Los gases industriales son los materiales gaseosos que se fabrican para su uso en la industria . Los principales gases proporcionados 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 , y se considera que también abarca el suministro de equipos y tecnología para producir y utilizar los gases. [1] Su producción forma 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, que incluyen petróleo y gas , petroquímica , química , energía , minería , siderurgia , metales , protección ambiental , medicina , productos farmacéuticos , biotecnología , alimentos , agua , fertilizantes , energía nuclear , electrónica y aeroespacial. . El gas industrial se vende a otras empresas industriales; Por lo general, comprende grandes pedidos a clientes industriales corporativos , que abarcan un rango de tamaño desde la construcción de una instalación de proceso o tubería hasta el suministro de gas en cilindros.
Algunos negocios a escala comercial se realizan, normalmente a través de agentes locales vinculados que se abastecen 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 dispensadores para barriles de cerveza , gases y equipos de soldadura, GLP y oxígeno medicinal .
Las ventas minoristas de suministro de gas a pequeña escala no se limitan únicamente a las empresas de gas industrial o sus agentes. Para suministrar GLP, butano, propano, dióxido de carbono u óxido nitroso se dispone de una amplia variedad de pequeños contenedores de gas portátiles, que pueden denominarse cilindros, botellas, cartuchos, cápsulas o botes. Algunos ejemplos son los cargadores de crema batida , powerlets , campingaz y sodastream .
El primer gas del entorno natural utilizado por los humanos fue casi con certeza el aire cuando se descubrió que soplar o avivar un fuego hacía que éste ardiese más. Los seres humanos también utilizaban los gases calientes del fuego para ahumar alimentos y el vapor del agua hirviendo para cocinarlos.
El dióxido de carbono se conoce desde la antigüedad como un subproducto de la fermentación , particularmente en el caso de las bebidas , que se documentó por primera vez entre el 7.000 y el 6.600 a. C. en Jiahu , China . [2] Los chinos utilizaron el gas natural alrededor del año 500 a. C., cuando descubrieron el potencial de transportar el gas que se filtraba desde el suelo en crudos conductos de bambú hasta donde se utilizaba para hervir agua de mar. [3] Los romanos utilizaban dióxido de azufre en la elaboración del vino, ya que se había descubierto que quemar velas hechas de azufre [4] dentro de vasijas de vino vacías las mantendría frescas y evitaría que olieran a vinagre. [5]
La comprensión temprana consistió en evidencia empírica y la protociencia de la alquimia ; sin embargo, con la llegada del método científico [6] y la ciencia de la química , estos gases se identificaron y entendieron 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 es dióxido de carbono (1754), [7] hidrógeno (1766), [8] [9] nitrógeno (1772), [8] óxido nitroso (1772), [10] oxígeno (1773). , [8] [11] [12] amoníaco (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 amoníaco, 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 como combustible y gas para iluminación . [20] Por ejemplo, el agua carbonatada se fabricaba 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 se utilizaban gases. A menudo se generan para uso inmediato mediante reacciones químicas . Un ejemplo notable de 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 desprendimiento de gas . El acetileno se fabricó comercialmente a partir de 1893 y los generadores de acetileno se utilizaron aproximadamente a partir de 1898 para producir gas para cocinar e iluminar con gas ; sin embargo, la electricidad se hizo más práctica para la iluminación y una vez que se produjo comercialmente el GLP a partir de 1912, el uso de acetileno para cocinar disminuyó. [20]
Una vez que los gases fueron descubiertos y producidos en cantidades modestas, el proceso de industrialización estimuló la innovación y la invención de tecnología para producir mayores cantidades de estos gases. Los avances notables en la producción industrial de gases 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 usos en refrigeración también permitió avances en aire acondicionado y licuefacción de gases. El dióxido de carbono se licuó por primera vez en 1823. El primer ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utilizó éter fue inventado por Jacob Perkins en 1834 y un ciclo similar que utilizó amoníaco se inventó en 1873 y otro con dióxido de azufre en 1876. [20] Oxígeno líquido y Nitrógeno líquido Ambos 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 se produjo en 1917. [24]
Aunque ningún evento marca el comienzo de la industria del gas industrial, muchos lo tomarían como la década de 1880 con la construcción de los primeros cilindros de gas a alta presión . [20] Inicialmente, los cilindros se usaban principalmente para dióxido de carbono en la carbonatación o en el despacho de bebidas. En 1895, los ciclos de compresión de refrigeración se desarrollaron aún más 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 se descubrió que grandes cantidades de acetileno podían disolverse en acetona y transformarse. El no explosivo 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 de 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 así permiten 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 (ASU) utiliza un ciclo de refrigeración que opera mediante el efecto Joule-Thomson . Además de los principales gases del aire, la separación del aire es también la única fuente práctica para la producción de los raros gases nobles neón , criptón y xenón .
Las tecnologías criogénicas también permiten la licuefacción de gas natural , hidrógeno y helio . En el procesamiento de gas natural , se utilizan tecnologías criogénicas 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 campos de gas natural contienen suficiente helio para que esto sea económico. Las grandes empresas de gases industriales a menudo han invertido en amplias bibliotecas de patentes en todos los campos de su negocio, pero especialmente en la criogenia.
La otra tecnología de producción principal en la industria es la reforma. El reformado con vapor es un proceso químico utilizado para convertir gas natural y vapor en 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 ASU. El gas de síntesis suele ser un precursor de la síntesis química de amoníaco o metanol . El dióxido de carbono producido es un gas ácido y comúnmente se elimina mediante tratamiento con aminas . Este dióxido de carbono separado puede potencialmente ser secuestrado en un depósito de captura de carbono o utilizado 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 necesarias para muchos sistemas de gasificación de combustible (incluido el IGCC ), cogeneración y gas Fischer-Tropsch a líquidos . El hidrógeno tiene muchos métodos de producción y puede ser un combustible alternativo casi neutro en carbono si se produce mediante electrólisis del agua (suponiendo que la electricidad se produzca en una central nuclear u otra planta de energía con baja huella de carbono en lugar de reformar el gas natural, que es, con diferencia, el método dominante). Un ejemplo de desplazamiento del uso de hidrocarburos es Orkney; [28] consulte Economía del hidrógeno para obtener más información sobre los usos del hidrógeno. La NASA utiliza hidrógeno líquido en el transbordador espacial como combustible para cohetes .
Las tecnologías de separación de gases más simples , como membranas o tamices moleculares utilizados en la adsorción por cambio de presión o la adsorción por cambio de vacío, también se utilizan 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 químicos de oxígeno o los concentradores de oxígeno .
Además de los principales gases producidos por la separación del aire y el reformado 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 importantes, se refinan y se reenvasan; aunque algunos tienen sus propios procesos de producción. Algunos ejemplos son el cloruro de hidrógeno producido al quemar 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 tecnología relacionados, como vacío , que a menudo se proporciona en los sistemas de gas de los hospitales ; aire comprimido purificado ; o refrigeración . Otro sistema inusual 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 a presión de almacenamiento (como botes de gas , cilindros de gas o remolques de tubos ) 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 pueden licuarse a temperatura ambiente bajo presión únicamente, por lo que también pueden suministrarse en forma líquida en un recipiente adecuado. 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 como para haber sido utilizado como refrigerante. Algunos otros gases presentan este cambio de fase si la temperatura ambiente es lo suficientemente baja; esto incluye etileno (R1150), dióxido de carbono (R744), etano (R170), óxido nitroso (R744A) y hexafluoruro de azufre ; sin embargo, éstos sólo pueden licuarse bajo presión si se mantienen por debajo de sus temperaturas críticas que son 9 °C para el C 2 H 4 ; 31 °C para CO2 ; 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 una 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) sólo pueden suministrarse en forma líquida si también se enfrían. Todos los gases pueden usarse potencialmente como refrigerantes alrededor de las temperaturas a las que son líquidos; por ejemplo, se utilizan nitrógeno (R728) y metano (R50) como refrigerante a temperaturas criogénicas. [25]
Excepcionalmente el dióxido de carbono se puede producir como un sólido frío conocido como hielo seco , que se 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 forma diferente. Dado que es tan inestable y explosivo, se suministra como un gas disuelto en acetona dentro de una masa empaquetada en un cilindro. El acetileno es también el único gas industrial común que se 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 y algunos se venden como líquidos en contenedores apropiados (por ejemplo, Dewars ) o como líquidos a granel entregados por camión. Originalmente, la industria 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 (generalmente llamada instalación "in situ") para evitar el uso de una gran cantidad de cilindros agrupados 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 ofrecerse a actuar como operador de planta en virtud de un contrato de operación y mantenimiento de una instalación de gases para un cliente, ya que normalmente tiene la experiencia de gestionar dichas instalaciones para la producción o manipulación de gases por sí misma.
Es peligroso utilizar algunos materiales como gas; por ejemplo, el flúor es altamente reactivo y la química industrial que requiere flúor a menudo utiliza fluoruro de hidrógeno (o ácido fluorhídrico ) en su lugar. Otro enfoque para superar la reactividad del gas es generar el gas cuando sea necesario, lo que se hace, por ejemplo, con ozono .
Por lo tanto, las opciones de entrega son 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 del 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 los cilindros de gas tóxicos o inflamables en gabinetes de gas para protegerlos contra incendios externos o cualquier fuga.
A pesar de los intentos de estandarización para facilitar la seguridad de los usuarios y del personal de primeros auxilios, no existe una codificación universal para los cilindros con gases industriales, por lo que se utilizan varios estándares de codificación de 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 las botellas de gas licuado de petróleo una excepción.
En los Estados Unidos de América no existe ninguna regulación oficial sobre códigos de colores para los cilindros de gas y no se aplica ninguna. [31]
El gas industrial es un grupo de materiales que se fabrican específicamente para su uso en la industria y 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 podrían ser una mezcla de gases individuales. Tienen valor como sustancia química; ya sea como materia prima , en mejora de procesos, como producto final útil o para un uso particular; en lugar de tener valor como combustible "simple" .
El término “gases industriales” [32] a veces se define de manera estricta como los principales gases vendidos, 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 se clasifican en las categorías "gases especiales", " gases médicos ", " gases combustibles " o " gases refrigerantes ". Sin embargo los gases también pueden ser conocidos por sus usos o industrias a las que sirven, de ahí "gases de soldadura" o " gases respirables ", etc.; o por su fuente, como en el caso de los "gases del aire"; o por su modo de suministro como en el caso de los "gases envasados". Los gases principales también podrían denominarse "gases a granel" o "gases de tonelaje".
En principio, cualquier gas o mezcla de gases vendido por la "industria de los gases industriales" probablemente tenga algún uso industrial y podría denominarse "gas industrial". En la práctica, los "gases industriales" suelen ser un compuesto puro o una mezcla de composición química precisa , envasados o en pequeñas cantidades, pero de gran pureza o adaptados a un uso específico (por ejemplo, oxiacetileno ). Las listas de los gases más importantes se enumeran en "Los gases" a continuación.
Hay casos en los que un gas no suele denominarse "gas industrial"; principalmente cuando el gas se procesa para el 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 pues, 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"; Este término generalmente no lo utilizan las empresas industriales para los hidrocarburos producidos por la industria petrolera directamente a partir de recursos naturales o en una refinería de petróleo . Materiales como el GLP y el GNL son mezclas complejas, a menudo sin una composición química precisa, que a menudo también cambia durante el almacenamiento.
La industria petroquímica también se considera distinta. Por lo tanto, los petroquímicos (productos químicos derivados del petróleo ), como el etileno, tampoco se describen generalmente 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 podrían considerarse " químicos " (especialmente si se suministran en forma líquida) en lugar de "gases industriales", o a veces también.
El suministro de gas a pequeña escala mediante contenedores portátiles a veces no se considera gas industrial, ya que el uso se considera personal y no 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 una definición científica exacta es difícil. Para ilustrar la "superposición" entre industrias:
El gas combustible manufacturado (como el gas ciudad ) históricamente se habría considerado un gas industrial. A menudo se considera que el gas de síntesis es un producto petroquímico; aunque su producción es una tecnología central 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 y la producción de hidrógeno exhiben tecnologías superpuestas.
El helio es un gas industrial, aunque su origen proviene del procesamiento del gas natural .
Es probable que cualquier gas se considere 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 son o pueden obtenerse de recursos naturales (sin transmutación ) y que son gaseosos son el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el flúor, el cloro, más 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 de la desintegración radiactiva . Estos elementos son todos no metales .
( Los elementos sintéticos no tienen relevancia para la industria del gas industrial; sin embargo, para completar científicamente, tenga en cuenta que se ha sugerido, pero no se ha demostrado científicamente, que los elementos metálicos 112 ( copernicio ) y 114 ( flerovio ) son gases. [35] )
Los elementos que constituyen 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, el término "gases elementales" (o, a veces, con menos precisión, "gases moleculares") se utiliza 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 rastro de material radiactivo natural (NORM) que se encuentra en el aire procesado en una ASU.
El cloro es el único gas elemental que técnicamente es vapor ya que STP está por debajo de su temperatura crítica ; mientras que el bromo y el mercurio son líquidos a STP, por lo que su vapor existe en equilibrio con su líquido a STP.
Esta lista muestra los otros gases más comunes vendidos por las empresas 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.
La siguiente es una pequeña lista de áreas de uso:
Medios relacionados con gases industriales en Wikimedia Commons