El aire es una materia prima abundante que se obtiene sin coste alguno. Su composición en un 99% es oxígeno más nitrógeno mientras que el 1% restante está constituido por diferentes gases nobles donde destaca el argon. De todos modos, según la temperatura y la posición pueden aparecer trazas de otros compuestos como pueden ser el CO2 o el agua. Aparte de estos compuestos también es posible la presencia de diversos compuestos contaminantes de orígenes diversos.

Tanto el nitrógeno como el oxígeno son gases que tienen importantes aplicaciones a nivel industrial y aquí se recogen algunas de ellas:

Nitrógeno:

  • Creación de atmósferas inertes

 

Oxígeno:

  • Industria metalúrgica (sopletes, producción de acero…)

  • Industria química (reacciones oxidativas)

  • Oxígeno clínico

 

La técnica más utilizada para separar ambos compuestos es la destilación, teniendo en cuenta que la diferencia en la temperatura de ebullición es considerable (12ºC) y que no se crean aceótropos. De todos modos, existen otros procesos alternativos donde destacan por ejemplo los procesos de adsorción (Pressure Swing Adsortion).

La destilación es un proceso basado en la transferencia de masa entre dos fases y para ello es necesario licuar parcialmente el aire. El proceso para licuar el aire consta de tres etapas: compresión, intercambio de calor y expansión. Para analizar este proceso se utiliza en el diagrama de Haus o diagrama T-S:

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Si se comprime el aire y  acto seguido este se expande se consigue un enfriamiento que en condiciones óptimas da lugar a un aire parcialmente licuado. La expansión puede ser de dos tipos: isoentálpica o isoentrópica.

Expansión isoentálpica. Se obtiene cuando el aire pasa por una angostura o estrechez (tal como una válvula).  El enfriamiento se lleva a cabo gracias a la energía interna de las moléculas (basado en el principio Joule-Thomson).

Expansión isoentrópica. Se obtiene a partir de un trabajo externo en un sistema émbolo-cilindro. Este tipo de expansión, desde el punto de vista termodinámico está mucho más favorecido pero tiene varios inconvenientes:

  1. Debido a complicaciones mecánicas el proceso no es ideal por lo que el efecto frigorífico es menor.

  2. A temperaturas tan bajas la lubricación del recipiente para la expansión es complicada

 

Por estas y otras razones se utiliza una expansión isoentálpica si bien es cierto que en ocasiones se pueden combinar ambas: la expansión isoentrópica a temperaturas altas (para refrigerar) y una posterior expansión isoentálpica (para licuar el aire).

A tenor de las dos formas para licuar el aire se configuran dos ciclos:

  • Ciclo de Linde (expansión isoentálpica)

  • Ciclo de Claude (expansión isoentrópica)

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CICLO DE LINDE

 

Las etapas de las que consta este ciclo serían las siguientes: compresión, intercambio de calor y expansión isoentálpica.
 
Tomando como punto de partida el punto 1, el aire se comprime hasta altas presiones (del punto 1 al 2). La compresión es isotérmica.
El aire comprimido se enfría (hasta el punto 3) en un intercambiador de calor.
Usando una válvula se da una expansión isoentálpica hasta llegar al punto 4 (obteniendo una mezcla líquido-vapor).
El líquido obtenido es el producto deseado mientras que el vapor obtenido se utilizara para enfriar el aire comprimido.
El vapor tras pasar por el intercambiador se emite a la atmósfera.
CICLO DE CLAUDE

Este ciclo difiere del anterior solo a la hora de darse la expansión ya que el resto de etapas son iguales.

Como se puede ver la única energía que necesita el proceso es la que hay que suministrar a los compresores. Del mismo modo para aumentar la eficacia energética se pueden realizar dos cambios significantes:

  • Un preenfriado
  • Un ciclo con doble expansión

Aparte de la expansión, que ha sido descrita con más o menos detalle anteriormente hay otras tres etapas importantes que se analizarán a continuación: compresión, intercambio de calor y destilación.

COMPRESION

La mayor parte de la energía necesaria para llevar a cabo el proceso se da en esta etapa. El rendimiento está favorecido en régimen isotermo y es por ello que se utilizan compresores multifásicos con refrigeración intermedia para de este modo mantener el aire lo más cerca posible de la temperatura ambiente.

Para obtener presiones altas se utilizan compresores del tipo émbolo-cilindro mientras que para presiones bajas se usan turbocompresores.

INTERCAMBIO DE CALOR

Esta etapa es indispensable para poder licuar el aire en condiciones óptimas. El enfriamiento del aire comprimido al darse en temperaturas muy bajas puede haber problemas en el caso de que haya impurezas (tales como CO2 o agua) en el aire ya que se solidificarán durante el proceso.

El CO2 antiguamente se eliminaba utilizando sosa pero hoy en día hay métodos más sofisticados como puede ser el uso de sólidos adsorbentes para retirarlo.

Los intercambiadores de antaño eran del tipo carcasa-tubo y aparte de suponer una construcción cara, tenían una pérdida de carga importante lo que acarreaba un consumo de energía importante.

A mediados del pasado siglo empezaron a utilizarse otro tipo de cambiadores, denominados cambiadores Frankl. Estos cambiadores disponen de dos cilindros en los cuales se introduce una cinta de aluminio recogida y arrugada (para aumentar la superficie de contacto).

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Al introducir el aire caliente este se enfría quedándose sobre el intercambiador las impurezas sólidas y el calor liberado acumulado en las cintas de aluminio. Al introducir el aire frio (normalmente oxígeno o nitrógeno) las impurezas se disuelven en él, y esto hace que el producto se contamine. Las pérdidas de producto por esta razón pueden llegar a ser de hasta un 50%.

DESTILACION

El punto de ebullición del nitrógeno es de 78 K y el del oxígeno de 90 K, por lo que existe una diferencia de 12 ºC entre los puntos de ebullición.

  1. Destilación en una sola columna

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En el condensador no se puede generar un reflujo por lo que no se puede enriquecer el compuesto ligero (en este caso el nitrógeno). En este caso, el objetivo de esta columna podría ser obtener simplemente oxígeno puro ya que por la cabeza no se llega a producir un nitrógeno de gran pureza.

La alternativa a este proceso sería utilizar dos columnas una superpuesta sobre la otra:

            2. Destilacion en dos columnas

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En este caso se coloca una columna encima de la otra, en donde la columna de abajo trabaja a una presión superior (en torno a 5 atmosferas). El aire alimentado a esta columna está frío, para ello utilizando el líquido que se encuentra en la parte inferior de la columna (que hierve). El aire se expande a posteriori y se introduce a la columna.

En ese momento el vapor asciende por la columna enriqueciéndose en nitrógeno mientras que el líquido se va enriqueciendo en oxígeno. El vapor en la cabeza de la columna es prácticamente nitrógeno pero para obtener nitrógeno puro hace falta un reflujo. El nitrógeno en cabeza se encuentra a 94 K mientras que el líquido en la cola del destilador superior se encuentra a 90 K. De este modo se realiza un intercambio entre ambas fases para dar lugar a nitrógeno líquido, que se podrá utilizar como reflujo.

El rendimiento del proceso y la pureza de los productos varían según el intercambiador, el número de platos o las condiciones de trabajo. 

PRODUCTOS

El nitrógeno, para todas sus aplicaciones, necesita una gran pureza. Es común que el nitrógeno obtenido se utilice en instalaciones industriales adyacentes ya que su transporte supone un coste muy alto.

La pureza que se le exige al oxígeno puede variar según el campo en el que se va aplicará. Para la soldadura, por ejemplo, se necesitan purezas superiores a un 99% mientras que para varios procesos químicos se necesita una pureza entre 90-95%.

El argon, por otro lado, tiene una temperatura de ebullición intermedia entre la del oxígeno y el nitrógeno (85.7 K) por lo que aparecerá de en ambos productos. Para separarlo se necesitaran procesos químicos auxiliares.

El helio o el neon, con una temperatura de ebullición de 4 y 27 K respectivamente, se obtienen junto con el nitrógeno. El xenon en cambio es más pesado que el oxígeno por  lo que se obtiene con este último. Estos compuestos para obtenerlos por separado necesitarían de procesos de rectificación.

INSTALACIONES INDUSTRIALES

La destilación del aire se basa en las 4 etapas mencionadas. Estas se combinan con el objetivo de minimizar el consumo energético (que llega a ser el 50% del coste total).  Un ejemplo de una planta sería la siguiente:

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En este caso, como se puede ver, el aire una vez filtrado se comprime y se divide en dos corrientes:

  1. La que pasa por los regenadores de Fränkl (95%)
  2. La que se vuelve a comprimir a una presión mayor

La corriente que pasa por el regenerador se divide en otras dos corrientes: por un lado estaría la alimentación a la columna (75%) y por el otro, el 25% restante que se utilizará como refrigerante.

La corriente que pasa por el segundo compresor debe ser purificada y para ello se utilizan dos columnas: la columna de secado y la columna para retirar el CO2

En el caso de utilizar el sistema planteado de Claude el esquema de la instalación sería de la siguiente forma:

 

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