Aire

Esta constituido por una mezcla de nitrógeno y de oxigeno como elemento básico (99 %) y el resto como gases nobles.

COMPOSICION DEL AIRE PURO

Proporción

Proporción

Elemento

en volumen

en peso

Nitrógeno

78,14

75,6

Oxigeno

20,92

23,1

Argón

0,94

0,3

Neón

1,5 10-3

1 10-3

Helio

5 10-4

0,7 10-4

Criptón

1 10-4

3 10-4

Hidrogeno

5 10-5

0,35 10-5

Xenón

1 10-5

4 10-5

Normalmente, en el aire existen otras sustancias, con vapor de agua en cantidad variable y dióxido de carbono (0,03% en volumen) y en las zonas industriales, hidrocarburos, alquitranes, cenizas, polvo y SO2.

También las descargas eléctricas modifican la composición de la atmósfera al disociar moléculas de hidrogeno, nitrógeno, oxigeno y dióxido de carbono para formar C2H2, H202, 03, NO3H, NH3, NO3NH4. Así, la lluvia abona a los suelos con 10 Kg. N/Ha. Por año en forma de NO3NH4, NH4OH.

Por su distinta solubilidad en agua, el aire desorbitado de esta tiene 34,5% de O2, 63,5% de N2, 2% de CO2.

Posibilidades de aprovechamiento quimico-industrial del aire

Cabe dos grandes líneas de beneficios del aire; una separar sus componentes, otra combinarlos. El primer camino lleva a la fabricación de N2, O2, gases nobles, por separación física o química; el segundo, o la síntesis del NO y de aquí al ácido nítrico y/o nitratos.

Tecnología de destilación del aire

En el momento actual, la rectificación del aire cubre la demanda de estos productos:

•Nitrógeno de alta pureza (gas, para crear NH3O, CN2Ca)

•Oxigeno de alta pureza (gas o liquido, para soldaduras y corte de metales).

•Oxigeno de mediana pureza (gas para fines quimicos-industriales)

•Aire enriquecido (oxigeno de baja concentración como comburente

•Gases nobles (subproductos de algunas de las producciones anteriores, para aplicaciones varias).

En todos los casos cualquiera que sea el grado de separación que se pretenda de los componentes del aire, por destilación, se necesita la previa licuaron parcial del mismo. Este enfriamiento presupone, a su vez, como se verá, una compresión y un aprovechamiento del frío a través de un cambio de calor. La etapa, pues, de la separación es: compresión, cambio de calor, expansión (producción del frío y rectificación.

La producción de frío (aire liquido)

Se representa, simplificado, el diagrama de la figura que nos muestra como será la evolución del aire. El aire normal estará representado por el punto A.

El necesario enfriamiento del aire para situar al punto A debajo de la campana, no puede obtenerse prácticamente por enfriamiento directo con un fluido de suficiente baja temperatura porque no existe tal fluido, ya que se usa aire liquido para licuar al helio o al hidrogeno y no al revés (licuaron en cascada).

En la practica, el frío necesario no se consigue de una sola vez, sino repitiendo la compresion-expansión y aprovechando el frío de los productos resultante aire no licuado en equilibrio de vaporización con la fracción licuada, o gases producidos por la destilación para enfriarlo previamente antes de su expansión. Se obtienen así los llamados ciclos de Linde (isentalpico) y de Claude (isoentropico).

El cambio de calor

Al principio la industrial utilizó exclusivamente cambiadores del tipo carcaza tubo para enfriar el aire comprimido a merced a los gases que resultaba de la licuaron o destilación. Estos cambiadores presentaban una limitación importante. Los tubos por los que circulaba el aire comprimido tenían que ser de cobre, metal buen conductor, pero caro y de poca sección, para que tuviera mayor superficie de contacto. Además, el aire debía depurarse del vapor de agua y del CO2, pues al condensare en los tubos empeoraba la transmisión y disminuía la sección útil, llegando incluso a taponarlos.

FRÄNKL aporto una mejora extraordinaria. Sustituyo el recuperador - Transmisión mediata del calor - por una pareja de regeneradores que trabajan por contacto inmediato. Se llaman también acumuladores. El aire comprimido y a la temperatura ordinaria viene de A y atraviesa el elemento I de la pareja (llaves 1 y 2 abiertas y las 5 y 6 cerradas) que se supone frío saliendo de B enfriado y dejando a la temperatura ambiente al relleno de I. Simultáneamente, el aire frío por la expansión y el no-licuado o los gases de la destilación están parado por el elemento II (entrada por B', abiertas las llaves 7 y 8, cerradas las 3 y 4) y enfriando al relleno cuando se ha agotado el frío en I y se ha acumulado lo suficiente en II, se invierten las corrientes. Esta inversión se hace automáticamente. Así se consigue:

•Disminución del costo de la instalación. Un mayor intercambio y mucha superficie en poco volumen (1 m3 = 1000 m2)

•Una perdida de carga pequeña (0,1-0,15 Kg/Cm2, de 3 a 5 veces menores que en las tubulares, por la buena permeabilidad del relleno)

•Resulta innecesario purificar el aire, porque el agua y el dióxido de carbono se condensan sobre el relleno frío sin crear dificultades y luego son expulsados del sistema al evaporarse en el seno de los gases durante el ciclo de calefacción.

•Mayor efectividad en el cambio de calor, porque el nuevo modo de transmisión permite diferencias de temperatura en el extremo caliente del cambiador de 1-2 grados centígrados frente a los 5-8 en las tubulares.

La destilación

La compresión

Es de gran importancia el rendimiento de la compresión, pues toda la energía necesaria en la instalación procede de esta operación. El compresor, pues, suministra, la energía necesaria que exige la producción de frío; la separación de las especies y las perdidas caloríficas y mecánicas (lo mas aproximado al régimen isotérmico)

Los gases nobles y los hidrocarburos contenidos en el aire

Al proyectar la columna hay que tener en cuenta que la mezcla se compone de nitrógeno, oxigeno, argón. Cuando se quiere obtener argón como subproducto, la columna superior (Linde) se saca a la altura del plato donde es máxima la concentración (10%) y este vapor se rectifica separadamente en una columna auxiliar cuya cola vuelve a la columna principal.

El He y el Ne (p.e. 4 K y 27K respectivamente) son más volátiles que el N2 por eso se puede separar por rectificación independiente del nitrógeno liquido recogido en la parte superior de la columna inferior. Esta rectificación produce He+Ne con mucho N2 y se elimina este pasando los gases por Ca o Mg al rojo (formación de nitruros) De la mezcla se separan los componentes por absorción selectiva con carbón activo.

La presencia de los hidrocarburos en el aire(por ejemplo C2H2 en las fabricas de cianuro cálcicos en las que la materia prima es el C2Ca) hace que se vayan acumulando en las calderas del O2 estos productos con peligro de explosión. Para evitarlo al oxigeno se le hace pasar; liquido, por un condensador auxiliar donde se evapora y deja como residuo C2H2 que se descarga por purga. El vapor del oxigeno va luego a los cambiadores de salida. También se separan los hidrocarburos absorbiéndolos de la corriente de líquidos que va del calderin inferior a alimentar la columna superior (Linde) en una pequeña columna de carbón activo intercalada.

Instalaciones industriales

Separación de los gases del aire por vía química

Se trata en este caso de hacer reaccionar uno de los gases del aire para fijarlo en forma de combinación y que quede así separado del otro. Por ejemplo:

•El NO3H Se obtiene industrialmente por oxidación con aire del amoniaco. A su vez para obtener amoniaco se parte de hidrogeno y nitrógeno. Esto permite cerrar un circuito de aprovechamiento así:

NH3 + 2 O2 + 7,52 N2 NO3H + H2O + 7,52 N2

0,5 O2 7,02 N2

1,5 N2

0,02 O2

Los acidos del nitrógeno se elimina pasando los gases en cuestión por un lecho de metal que los descompone O + Me Me+N2. El lecho de metal se regenera de vez en cuando reduciéndose con hidrogeno.

•La gasificación del carbón se lleva a cabo con vapor de agua y oxigeno y se obtiene una mezcla gaseosa llamada gas de síntesis formada por monoxido de carbono y hidrogeno el monoxido puede transformase catalíticamente mas vapor de agua en hidrogeno.

CO+H2O CO2 + H2

Si se absorbe por ejemplo con agua a presión el dióxido de carbono el resultado final se hidrogeno puro. Es fácil ver que si en vez del O2 se emplea aire en la gasificación el gas final puede estar constituido por nitrógeno y hidrogeno y si se optan por cantidades estequiometricas puede

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