TECNOLOGIA PSA PRODUCCION DE NITROGENO
ING. ALEXIS SALAZAR
QUE ES EL SISTEMA PSA La separación por adsorción, proceso PSA tuo su ori!en en una patente A"e#ana de $%&' ( "as propiedades se"ecti)as *ueron reconocidas en $%+ cuando "a industria petro"era i#pu"sa "os estudios (a -ue e" PSA *aci"ita "a separación de" .idró!eno ( otros !ases de "os .idrocaruros !aseosos/ Co#o consecuencia de "os e0ce"entes resu"tados de "aoratorio e" $' de 1u"io de $%+ C/2/S3arstro#, t4cnico de "a Co#pa56a ESSO, patenta e" PROCESO PSA –pressure swing adsorption- , adsorción por )ariación de presión/ En e" caso -ue nos ocupa, este proceso se caracteri7a por dos "ec.os8 ta#ices #o"ecu"ares -ue se presuri7an ( se despresuri7an en *or#a a"ternada, consi!uiendo as6 e" *"u1o de !as nitró!eno deseado/ La otención de este a partir de" aire, apro)ec.a "os di*erentes ta#a5os #o"ecu"ares con e" o0i!eno •
QUE ES EL PRINCIPIO DE ADSORCIÓN
E" uso de sustancia só"ida para separar di*erentes e"e#entos desde so"uciones "6-uidas o !aseosas Estos Procesos son conocidos co#o ADSORCIÓN ( *uncionan por se"ección pre*erencia" de "os e"e#entos de "as so"uciones en *ase "6-uida o !aseosa respecto de" sustrato só"ido 9adsorerte9/ Este *enó#eno es ien uti"i7ado ( di*undido en )arios procesos de "a industria de "a a"i#entación con cientos de ap"icaciones donde e" *enó#eno de "a adsorción es una )ita" .erra#ienta de separación ( puri*icación/ E" *enó#eno de adsorción es ap"ica"e a "a #a(or6a de "os siste#as -u6#icos, *6sicos, io"ó!icos ( "os sustratos só"idos adsorentes nor#a"#ente uti"i7ados son ta"es co#o e" carón acti)ado, "as resinas sint4ticas, "os po"6#eros, otros: para ap"icaciones industria"es de separación ( puri*icación/ E" proceso de adsorción in)o"ucra "a separación de" e"e#ento o sustancia desde una *ase co#o consecuencia de "a acu#u"ación o concentración en e" adsorente/ La adsorción di*iere de "a asorción, proceso en e" cua" e" #ateria" es trans*or#ado de una *ase en otra penetrando en "a se!unda *ase ( *or#ando una 9so"ución9/ La adsorción *6sica es causada o producida principa"#ente por "as *uer7as de )an der 2aa"s ( *uer7as e"ectrost;ticas entre "as #o"4cu"as adsoridas ( "os ;to#os -ue co#ponen "as super*icie o sustrato adsorente/ De #odo ta" -ue "os adsorentes son caracteri7ados por "as propiedades super*icia"es ta"es co#o 9e" ;rea o super*icie espec6*ica9 ( "a 9po"aridad9/ En ta" sentido cuanta #a(or super*icie espec6*ica ten!a e" sustrato adsorente, #a(or ser; su capacidad de adsorción/ De a""6 "a i#portancia de "a capacidad de *or#ación de ;reas super*icia"es interconectadas internas <#icro poros o #icro ca)ernas interco#unicadas=, "a .o#o!eneidad de" ta#a5o ( "a distriución interna de estos #icro poros son "as propiedades -ue #;s resa"tan en i#portancia a "a .ora de de*inir e" adsorente/
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EL AIRE/ SU COMPOSICI>N/ DI?ERENTES TAMA@OS MOLECULARES
Las propiedades *6sicas de "os !ases -ue entran en contacto con "as 7eo"itas, en e" caso -ue nos ocupa para P"antas PSA !eneradoras de o06!eno por adsorción, e" !as es e" AIRE at#os*4rico/ Es decir -ue e" aire con e" #ateria" adsorente deter#inan "a capacidad adsorción re"ati)a de su super*icie/ La #a(or6a de "os co#ponentes de" aire tienen di;#etros "o su*iciente#ente pe-ue5os para pasar a tra)4s de "os #icro poros de" ta#i7 #o"ecu"ar/
DIMENSIONES RELATIVAS DE TAMICES MOLECULARES: Poro de zeolita !" A Di#$etro $ole%&lar del o'()e*o "! A Di#$etro $ole%&lar del *itr+)e*o "!, A Di#$etro $ole%&lar del ar)+* "!" A A- &*idad A*)tr/*) - 0 ' 01 2 %$. Adiciona"#ente a "os ta#ices #o"ecu"ares se "es adicionan CationesB otor!;ndo"es a "os #icro poros o #icro ca)ernas de "as 7eo"itas una car!a positi)a neta/ De ta" #odo -ue "as propiedades e"4ctricas presentes en "os constitu(entes de "os ta#ices #o"ecu"ares de 7eo"itas deter#inar;n "a *uer7a en e" proceso de adsorción/ Estas propiedades inc"u(en "as de po"ari7ai"idad, #o)i#ientos de dipo"o, ( de cuadripo"o/ Las ener!6as de adsorción in)o"ucradas en e" proceso -ue nos ocupa est;n e0presadas se!n ADSORCIÓN MOLECULAR RELATIVA DE PIEDARS ZEOLITAS: A)&a 34O 55555 Di+'ido de %ar6o*o CO4 5555 Nitr+)e*o N4 555 O'()e*o O4 55 Ar)+* Ar 5 E" !as producido en estas condiciones es pri#ordia"#ente o06!eno con a"!o de ar!ón/ Considerando a "a #is#a #ateria pri#a in)o"ucrada en "os procesos con)enciona"es crio!4nicos ( e" siste#a PSA , es decir e" AIRE /
Separación e*ica7 Mientras -ue "os carones acti)ados no pueden separar e" nitró!eno de" aire, e" ta#i7 #o"ecu"ar de carón es una sustancia con unas estructuras de poro discreto -ue pueden separar "as #o"4cu"as en *unción de su ta#a5o/ Gracias a esta se"ecti)idad de a"ta asorción, e" ta#i7 #o"ecu"ar de carón per#ite una separación e*ica7 de" nitró!eno/ Las #o"4cu"as pe-ue5as de o06!eno penetran en "os poros #ientras -ue "as #o"4cu"as de nitró!eno !randes escapan a" ta#i7 #o"ecu"ar de carón
TERMODINAMICA DE LA ADSORCION La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capa de retener part!culas de un "luido en su super"icie tras entrar en contacto con #ste$
E" adsorente dispone de nanoporos, "o -ue se conoce co#o centros acti)os, en "os -ue "as *uer7as de en"ace entre "os ;to#os no est;n saturadas/ Estos centros acti)os ad#iten -ue se insta"en #o"4cu"as de natura"e7a distinta a "a su(a, procedentes de un !as en contacto con su super*icie/ La adsorción es un proceso e0ot4r#ico ( se produce por tanto de #anera espont;nea si e" adsorente no se encuentra saturado/ La ap"icación #;s i#portante de "a ter#odin;#ica de "a adsorción es "a de ca"cu"ar "os e-ui"irios de *ase entre un só"ido adsorente ( una #e7c"a !aseosa/ En este desarro""o, por si#p"icidad, só"o to#are#os en consideración !ases puros <#onoco#ponentes=/ La ase de todo este c;"cu"o son "as isoter#as de adsorción, "as cua"es dan "a cantidad de !as adsorido en "os nanoporos co#o una *unción de "a presión e0terna
reducción de la presión, liberando así el nitrógeno adsorbido. La unidad está lista para otro ciclo de producción de aire enriquecido con oxígeno. Este es exactamente el proceso que se utiliza en concentradores portátiles de oxígeno utilizado para pacientes que requieren oxígeno para respirar aire enriquecido. El uso de dos tanques de adsorbente permite casi continuo de producción del gas objetivo. También permite llamadas igualación de presión, donde se utiliza el gas que sale del vaso que se está despresurizado para presionar parcialmente el segundo recipiente. Esto se traduce en importantes ahorros de energía, y es una práctica industrial común.
Los adsorbentes Aparte de su capacidad para discri#inar entre "os di*erentes !ases, adsorentes para "os siste#as de PSA por "o !enera" son #ateria"es #u( porosos esco!idos deido a su !ran super*icie/ acti)ated caronsi"ica !e"a"u#ina7eo"ite Adsorentes t6picos son e" carón acti)ado , !e" de s6"ice , a"#ina ( 7eo"ita / Aun-ue e" !as adsorido en estas super*icies puede consistir en una capa de só"o uno o co#o #;0i#o unas pocas #o"4cu"as de espesor ;reas de super*icie, de )arios cientos de #etros cuadrados por !ra#o per#iten "a asorción de una parte si!ni*icati)a de peso de" adsorente en !as/ #o"ecu"ar sie)es Ade#;s de su se"ecti)idad para di*erentes !ases, "as 7eo"itas ( a"!unos tipos de carón acti)o ""a#ado carono ta#ices #o"ecu"ares pueden uti"i7ar "as caracter6sticas de ta#i7 #o"ecu"ar para e0c"uir a a"!unas #o"4cu"as de !as de su estructura asada en e" ta#a5o de "as #o"4cu"as, "o -ue "i#ita "a capacidad de "as #o"4cu"as #;s grandes para ser absorbidos.
DISEÑO DE LA PSA: 1. Flange de alimentación del CMS. (Carbon Molecular Sieves) 2. Precarga de la carga de CMS, bajo compresión para soportar presión diferencial durante el ciclo normal 3. Diámetro de la vasija (correcto) que permite baja velocidad del gas durante la producción normal de N2 4. Control de la velocidad del gas durante los ciclos de alta presión diferencial, para eliminar la fluidización del material CMS.
Fluidización dentro de la vasija de CMS ( no deseable)
Diu1o es-ue#;tico de una )asi1a de "ec.o *"uidi7ado/
Fluidización (o fluidización) es un proceso si#i"ar a "a de "icue*acción por e" cua" un
#ateria" !ranu"ar se con)ierte de un estado so"ido est;tico a un estado de *"uido din;#ico/ *"uid"i-uid!as Este proceso ocurre cuando un *"uido < "6-uido o !as = se pasa a tra)4s de" #ateria" !ranu"ar/ Cuando un *"u1o de !as se introduce a tra)4s de" *ondo de un "ec.o de part6cu"as só"idas, se #o)er; .acia arria a tra)4s de" "ec.o a tra)4s de "os espacios )ac6os entre "as part6cu"as/ dra! A a1as )e"ocidades de !as, aerodin;#ica arrastre en cada part6cu"a es ta#i4n a1a, ( por "o tanto e" "ec.o per#anece en un estado *i1o/ E" au#ento de "a )e"ocidad, "as *uer7as de "a resistencia aerodin;#ica co#en7ar; a contrarrestar "as *uer7as !ra)itatorias, .aciendo -ue "a ca#a de su e0pansión en )o"u#en a #edida -ue "as part6cu"as se a"e1an unas de otras/ Au#entando an #;s "a )e"ocidad, -ue ""e!ar; a un )a"or cr6tico en e" -ue "as *uer7as de arrastre .acia arria e0acta#ente i!ua" a "a *uer7a !ra)itaciona" .acia aa1o, .aciendo -ue "as part6cu"as -ue -uedan suspendidas en e" "6-uido/ En este )a"or cr6tico, "a ca#a se dice -ue es *"uido ( un co#porta#iento de *"uidos/ A" au#entar an #;s "a )e"ocidad de" !as, "a densidad aparente de "a ca#a continuar;n dis#inu(endo, ( su *"uidi7ación se .ace #u( *uerte, .asta -ue "as part6cu"as (a no *or#an una ca#a ( se 9trans#ite9 .acia arria por e" *"u1o de !as/
CARON ACTIFADO E" Carón acti)ado acta co#o adsorente deido a un dese-ui"irio de *uer7as en "a super*icie de "as p"acas !ra*iticas/ Este dese-ui"irio pro)oca atracciones inter#o"ecu"ares -ue causan e" atropa#iento de ciertas #o"4cu"as/ E" CA, adsorer; una #o"4cu"a con #a(or *uer7a si e0isten dos p"acas !ra*6ticas "o su*iciente#ente cercanas a "a #is#a co#o para atraer"a/ Una #o"4cu"a con #a(or peso #o"ecu"ar se retendr; con #a(or *uer7a, sie#pre ( cuando su ta#a5o "e per#ita caer entre "as p"acas !ra*6ticas/
Qué es el carbón activado? . E" carón acti)ado es carón poroso -ue se produce arti*icia"#ente de #anera -ue
e0.ia un e"e)ado !rado de porosidad ( una a"ta super*icie interna/ Estas caracter6sticas, 1unto con "a natura"e7a -u6#ica de "os ;to#os de carono -ue "o con*or#an, "e dan "a propiedad de atraer ( atrapar de #anera pre*erencia" ciertas #o"4cu"as de" *"uido -ue "o rodean/
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A esta propiedad se "e ""a#a adsorción: a" só"ido se "e deno#ina 9adsorente9 ( a "a #o"4cu"a atrapada, 9adsorato9/ La unión entre e" carón ( e" adsorato se ""e)a a cao por #edio de *uer7as de London, -ue son una de "as c"ases de *uer7as de )an der 2aa"s/ stas son re"ati)a#ente d4i"es (, por "o tanto, re)ersi"es
(INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMESTRY)
La IUPAC reconoce tres tipos de poros atendiendo a su tamaño: Macro poros > 50 nm Meso poros 2 - 50 nm Micro poros 2 nm
DI&ERENTES TI'OS DE 'OROS
Es%uema de la sección de corte de un sólido poroso$
Varia6le de &* Site$a de 7ae Ga CONDICIONES DE PROCESO Flujo
Composición Naturaleza y concentración Del contaminante Temperatura Presión
Humedad Relativa
CARACTERÍSTICAS DEL CARBON Capacidad Adsortiva Área Superficial Interna Distribución del Tamaño de Poro Tamaño de Partícula Diámetro Longitud Tamaño de Malla Caída de Presión Dureza Se recomienda el uso de carbones Extruídos
DESCRIPCION DEL CICLO PSA 'SA ciclo del proceso El ciclo del proceso de 'SA consiste en dos mecanismos "undamentales 'resuriación * adsorción Despresuriación * desorción Aire comprimido alternativamente presuria cada una de dos c amas o lec+os de adsorción id#nticos$ Comenando en un punto en el ciclo donde se presuria un lec+o de adsorción (A) , el lec+o de adsorción (-) est. pasando por la despresuriación/ la descripción del c iclo de proceso de 'SA es el si0uiente El aire comprimido entra en un lec+o de adsorción/ la +umedad/ o1!0eno , dió1ido de car2ono son a2sor2idos$ Despu#s de la presión de operación es alcanada/ el nitró0eno "lu,e del lec+o de adsorción A al tan%ue receptor del producto antes de entrar en las l!neas de consumo $ Al mismo tiempo el lec+o adsorvedora ( -)se despresuria a la presión atmos"#rica$ Al t#rmino de la producción de nitró0eno a partir del lec+o de adsorción (A)/ se produce un paso de ecualiación$ Adsor2edor de lec+o - (presión atmos"#rica) est. presuriada a una presión intermedia/ el aire presuriado %ue entra en el lec+o de adsorción A (con presión de "uncionamiento) "lu,e en ( -)$ Durante este paso/ e l aire no se consume/ ni se 0enera Nitró0eno 'or lo tanto/ un tan%ue receptor de nitró0eno se aplica en la salida para permitir un "lu3o constante a la l!nea de consumo$ El lec+o de adsorción (A) lue0o se somete a despresuriación , el 0as e nri%uecido con o1!0eno , los residuos de +umedad , otros desec+os se ventila a la atmós"era$ La Despresuriación permite la li2eración de o1!0eno/ dió1ido de car2ono , vapor de a0ua adsor2ida previamente durante la producción de nitró0eno de (A)$ Al mismo tiempo el lec+o adsor2edor (-) es llevada a la presión de operación/ , comiena su porción de la producción de nitró0eno del ciclo$ Despu#s de la producción de nitró0eno con e l lec+o adsor2edor (-) se somete a la ecualiación , la despresuriación de la posterior$ El ciclo contin4a en el punto donde se somete a presuriación el lec+o adsorvedor (A) , despresuriación del (-)
Tamices moleculares de carbón (CARBON MOLECUAR SIEVES)
Los tamices moleculares son sólidos que pueden ser usados para separar los componentes moleculares de una mezcla. Este término es habitualmente usado para denominar a determinados sólidos micro porosos, en particular a algunas zeolitas y ciertos materiales de carbón micro poroso. Estos materiales presentan una distribución de tamaños de poro muy estrecha, poseyendo además la característica de diferenciar entre moléculas en base a sus diferentes dimensiones moleculares. Una de las aplicaciones más importantes de estos materiales es la separación de N2 y O2 del aire. Dado que la diferencia en los diámetros
cinéticos de estas dos moléculas es de menos de 0.02 nm, es evidente que el diseño de los tamices moleculares requiere de un control muy riguroso del tamaño de poros. Este material actúa como un colador que separa el oxígeno del aire molecularmente por un proceso de adsorción que ocurre solamente a alta presión. El adsorbente selectivamente adsorbe las moléculas de oxigeno, dejando libre así Nitrógeno de alta pureza (98%). Cuando el tamiz molecular se llena completamente comienza el ciclo de regeneración del adsorbente. Durante este ciclo, se reduce la presión en el tanque que lo contiene. Al bajar la presión, las impurezas (oxigeno) se separan del material adsorbente y se eliminan del sistema. El tanque queda entonces preparado para el próximo ciclo de adsorción.
