Cap. IV. Gases industriales

Bilma Osorio Marujo

Aire

El aire es una materia prima casi inagotable. Esta constituido por una mezcla de nitrógeno y oxigeno como elementos básicos, y el resto son gases nobles, entre los que predominan el argón y pequeña cantidad de hidrogeno.

Normalmente en el aire existen otras sustancias, como el vapor de agua en cantidad variable, dióxido de carbono y en las zonas industriales, hidrocarburos, alquitranes, cenizas, polvo y dióxido de azufre, etc.

Las características del aire varían según la altura sobre el nivel del mar.

Se acepta convencionalmente que la composición del aire (seco) a nivel del mar es la siguiente:

Producción de oxígeno y nitrógeno de oxígeno y nitrógeno Los procesos industriales de separación física de los componentes del aire permiten obtener N2 de elevada pureza, superior al 99,8%. La aplicación principal del N2 es la síntesis del amoníaco. El O2 obtenido puede tener hasta un 99,5% de pureza y se utiliza tanto para soldadura y cortes de metales como para la obtención de una gran variedad de sustancias que resultan de una oxidación. Del proceso de separación de oxígeno y nitrógeno se obtienen, como subproductos, los gases nobles.

La producción de oxígeno y nitrógeno se realiza principalmente mediante la licuefacción y destilación (rectificación) del aire.

Para la rectificación del aire se necesita previa licuación y esto implica un grado de enfriamiento. Este enfriamiento consiste en : compresión, cambio de calor y expansión .

Joule y Thomson, comprobaron que, a temperaturas ambientales, la mayoría de los gases se enfrían al sufrir una expansión estrangulada.

La aplicación del efecto de Joule – Thomson en esta etapa de enfriamiento se muestra en la siguiente figura:

La destilación del aire según LINDE

Dado que los puntos de ebullición del O2 y el N2 son – 183,0 y -195,8 ºC, respectivamente, y que la mezcla no forma azeótropos, la destilación del aire para separar estos componentes se efectúa sin complicaciones.

La figura 1.8 esquematiza un proceso de destilación simple basado sobre el método Linde.

La expansión del aire comprimido y enfriado por los gases que atraviesan el intercambiador se enfría aún más por contacto con el líquido que se encuentra en el calderín de la columna de destilación.

Este líquido es más rico en el componentemenos volátil y su composición depende del

número de platos de la columna.

Si la zona superior de la columna carece de reflujo, el gas que sale contiene N2 con porcentajes variables de oxígeno (en el mejor de los casos de 7 a 9%) quedando el oxígeno de 95-99% en el calderín.

Si se desea obtener nitrógeno de 99% se debe modificar el diseño de la columna para que

se produzca un reflujo en la parte superior que permita rectificar el N2. Para ello se puede

trabajar con una doble columna Linde (Figura 1.9). En la “doble columna Linde”, la columna inferior

trabaja a 5 bar y la superior a 1 bar.

El aire enfriado en el intercambiador de calor por el N2 y el O2 resultantes del proceso alcanza temperaturas de alrededor de 150 K,ingresa a la parte baja de la columna inferior que se está a unos 5 bar y pasa por un serpentín sumergido en el líquido del calderín (líquido que contiene alrededor del 40% de O2).

En el intercambio de calor con el líquido del calderín, el aire que circula por el serpentín se enfría aún más al suministrar el calor latente para que el líquido hierva a unos 105 K. Una vez refrigerado, el aire que sale de la columna inferior se expansiona isoentálpicamente mediante la válvula V1 hasta una presión de unos 5 bar. Al atravesar esta válvula no sólo se enfría por efecto Joule – Thomson, sino que una parte se licua. Esa mezcla líquido vapor reingresa a la columna inferior, ahora a una temperatura de 100 – 105 K, donde se rectifica bajo la presión de 5 bar.

El número de platos de la sección inferior es el suficiente para que llegue al calderín un líquido con un 40% de O2, mientras que en la parte superior de la columna inferior se acumula un líquido de muy elevado % de N2. El líquido en la base de la columna inferior, que se encuentra a 5 bar se expansiona a 1 bar a través de la válvula V2, y la mezcla líquido-vapor se hace ingresar a la columna superior como alimentación.

En la sección superior de la columna inferior se produce la rectificación de los vapores que por ella ascienden y, si esa columna tiene el suficiente número de platos, se puede lograr que a su cúspide llegue un vapor que puede ser N2 prácticamente puro. Este vapor saturado (a 5 bar) se encuentra a 94 K y condensa al cederle calor al O2 en ebullición (a 1 bar) que se encuentra a 90 K en el calderín de la columna superior. Una parte del N2 condensado refluye en la propia columna inferior, y el resto se envía hacia lacúspide de la columna superior a través de la válvula de expansión V3.

Al atravesar esta válvula, se enfría hasta sutemperatura de saturación, 78 K, e ingresa a la columna superior donde actúa como reflujo.En la columna superior se produce la rectificación final. Allí el vapor se va enriqueciendo en N2 a medida que asciende hacia los platos superiores mientras que en el calderín se recoge oxígeno casi puro, el que hierve a expensas del calor que le cede al líquido enriquecido en N2 de la columna inferior, como ya hemos mencionado.

Producción de oxigeno y nitrógeno

Diagrama de Linde

La destilación del aire según ClaudeEn los procesos Claude el funcionamiento

de las dos secciones de la columna de rectificación es diferente al de los procesos Linde.El ingreso de aire a la columna de destilación (Figura 1.10) se efectúa a través de dos corrientes. Una (A) proviene de la expansión isoentrópica parcial producida en el expansor e ingresa a la columna a una presión de 5 atm. (ver Figura 1.6). La otra (B) resulta del enfriamiento por expansión isoentálpica parcial que se produce a través de la válvula V1 e ingresa a la columna también a 5 atm.

Figura 1.6. Esquema del Proceso Claude

En la base de la Columna se separa la mezcla líquido-vapor, la parte líquida que va al fondo se enriquece en O2 Y la parte de vapor se enriquece en N2 a medida que asciende a través del refrigerante C, cuya longitud es suficiente para lograr que se produzca el enriquecimiento en N2 por condensación fraccionada.

La fracción líquida del fondo es llevada hacia la válvula V2 donde se expande hasta la presión ambiental e ingresa a la parte superior donde constituye la alimentación de la columna de rectificación propiamente dicha. En la columna superior, la fracción rica en nitrógeno se enfría y se expande a través de la válvula V3 hasta alcanzar la presión ambiental. En la cúspide de la columna, esta la mezcla líquido-vapor es la que suministra el N2 gaseoso que egresa como “producto” de la destilación y el N2 líquido que cumple la función de reflujo.

En el fondo de la columna rectificadora se recoge O2 líquido, el cual, en el intercambiador C absorbe el calor latente que necesita para vaporizarse y dar O2 producto. El rendimiento y la pureza del O2 y del N2 dependen de la columna sencilla o doble, del número de platos de cada sección, del uso de regeneradores Fränkl o recuperadores tubulares y de las condiciones de trabajo.Un factor importante del coste (un 40%) es elconsumo energético del compresor, ya que éste suministra toda la energía necesaria para la licuación y la separación.

Obtención del argón contenido en el aireEl aire que ingresa a la columna de destilación , además de oxígeno y nitrógeno, contiene argón e hidrocarburos gaseosos.Cuando se quiere obtener argón como subproducto, la mezcla gaseosa que asciende por columna superior se extrae a la altura del plato donde la concentración de Ar es máxima y este vapor se rectifica, separadamente, en una columna auxiliar en la que los productos de cola reingresan a la columna principal. (Figura 1.11).

Por la cabeza de la columna auxiliar se obtiene un argón de alrededor de 80%. El porcentaje restante contiene O2 y pequeñas cantidades de Kr y Xe. Si se desea obtener Ar, el O2 que lo acompaña se hace reaccionar con metales o con H2.

Producción de oxigeno y nitrógeno

Sistema de ingreso de aire

Producción de oxigeno y nitrógeno

Sistema de compresión

Producción de oxígeno y nitrógeno

Compresores industriales de aire y gases, hasta 1.000 cv de potencia, en media, baja y alta presión, con cilindros lubricados o exentos de aceite.

Sistema de tratamiento del agua

Producción de oxigeno y nitrógeno

Producción de oxigeno y nitrógeno

Sistema de enfriamiento por torres

Producción de oxigeno y nitrógeno

Secadores de Absorción para la eliminación de condensados de agua en sistemas de aire comprimido que requieran un alto grado de pureza en el aire, alcanzando temperaturas de hasta -40º y -70º C.

Producción de oxigeno y nitrógeno

Sistema de secado

Producción de oxigeno y nitrógeno

Sistema de expansión

Producción de oxigeno y nitrógeno

Torre de separación de

gases

Tanque criogénico

Producción de oxigeno y nitrógeno

Balones de oxigeno

El acetileno se produce a partir del carburo de calcio. También se obtiene como subproducto a partir de la industria petroquímica; contribuyendo así a la protección del medio ambiente.

Acetileno

El carburo de calcio de grano fino, se introduce en el gasificador por medio de un tornillo alimentador (9). Una rueda de paletas (10) en el lugar en el que el carburo cae, sirve para introducir inmediatamente bajo el agua.

La papilla de cal retirada por el rebosadero (7) es conducida a unos decantadores, en los que se sedimenta el hidróxido cálcico no disuelto.El agua de cal limpia que se separa puede volver a usarse para la gasificación. El hidróxido cálcico restante se desecha o se espera para darle consistencia, para luego usarlo. La mezcla gaseosa caliente, con cerca de un 75% de vapor de agua y un 25% de acetileno, se hace llegar a través de una de lavado y refrigeración, en la que se elimina el polvo que arrastra mediante agua pulverizada y finalmente se le conduce a un gasómetro.

Oxigeno

Símbolo O2

Color de Identificación del Cilindro

Verde

Número de identificación de las Naciones Unidas

UN 1072 (gas comprimido)UN 1073 (líquido refrigerado)

Válvula CGA 540 (válvula tipo industrial)CGA 870 (válvula tipo poste)

Descripción El Oxígeno (O2 ) es el gas que hace posible la vida y es indispensable para la combustión, constituye más de un quinto de la atmósfera (21% en volumen, 23% en peso). El O2 es incoloro, inodoro y no tiene sabor. A presión atmosférica y temperaturas inferiores a - 183 ºC, es un líquido ligeramente azulado, un poco más pesado que el agua. Todos los elementos (salvo los gases inertes) se combinan con el O2 usualmente para formar óxidos.

Aplicaciones industriales

Aplicaciones del oxígeno En la Ciencia y Medicina El oxígeno tiene amplios uso en la Ciencia y la Medicina, donde se utiliza con distintas concentraciones, fundamentalmente, como medio de oxidación y para procesos terapéuticos. En la biotecnología es fundamental para las aplicaciones de desarrollo celular, el oxígeno se utiliza en fermentadores y biorreactores.

En las industrias químicas, petroquímica y del petróleo.

En estos campos se emplea para lagasificación del carbón y los residuos del

petróleo, para la producción ácido acético, de ácido nítrico - oxidación de diversos compuestos orgánicos, etc.

En metalurgiase usa O2 para el tratamiento de los

metales, soldadura oxi - corte, producción de aceros, fundiciones de hierro, productos de plomo, metalurgia del aluminio, del níquel, para el enriquecimientos del aire en hornos, etc.

En las industrias del vidrio y del cemento y en la industria alimenticia

Para acelerar procesos de fermentación, en el tratamiento del agua potable y para procesos de blanqueo.

El oxígeno líquido se usó como comburente de los combustibles líquidos (gasolina, etanol, querosene refinado, etc.,) de los cohetes; pero hoy se utiliza en los cohetes para quemar combustibles sólidos.

Automotriz y equipos de transporte

El oxígeno se usa como gas de corte por plasma, como gas auxiliar para corte con láser y en algunas ocasiones se agrega en pequeñas cantidades a los gases de protección.

Pulpa y papel Como un gas industrial, el oxígeno ayuda

a cumplir con las estrictas regulaciones medioambientales a través del uso de deslignificación, extracción oxidativa y tratamiento de aguas residuales.

Tratamiento de aguas residuales y agua.

El oxígeno se emplea como gas industrial que puede complementar e incluso reemplazar el aire en el depósito de aireación para maximizar la capacidad de tratamiento, minimizar las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV), reducir al máximo el olor y espuma, así como aumentar la flexibilidad. También se utiliza como gas de alimentación para generar ozono en la desinfección del agua.

Nitrógeno

Descripción El Nitrógeno es el mayor componente de nuestra atmósfera (78% en volumen, 75.5% en peso). Es un gas incoloro, inodoro y sin sabor, no tóxico y casi totalmente inerte. A presión atmosférica y temperatura menor a -196 ºC, es un líquido incoloro, un poco más liviano que el agua. Es un gas no inflamable y sin propiedades comburentes. Por su escasa actividad química, es usado como protección inerte contra contaminación atmosférica cuando no se presentan altas temperaturas.

Aplicaciones del nitrógenoAutomotriz y equipos de transporte•En las plantas de montaje, el nitrógeno se utiliza en combinación con otros gases de soldadura para soldar componentes de automóviles, chasis, mofles y otras piezas por su capacidad para proporcionar la atmósfera que se necesita para producir la soldadura adecuada con cualquier material. •También es un componente de seguridad importante en las bolsas de aire.

• Gas para la protección de raíz en la soldadura y para el transporte de sustancias inflamables.

Química• El nitrógeno se utiliza como gas de

presurización y puede ayudar a impulsar los líquidos a través de las tuberías. 

• También puede usarse para proteger materiales sensibles al oxígeno del aire y eliminar químicos orgánicos volátiles de los flujos de proceso.

• El nitrógeno es, junto con el potasio y el

fósforo, uno de los tres nutrientes mayoritarios de los vegetales. El nitrógeno se necesita por lo general de gran pureza superior al 99,8%. Se utiliza principalmente para la síntesis de amoníaco (NH3 ) , la fabricación de Cianamida Cálcica y preparación de Cianuro Sódico.

• Del amoníaco se obtienen los fertilizantes. Más del 80% de la producción mundial de N2 ( unos 40 millones de toneladas al año ) se emplea en la fabricación de fertilizantes.

También se usa en estado puro o acompañando al oxígeno como diluyente en las reacciones químicas.EnergíaComo un gas industrial inerte, el nitrógeno se usa como un agente inertizador para separar productos sensibles y procesos del aire. También es utilizado como un agente purgante en tuberías y equipos para evitar la contaminación.

Alimentos y bebidas El nitrógeno es el agente criogénico en la

refrigeración, enfriamiento y congelación de alimentos. Debido a sus temperaturas extremadamente frías, el congelamiento por inmersión en nitrógeno líquido es el método de congelación para la producción de alimentos congelados individualmente (IQF). El nitrógeno también juega un papel clave en la reducción del deterioro, decoloración y sabor desagradable, lo que impulsa la industria de embalajes minoristas.

Nitrógeno líquidoEl Nitrógeno líquido tiene gran aplicación industrial debido a su baja temperatura (-196 ºC), por lo que es grandemente usado en:•Congelamiento rápido de frutas y verduras.•Refrigeración de carnes, aves y mariscos.•Procesos en la pulverización de plásticos.•Congelamiento de tuberías de líquidos para reparaciones de emergencia.

Medicina • El nitrógeno NF se utiliza como un

criogénico para congelar y conservar la sangre, control de cultivos, tejidos y otros especímenes biológicos, además de para congelar y destruir tejido enfermo en la criocirugía y dermatología. También se utiliza para aportar energía a dispositivos médicos.

• En estado líquido encuentra aplicaciones minoritarias como refrigerante en la congelación de alimentos, en criobiología y criocirugía.

Farmacia y biotecnología El nitrógeno gaseoso se usa comúnmente

para purgar, transferir presión, mezclar e inertizar, protegiendo el proceso de la entrada de humedad, oxidación, degradación y contaminación. El nitrógeno líquido criogénico se utiliza para controlar la temperatura en aplicaciones de refrigeración de reactores y para la conservación de muestras biológicas.

Producción de metales • Como gas portador y de purga en la

producción de acero, el nitrógeno se utiliza para prevenir la oxidación y es un componente clave en los procesos de tratamiento térmico.

• En la fabricación de componentes electrónicos, como los de un reproductor MP3, se emplea el nitrógeno como gas de protección.

Petróleo y gas • La industria del petróleo y gas natural

utiliza el N2 para incrementar las reservas de sus depósitos y para fracturar las formaciones con hidrocarburo con la finalidad de incrementar la producción de petróleo y gas, además de mejorar la eficiencia operativa.

• El nitrógeno puro se utiliza, entre otras aplicaciones, para rellenar los neumáticos de los aviones, de modo que las ruedas no ardan por la generación de calor durante el despegue y el aterrizaje.

Refinería El N2 se utiliza para inertizar tanques de

almacenaje y tuberías de purga, también puede eliminar los compuestos orgánicos volátiles (COV) de las aguas residuales y corrientes de los procesos químicos, además de reducir las emisiones de COV.

Soldadura y metalmecánica El N2 se utiliza como gas de purga en la

soldadura de tubos de acero inoxidable. El N2 también puede usarse como gas auxiliar en el corte con láser y para mejorar el corte con plasma.

Argón

El Argón es el más abundante de los gases raros en el aire (0.9 % en vol.). Es incoloro, sin sabor, no es tóxico, ni inflamable. Es un 30 % más pesado que el aire; además es extremadamente inerte, caracterizado por una perfecta estabilidad física y química, a cualquier temperatura y presión. Es un excelente conductor de la electricidad. A presión atmosférica y temperatura inferior de -186 ºC es un líquido incoloro, más pesado que el agua.

Descripción

El argón se utiliza en la soldadura "bajo argón" de aceros inoxidables y otros metales como el aluminio, donde la presencia de oxígeno produciría óxidos y la de nitrógeno nitruros, ambos indeseables.

Soldadura en atmósfera de gas inerte (procesos MIG, TIG, plasma).

Metalurgia y siderurgia, para tratamientos térmicos en atmósfera protectora, desgasificación y desulfuración, etc.

En electricidad y electrónica, para relleno de ampolletas, tubos fluorescentes, tubos de radio, etc., en los que previene la oxidación de los filamentos incandescentes.

Aplicaciones del argón

Acetileno

Descripción El Acetileno (C2H2) es un gas compuesto por Carbono e Hidrógeno. En condiciones normales es un gas un poco más liviano que el aire, incoloro.

• El Acetileno 100% puro es inodoro, pero el gas de uso comercial tiene un olor característico, semejante al ajo. No es un gas tóxico ni corrosivo. Es muy inflamable. Arde en el aire con llama luminosa, humeante y de alta temperatura.

• El C2H2 puro sometido a presión es inestable, se descompone con inflamación dentro de un amplio rango de presión y temperatura.

• En la forma que se muestra, el Acetileno es seguro en su transporte y almacenamiento.

Descripción

• En el cilindro se entrega diluido en un solvente, que generalmente es acetona, impregnado en un material poroso contenido en el cilindro, que almacena el C2H2 en miles de pequeñas cavidades independientes. 

Es un combustible de alto rendimiento, utilizado en las aplicaciones oxiacetilénicas. Las temperaturas alcanzadas por esta mezcla varían según la relación C2H2 – O2, pudiendo llegar a más de 3000 ºC. En la industria química, por su gran reactividad, es utilizado en síntesis de muchos productos orgánicos.

Dióxido de carbono

Descripción El Dióxido de carbono en CN, es un gas incoloro e inodoro, con sabor ligeramente picante, existe en la atmósfera en baja concentración (0.03 y 0.06%) en volumen.

Su Punto Triple (donde coexisten los tres estados de la materia) se produce a -56.57ºC y 5.18 bar. Bajo esa presión el CO2 sublima es decir pasa directamente de sólido a gas sin pasar por la fase líquida. A presión de una atmósfera el CO2 sublima si la temperatura es de -78.5 ºC. El CO2 sólido se conoce comúnmente como “hielo seco”.La mayor parte del dióxido de carbono se encuentra disuelto en forma de CO2, H2CO3 o iones de carbonato en el agua del mar y de los ríos. Sólo alrededor del 2% de las reservas de la Tierra se encuentra en la atmósfera, cuyo contenido de CO2 es de aproximadamente un 0,04% de volumen.

Obtención del dióxido de Carbono

Principalmente como subproducto de procesos bioquímicos o químicos.

Se obtiene, entre otros, en el “steam reforming”, un proceso básico para la producción de amoníaco y otras materias químicas básicas.

Asimismo, se obtiene en forma relativamente pura en la producción de óxido de etileno y otros procesos industriales, como la fermentación del alcohol.

Existen fuentes naturales de CO2, especialmente en zonas de origen volcánico.

La combustión de una gran cantidad de combustibles (gas, gasóleo, diésel, gasolina, madera, turbosina, etc.) generan emisiones de CO2.

Una variedad de procesos industriales también emiten grandes cantidades de CO2 de cada planta, por ejemplo: las refinerías de petróleo, cementeras y plantas de producción de hierro y acero.

El dióxido de carbono (CO2), es un GEI, que se encuentra en la atmósfera. Las actividades humanas como: la quema de combustibles fósiles y otros procesos, han contribuido a aumentar su concentración en la atmósfera favoreciendo con el calentamiento global del planeta. GEI: gas de efecto invernadero.

Buscar solución a los problemas ambientales requiere de acuerdos nacionales e internacionales, porque los GEI tienen efecto a nivel mundial. En estos convenios a nivel mundial, una conclusión común ha sido la necesidad de reducir las emisiones de GEI, especialmente las debidas al CO2 proveniente de la quema de combustibles fósiles. La tecnología para la captura y almacenamiento de CO2 desempeñaría un papel importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Hay tres enfoques principales para la captura de CO2

Fig. 1. Sistemas de Captura de CO2

Para un óptimo aprovechamiento del recurso CO2 es de esperar por ejemplo en una planta cervecera, que se prepare el CO2 generado durante la fermentación en una planta de recuperación para reutilizarlo. 1. Detección de espuma2. Lavado de gases con bomba de recirculación y sistema de toberas atomizadoras impidiendo lagerminación3. Tanque de CO2

4. Compresor de émbolo de CO2 dedos etapas, exento de aceite5. Purificación de doble torre concarbón activo6. Secador de doble torre con silicagel

7. Filtro de polvo8. Tanque de almacenamiento de CO2 líquido9.Licuefactor de CO2

10.Planta refrigeradora para la licuefacción del CO2

11.Evaporación de CO2

12.Mando PLC de la planta completamente automático.Aparte de la rentabilidad de este concepto, en todo momento se tiene también el control sobre la calidad del CO2 utilizado.Como resultado se puede prescindir por completo de la compra de CO2 adicional contribuyendo además con ello a la protección del medio ambiente.

Aplicaciones del dióxido de carbono

El CO2, se utiliza en la creación de atmósferas protectoras para soldaduras al arco y MIG. En las fundiciones se utiliza como agente endurecedor de moldes y arena.

En la industria alimenticia se usa en: • La carbonatación de bebidas, aguas minerales, etc.• Protección de vinos, cervezas y jugos de frutas contra

la oxidación por contacto con aire.• El enlatado de productos. Por sus características inertes, se usa en extinguidores

de incendio y en el manejo, transporte y procesos de manufactura de materiales inflamables.

Gracias