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Nov 07, 2023

Hechos a su alcance: gas físico

1 de mayo de 2022 | Por Scott Jenkins, revista de ingeniería química

1 de mayo de 2022 | Por Scott Jenkins, revista de ingeniería química

Los gases industriales son fundamentales para una amplia gama de aplicaciones en las industrias de procesos químicos (CPI). Muchos de estos gases deben separarse de otros, como el nitrógeno del aire o el hidrógeno del gas natural, utilizando técnicas físicas de separación de gases que incluyen separación por membrana, procesos catalíticos y de adsorción, destilación criogénica y otras tecnologías. Aquí se analizan algunos métodos comunes.

La separación por membrana utiliza membranas de fibra hueca para separar el nitrógeno del oxígeno (Figura 1). La tecnología de membrana se usa comúnmente cuando los requisitos de pureza no son estrictos. Dentro del sistema de membrana, muchos miles de fibras huecas se colocan en una carcasa y se suministra aire comprimido a un extremo. La pared de fibra es permeable a los gases, pero la velocidad de difusión a través de la pared de fibra varía según el tipo de gas. Para el aire, el oxígeno, el dióxido de carbono, el argón y otros contaminantes traza pasan a través de la pared a un ritmo más rápido que el nitrógeno y se ventilan. El nitrógeno sale del sistema de membrana con una pureza típica superior al 95 %. Los usuarios pueden ajustar el flujo a través del sistema para variar la pureza lograda por un sistema basado en membrana. La ventaja de un sistema basado en membrana es que no hay partes móviles, pero la pureza de salida puede variar con el caudal.

FIGURA 1. Los métodos de separación por membrana se utilizan en aplicaciones donde los requisitos de pureza no son especialmente estrictos

La adsorción por oscilación de presión (PSA) y la adsorción por oscilación de presión al vacío (VPSA) se utilizan en situaciones que requieren una mayor pureza. Cuando se requiere la separación de impurezas en el nivel alto de partes por millón (ppm), en lugar de la separación de impurezas en el nivel porcentual, el PSA es una opción (Figura 2). Los sistemas PSA se utilizan normalmente como prepurificación de gases que entran en un proceso criogénico y para la purificación de hidrógeno. La tecnología VPSA se utiliza para la producción in situ de vidrio flotado y oxígeno de grado médico.

FIGURA 2. La adsorción por cambio de presión es una opción cuando la separación de impurezas necesita alcanzar el nivel alto de partes por millón

Los sistemas PSA consisten en pares de recipientes que operan en paralelo, o pueden diseñarse en configuraciones con múltiples recipientes en serie. Cada recipiente está lleno de medios de adsorción, como tamices moleculares de carbono, zeolitas y carbón vegetal. El gas de alimentación a purificar pasa a través de uno o más recipientes que operan a presiones típicamente superiores a 100 psig. Las impurezas dentro de la corriente de gas de alimentación se adsorben físicamente (fisisorción) en la superficie del medio mediante fuerzas de Van der Waals (enlaces débiles creados por interacciones electrostáticas de corto alcance entre dipolos moleculares). Los sistemas PSA funcionan aprovechando los diferentes comportamientos de adsorción a diferentes presiones y temperaturas. Los sitios de adsorción están ocupados por moléculas de impurezas, mientras que el gas deseado pasa a través del medio. La capacidad para cada impureza varía según la selección del medio, a menudo determinada por el tamaño de los poros. A medida que las moléculas de impurezas atraviesan los vasos de PSA, el medio requiere regeneración para eliminar las impurezas adsorbidas. Dentro de un sistema PSA, el recipiente se aísla y el gas se ventila rápidamente a la presión atmosférica, lo que libera las impurezas atrapadas. Luego, el recipiente se vuelve a presurizar y está listo para recibir más gas de alimentación. Esta regeneración puede completarse en un tiempo de ciclo de minutos a horas. Para la separación de nitrógeno u oxígeno del aire, el ciclo suele ser corto.

Cuando se requiere una pureza de gas de bajo nivel de PPM, normalmente se utiliza la destilación criogénica. Los procesos criogénicos se basan en la separación física de los gases en relación con sus puntos de ebullición. Muchos gases pueden separarse criogénicamente, pero aquí se describe la separación del aire. El aire comprimido se enfría y luego se pasa a través de un tamiz molecular para eliminar la humedad, los hidrocarburos y el dióxido de carbono antes de ingresar a la columna de destilación. El gas que ingresa a la columna se enfría a temperaturas criogénicas contra los gases que salen. Para mantener el equilibrio de refrigeración necesario para sostener el proceso, a menudo se usa una turbina de expansión. El aire sube por la columna a través de una serie de bandejas contra el líquido de reflujo que cae en cascada por la columna. La separación de los gases se produce debido a las diferentes temperaturas de ebullición. El nitrógeno con una pureza del 99,999 % o superior se puede suministrar directamente como vapor o licuado para el suministro criogénico. Las impurezas dentro del nitrógeno suelen incluir monóxido de carbono e hidrógeno, que tienen un punto de ebullición similar o inferior.

1. Warrick, B. y Spohn, D., Consideraciones para la purificación de gases industriales, Chem. Ing., agosto de 2019, págs. 42–46.

2. Keller, T. y Shahani, G., Tecnología PSA: Más allá de la purificación de hidrógeno, Chem. Eng., enero de 2016, págs. 50–53.