Los gases industriales son los materiales gaseosos que se fabrican para su uso en la industria . Los principales gases que se producen son nitrógeno , oxígeno , dióxido de carbono , argón , hidrógeno , helio y acetileno , aunque también hay muchos otros gases y mezclas disponibles en cilindros de gas. La industria que produce estos gases también se conoce como gas industrial , que también se considera que abarca el suministro de equipos y tecnología para producir y utilizar los gases. [1] Su producción es parte de la industria química más amplia (donde los gases industriales a menudo se consideran " productos químicos especiales ").
Los gases industriales se utilizan en una amplia gama de industrias, entre las que se incluyen la del petróleo y el gas , la petroquímica , la química , la energía , la minería , la siderurgia , los metales , la protección del medio ambiente , la medicina , la industria farmacéutica , la biotecnología , la alimentación , el agua , los fertilizantes , la energía nuclear , la electrónica y la industria aeroespacial . El gas industrial se vende a otras empresas industriales; normalmente comprende grandes pedidos a clientes industriales corporativos , que abarcan un rango de tamaño que va desde la construcción de una instalación de proceso o una tubería hasta el suministro de gas en cilindros.
Se realizan algunos negocios a gran escala, generalmente a través de agentes locales vinculados que reciben suministros al por mayor . Este negocio cubre la venta o alquiler de cilindros de gas y equipos asociados a comerciantes y, ocasionalmente, al público en general. Esto incluye productos como helio para globos , gases para dispensar en barriles de cerveza , gases y equipos para soldar, GLP y oxígeno médico .
Las ventas minoristas de suministro de gas a pequeña escala no se limitan a las empresas de gas industrial o sus agentes. Existe una amplia variedad de pequeños contenedores de gas que se pueden transportar a mano, que pueden llamarse cilindros, botellas, cartuchos, cápsulas o botes, para suministrar GLP, butano, propano, dióxido de carbono u óxido nitroso. Algunos ejemplos son los cargadores de crema batida , los powerlets , los campingaz y los sodastream .
El primer gas del entorno natural que los seres humanos utilizaron fue casi con toda seguridad el aire , cuando se descubrió que soplar o avivar el fuego hacía que ardiera con más intensidad. Los seres humanos también utilizaban los gases cálidos del fuego para ahumar los alimentos y el vapor del agua hirviendo para cocinarlos.
El dióxido de carbono se conoce desde la antigüedad como subproducto de la fermentación , particularmente para bebidas , que se documentó por primera vez entre 7000 y 6600 a. C. en Jiahu , China . [2] El gas natural fue utilizado por los chinos alrededor del 500 a. C. cuando descubrieron el potencial de transportar el gas que se filtraba desde el suelo en tuberías rudimentarias de bambú hasta donde se usaba para hervir agua de mar. [3] El dióxido de azufre fue utilizado por los romanos en la elaboración del vino, ya que se había descubierto que quemar velas hechas de azufre [4] dentro de recipientes de vino vacíos los mantendría frescos y evitaría que adquirieran olor a vinagre. [5]
La comprensión inicial consistió en evidencia empírica y la protociencia de la alquimia ; sin embargo, con el advenimiento del método científico [6] y la ciencia de la química , estos gases fueron identificados y comprendidos positivamente.
La historia de la química nos dice que una serie de gases fueron identificados y descubiertos o producidos por primera vez en forma relativamente pura durante la Revolución Industrial de los siglos XVIII y XIX por químicos notables en sus laboratorios . La cronología del descubrimiento atribuido a varios gases son dióxido de carbono (1754), [7] hidrógeno (1766), [8] [9] nitrógeno (1772), [8] óxido nitroso (1772), [10] oxígeno (1773), [8] [11] [12] amoniaco (1774), [13] cloro (1774), [8] metano (1776), [14] sulfuro de hidrógeno (1777), [15] monóxido de carbono (1800), [16] cloruro de hidrógeno (1810), [17] acetileno (1836), [18] helio (1868) [8] [19] flúor (1886), [8] argón (1894), [8] criptón, neón y xenón (1898) [8] y radón (1899). [8]
El dióxido de carbono, el hidrógeno, el óxido nitroso, el oxígeno, el amoniaco, el cloro, el dióxido de azufre y el gas combustible manufacturado ya se utilizaban durante el siglo XIX, y tenían usos principalmente en alimentos , refrigeración , medicina y para iluminación de combustible y gas . [20] Por ejemplo, el agua carbonatada se fabricó desde 1772 y comercialmente desde 1783, el cloro se utilizó por primera vez para blanquear textiles en 1785 [21] y el óxido nitroso se utilizó por primera vez para anestesia odontológica en 1844. [10] En esta época, los gases a menudo se generaban para su uso inmediato mediante reacciones químicas . Un ejemplo notable de un generador es el aparato de Kipps que se inventó en 1844 [22] y podría usarse para generar gases como hidrógeno, sulfuro de hidrógeno , cloro, acetileno y dióxido de carbono mediante reacciones simples de evolución de gas . El acetileno se fabricó comercialmente a partir de 1893 y los generadores de acetileno se utilizaron desde aproximadamente 1898 para producir gas para cocinar y alumbrado a gas , sin embargo, la electricidad tomó el relevo como más práctica para la iluminación y una vez que el GLP se produjo comercialmente a partir de 1912, el uso de acetileno para cocinar disminuyó. [20]
Una vez que se descubrieron los gases y se produjeron en cantidades modestas, el proceso de industrialización estimuló la innovación y la invención de tecnología para producir mayores cantidades de estos gases. Entre los avances notables en la producción industrial de gases se incluyen la electrólisis del agua para producir hidrógeno (en 1869) y oxígeno (a partir de 1888), el proceso Brin para la producción de oxígeno que se inventó en 1884, el proceso cloro-álcali para producir cloro en 1892 y el proceso Haber para producir amoníaco en 1908. [23]
El desarrollo de aplicaciones en refrigeración también permitió avances en el aire acondicionado y la licuefacción de gases. El dióxido de carbono se licuó por primera vez en 1823. El primer ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utiliza éter fue inventado por Jacob Perkins en 1834 y un ciclo similar que utilizaba amoníaco se inventó en 1873 y otro con dióxido de azufre en 1876. [20] El oxígeno líquido y el nitrógeno líquido se fabricaron por primera vez en 1883; el hidrógeno líquido se fabricó por primera vez en 1898 y el helio líquido en 1908. El GLP se fabricó por primera vez en 1910. Se presentó una patente para el GNL en 1914 y la primera producción comercial en 1917. [24]
Aunque ningún acontecimiento marca el inicio de la industria del gas industrial, muchos lo sitúan en la década de 1880, con la construcción de los primeros cilindros de gas a alta presión . [20] Inicialmente, los cilindros se utilizaban principalmente para el dióxido de carbono en la carbonatación o dispensación de bebidas. En 1895, se desarrollaron aún más los ciclos de compresión de refrigeración para permitir la licuefacción del aire , [25] sobre todo por Carl von Linde [26], lo que permitió producir mayores cantidades de oxígeno y, en 1896, el descubrimiento de que grandes cantidades de acetileno podían disolverse en acetona y volverse no explosivos permitió el embotellado seguro de acetileno. [27]
Un uso particularmente importante fue el desarrollo de la soldadura y el corte de metales realizados con oxígeno y acetileno a partir de principios del siglo XX. A medida que se desarrollaron los procesos de producción para otros gases, muchos más gases comenzaron a venderse en cilindros sin necesidad de un generador de gas .
Las plantas de separación de aire refinan el aire en un proceso de separación y permiten así la producción en masa de nitrógeno y argón además de oxígeno; estos tres también se producen a menudo como líquido criogénico . Para lograr las bajas temperaturas de destilación requeridas , una unidad de separación de aire (UAA) utiliza un ciclo de refrigeración que funciona mediante el efecto Joule-Thomson . Además de los principales gases del aire, la separación de aire también es la única fuente práctica para la producción de los gases nobles raros neón , criptón y xenón .
Las tecnologías criogénicas también permiten la licuefacción de gas natural , hidrógeno y helio . En el procesamiento de gas natural , las tecnologías criogénicas se utilizan para eliminar el nitrógeno del gas natural en una unidad de rechazo de nitrógeno ; un proceso que también se puede utilizar para producir helio a partir de gas natural cuando los yacimientos de gas natural contienen suficiente helio para que esto resulte económico. Las empresas de gas industrial más grandes a menudo han invertido en extensas bibliotecas de patentes en todos los campos de su negocio, pero particularmente en criogenia.
La otra tecnología de producción principal en la industria es el reformado. El reformado con vapor es un proceso químico utilizado para convertir el gas natural y el vapor en un gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono con dióxido de carbono como subproducto . La oxidación parcial y el reformado autotérmico son procesos similares, pero también requieren oxígeno de una unidad de tratamiento de petróleo. El gas de síntesis es a menudo un precursor de la síntesis química de amoníaco o metanol . El dióxido de carbono producido es un gas ácido y se elimina más comúnmente mediante el tratamiento con aminas . Este dióxido de carbono separado puede potencialmente secuestrarse en un depósito de captura de carbono o usarse para la recuperación mejorada de petróleo .
Las tecnologías de separación de aire y reformado de hidrógeno son la piedra angular de la industria de los gases industriales y también forman parte de las tecnologías requeridas para muchos esquemas de gasificación de combustibles (incluido IGCC ), cogeneración y gas a líquido de Fischer-Tropsch . El hidrógeno tiene muchos métodos de producción y puede ser casi un combustible alternativo neutro en carbono si se produce por electrólisis del agua (asumiendo que la electricidad se produce en una planta nuclear u otra planta de energía de baja huella de carbono en lugar de reformar gas natural, que es el método dominante con diferencia). Un ejemplo de desplazamiento del uso de hidrocarburos es Orkney; [28] véase economía del hidrógeno para más información sobre los usos del hidrógeno. El hidrógeno líquido es utilizado por la NASA en el transbordador espacial como combustible para cohetes .
También se utilizan tecnologías de separación de gases más simples , como las membranas o los tamices moleculares utilizados en la adsorción por oscilación de presión o la adsorción por oscilación de vacío, para producir gases de aire de baja pureza en generadores de nitrógeno y plantas de oxígeno . Otros ejemplos que producen cantidades más pequeñas de gas son los generadores de oxígeno químico o los concentradores de oxígeno .
Además de los principales gases producidos por la separación del aire y la reforma del gas de síntesis, la industria proporciona muchos otros gases. Algunos gases son simplemente subproductos de otras industrias y otros a veces se compran a otros productores químicos más grandes, se refinan y se vuelven a envasar; aunque algunos tienen sus propios procesos de producción. Algunos ejemplos son el cloruro de hidrógeno producido por la quema de hidrógeno en cloro, el óxido nitroso producido por la descomposición térmica del nitrato de amonio cuando se calienta suavemente, la electrólisis para la producción de flúor, cloro e hidrógeno, y la descarga eléctrica en corona para producir ozono a partir del aire o el oxígeno.
Se pueden suministrar servicios y tecnologías relacionados, como el vacío , que suele proporcionarse en los sistemas de gas de los hospitales ; aire comprimido purificado ; o refrigeración . Otro sistema poco habitual es el generador de gas inerte . Algunas empresas de gases industriales también pueden suministrar productos químicos relacionados , en particular líquidos como bromo , fluoruro de hidrógeno y óxido de etileno .
La mayoría de los materiales que son gaseosos a temperatura y presión ambiente se suministran como gas comprimido. Se utiliza un compresor de gas para comprimir el gas en recipientes de almacenamiento a presión (como botes de gas , cilindros de gas o remolques tubulares ) a través de sistemas de tuberías . Los cilindros de gas son, con diferencia, el almacenamiento de gas más común [29] y se producen grandes cantidades en una instalación de "llenado de cilindros" .
Sin embargo, no todos los gases industriales se suministran en fase gaseosa . Algunos gases son vapores que se pueden licuar a temperatura ambiente solo bajo presión , por lo que también se pueden suministrar como líquido en un recipiente apropiado. Este cambio de fase también hace que estos gases sean útiles como refrigerantes ambientales y los gases industriales más importantes con esta propiedad son el amoníaco (R717), el propano (R290), el butano (R600) y el dióxido de azufre (R764). El cloro también tiene esta propiedad, pero es demasiado tóxico, corrosivo y reactivo para haber sido utilizado alguna vez como refrigerante. Algunos otros gases exhiben este cambio de fase si la temperatura ambiente es lo suficientemente baja; esto incluye el etileno (R1150), el dióxido de carbono (R744), el etano (R170), el óxido nitroso (R744A) y el hexafluoruro de azufre ; sin embargo, estos solo se pueden licuar bajo presión si se mantienen por debajo de sus temperaturas críticas , que son 9 °C para C 2 H 4 ; 31 °C para CO 2 ; 32 °C para C2H6 ; 36 °C para N2O ; 45 °C para SF6 . [ 30] Todas estas sustancias también se proporcionan como gas (no como vapor) a la presión de 200 bar en un cilindro de gas porque esa presión está por encima de su presión crítica . [30]
Los gases permanentes (aquellos con una temperatura crítica inferior a la ambiente) solo pueden suministrarse en estado líquido si también se los enfría. Todos los gases pueden utilizarse potencialmente como refrigerantes en torno a las temperaturas a las que son líquidos; por ejemplo, el nitrógeno (R728) y el metano (R50) se utilizan como refrigerantes a temperaturas criogénicas. [25]
Excepcionalmente, el dióxido de carbono puede producirse como un sólido frío conocido como hielo seco , que sublima al calentarse en condiciones ambientales; las propiedades del dióxido de carbono son tales que no puede ser líquido a una presión inferior a su punto triple de 5,1 bar. [30]
El acetileno también se suministra de otra manera. Como es tan inestable y explosivo, se suministra como gas disuelto en acetona dentro de una masa de embalaje en un cilindro. El acetileno es también el único otro gas industrial común que sublima a presión atmosférica. [30]
Los principales gases industriales pueden producirse a granel y entregarse a los clientes por tuberías , pero también pueden envasarse y transportarse.
La mayoría de los gases se venden en cilindros de gas y algunos se venden como líquido en contenedores apropiados (por ejemplo, Dewars ) o como líquido a granel entregado por camión. La industria originalmente suministraba gases en cilindros para evitar la necesidad de generación local de gas; pero para grandes clientes como acerías o refinerías de petróleo , se puede construir una gran planta de producción de gas cerca (normalmente llamada instalación "in situ") para evitar el uso de una gran cantidad de cilindros conectados entre sí . Alternativamente, una empresa de gas industrial puede suministrar la planta y el equipo para producir el gas en lugar del gas en sí. Una empresa de gas industrial también puede ofrecer actuar como operador de planta en virtud de un contrato de operaciones y mantenimiento para una instalación de gases para un cliente, ya que normalmente tiene la experiencia de gestionar dichas instalaciones para la producción o manipulación de gases para sí misma.
Algunos materiales son peligrosos si se utilizan como gas; por ejemplo, el flúor es muy reactivo y la química industrial que requiere flúor suele utilizar fluoruro de hidrógeno (o ácido fluorhídrico ) en su lugar. Otro método para superar la reactividad del gas es generar el gas cuando se lo necesita, lo que se hace, por ejemplo, con ozono .
Las opciones de suministro son, por tanto, la generación local de gas, gasoductos , transporte a granel ( camión , ferrocarril , barco ) y gases envasados en cilindros de gas u otros contenedores. [1]
Los gases líquidos a granel suelen transferirse a tanques de almacenamiento para el usuario final . Los usuarios finales suelen utilizar cilindros de gas (y recipientes que contienen gas líquido) para sus propios sistemas de distribución a pequeña escala. Los usuarios finales suelen almacenar cilindros de gas tóxico o inflamable en armarios de gas para protegerlos de incendios externos o de cualquier fuga.
A pesar de los intentos de estandarización para facilitar la seguridad de los usuarios y de los primeros intervinientes, no existe una codificación universal para los cilindros con gases industriales, por lo que se utilizan varias normas de codificación por colores. En la mayoría de los países desarrollados del mundo, en particular los países de la Unión Europea y el Reino Unido, se utiliza la norma EN 1089-3, siendo los cilindros de gas licuado de petróleo una excepción.
En los Estados Unidos de América no existe ninguna reglamentación oficial sobre la codificación por colores de los cilindros de gas y no se aplica ninguna. [31]
Los gases industriales son un grupo de materiales que se fabrican específicamente para su uso en la industria y que también son gaseosos a temperatura y presión ambiente. Son sustancias químicas que pueden ser un gas elemental o un compuesto químico orgánico o inorgánico , y tienden a ser moléculas de bajo peso molecular . También pueden ser una mezcla de gases individuales. Tienen valor como sustancia química, ya sea como materia prima , en la mejora de procesos, como producto final útil o para un uso particular; a diferencia de su valor como combustible "simple" .
El término “gases industriales” [32] a veces se define de manera estricta como los principales gases que se venden, que son: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, argón, hidrógeno, acetileno y helio. [33] Las diferentes compañías de gases industriales dan muchos nombres a los gases fuera de esta lista principal, pero generalmente los gases entran en las categorías de “gases especiales”, “ gases médicos ”, “ gases combustibles ” o “ gases refrigerantes ”. Sin embargo, los gases también pueden conocerse por sus usos o industrias a las que sirven, por lo tanto, “gases de soldadura” o “ gases respirables ”, etc.; o por su fuente, como en “gases del aire”; o por su modo de suministro como en “gases envasados”. Los principales gases también pueden denominarse “gases a granel” o “gases de tonelaje”.
En principio, cualquier gas o mezcla de gases que se venda en la "industria de los gases industriales" probablemente tenga algún uso industrial y podría denominarse "gas industrial". En la práctica, es probable que los "gases industriales" sean un compuesto puro o una mezcla de composición química precisa , envasados o en pequeñas cantidades, pero con una gran pureza o adaptados a un uso específico (por ejemplo, el oxiacetileno ). En la sección "Los gases" que figura a continuación se enumeran los gases más importantes.
Hay casos en los que un gas no suele denominarse "gas industrial"; principalmente cuando el gas se procesa para un uso posterior de su energía en lugar de fabricarse para su uso como sustancia o preparación química.
La industria del petróleo y el gas se considera distinta. Así, si bien es cierto que el gas natural es un "gas" utilizado en la "industria" (a menudo como combustible, a veces como materia prima) y en este sentido genérico es un "gas industrial", las empresas industriales no suelen utilizar este término para referirse a los hidrocarburos producidos por la industria petrolera directamente a partir de recursos naturales o en una refinería de petróleo . Los materiales como el GLP y el GNL son mezclas complejas que a menudo no tienen una composición química precisa y que, además, suelen cambiar durante el almacenamiento.
La industria petroquímica también se considera distinta, por lo que los productos petroquímicos (sustancias químicas derivadas del petróleo ), como el etileno , generalmente no se describen como "gases industriales".
A veces se piensa que la industria química es distinta de los gases industriales, por lo que materiales como el amoníaco y el cloro pueden considerarse " químicos " (especialmente si se suministran como líquido) en lugar de, o a veces además de, "gases industriales".
El suministro de gas a pequeña escala en contenedores transportados a mano a veces no se considera gas industrial, ya que su uso se considera personal más que industrial, y los proveedores no siempre son especialistas en gas.
Estas demarcaciones se basan en los límites percibidos de estas industrias (aunque en la práctica hay cierta superposición), y es difícil dar una definición científica exacta. Para ilustrar la "superposición" entre industrias:
Históricamente, el gas combustible manufacturado (como el gas de ciudad ) se habría considerado un gas industrial. El gas de síntesis suele considerarse un producto petroquímico, aunque su producción es una tecnología básica de gases industriales. De manera similar, los proyectos que aprovechan el gas de vertedero o el biogás , los esquemas de conversión de residuos en energía , así como la producción de hidrógeno, presentan tecnologías superpuestas.
El helio es un gas industrial, aunque su fuente proviene del procesamiento de gas natural .
Cualquier gas puede considerarse un gas industrial si se coloca en un cilindro de gas (excepto quizás si se utiliza como combustible).
El propano se consideraría un gas industrial cuando se utiliza como refrigerante, pero no cuando se utiliza como refrigerante en la producción de GNL, aunque se trata de una tecnología superpuesta.
Los elementos químicos conocidos que se obtienen o pueden obtenerse a partir de recursos naturales (sin transmutación ) y que son gaseosos son hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro, además de los gases nobles; y los químicos los denominan colectivamente "gases elementales". [34] Todos estos elementos son primordiales , excepto el gas noble radón , que es un radioisótopo traza que se produce de forma natural, ya que todos los isótopos son nucleidos radiogénicos procedentes de la desintegración radiactiva . Todos estos elementos son no metales .
( Los elementos sintéticos no tienen relevancia para la industria de los gases industriales; sin embargo, para completar la información científica, cabe señalar que se ha sugerido, pero no se ha demostrado científicamente, que los elementos metálicos 112 ( Copernicium ) y 114 ( Flerovium ) son gases. [35] )
Los elementos que son moléculas homonucleares de dos átomos estables a temperatura y presión estándar (STP), son el hidrógeno (H 2 ), el nitrógeno (N 2 ) y el oxígeno (O 2 ), además de los halógenos flúor (F 2 ) y cloro (Cl 2 ). Los gases nobles son todos monoatómicos .
En la industria de los gases industriales se utiliza el término "gases elementales" (o a veces con menor precisión, "gases moleculares") para distinguir estos gases de las moléculas que también son compuestos químicos .
El radón es químicamente estable, pero es radiactivo y no tiene un isótopo estable . Su isótopo más estable , el 222 Rn , tiene una vida media de 3,8 días. Sus usos se deben a su radiactividad más que a su química y requiere un manejo especializado fuera de las normas de la industria del gas industrial. Sin embargo, puede producirse como subproducto del procesamiento de minerales uraníferos . El radón es un material radiactivo de origen natural (NORM) que se encuentra en el aire procesado en una unidad de tratamiento de aire.
El cloro es el único gas elemental que técnicamente es un vapor , ya que las condiciones normales de planta (STP) están por debajo de su temperatura crítica ; mientras que el bromo y el mercurio son líquidos en STP, por lo que su vapor existe en equilibrio con su líquido en STP.
Esta lista muestra los otros gases más comunes vendidos por las compañías de gases industriales. [1]
Hay muchas mezclas de gases posibles.
Esta lista muestra los gases licuados más importantes: [1]
Los usos de los gases industriales son diversos.
A continuación se muestra una pequeña lista de áreas de uso:
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