Separació de l'aire
Una planta de separació de l'aire separa l'aire atmosfèric en els seus components primaris, normalment nitrogen i oxigen, i a voltes també argón i uns atres gasos inertes poc comuns.
El método més comú per a la separació de l'aire és la destilació fraccionada. Les unitats criogèniques de separació d'aire (ASU per les seues sigles en anglés) es construïxen per a proporcionar nitrogen o oxigen i, a sovint, coproducir argón. Atres métodos com la membrana, l'adsorció per oscilació de pressió (PSA) i l'adsorció per oscilació de pressió al buit (VPSA) s'utilisen comercialment per a separar un únic component de l'aire normal. L'oxigen, el nitrogen i el argón d'alta purea, utilisats para la fabricació de dispositius semiconductors, requerixen destilació criogènica. De la mateixa manera, l'única font viable dels gasos rars neó, criptón i xenón és la destilació de l'aire utilisant a lo manco dos columnes de destilació. L'heli també es recupera en processos alvançats de separació de l'aire.[1]
Procés de destilació criogènica
[editar | editar còdic]
Els gasos purs poden separar-se de l'aire gelant-ho primer fins que es licúe i destilant despuix selectivament els components a les seues distintes temperatures d'ebullició. El procés pot produir gasos de gran purea, pero consumix molta energia. Carl von Linde va ser el pioner d'este procés a principis de el XX i encara hui s'utilisa per a produir gasos de gran purea. Ho va desenrollar en l'any 1895; el procés va ser purament acadèmic durant sèt anys ans que s'utilisara en aplicacions industrials per primera volta (1902).[3]
El procés de separació criogènica[4][5][6] requerix una integració molt estreta dels bescanviadors de calor i les columnes de separació per a obtindre una bona eficiència, i tota l'energia per a la refrigeració la proporciona la compressió de l'aire a l'entrada de l'unitat.
Per a alcançar les baixes temperatures de destilació, una unitat de separació d'aire requerix un cicle de refrigeració que funciona per mig del efecte Joule-Thomson, i l'equip fret deu mantindre's dins d'un recint aïllat (comunament denominat "caixa freda"). El refredat dels gasos requerix una gran cantitat d'energia per a fer funcionar este cicle de refrigeració i se suministra per mig d'un compressor d'aire. Les ASU modernes utilisen turbines d'expansió per a la refrigeració; l'eixida del expansor ajuda a impulsar el compressor d'aire, per a millorar l'eficiència. El procés consta de les següents etapes principals:[7]
- Abans de la compressió, l'aire es prefiltra de pols.
- L'aire es comprimix i la pressió final de suministrament ve determinada per les recuperacions i l'estat decorregut (gas o líquit) dels productes. Les pressions típiques oscilen entre 5 i 10 bar manométricos. La corrent d'aire també pot comprimir-se a diferents pressions per a aumentar l'eficàcia de la ASU. Durant la compressió, l'aigua es condensa en refrigeradores intermijos.
- L'aire de procés generalment passa a través d'un llit de tamís molecular, que elimina qualsevol restant de vapor d'aigua, aixina com el diòxit de carbono, que es congelaria i obstruiria l'equip criogènic. Els tamisos moleculars a sovint es dissenyen per a eliminar qualsevol hidrocarbur gaseós de l'aire, ya que estos poden ser un problema en la destilació posterior de l'aire que podria provocar explosions.[8] El llit de tamisos moleculars deu regenerar-se. Açò es conseguix instalant vàries unitats que funcionen en modo altern i utilisant el gas residual coproducido sec per a desorber l'aigua.
- L'aire de procés passa a través d'un bescanviador de calor integrat (normalment un bescanviador de calor d'aletes de plaques) i es gela contra fluix criogènics de producte (i residus). Part de l'aire es licua per a formar un líquit enriquit en oxigen. El gas restant és més ric en nitrogen i es destila fins a obtindre nitrogen casi pur (normalment < 1ppm) en una columna de destilació d'alta pressió (HP). El condensador d'esta columna requerix refrigeració, que s'obté expandint encara més la corrent més rica en oxigen a través d'una vàlvula o per mig d'un expansor (un compressor invers).
- Alternativament, el condensador es pot gelar intercanviant calor en un rehervidor en una columna de destilació de baixa pressió (LP) (operant a 1,2-1,3 bar abs.) quan la ASU està produint oxigen pur. Per a minimisar el cost de compressió, el condensador/rehervidor combinat de les columnes HP/LP deu operar en una diferència de temperatura de sol 1-2 K, lo que requerix bescanviadors de calor d'alumini soldat en aletes de plaques. Les purea típiques de l'oxigen oscilen entre el 97,5 % i el 99,5 % i influïxen en la màxima recuperació d'oxigen. La refrigeració necessària per a l'elaboració de productes líquits s'obté per mig del efecte Joule-Thomson en un expansor que alimenta aire comprimit directament a la columna de baixa pressió. Per lo tant, una certa part de l'aire no deu separar-se i deu eixir de la columna de baixa pressió com una corrent residual des de la seua secció superior.
- Degut a que el punt d'ebullició del argón (87,3 K en condicions estàndar) es troba entre el de l'oxigen (90,2 K) i el del nitrogen (77,4 K), el argón s'acumula en la secció inferior de la columna de baixa pressió. Quan es produïx argón, es pren una extracció lateral de vapor de la columna de baixa pressió a on la concentració de argón és més alta. S'envia a una atra columna que rectifica el argón a la purea desijada des de la qual el líquit es torna al mateix lloc en la columna LP. L'us de empaques estructurats moderns que tenen caigudes de pressió molt baixes permeten que el argón tinga menys d'1 ppm d'impurees. Encara que el argón està present en menys del 1% de l'entrada, la columna d'aire de argón requerix una cantitat significativa d'energia per l'alta relació de refluix requerida (al voltant de 30) en la columna de argón. La refrigeració de la columna de argón pot suministrar-se a partir de líquit ric expandit fret o per mig de nitrogen líquit.
- Per últim, els productes produïts en forma de gas es calfen contra l'aire entrante fins a alcançar la temperatura ambiente. Açò requerix una integració de calor cuidadosadament dissenyada que deu permetre una robustea front als destorbament (degudes a la conmutación dels llits de tamís molecular). També pot requerir refrigeració externa adicional durant la posada en marcha.
Els productes separats a voltes se suministren per canonada a grans usuaris industrials prop de la planta de producció. El transport de productes a llarga distància es realisa per mig de l'enviament de productes líquits en grans cantitats o com flascos dewar o cilindres de gas en chicotetes cantitats.
Processos no criogènics
[editar | editar còdic]
L'adsorció per canvi de pressió permet separar l'oxigen o el nitrogen de l'aire sense licuarlo. El procés funciona entorn a la temperatura ambiente; s'expon una zeolita (esponja molecular) a aire a alta pressió, després es llibera l'aire i es desprén una película adsorbida del gas desijat. El tamany del compressor es reduïx molt sobre una planta de liqüefacció, i d'esta forma es fabriquen concentradors d'oxigen portàtils per a suministrar aire enriquit en oxigen en fins mèdics. L'adsorció per oscilació en buit és un procés similar; el gas producte es desprén de la zeolita a pressió subatmosférica.
Les tecnologies de membrana poden proporcionar enfocaments alternatius de menor energia per a la separació de l'aire. Per eixemple, s'estan explorant varis enfocaments per a la generació d'oxigen. Les membranes polimèriques que funcionen a temperatura ambiente o càlida, per eixemple, poden produir aire enriquit en oxigen (25-50 % d'oxigen). Les membranes de ceràmica poden proporcionar oxigen d'alta purea (90 % o més), pero requerixen temperatures més altes (800-900 °C) per a funcionar. Estes membranes ceràmiques inclouen membranes de transport de ions (ITM) i membranes de transport d'oxigen (OTM).
La separació de gasos per membrana s'utilisa per a suministrar gasos pobres en oxigen i rics en nitrogen en lloc d'aire per a omplir els depòsits de combustible dels avions de passagers, reduint aixina en gran medida les possibilitats d'incendis i explosions accidentals. A l'inversa, la separació de gasos per membrana s'utilisa actualment per a proporcionar aire enriquit en oxigen als pilots que volen a gran altitut en avions sense cabines presurizadas.
L'aire enriquit en oxigen es pot obtindre aprofitant la diferent solubilidad de l'oxigen i el nitrogen. L'oxigen és més soluble que el nitrogen en aigua, per lo que si es desgasifica l'aire de l'aigua, es pot obtindre una corrent de 35% d'oxigen.[9]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Chrz. «Helium Recovery». CERN. CERN. Consultat el 2022-11-30.
- ↑ NASA Earth Fact Sheet, (updated November 2007)
- ↑ «Cool Inventions». Institution of Chemical Engineers. Archivat des d'el original, el 2014-01-13. Consultat el 2014-01-12.
- ↑ (1967).Chemical Engineering Progress.63(2)
- 35–59.
- ↑ (1996).Industrial & Engineering Chemistry Research.35(4)
- 1059–1071.doi:10.1021/ie950323h.
- ↑ (2002).International Journal of Refrigeration.25
- 158–172.doi:10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
- ↑ «How air separation works». Messer. Archivat des d'el original, el 9 de novembre de 2022. Consultat el 2022-11-09.
- ↑ Particulate matter from forest fires caused an explosion in the air separation unit of a Gas to Liquid plant, see (2007).Chemical and Petroleum Engineering.43(1–2)
- 96–101.doi:10.1007/s10556-007-0018-8.
- ↑ (2017).Computers & Chemical Engineering.102
- 11–16.doi:10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Separación del aire» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.