PLANTAS PARA SEPARACION DEL AIRE

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UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL
)
UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA
FACULTAD DE INGENIERIA
Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental
PROYECTO
“PLANTA PARA SEPARACIÓN DE AIRE; para obtener O2 y N2”
Curso: Termodinámica
Docente: Ing. Alberto Condori Gamarra
Ayala Acero, Junior (2018000675)
Flores Serrano, Giulianna(2011040787)
Tacna –Perú
2019
PLANTA PARA SEPARACIÓN DE AIRE PARA OBTENER O2Y N2
RESUMEN
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.
En el presente trabajo se conocerá como se utiliza y cómo funcionan y se utilizan las tecnologías de separación del aire.
Abstract
Over time there have been mainly two different approaches to air separation. The use of very low temperatures within cryogenic processes which were reserved for activities that require large amounts of oxygen and non-cryogenic, which carry out the separation of air at room temperature using molecular sieves adsorbents through PSA processes (Pressure Swing Adsorption) or polymeric membranes.
The air consists mainly of N2 (78,080 %v), O2 (20,945 %v) and Ar (0,935 %v) apart from a series of minority components such as: neon, helium, krypton, hydrogen, xenon and certain variable amounts of carbon dioxide depending on environmental conditions.
A third technology has emerged and is in the process of being extended to commercial availability. It is based on ceramic membranes which separate their two major components from air at high and low temperatures.
In this work we will learn how air separation technologies are used and how they work and are used.
CONTENIDO
________________________________________________________________________________________________
1.	INTRODUCCIÓN	4
2.	FUNDAMENTO TEÓRICO	4
2.1.	PRINCIPIOS TEORICOS	4
2.2.	COMO FUNCIONAN LOS EQUIPOS DE TECNICAS DE SEPARACION DEL AIRE	7
2.2.1.	ASU (Unidad de separación de aire)	7
2.2.2.	ITM (Membrana de transporte de iones)	7
2.2.3.	PSA (Adsorción por oscilación de presión)	7
2.2.4.	ALTERNATIVAS AL (PSA) CUYAS EFICACIAS NO SON CONVINCENTES	8
2.3.	ESQUEMAS DE LOS EQUIPOS DE SEPARACION DEL AIRE	9
2.3.1.	ASU	9
2.3.2.	ITM	9
2.3.3.	PSA	10
2.4.	DIAGRAMA DE FLUJO O BLOQUES	10
2.4.1.	DIAGRAMA SIMPLIFICADO DEL ASU (UNIDAD DE SEPARACION DE AIRE)	10
2.4.2.	BLOQUE DE ITM (MEMBRANA DE TRANSPORTE DE IONES)	11
2.4.3.	DIAGRAMA DE FLUJO PSA (Adsorción por oscilación de presión)	11
3.	ASPECTO AMBIENTAL	12
3.1.	EL EQUIPO CONTAMINA O NO CONTAMINA	12
3.1.1.	EL ASU (Unidad de separación de aire)	12
3.1.2.	EL ITM (Membrana de transporte de iones)	12
3.1.3.	EL PSA (Adsorción por oscilación de presión)	12
3.2.	POSIBLES SOLUCIONES PARA EVITAR SU CONTAMINACION O MITIGARLA	12
4.	CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES	12
5.	BIBLIOGRAFIA	13
PLANTA PARA SEPARACIÓN DE AIRE PARA OBTENER O2 Y N2
1. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se conocerá las “Técnicas de separación del aire para la obtención de O2 y N2”, la razón de este proyecto es debido al aumento de las necesidades y los servicios que las personas demandan para mantener y aumentar su calidad de vida, sin embargo este trabajo en fin se sitúamás en el ámbito industrial debido a su amplitud de campos de aplicación, en este presente proyecto se pensó en el uso de las tecnologías innovadoras y alternativas para la separación del aire así permitiendo la obtención del O2(oxigeno) y el N2(nitrógeno) conociendo las 3 técnicas que se han indagado y estudiado previo a este trabajo, el método es descriptivo por falta de tiempo no se podrá llevar a la aplicación sin embargo cabe destacar que la descripción facilitara para quien lo desee llevarlo al punto de aplicación, este trabajo tiene ciertas limitaciones pues algunos requisitos para la aplicación se requiere ciertos materiales y reactivos los cuales no son accesibles para todo público e incluso algunos son a pedido.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. PRINCIPIOS TEORICOS
GASES DEL AIRE
El oxígeno, nitrógeno y argón son los principales gases que se extraen del aire. Se producen a escala industrial y son tan importantes como el agua y la electricidad en muchos procesos de fabricación de productos cotidianos.
El aire que respiramos es una mezcla de diferentes gases que forman la atmósfera de nuestro planeta. El aire se compone en gran medida de nitrógeno (78%), oxígeno (21%) y de una pequeña proporción de argón (0,9%) y otros gases nobles (0,1%).
Para obtener estos gases utilizamos plantas de fraccionamiento del aire en las cuales se separa el aire en sus componentes individuales mediante un proceso físico, la destilación criogénica. 
NITROGENO
El nitrógeno es un gas inerte que apenas se disuelve en agua y no es combustible. Por ello es un gas ideal para inertizaciones en las diferentes industrias. Su bajo punto de ebullición (-196ºC) lo convierte en el agente frigorífico idóneo para procesos de congelación y refrigeración.
EL NITRÓGENO SE APLICA EN DIVERSOS SECTORES:
· Industria química:
· Inertización o blanketing para sustancias químicas inflamables, materiales a granel o polvo.
· Control de temperatura en tanques y reactores.
· Congelación de tuberías para trabajos de reparación y mantenimiento.
· Soldadura y corte:
· Gas auxiliar para el corte por láser y plasma.
· Gas para protección de raíz en la soldadura de tuberías.
· Automoción y transporte:
· Protección de raíz en la soldadura de componentes de automóviles.
· Llenado de neumáticos de aviones y coches de carrera.
· Metalurgia e industria del metal:
· Tratamiento térmico de los metales para proporcionarles una superficie de más calidad y flexibilidad.
· Encaje de piezas metálicas.
· Afino en la producción de acero y aluminio.
· Medio ambiente:
· Recuperación de volátiles (COVs) de emisiones de gas y vapores.
· Reciclaje de plásticos y neumáticos mediante el proceso de molienda criogénica.
· Alimentación:
· Congelación y refrigeración de alimentos.
· Gas para el envasado de alimentos en atmósfera modificada.
· Molienda criogénica de especias.
· Cryocooking con nitrógeno en la alta cocina.
· Sanidad:
· Conservación criogénica de muestras biológicas.
· Criocirugía y dermatología.
· Gas propulsor para dispositivos médicos.
· Industria farmacéutica:
· Material auxiliar para la producción de sustancias activas.
· Inertización de los equipos.
· Control de temperatura en reactores.
OXIGENO
El oxígeno es un gas extremadamente reactivo, que reacciona prácticamente con todos los elementos y participa en la mayoría de los procesos de combustión y oxidación. Es además un gas indispensable para la vida, jugando un papel importante como gas respiratorio.
EL OXÍGENO SE APLICA EN DIVERSOS SECTORES:
· Industria química:
· Materia prima en varios procesos químicos.
· Aumento del rendimiento de la oxidación en los diferentes procesos de producción como, por ejemplo, la desulfuración de petróleo (proceso Claus).
· Metalurgia:
· El oxígeno reemplaza o enriquece el aire en los hornos, incrementando la temperatura y aumentando la eficacia del proceso de combustión de metales ferrosos y no ferrosos.
· Vidrio y cerámica:
· Enriquecimiento con oxígeno para mejorar el rendimiento de loshornos, reduciendo el consumo de combustibles fósiles y emisiones de NOx.
· Tratamiento de agua:
· Tratamiento de aguas residuales en procesos de oxidación catalítica
· Procesos de degradación biológica
· Generación de ozono.
· Sector sanitario:
· Oxigenoterapia, para alimentar los respiradores en anestesia y reanimación.
· Inhalación de medicamentos mediante nebulizador.
· Soldadura y corte:
· Soldadura autógena.
· Gas de corte con plasma.
 
2.2. COMO FUNCIONAN LOS EQUIPOS DE TECNICAS DE SEPARACION DEL AIRE
Se analizaron 3 equipos diferentes:
2.2.1. ASU (Unidad de separación de aire)
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.
2.2.2. ITM (Membrana de transporte de iones)
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.
2.2.3. PSA (Adsorción por oscilación de presión)
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 resorbido. 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.
2.2.4. ALTERNATIVAS AL (PSA) CUYAS EFICACIAS NO SON CONVINCENTES
Otra de las alternativas propuestas consiste en realizar un vacío de presión para regenerar el adsorbente, VPSA (VacuumPressure 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.	
2.3. ESQUEMAS DE LOS EQUIPOS DE SEPARACION DEL AIRE
2.3.1. ASU
Figura 1: ASU (Unidad de separación de aire)
2.3.2. ITM
Figura 2: ITM (Membrana de transporte de iones)
2.3.3. PSA
Figura 3: PSA (Adsorción por oscilación de presión)
2.4. DIAGRAMA DE FLUJO O BLOQUES
2.4.1. DIAGRAMA SIMPLIFICADO DEL ASU (UNIDAD DE SEPARACION DE AIRE)
Este diagrama simplicado pero completo, muestra una planta de separación de aire convencional. Como se puede observar, a pesar de la simplificación. Hay una gran cantidad de equipos, recirculaciones, purgas, etc.
2.4.2. BLOQUE DE ITM (MEMBRANA DE TRANSPORTE DE IONES)
2.4.3. DIAGRAMA DE FLUJO PSA (Adsorción por oscilación de presión)
3. ASPECTO AMBIENTAL
3.1. EL EQUIPO CONTAMINA O NO CONTAMINA
3.1.1. EL ASU (Unidad de separación de aire)
Si contamina debido a que su proceso debe terminar en la oxicombustión, en el cual se requieren grandes cantidades de energía y elementos para renovar su ciclo. La oxicombustión es una técnica que consiste en quemar carbón utilizando el oxígeno puro, lo cual puede generar gases nocivos sin embargo existen medios de evitar o reducir su grado de contaminación como enterrar el CO2
3.1.2. EL ITM (Membrana de transporte de iones)
Este equipo o mejor dicho tecnología no genera ningún tipo de contaminación debido a que aun se sigue estudiando para poder hallar los medios que permitan producir grandes caudales de las corrientes de producto, es decir que las corrientes producidas actualmente no alcanzan a generar un impacto en el ambiente pues se trata de pequeñas cantidades
3.1.3. EL PSA (Adsorción por oscilación de presión)
No contamina al contrario este absorbe los contaminantes
3.2. POSIBLES SOLUCIONES PARA EVITAR SU CONTAMINACION O MITIGARLA
REDUCIR LA CONTAMINACION DEL ASU (Unidad de separación de aire)
El carbón puede contener una fracción de elemento suficiente para provocar la síntesis de una cantidad nada despreciable de estos óxidos de nitrógeno. Pero el problema desaparecería teniendo en cuenta que, tanto éstos como otros contaminantes (entre ellos el SO2), pueden ser enterrados junto con el CO2. EL resultado perfecto sería una central con emisiones = 0.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
· Se conocieron métodos o mejor dicho técnicas de separación del aire más conocidas en este caso fueron 3 técnicas.
· Tanto el O2 y el N2 existen en grandes cantidades en el aire es por ello que se realizan estas técnicas, sin embargo, podemos resaltar que el N2 también es un componente primario de los suelos.
· Se conoció y demostró los usos que se les da al O2 y N2 en diferentes ámbitos.
· Se cumplió con el objetivo principal de conocer si generan o no generan contaminación ambiental lo cual pudimos dar a conocer en el punto 3.1 de este presente proyecto. 
· Como una recomendación general, sugerimos indagar algunas tecnologías que no fueron mencionadas aquí como:LA ADSORCIÓN POR OSCILACIÓN DE LA PRESIÓN DE VACÍO, VPSA (VacuumPressure Swing Adsorption) y la MEMBRANA DE ESTRUCTURA METAL-ORGÁNICA, MOFM (Metal-Organic-Framework Membrane).
· Como recomendación final sugerimos e invitamos a los lectores a indagar más en los vínculos que se dejan en la bibliografía
5. BIBLIOGRAFIA
· https://www.ingenieriaquimica.net/articulos/343-tecnologias-de-separacion-del-aire
· https://www.messer.es/gases-aire
· http://oa.upm.es/48874/1/TFG_PABLO_CERRADA_MARTINEZ.pdf
Termodinámica	Página 11