersônico, para abater CO2,

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2. 2/3 traços de H₂O e microcontaminantes, leito sólido este que é regenerado periodicamente com nitrogênio, isento de H₂O e CO₂, em pressão próxima à atmosférica, proveniente da Cold-Box, devidamente aquecido a 70-90^oC para a regeneração dos leitos, desta forma utilizando temperaturas moderadas de regeneração do meio de adsorção, o que reduz o stress termo-mecânico nos sólidos e prolonga a vida dos leitos de adsorção, reduzindo custos de reposição deste material;

   2. Processo de acordo com a Reivindicação 1, caraterizado por utilizar água gelada, proveniente do pool de água gelada da PPU, em temperatura entre 5^oC-15^oC para promover préresfriamento e pré-desumidificação do ar comprimido em coluna de contato direto, sendo absorvido o excesso de água do ar comprimido pelo pool de água gelada da PPU.
3. 3. Processo de acordo com a Reivindicação 1, ou com as Reinvindicações 1 e 2, caracterizado por utilizar na etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) um leito sólido, preferencialmente de peneira molecular zeolítica, que é regenerado periodicamente com nitrogênio em pressão próxima da atmosférica, isento de H2O e CO2, proveniente da Cold-Box, devidamente aquecido a uma temperatura entre 70^oC e 90^oC, resultando uma regeneração termicamente mais moderada e com menor consumo de energia do que ocorreem uma PPU convencional baseada em adsorção de alta capacidade com modulação de temperatura (TSA) cuja regeneração de leito ocorre a 130^oC e com muito maior consumo de calor.
4. 4. Processo de acordo com a Reivindicação 3, caracterizado por utilizar água quente a 90-100^oC, ou outro fluido térmico

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   3/3 aquecido, proveniente de um trocador de calor para resfriamento da descarga de um dos estágios de compressor de ar, água quente esta para aquecer o N₂, isento de H₂O e CO₂, de regeneração dos leitos da etapa de remoção de acabamento por adsorção (ERAA) a uma temperatura entre 70-90^oC.