Los gases puros se pueden separar del aire enfriándolos primero hasta que se licúen 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 para producir gases de alta pureza. Lo desarrolló en el año 1895; el proceso permaneció puramente académico durante siete años antes de que se utilizara en aplicaciones industriales por primera vez (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 funciona mediante el efecto Joule-Thomson , y el equipo de frío debe mantenerse dentro de un recinto aislado (comúnmente llamado "caja fría"). El enfriamiento de los gases requiere una gran cantidad de energía para que funcione este ciclo de refrigeración y se entrega mediante un compresor de aire . Las unidades de separación de aire 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]
Antes de la compresión, el aire se filtra previamente para eliminar el polvo.
El aire se comprime y la presión final de suministro se determina en función de las recuperaciones y del estado del 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 unidad de suministro de aire. Durante la compresión, el agua se condensa en enfriadores entre etapas.
El aire de proceso generalmente pasa a través de un lecho de tamiz molecular , que elimina cualquier vapor de agua restante, así como el dióxido de carbono , que congelaría y obstruiría el equipo criogénico. Los tamices moleculares a menudo están diseñados para eliminar cualquier hidrocarburo gaseoso del aire, ya que estos pueden ser un problema en la destilación de aire posterior que podría provocar explosiones. [8] El lecho de tamices moleculares debe regenerarse. Esto se hace instalando múltiples unidades que operan en modo alterno y utilizando el gas residual seco coproducido para desorber el agua.
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 desechos). Parte del aire se licúa para formar un líquido enriquecido con oxígeno. El gas restante es más rico en nitrógeno y se destila hasta 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).
Alternativamente, el condensador puede enfriarse intercambiando calor con un rehervidor en una columna de destilación de baja presión (LP) (que opera a 1,2-1,3 bar absolutos) cuando la ASU está produciendo oxígeno puro. Para minimizar el costo de compresión, el condensador/rehervidor combinado de las columnas HP/LP debe operar con una diferencia de temperatura de solo 1-2 K, lo que requiere intercambiadores de calor de aluminio con aletas soldadas. Las purezas típicas del oxígeno varían de 97,5% a 99,5% e influyen en la recuperación máxima de oxígeno. La refrigeración requerida para producir productos líquidos se obtiene utilizando 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 se debe separar y debe salir de la columna de baja presión como una corriente de desechos de su sección superior.
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 un extractor lateral de vapor de la columna de baja presión donde la concentración de argón es más alta. Se envía a otra columna que rectifica el argón a la pureza deseada desde donde el líquido se devuelve a la misma ubicación en la columna de baja presión. El uso de empaquetaduras estructuradas modernas que tienen caídas de presión muy bajas permiten el argón con menos de 1 ppm de impurezas. Aunque el argón está presente en menos del 1% del material 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 suministrar a partir de líquido rico expandido frío o mediante nitrógeno líquido.
Finalmente, los productos producidos en forma de gas se calientan contra el aire entrante hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto requiere una integración de calor cuidadosamente diseñada que debe permitir la robustez frente a perturbaciones (debido al cambio de lechos de tamices moleculares). [9] También puede requerir refrigeración externa adicional durante la puesta en marcha.
Los productos separados se suministran a veces 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 nitrógenoBotella de tamices moleculares de 4Å
La adsorción por oscilación de presión permite separar el oxígeno o el nitrógeno del aire sin licuefacción. El proceso funciona a 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 se reduce mucho en comparación con 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 de vacío es un proceso similar; el gas producto se desprende de la zeolita a presión subatmosférica.
Generador de nitrógeno de membrana
Las tecnologías de membrana pueden proporcionar enfoques alternativos de menor consumo de energía para la separación del aire. Por ejemplo, se están explorando varios enfoques para la generación de oxígeno. Las membranas poliméricas que funcionan a temperaturas ambiente o cálidas, 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 °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 requerida ]
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, lo que reduce en gran medida las posibilidades de incendios y explosiones accidentales. Por el contrario, la separación de gases por membrana 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 el 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 con un 35% de oxígeno. [10]
Para los proyectos de gasificación de carbón se requieren grandes cantidades de oxígeno ; en algunos proyectos se encuentran plantas criogénicas que producen 3000 toneladas/día. [14]
Gas inerte
Inertización con nitrógeno de tanques de almacenamiento de buques y de tanques para productos petrolíferos, o para proteger productos derivados del petróleo de la oxidación . [ cita requerida ]
^ Chrz, Vaclav. "Recuperación de helio" (PDF) . CERN . CERN . Consultado el 30 de noviembre de 2022 .
^ Hoja informativa de la NASA sobre la Tierra (actualizada en noviembre de 2007)
^ "Invenciones geniales" (PDF) . Institution of Chemical Engineers. Septiembre de 2010. Archivado desde el original (PDF) el 2014-01-13 . Consultado el 2014-01-12 .
^ Latimer, RE (1967). "Destilación del aire". Chemical Engineering Progress . 63 (2): 35–59.
^ Agrawal, R. (1996). "Síntesis de configuraciones de columnas de destilación para una separación multicomponente". Investigación en química industrial e ingeniería . 35 (4): 1059–1071. doi :10.1021/ie950323h.
^ Castle, WF (2002). "Separación y licuefacción del aire: desarrollos recientes y perspectivas para el comienzo del nuevo milenio". Revista Internacional de Refrigeración . 25 : 158–172. doi :10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
^ "Cómo funciona la separación del aire". Messer . Consultado el 9 de noviembre de 2022 .
^ Las partículas de materia de los incendios forestales provocaron una explosión en la unidad de separación de aire de una planta de gas a líquido , véase Fainshtein, VI (2007). "Provisión de unidades de separación de aire a prueba de explosiones en condiciones contemporáneas". Ingeniería química y petrolera . 43 (1–2): 96–101. doi :10.1007/s10556-007-0018-8. S2CID 110001679.
^ Vinson, DR (2006). "Tecnología de control de separación de aire". Computers & Chemical Engineering . 30 (10–12): 1436–1446. doi :10.1016/j.compchemeng.2006.05.038.
^ 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". Computers & Chemical Engineering . 102 : 11–16. doi :10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.
^ 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 .
^ Flank, William H.; Abraham, Martin A.; Matthews, Michael A. (2009). Innovaciones en química industrial y de ingeniería: un siglo de logros y perspectivas para el nuevo milenio. Sociedad Química Estadounidense. ISBN9780841269637.
^ Wingate, Philippa; Gifford, Clive; Treays, Rebecca (1992). Ciencia esencial . Usborne. ISBN9780746010112. Nitrógeno líquido utilizado en el proceso Haber para producir amoníaco.
^ Higman, Cristóbal; van der Burgt, Martín (2008). Gasificación (2ª ed.). Elsevier. pag. 324.
Enlaces externos
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