La adsorción por oscilación de presión ( PSA ) es una técnica que se utiliza para separar algunas especies de gas de una mezcla de gases (normalmente aire) bajo presión según las características moleculares de las especies y la afinidad por un material adsorbente . Funciona a una temperatura cercana a la ambiente y difiere significativamente de la destilación criogénica que se utiliza habitualmente para separar gases. Se utilizan materiales adsorbentes selectivos (por ejemplo, zeolitas (también conocidas como tamices moleculares ), carbón activado , etc.) como material de captura, que adsorbe preferentemente las especies de gas objetivo a alta presión. A continuación, el proceso oscila a baja presión para desorber el gas adsorbido.
El proceso de adsorción por oscilación 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 sea la presión, más gas se adsorbe. Cuando se reduce la presión, el gas se libera o se desorbe. La PSA se puede utilizar para separar gases en una mezcla porque los diferentes gases se adsorben en una superficie sólida dada con mayor o menor fuerza. Por ejemplo, si una mezcla de gases como el aire se hace pasar bajo presión a través de un recipiente que contiene un lecho adsorbente de zeolita que atrae el nitrógeno con mayor fuerza que el oxígeno , una fracción del nitrógeno permanecerá en el lecho y el gas que salga del recipiente será más rico en oxígeno que la mezcla que ingrese. Cuando el lecho alcanza el límite de su capacidad para adsorber nitrógeno, se puede regenerar disminuyendo la presión, liberando así el nitrógeno adsorbido. Entonces está listo para otro ciclo de producción de aire enriquecido con oxígeno.
El uso de dos recipientes adsorbentes permite una producción casi continua del gas deseado. También permite una igualación de la presión, donde el gas que sale del recipiente que se está despresurizando se utiliza para presurizar parcialmente el segundo recipiente. Esto genera un ahorro de energía significativo 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 áreas superficiales específicas . Los adsorbentes típicos son zeolitas , carbón activado , gel de sílice , alúmina o resinas sintéticas . Aunque el gas adsorbido en estas superficies puede consistir en una capa de solo una o como máximo unas pocas moléculas de espesor, las áreas superficiales 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 en función del tamaño y la forma de las moléculas, restringiendo así la capacidad de adsorción de las moléculas más grandes.
Además de su uso para suministrar oxígeno médico o como sustituto del almacenamiento criogénico a granel o de cilindros comprimidos, 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 (CO2 ) como paso final en la síntesis comercial a gran escala de hidrógeno (H2 ) para su uso en refinerías de petróleo y en la producción de amoníaco (NH3 ) . Las refinerías suelen utilizar la tecnología PSA para eliminar el sulfuro de hidrógeno ( H2S ) de las corrientes de alimentación y reciclaje de hidrógeno de las unidades de hidrotratamiento e hidrocraqueo . Otra aplicación del PSA es la separación del dióxido de carbono del biogás para aumentar la proporción de metano (CH4 ) .
A través de la PSA, el biogás puede mejorarse hasta alcanzar una calidad similar a la del gas natural . Esto incluye un proceso de utilización de gas de vertedero para mejorarlo y convertirlo en gas metano de alta pureza apto para uso industrial que se venderá como gas natural. [1]
El PSA también se utiliza en:
En el marco de la captura y almacenamiento de carbono (CCS), también se están realizando investigaciones para capturar CO2 en grandes cantidades de las centrales eléctricas de carbón antes de su geosecuestro , con el fin de reducir la producción de gases de efecto invernadero de estas plantas. [4] [5]
También se ha discutido el PSA 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 extender el tiempo de funcionamiento del traje. [6]
Este es el proceso que se utiliza en los concentradores de oxígeno médico que utilizan los pacientes con enfisema y COVID-19 y otras personas que requieren aire enriquecido con oxígeno para respirar. [ cita requerida ]
(DS-PSA, a veces también denominado Dual Step PSA)
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 se ve reforzado por una evacuación activa para lograr un mejor rendimiento en el siguiente ciclo. El objetivo de ambos cambios es mejorar la eficiencia con respecto a un proceso PSA convencional.
El DS-PSA también se puede aplicar para aumentar la concentración de oxígeno. En este caso, una zeolita a base de sílice y aluminio adsorbe el 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 el oxígeno hasta el 99%.
La adsorción por oscilación rápida de presión, o RPSA, se utiliza con frecuencia en los concentradores de oxígeno portátiles . Permite una gran reducción del tamaño del lecho adsorbente cuando no es esencial una alta pureza y cuando se puede descartar el gas de alimentación (aire). [7] Funciona haciendo que la presión se modifique rápidamente mientras se ventilan alternativamente los extremos opuestos de la columna a la misma velocidad. Esto significa que los gases no adsorbidos avanzan 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 avanzar y se ventilan en el extremo proximal . [8]
La adsorción por oscilación de vacío (VSA) segrega ciertos gases de una mezcla gaseosa a una presión cercana a la ambiental; luego, el proceso pasa al vacío para regenerar el material adsorbente. La VSA se diferencia de otras técnicas de PSA porque funciona a temperaturas y presiones cercanas a la ambiental. La VSA generalmente hace pasar el gas a través del proceso de separación con un vacío. Para los sistemas VSA de oxígeno y nitrógeno, el vacío generalmente se genera mediante un soplador. También existen sistemas híbridos de adsorción por oscilación de presión al vacío (VPSA). Los sistemas VPSA aplican gas presurizado al proceso de separación y también aplican vacío al gas de purga. Los sistemas VPSA, como uno de los concentradores de oxígeno portátiles, se encuentran entre los sistemas más eficientes medidos en índices industriales habituales, como la recuperación (gas de producto que sale/gas de producto que entra) y la productividad (gas de producto que sale/masa del material del tamiz). Generalmente, una mayor recuperación conduce a un compresor, soplador u otra fuente de gas comprimido o vacío más pequeños 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 medible más directamente en el sistema general, como la cantidad de gas del producto dividida por el peso y el tamaño del sistema, los costos iniciales y de mantenimiento del sistema, el consumo de energía del sistema u otros costos operativos y la confiabilidad.
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