Aprovechamiento químico industrial del aire: separación de componentes y proceso PSA

Aprovechamiento químico industrial del aire

Separación y combinación de los componentes

En el aprovechamiento químico industrial del aire se distinguen dos estrategias principales:

• Separación de los componentes: puede ser separación física o separación química.
• Combinación de los componentes: por ejemplo, combinar N₂ y O₂ para formar NO; sin embargo, muchas reacciones requieren energías elevadas y son inviables a nivel industrial.

En la separación química de los componentes del aire, dado que el O₂ es más reactivo, se hace reaccionar el aire para que se consuma el O₂ y se libere el N₂.

Ejemplo de reacción planteada

NH₃ + 2 O₂ (+ 7.52 N₂) → HNO₃ + H₂O + 7.52 N₂

El 7.52 N₂ da 7.02 N₂ que se libera, y 0.5 N₂ se utiliza junto con 1.5 H₂ para dar NH₃. Si se utiliza O₂ con una pureza del 80% en tonelaje, sobrarían 0.5 moles de N₂.

5.1 Proceso de adsorción PSA

PSA — Pressure Swing Adsorption (adsorción por cambio de presión) — es un proceso empleado para la separación selectiva de los componentes de una mezcla gaseosa.

• Adsorción selectiva de los componentes de la mezcla gaseosa.
• La adsorción se realiza mediante tamices moleculares especiales en ciclos breves.
• La base del proceso consiste en la relación entre la adsorción del gas por el adsorbente y la presión: la capacidad del adsorbente para adsorber el gas es directamente proporcional a la presión. De tal manera, la adsorción transcurre a presiones elevadas y la desorción se realiza mediante el alivio de la presión.

Características del proceso:

• Proceso discontinuo.
• Dos torres de relleno (ciclan su funcionamiento para adsorber y regenerar).
• Material de relleno: zeolitas (silicatos aluminicos hidratados de metales alcalinos y alcalinotérreos).
• En la torre se adsorbe el N₂ y se obtiene un efluente enriquecido en O₂. El N₂ se recupera aplicando vacío.

Secuencia típica del ciclo PSA

1. Adsorción: se pasa aire a presión por el adsorbente, que progresivamente se va saturando en el componente indeseado con un frente plano de contaminación.
2. Interrupción del flujo: antes de que dicho frente alcance el extremo de salida, el flujo de gas debe interrumpirse para mantener la pureza deseada en el efluente; a continuación se procede a la regeneración.
3. Regeneración:
   • Se realiza despresurizando en primer lugar.
   • Después se efectúa la purga del componente adsorbido, que generalmente se hace con una fracción del gas purificado en sentido contrario al de la adsorción, con el objeto de desplazar el frente de contaminación hasta la entrada y de enfriar la masa del adsorbente.
4. Presurización: completada la regeneración, se procede a la presurización del adsorbedor también con gas purificado, quedando a la espera de su entrada en servicio.

Ventajas de las plantas de adsorción

• Bajo consumo de energía.
• Seguridad muy alta.
• Alta pureza del producto de la separación.
• Arranque rápido.
• Bajas inversiones en mantenimiento.
• Funcionamiento completamente automatizado.