Algunos de los elementos que componen el aire, tienen un interés muy importante para el desarrollo de los procesos industriales. El aire está compuesto mayoritariamente por Nitrógeno y Oxígeno. Su composición media se muestra en la siguiente tabla:

 

Tabla 1. Composición aproximada del aire [Elaboración Propia]

Composición

%

Nitrógeno

78,03

Oxígeno

20,99

Argón

0,93

CO2

0,03

Neón

0,0015

Hidrógeno

0,0010

Helio

0,00005

Criptón

1·10-4

Xenón

8·10-6

 

Destacar que esta composición varía ligeramente según ciudades y entornos. Aparte de los anteriores compuestos, normalmente en el aire existen otras sustancias como vapor de agua y, en zonas industriales, hidrocarburos, alquitranes, cenizas, polvo y SO2.

Los principales usos de la separación de sus compuestos son respecto al oxígeno y nitrógeno. El resto de componentes no suele tener tanto interés debido a su menor cantidad.

Hoy en día se puede decir que ya no existen países potencialmente químicos como lo eran en años anteriores Alemania, Suiza o Inglaterra. Gracias a la liberación del mercado, la gran mayoría de países tienen acceso a las materias primas en igualdad de condiciones.

En los últimos años, la Ingeniería Química ha sufrido una importante evolución y diversificación por diversos sectores. La preocupación social, ética y, sobre todo ambiental, es tal vez el principal impulso de cambio que está recibiendo la ciencia y la ingeniería.

En la actualidad, la Unión Europea es la primera potencia química por delante de América y Japón. En la Figura 1 se puede observar la desegregación por sectores de la industria en la Unión Europea, donde se puede ver la importancia de la Industria Química.

 

Figura 1. Desegregación por sectores de la industria en la Unión Europea [Commission Européenne]

Uno de los grandes campos que esta en auge y del cual se espera grandes resultados es la biotecnología. Cada día aumenta más el numero de procesos y productos fabricados con esta técnica. Aparte de la citada biotecnología, los aspectos que más están influyendo en la Industria Química son los siguientes:

 

Energía

El aumento del coste del petróleo y del gas natural ha influido drásticamente en la Industria Química. A corto plazo, las necesidades energéticas mundiales se encuentran cubiertas y como se está observando, un aumento del uso del gas a costa del petróleo e incrementos de la energía hidroeléctrica. Pero es de cara a un futuro ya inmediato donde hay que pensar y concienciarse, y es ahí donde entran en juego y con un papel fundamental la eficiencia energética y las energías renovables.

La pirólisis es una técnica de conversión del carbón muy significativa e importante ya que permite una diversificación de sus usos que van desde la obtención de productos de base para la industria hasta la producción de combustibles líquidos.

Gas de Coquería

Dicho gas contiene hidrógeno en cantidades mayores cuanto más elevada es la temperatura a la que se produce la carbonización. Este gas se emplea como combustible y, en casos de alta riqueza en hidrógeno, tiene la posibilidad de ser empleado en procesos de hidrotratamiento. 

Este gas, antes de su uso, debe de realizarse un pretratamiento para la eliminación de amoniaco, sulfuro de hidrógeno y agua, así como ciertas cantidades de hidrocarburos.

Alquitrán de Hulla

El alquitrán es sometido a una destilación primaria que tiene como objetivo la obtención de una brea con un punto de ablandamiento adecuado y la producción de una serie de fracciones más ligeras. Se puede distinguir los siguientes intervalos de destilación:

 

Tabla 1. Fracciones Intervalos de destilación

Fracción

Rango de ebullición

Porcentaje en peso

Aceite ligero

Hasta 190 ºC

0,5 -1,0

Aceite de Naftaleno

190 – 230 ºC

10 – 15

Aceite de creosota

230 – 290 ºC

4 – 6

Aceite ligero de antraceno

260 – 310 ºC

20 – 25

Aceite pesado de antraceno

Más de 300 ºC

20 – 25

Brea

Residuo

50 - 60

 

El aceite ligero está compuesto por hidrocarburos aromáticos mononucleares, hidrocarburos insaturados y cierta cantidad de compuestos parafínicos. El naftaleno es el compuesto individual más abundante en el alquitrán de hulla y se recoge concentrado en la fracción conocida como aceite de naftaleno. El aceite de creosota contiene fundamentalmente naftalenos y ácidos y bases de elevado peso molecular. No se somete a etapas de purificación, se emplea como tal para preservar maderas de construcción o en la composición del alquitrán para la construcción de carreteras.

La pirólisis se define como la descomposición térmica del carbón en una atmósfera exenta de oxígeno. Como consecuencia de la destilación destructiva del carbón, se obtienen gases combustibles, aceites y residuos. 

En todos los procesos de utilización y conversión del carbón, tiene lugar algún tipo de pirólisis. Por ejemplo, la gasificación está relacionada con la pirólisis. La  pirólisis es una técnica  muy antigua, data del siglo XVIII, donde se permitía ya la separación de los fueles hidrocarbonados.

Etapas del proceso

El proceso consta de 3 etapas claramente diferenciadas:

  1. En esta primera etapa se produce una descomposición lenta con producción de pequeñas cantidades de agua, óxidos de carbono, hidrógeno y metano. Esto es consecuencia de la ruptura de enlaces debido a alta temperatura a la que se lleva el proceso y consecuencia también de la liberación de gases retenidos en el carbón.
  2. Esta segunda etapa se conoce como descomposición térmica activa. La temperatura aumenta y se produce una fragmentación más profunda de la molécula de carbón con la formación de hidrocarburos condensables y alquitranes. Esta etapa comienza alrededor de los 360 ºC y finaliza cuando se han alcanzado temperaturas alrededor de los 560 ºC aproximadamente.
  3. La última etapa, que transcurre a temperaturas superiores a los 600 ºC, se caracteriza por la eliminación gradual de hidrógeno y otros heteroátomos.

Factores que influyen en la pirólisis

Durante el proceso, la cantidad de componentes tantos gaseosos como líquidos puede variar desde un 25 a un 70% en peso aproximadamente. Esta cantidad depende de una serie de factores y variables que se mencionan a continuación:

Temperatura y velocidad de calentamiento

El carbón sufre una gran variedad de cambios tanto físicos como químicos cuando se incrementa la temperatura desde la ambiente hasta el final de la última fase, 1000 ºC aproximadamente. Si la temperatura de reacción es demasiado baja, las reacciones de descomposición no se producirán con la extensión debida y la obtención de gases y alquitranes será incompleta y, por tanto, el rendimiento en estos productos será bajo. A temperaturas de reacción altas, se producirán rupturas térmicas de los alquitranes y será por tanto pequeño el rendimiento en líquidos.

Así pues, existe una temperatura idónea a la cual se produce el máximo rendimiento. A continuación se muestra una tabla con los cambios y reacciones que se llevan  a cabo según rangos de temperatura:  

 

Temperatura

Cambios

100 ºC

Se libera el agua fisisorbida

100 – 250 ºC

Descarboxilación térmica de carbones de bajo rango

200 – 400 ºC

Pérdida de especies de bajo peso molecular

375 – 700 ºC

Destrucción térmica de la estructura del carbón. Formación de metano y otros alcanos, aromáticos y compuestos con nitrógeno.

1000 ºC

La pirólisis se completa.

 

Tipo de carbón

El tipo de carbón influye fuertemente en el comportamiento de la pirólisis. Los carbones de bajo rango (lignitos) contienen oxígeno que durante el proceso de pirólisis se desprenden como agua y óxidos de carbono. Los carbones con alto rango (bituminosos) contienen una menor cantidad de oxígeno y, por tanto, producen un menor volumen de agua y de óxidos de carbono que hidrocarburos gaseosos cuando se pirolizan.