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Articulo de referencia

Separación de aire

Una planta de separación de aire separa el aire atmosférico en sus componentes primarios, normalmente nitrógeno y oxígeno , y a veces también argón y otros gases inertes poco co...

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Una planta de separación de aire separa el aire atmosférico en sus componentes primarios, normalmente nitrógeno y oxígeno , y a veces también argón y otros gases inertes poco comunes .

El método más común para la separación del aire es la destilación fraccionada . Las unidades criogénicas de separación de aire (ASU) están diseñadas para proporcionar nitrógeno u oxígeno y, a menudo, también producen 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 común. El oxígeno , el nitrógeno y el argón de alta pureza , utilizados en la fabricación de dispositivos semiconductores , requieren destilación criogénica. De manera similar, la única fuente viable de los gases nobles neón , criptón y xenón es la destilación del aire mediante al menos dos columnas de destilación . El helio también se recupera en procesos avanzados de separación de aire. [ 1 ]

Proceso de destilación criogénica

Composición del aire atmosférico seco [ 2 ]

Los gases puros pueden separarse del aire enfriándolo primero hasta que se licúe y luego destilando selectivamente sus componentes a sus diferentes temperaturas de ebullición. Este proceso permite obtener gases de alta pureza, pero requiere mucha energía. Fue desarrollado por Carl von Linde a principios del siglo XX y aún se utiliza hoy en día para producir gases de alta pureza. Lo desarrolló en 1895; el proceso permaneció en el ámbito académico durante siete años antes de su primera aplicación industrial (1902). [ 3 ]

Columna de destilación en una planta de separación criogénica 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 refrigeración 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 es suministrado por un compresor de aire . Las unidades de separación de aire modernas utilizan turbinas de expansión para la refrigeración; la salida del expansor ayuda a impulsar el compresor de aire, para una mayor eficiencia. El proceso consta de los siguientes pasos principales: [ 7 ]

  1. Antes de la compresión, el aire se prefiltra para eliminar el polvo.
  2. El aire se comprime y la presión final de entrega viene determinada por la recuperación de los productos y su estado (gas o líquido ). Las presiones típicas oscilan entre 5 y 10 bar manométricos. El flujo de aire también puede comprimirse a diferentes presiones para mejorar la eficiencia de la unidad de separación de aire (ASU). Durante la compresión, el agua se condensa en enfriadores intermedios.
  3. El aire de proceso generalmente se hace pasar a través de un lecho de tamices moleculares , que elimina el vapor de agua restante, así como el dióxido de carbono , que se congelaría y obstruiría el equipo criogénico. Los tamices moleculares suelen diseñarse para eliminar los hidrocarburos gaseosos del aire, ya que estos pueden ser un problema en la destilación de aire posterior y podrían provocar explosiones. [ 8 ] El lecho de tamices moleculares debe regenerarse. Esto se logra instalando varias unidades que operan en modo alterno y utilizando el gas residual coproducido seco para desorber el agua.
  4. El aire de proceso pasa a través de un intercambiador de calor integrado (generalmente un intercambiador de calor de placas y aletas ) y se enfría mediante corrientes criogénicas de producto (y de desecho). Parte del aire se licúa para formar un líquido enriquecido 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 (AP). El condensador de esta columna requiere refrigeración , la cual se obtiene expandiendo la corriente más rica en oxígeno a través de una válvula o mediante un expansor (un compresor inverso).
  5. Alternativamente, el condensador puede enfriarse mediante intercambio de calor con un rehervidor en una columna de destilación de baja presión (BP) (que opera a 1,2-1,3 bar abs.) cuando la ASU produce oxígeno puro. Para minimizar el costo de compresión, el condensador/rehervidor combinado de las columnas de alta presión (HP)/baja presión (BP) debe operar con una diferencia de temperatura de solo 1-2 K, lo que requiere intercambiadores de calor de aluminio soldados con aletas de placa. Las purezas típicas del oxígeno oscilan entre el 97,5 % y el 99,5 %, lo que influye 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 se separa y debe salir de la columna de baja presión como corriente de desecho de 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 muestra del lado del vapor de la columna de baja presión donde la concentración de argón es máxima. Esta muestra se envía a otra columna que rectifica el argón hasta alcanzar la pureza deseada, desde donde el líquido se devuelve al mismo punto de la columna de baja presión. El uso de rellenos estructurados modernos con caídas de presión muy bajas permite obtener argón con menos de 1 ppm de impurezas. Aunque el argón está presente en menos del 1 % de la entrada, la columna de argón-aire requiere una cantidad significativa de energía debido a la alta relación de reflujo necesaria (aproximadamente 30). La refrigeración de la columna de argón puede suministrarse mediante líquido rico expandido frío o nitrógeno líquido.
  7. Finalmente, los productos producidos en forma gaseosa se calientan mediante el aire de entrada hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto requiere una integración térmica cuidadosamente diseñada que debe garantizar la robustez frente a perturbaciones (debido al cambio de lechos de tamices moleculares). [ 9 ] También puede requerir refrigeración externa adicional durante el arranque.

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

Procesos no criogénicos

Un generador de nitrógeno
Frasco de tamices moleculares de 4 Å

La adsorción por cambio de presión permite separar el oxígeno o el nitrógeno del aire sin necesidad de licuefacción. El proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente: una zeolita (esponja molecular) se expone 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 considerablemente en comparación con una planta de licuefacción, y de esta manera se fabrican concentradores de oxígeno portátiles para proporcionar aire enriquecido con oxígeno para uso médico. La adsorción por cambio de presión al vacío es un proceso similar; el gas producto se genera a partir de la zeolita a presión subatmosférica.

Generador de nitrógeno de membrana

Las tecnologías de membrana ofrecen alternativas de menor consumo energético para la separación del aire. Por ejemplo, se están explorando diversas técnicas para la generación de oxígeno. Las membranas poliméricas que operan a temperatura ambiente o templada, por ejemplo, pueden producir aire enriquecido con oxígeno (25-50%). Las membranas cerámicas proporcionan oxígeno de alta pureza (90% o más), pero requieren temperaturas más elevadas (800-900 °C) para su funcionamiento. 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.

La separación de gases por membrana se utiliza para suministrar gases pobres en oxígeno y ricos en nitrógeno en lugar de aire para llenar los tanques de combustible de los aviones comerciales, reduciendo así considerablemente las posibilidades de incendios y explosiones accidentales. Asimismo, la separación de gases por membrana se utiliza actualmente para proporcionar aire enriquecido con oxígeno a los pilotos que vuelan a grandes altitudes en aeronaves sin cabina presurizada.

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 ]

Aplicaciones

Cohetería

Oxígeno y nitrógeno líquidos para empresas como SpaceX . [ 11 ]

Médico

Se suministra oxígeno puro a los grandes hospitales para su uso con los pacientes.

Acero

En la producción de acero , se requiere oxígeno para el proceso básico de fabricación de acero con oxígeno . El proceso moderno de fabricación 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 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Chrz, Vaclav. "Recuperación de helio" (PDF) . CERN . CERN . Consultado el 30 de noviembre de 2022 .
  2. ↑ Hoja informativa de la NASA sobre la Tierra (actualizada en noviembre de 2007)
  3. ↑ "Inventos geniales" (PDF) . Institution of Chemical Engineers. Septiembre de 2010. Archivado del original (PDF) el 13 de enero de 2014. Consultado el 12 de enero de 2014 .
  4. ↑ Latimer, RE (1967). "Destilación del aire". Chemical Engineering Progress . 63 (2): 35– 59.
  5. ↑ Agrawal, R. (1996). "Síntesis de configuraciones de columnas de destilación para una separación multicomponente". Industrial & Engineering Chemistry Research . 35 (4): 1059– 1071. doi : 10.1021/ie950323h .
  6. ↑ Castle, WF (2002). "Separación y licuefacción del aire: desarrollos recientes y perspectivas para el comienzo del nuevo milenio". International Journal of Refrigeration . 25 : 158–172 . doi : 10.1016/S0140-7007(01)00003-2 .
  7. ↑ "Cómo funciona la separación de aire" . Messer . Archivado del original el 9 de noviembre de 2022. Consultado el 9 de noviembre de 2022 .
  8. ↑ Las partículas procedentes de incendios forestales provocaron una explosión en la unidad de separación de aire de unaplanta de conversión de gas a líquido ; véase Fainshtein, VI (2007). «Provisión de unidades de separación de aire a prueba de explosiones en condiciones contemporáneas». Chemical and Petroleum Engineering . 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". Computers & Chemical Engineering . 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". Computers & Chemical Engineering . 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. ↑ 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. ISBN 9780841269637.
  13. ↑ Wingate, Philippa; Gifford, Clive; Treays, Rebecca (1992). Ciencia esencial . Usborne. ISBN 9780746010112. Nitrógeno líquido utilizado en el proceso Haber para fabricar amoníaco.
  14. ^ Higman, Cristóbal; van der Burgt, Martín (2008). Gasificación (2ª ed.). Elsevier. pag. 324.  
  • Simulación de plantas de separación de aire