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Separación de aire

Una planta de separación de aire separa el aire atmosférico en sus componentes primarios, normalmente nitrógeno y oxígeno , y en ocasiones también argón y otros gases inertes raros .

El método más común para la separación del aire es la destilación fraccionada . Las unidades criogénicas de separación de aire (ASU) se construyen para proporcionar nitrógeno u oxígeno y, a menudo, coproducir argón. Otros métodos, como la membrana, la adsorción por cambio de presión (PSA) y la adsorción por cambio de presión al vacío (VPSA), se utilizan comercialmente para separar un solo componente del aire ordinario. El oxígeno , el nitrógeno y el argón de alta pureza , utilizados para la fabricación de dispositivos semiconductores , requieren destilación criogénica. Del mismo modo, la única fuente viable de los gases raros neón , criptón y xenón es la destilación del aire utilizando al menos dos columnas de destilación . El helio también se recupera en procesos avanzados de separación del aire. [1]

Proceso de destilación criogénica.

Composición del aire atmosférico seco [2]

Los gases puros se pueden separar del aire enfriándolo primero hasta que se licue y luego destilando selectivamente los componentes a sus distintas temperaturas de ebullición. El proceso puede producir gases de alta pureza pero consume mucha energía. Este proceso fue iniciado por Carl von Linde a principios del siglo XX y todavía se utiliza hoy en día para producir gases de alta pureza. Lo desarrolló en el año 1895; El proceso siguió siendo puramente académico durante siete años antes de que se utilizara por primera vez en aplicaciones industriales (1902). [3]

Columna de destilación en una planta criogénica de separación de aire.

El proceso de separación criogénica [4] [5] [6] requiere una integración muy estrecha de intercambiadores de calor y columnas de separación para obtener una buena eficiencia y toda la energía para la refrigeración es proporcionada por la compresión del aire en la entrada de la unidad.

Para lograr las bajas temperaturas de destilación, una unidad de separación de aire requiere un ciclo de refrigeración que opera mediante el efecto Joule-Thomson , y el equipo de frío tiene que mantenerse dentro de un recinto aislado (comúnmente llamado "caja fría"). El enfriamiento de los gases requiere una gran cantidad de energía para que este ciclo de refrigeración funcione y se entrega mediante un compresor de aire . Las ASU modernas utilizan turbinas de expansión para enfriar; La salida del expansor ayuda a impulsar el compresor de aire para mejorar la eficiencia. El proceso consta de los siguientes pasos principales: [7]

  1. Antes de la compresión, el aire se filtra previamente de polvo.
  2. El aire se comprime donde la presión de entrega final está determinada por las recuperaciones y el estado fluido (gas o líquido) de los productos. Las presiones típicas oscilan entre 5 y 10 bar manométricos. La corriente de aire también se puede comprimir a diferentes presiones para mejorar la eficiencia de la ASU. Durante la compresión, el agua se condensa en refrigeradores entre etapas.
  3. El aire del proceso generalmente pasa a través de un lecho de tamiz molecular , que elimina el vapor de agua restante, así como el dióxido de carbono , que congelaría y obstruiría el equipo criogénico. Los tamices moleculares suelen estar diseñados para eliminar los hidrocarburos gaseosos del aire, ya que pueden suponer un problema en la posterior destilación del aire y provocar explosiones. [8] El lecho de tamices moleculares debe regenerarse. Esto se hace instalando múltiples unidades que funcionan en modo alterno y utilizando el gas residual seco coproducido para desorber el agua.
  4. El aire de proceso pasa a través de un intercambiador de calor integrado (normalmente un intercambiador de calor de placas y aletas ) y se enfría contra corrientes criogénicas de producto (y residuos). Parte del aire se licua para formar un líquido que se enriquece en oxígeno. El gas restante es más rico en nitrógeno y se destila hasta obtener nitrógeno casi puro (normalmente < 1 ppm) en una columna de destilación de alta presión (HP). El condensador de esta columna requiere refrigeración que se obtiene expandiendo aún más la corriente más rica en oxígeno a través de una válvula o mediante un expansor (un compresor inverso).
  5. Alternativamente, el condensador se puede enfriar intercambiando calor con un hervidor en una columna de destilación de baja presión (LP) (que funciona a 1,2-1,3 bar abs.) cuando la ASU produce oxígeno puro. Para minimizar el coste de compresión, el condensador/rehervidor combinado de las columnas HP/LP debe funcionar con una diferencia de temperatura de sólo 1-2 K, lo que requiere intercambiadores de calor de aluminio soldado con aletas de placas. Las purezas típicas del oxígeno oscilan entre el 97,5% y el 99,5% e influyen en la recuperación máxima de oxígeno. La refrigeración necesaria para producir productos líquidos se obtiene mediante el efecto Joule-Thomson en un expansor que alimenta aire comprimido directamente a la columna de baja presión. Por lo tanto, una cierta parte del aire no debe separarse y debe salir de la columna de baja presión como corriente residual desde su sección superior.
  6. Debido a que el punto de ebullición del argón (87,3 K en condiciones estándar) se encuentra entre el del oxígeno (90,2 K) y el del nitrógeno (77,4 K), el argón se acumula en la sección inferior de la columna de baja presión. Cuando se produce argón, se toma una extracción del lado de vapor de la columna de baja presión donde la concentración de argón es más alta. Se envía a otra columna rectificando el argón a la pureza deseada desde donde el líquido regresa al mismo lugar en la columna LP. El uso de empaquetaduras estructuradas modernas que tienen caídas de presión muy bajas permiten obtener argón con menos de 1 ppm de impurezas. Aunque el argón está presente en menos del 1% del entrante, la columna de argón de aire requiere una cantidad significativa de energía debido a la alta relación de reflujo requerida (aproximadamente 30) en la columna de argón. El enfriamiento de la columna de argón se puede realizar a partir de un líquido rico expandido en frío o mediante nitrógeno líquido.
  7. Finalmente, los productos producidos en forma de gas se calientan con el aire entrante hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto requiere una integración de calor cuidadosamente diseñada que debe permitir robustez contra perturbaciones (debido al cambio de los lechos de tamiz molecular). [9] También puede requerir refrigeración externa adicional durante el arranque.

Los productos separados a veces se suministran por tuberías a grandes usuarios industriales cerca de la planta de producción. El transporte de productos a larga distancia se realiza mediante el envío de productos líquidos para grandes cantidades o en frascos Dewar o cilindros de gas para pequeñas cantidades.

Procesos no criogénicos

Un generador de nitrógeno
Frasco de tamices moleculares de 4Å

La adsorción por cambio de presión proporciona la separación de oxígeno o nitrógeno del aire sin licuefacción. El proceso opera alrededor de la temperatura ambiente; Se expone una zeolita (esponja molecular) a aire a alta presión, luego se libera el aire y se libera una película adsorbida del gas deseado. El tamaño del compresor es mucho más reducido que el de una planta de licuefacción, y los concentradores de oxígeno portátiles se fabrican de esta manera para proporcionar aire enriquecido con oxígeno para fines médicos. La adsorción por oscilación al vacío es un proceso similar; el gas producto se desprende de la zeolita a presión subatmosférica.

Generador de nitrógeno de membrana

Las tecnologías de membranas pueden proporcionar enfoques alternativos y de menor energía para la separación del aire. Por ejemplo, se están explorando varios enfoques para la generación de oxígeno. Las membranas poliméricas que funcionan a temperatura ambiente o cálida, por ejemplo, pueden producir aire enriquecido con oxígeno (25-50 % de oxígeno). Las membranas cerámicas pueden proporcionar oxígeno de alta pureza (90% o más), pero requieren temperaturas más altas (800-900 grados C) para funcionar. Estas membranas cerámicas incluyen membranas de transporte de iones (ITM) y membranas de transporte de oxígeno (OTM). Air Products and Chemicals Inc y Praxair están desarrollando sistemas ITM planos y OTM tubulares. [ cita necesaria ]

La separación de gases por membrana se utiliza para proporcionar gases pobres en oxígeno y ricos en nitrógeno en lugar de aire para llenar los tanques de combustible de los aviones de línea, reduciendo así en gran medida las posibilidades de incendios y explosiones accidentales. Por el contrario, la separación de gases por membranas se utiliza actualmente para proporcionar aire enriquecido con oxígeno a los pilotos que vuelan a grandes altitudes en aviones sin cabinas presurizadas.

Se puede obtener aire enriquecido con oxígeno aprovechando la diferente solubilidad del oxígeno y del nitrógeno. El oxígeno es más soluble que el nitrógeno en agua, por lo que si se desgasifica el aire del agua, se puede obtener una corriente de oxígeno al 35%. [10]

Aplicaciones

Cohetería

Oxígeno líquido para empresas como SpaceX . [11]

Médico

El oxígeno puro se entrega a grandes hospitales para su uso con los pacientes.

Acero

En la fabricación de acero , se requiere oxígeno para la fabricación de acero con oxígeno básico . La fabricación moderna de acero con oxígeno básico utiliza casi dos toneladas de oxígeno por tonelada de acero. [12]

Amoníaco

Nitrógeno utilizado en el proceso Haber para producir amoníaco . [13]

Gas de carbón

Se requieren grandes cantidades de oxígeno para los proyectos de gasificación del carbón ; En algunos proyectos se encuentran plantas criogénicas que producen 3000 toneladas/día. [14]

Gas inerte

Inertización con tanques de almacenamiento de nitrógeno de barcos y tanques para productos petrolíferos, o para proteger de la oxidación productos oleosos comestibles . [ cita necesaria ]

Ver también

Referencias

  1. ^ Chrz, Vaclav. "Recuperación de helio" (PDF) . CERN . CERN . Consultado el 30 de noviembre de 2022 .
  2. ^ Hoja informativa sobre la Tierra de la NASA (actualizada en noviembre de 2007)
  3. ^ "Inventos geniales" (PDF) . Institución de Ingenieros Químicos. Septiembre de 2010. Archivado desde el original (PDF) el 13 de enero de 2014 . Consultado el 12 de enero de 2014 .
  4. ^ Latimer, RE (1967). "Destilación de Aire". Progreso de la ingeniería química . 63 (2): 35–59.
  5. ^ Agrawal, R. (1996). "Síntesis de configuraciones de columnas de destilación para una separación multicomponente". Investigación en química industrial y de ingeniería . 35 (4): 1059-1071. doi : 10.1021/ie950323h.
  6. ^ Castillo, WF (2002). "Separación y licuefacción del aire: novedades recientes y perspectivas para el comienzo del nuevo milenio". Revista Internacional de Refrigeración . 25 : 158-172. doi :10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
  7. ^ "Cómo funciona la separación del aire". Messer . Consultado el 9 de noviembre de 2022 .
  8. ^ Las partículas de los incendios forestales provocaron una explosión en la unidad de separación de aire de una planta de gas a líquido , consulte Fainshtein, VI (2007). "Suministro de unidades de separación de aire a prueba de explosiones en las condiciones contemporáneas". Ingeniería Química y Petrolera . 43 (1–2): 96–101. doi :10.1007/s10556-007-0018-8. S2CID  110001679.
  9. ^ Vinson, DR (2006). "Tecnología de control de separación de aire". Informática e Ingeniería Química . 30 (10-12): 1436-1446. doi : 10.1016/j.compchemeng.2006.05.038.
  10. ^ Galli, F; Comazzi, A; Previtali, D; Manenti, F; Bozzano, G; Bianchi, CL; Pirola, C (2017). "Producción de aire enriquecido con oxígeno mediante desorción del agua: datos experimentales, simulaciones y evaluación económica". Informática e Ingeniería Química . 102 : 11-16. doi : 10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.
  11. ^ Copeland, Mike. "Messer construirá una planta de gas de 50 millones de dólares en McGregor". Waco Tribune-Herald . Waco Tribune-Herald . Consultado el 30 de noviembre de 2022 .
  12. ^ Flanco, William H.; Abraham, Martín A.; Matthews, Michael A. (2009). Innovaciones en química industrial y de ingeniería: un siglo de logros y perspectivas para el nuevo milenio. Sociedad Química Americana. ISBN 9780841269637.
  13. ^ Wingate, Philippa; Gifford, Clive; Treays, Rebecca (1992). Ciencia esencial . Usborne. ISBN 9780746010112. Nitrógeno líquido utilizado en el proceso Haber para producir amoníaco.
  14. ^ Higman, Cristóbal; van der Burgt, Martín (2008). Gasificación (2ª ed.). Elsevier. pag. 324.

enlaces externos

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