A lo largo del tiempo han existido principalmente dos enfoques diferentes a la hora de hablar de separación de aire. El uso de muy bajas temperaturas dentro de procesos criogénicos los cuales estaban reservados a actividades que requieren grandes cantidades de oxígeno y los no criogénicos, los cuales llevan a cabo la separación del aire a temperatura ambiente utilizando unos tamices moleculares adsorbentes mediante procesos PSA (Pressure Swing Adsorption) o membranas poliméricas.
El aire está compuesto principalmente de N2 (78,080 %v), O2 (20,945 %v) y Ar (0,935 %v) aparte de una serie de componentes minoritarios como son: neón, helio, criptón, hidrógeno, xenón y ciertas cantidades variables de anhídrido carbónico dependiendo de las condiciones ambientales.
Una tercera tecnología ha emergido y está en proceso de ampliarse para tener una disponibilidad comercial. Se basa en membranas cerámicas las cuales separan del aire sus dos componentes mayoritarios a altas y bajas temperaturas.
Algunas de estas alternativas son las siguientes:
ASU (Air Separation Unit)
Se trata de una unidad basada en una destilación criogénica. Realiza la separación del aire mediante una licuefacción a muy bajas temperaturas (-300ºF).
El aire se comprime a la entrada, se enfría y se depura. Posteriormente atraviesa la columna de doble presión, obteniéndose nitrógeno por la parte superior y oxígeno por la inferior.
El nitrógeno se separa a una presión de 6 bar aproximadamente en la primera columna y posteriormente es condensado a más baja presión, aproximadamente 1,2 bar. Estas dos columnas se encuentran una encima de la otra.
Una vez realizada la separación, el nitrógeno y el oxígeno son comprimidos hasta la presión necesaria para su entrega.
Actualmente, es la técnica más utilizada para la obtención de O2 de elevada pureza para la separación de CO2 mediante oxicombustión.
ITM (Ion Transport Membrane)
Posee una gran capacidad de separación del oxígeno debido al material utilizado (CaTiO3), con una selectividad elevada. Este material realiza la separación del oxígeno del aire a altas temperaturas en un proceso electroquímico.
Se trata de membranas 100% permisivas al paso del oxígeno, rechazando todas las impurezas como argón o nitrógeno. Este material conduce electrones e iones por igual, toda la separación se produce por una diferencia de presión parcial a lo largo de toda la membrana.
Una vez realizado el proceso se obtienen dos corrientes, una de oxígeno de gran pureza por la parte inferior de la membrana y otra de oxígeno reducido.
Esta tecnología continúa siendo objeto de estudio para encontrar la manera de producir grandes caudales de las corrientes producto.
PSA (Pressure Swing Adsorption)
Estos materiales adsorbentes, Zeolitas, carbón activo, sílica gel, actúan como tamices moleculares adsorbiendo su gas objetivo en un proceso de alta presión, posteriormente el proceso cambia a baja presión para realizar el proceso inverso, la desorción.
Los procesos PSA se basan en el hecho de que los gases tienden a ser atraídos hacia superficies o adsorbidos cuando se encuentran bajo presión, es decir, cuanto mayor es la presión, más gas es adsorbido y cuando la presión se reduce el gas es liberado o desorbido. El aire es conducido hacia el lecho adsorbente, donde el nitrógeno es adsorbido sobre el lecho y se obtiene una corriente rica en oxígeno.
Con el paso de los años han ido apareciendo materiales capaces de realizar esta función. Materiales porosos con grandes superficies específicas son potencialmente aplicables. Los poros de estos materiales son los encargados de dejar pasar ciertas moléculas en función de su tamaño realizando de este modo la separación.
Otra de las alternativas propuestas consiste en realizar un vacío de presión para regenerar el adsorbente, VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption). Tecnología a la cual se puede obtener el máximo rendimiento de la adsorción, aumentando la eficiencia y reduciendo costes en la compresión del aire alimentado.
La baja presión del aire a la entrada en combinación con la alta eficiencia en el proceso de vacío aplicado en la desorción permite la simplificación de los equipos requeridos para completar el proceso.
Otra posible elección es la TSA (Temperature Swing Adsorption). Se trata de una técnica utilizada para regenerar un lecho de adsorbente que está saturado de alguna impureza del gas a tratar. Si en la PSA se modificaba la presión para facilitar la liberación del gas, en este caso se utiliza la temperatura. Con esta técnica se aprovecha la capacidad de ciertos materiales adsorbentes de captar gases a moderadas temperaturas y liberarlos cuando la temperatura supera los 120ºC. De este modo, permite separar un gas de una mezcla de gases. Existen algunas razones para elegir esta alternativa antes que la PSA, como por ejemplo:
- Presiones por debajo de 4 bar.
- Menores costes de operación frente a la PSA.
- Posibilidad de alcanzar mayores purezas.
