La adsorción por cambio de presión ( PSA ) es una técnica utilizada para separar algunas especies de gases de una mezcla de gases (normalmente aire) bajo presión de acuerdo con las características moleculares de las especies y su afinidad por un material adsorbente . Opera a temperatura cercana a la ambiente y difiere significativamente de la destilación criogénica comúnmente utilizada para separar gases. Los materiales adsorbentes selectivos (p. ej., zeolitas (también conocidos como tamices moleculares ), carbón activado , etc.) se utilizan como material atrapador, adsorbiendo preferentemente las especies de gas objetivo a alta presión. Luego, el proceso cambia a baja presión para desorber el gas adsorbido.
El proceso de adsorción por cambio de presión (PSA) se basa en el fenómeno de que, bajo alta presión, los gases tienden a quedar atrapados en superficies sólidas, es decir, a ser "adsorbidos". Cuanto mayor es la presión, más gas se adsorbe. Cuando cae la presión, el gas se libera o se desorbe. El PSA se puede utilizar para separar gases en una mezcla porque diferentes gases se adsorben sobre una superficie sólida determinada con mayor o menor fuerza. Por ejemplo, si una mezcla de gases, como aire, se hace pasar bajo presión a través de un recipiente que contiene un lecho adsorbente de zeolita que atrae el nitrógeno con más fuerza que el oxígeno , una fracción de nitrógeno permanecerá en el lecho y el gas que sale del recipiente será más rico. en oxígeno que la mezcla que entra. Cuando el lecho alcanza el límite de su capacidad para adsorber nitrógeno, se puede regenerar disminuyendo la presión, liberando así el nitrógeno adsorbido. Entonces estará listo para otro ciclo de producción de aire enriquecido con oxígeno.
El uso de dos recipientes adsorbentes permite una producción casi continua del gas objetivo. También permite una igualación de presión, donde el gas que sale del recipiente que se está despresurizando se utiliza para presurizar parcialmente el segundo recipiente. Esto se traduce en importantes ahorros de energía y es una práctica industrial común.
Aparte de su capacidad para discriminar entre diferentes gases, los adsorbentes para sistemas PSA suelen ser materiales muy porosos elegidos debido a sus grandes superficies específicas . Los adsorbentes típicos son zeolita , carbón activado , gel de sílice , alúmina o resinas sintéticas . Aunque el gas adsorbido en estas superficies puede consistir en una capa de sólo una o como máximo unas pocas moléculas de espesor, superficies de varios cientos de metros cuadrados por gramo permiten la adsorción de una gran parte del peso del adsorbente en gas. Además de su afinidad por diferentes gases, las zeolitas y algunos tipos de carbón activado pueden utilizar sus características de tamiz molecular para excluir algunas moléculas de gas de su estructura según el tamaño y la forma de las moléculas, restringiendo así la capacidad de las moléculas más grandes para ser adsorbido.
Además de su uso para suministrar oxígeno médico o como sustituto del almacenamiento criogénico o en cilindros comprimidos a granel, que es la principal fuente de oxígeno para cualquier hospital, el PSA tiene muchos otros usos. Una de las principales aplicaciones del PSA es la eliminación de dióxido de carbono (CO 2 ) como paso final en la síntesis comercial a gran escala de hidrógeno (H 2 ) para su uso en refinerías de petróleo y en la producción de amoníaco (NH 3 ). . Las refinerías suelen utilizar la tecnología PSA para eliminar el sulfuro de hidrógeno (H 2 S) de las corrientes de alimentación y reciclaje de hidrógeno de las unidades de hidrotratamiento e hidrocraqueo . Otra aplicación del PSA es la separación de dióxido de carbono del biogás para aumentar la proporción de metano (CH 4 ). A través de PSA el biogás se puede mejorar a una calidad similar a la del gas natural . Esto incluye un proceso en la utilización del gas de vertedero para convertirlo en gas metano de alta pureza de grado comercial para venderlo como gas natural. [1]
El PSA también se utiliza en:
En el marco de la captura y almacenamiento de carbono (CAC), también se están realizando investigaciones para capturar CO 2 en grandes cantidades de las centrales eléctricas alimentadas con carbón antes del geosecuestro , con el fin de reducir la producción de gases de efecto invernadero de estas plantas. [4] [5]
El PSA también se ha debatido como una alternativa futura a la tecnología absorbente no regenerable utilizada en los sistemas de soporte vital primario de los trajes espaciales , con el fin de ahorrar peso y ampliar el tiempo de funcionamiento del traje. [6]
Este es el proceso utilizado en los concentradores de oxígeno médicos utilizados por pacientes con enfisema y COVID-19 y otras personas que requieren aire enriquecido con oxígeno para respirar. [ cita necesaria ]
(DS-PSA, a veces también denominado PSA de doble paso).
Con esta variante de PSA desarrollada para su uso en generadores de nitrógeno de laboratorio, el gas nitrógeno se produce en dos pasos: en el primer paso, el aire comprimido se fuerza a pasar a través de un tamiz molecular de carbono para producir nitrógeno con una pureza de aproximadamente el 98%; en el segundo paso, este nitrógeno se fuerza a pasar a un segundo tamiz molecular de carbono y el gas nitrógeno alcanza una pureza final de hasta el 99,999%. El gas de purga del segundo paso se recicla y se utiliza parcialmente como gas de alimentación en el primer paso.
Además, el proceso de purga está respaldado por una evacuación activa para un mejor rendimiento en el siguiente ciclo. El objetivo de ambos cambios es mejorar la eficiencia con respecto a un proceso PSA convencional.
DS-PSA también se puede aplicar para aumentar la concentración de oxígeno. En este caso, una zeolita a base de sílice de aluminio adsorbe nitrógeno en la primera etapa alcanzando un 95% de oxígeno en la salida, y en la segunda etapa un tamiz molecular a base de carbono adsorbe el nitrógeno residual en un ciclo inverso, concentrando oxígeno hasta un 99%.
La adsorción por cambio rápido de presión, o RPSA, se utiliza con frecuencia en concentradores de oxígeno portátiles . Permite una gran reducción en el tamaño del lecho adsorbente cuando no es esencial una alta pureza y cuando el gas de alimentación (aire) puede desecharse. [7] Funciona ciclando rápidamente la presión mientras ventila alternativamente los extremos opuestos de la columna al mismo ritmo. Esto significa que los gases no adsorbidos progresan a lo largo de la columna mucho más rápido y se ventilan en el extremo distal , mientras que los gases adsorbidos no tienen la oportunidad de progresar y se ventilan en el extremo proximal . [8]
La adsorción por oscilación al vacío (VSA) segrega ciertos gases de una mezcla gaseosa a una presión cercana a la ambiental; Luego, el proceso cambia al vacío para regenerar el material adsorbente. VSA se diferencia de otras técnicas de PSA porque opera a temperaturas y presiones cercanas a la ambiental. VSA normalmente extrae el gas a través del proceso de separación con vacío. Para los sistemas VSA de oxígeno y nitrógeno, el vacío normalmente lo genera un soplador. También existen sistemas híbridos de adsorción por oscilación de presión y vacío (VPSA). Los sistemas VPSA aplican gas presurizado al proceso de separación y también aplican vacío al gas de purga. Los sistemas VPSA, al igual que los concentradores de oxígeno portátiles, se encuentran entre los sistemas más eficientes medidos según los índices habituales de la industria, como recuperación (salida de gas del producto/entrada de gas del producto) y productividad (salida de gas del producto/masa de material del tamiz). Generalmente, una mayor recuperación conduce a un compresor, soplador u otra fuente de vacío o gas comprimido más pequeño y un menor consumo de energía. Una mayor productividad conduce a lechos de tamiz más pequeños. Lo más probable es que el consumidor considere índices que tengan una diferencia más directamente medible en el sistema general, como la cantidad de gas producto dividido por el peso y tamaño del sistema, los costos iniciales y de mantenimiento del sistema, el consumo de energía del sistema u otros costos operativos, y fiabilidad.
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