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El Aire y su uso industrial

Resumen: Composición del aire puro. Posibilidades de aprovechamiento químico-industrial del aire.Tecnología de destilación del aire. La producción de frío (aire liquido).
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Autor: Ezequiel N.
Esta constituido por una mezcla de nitrógeno y de oxigeno como elemento básico

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 obtenerse como resultado amoniaco.

 

Combinación química de los gases del aire.

Desde los primeros años de este siglo se viene intentando la combinación del oxigeno y del nitrógeno del aire como medio para obtener ácido nítrico

 

N2 + O2 2NO

El NO se oxida luego a dióxido de nitrógeno y este se transforma en ácido nítrico por reacción con el agua (o con bases). Pero la reacción principal es todavía un problema. Desde el Pto. De vista del equilibrio los valores (Kc) varían con la temperatura, repercutiendo esto en la síntesis. Estos Resultados indica ya una grave dificultad que es la necesidad de aportar mucho calor a muy alta temperatura para conseguir rendimientos apreciables.

Desde el punto de vista cinematico aparece otra dificultad que se suma a la anterior para acentuar los inconvenientes y es que en todo el intervalo de temperatura no es muy aseccibles industrialmente, la velocidad de formación del NO es menor que la descomposición.

Temperatura

Duración de la formación

Duración de la descomposición

(Kelvin)

del NO

del NO

 

 

 

1000

81años

32 horas

1500

30 horas

3 Min.

1900

2 Min.

1 seg.

2500

10-2

0,3 10-9

2900

0.35 10-4

0.2 10-6

Una de las técnicas modernas en obtención de la concertación de la reacción es a través del horno Wisconsin.

 

 

Contaminación atmosférica

Se comprende que toda alteración de la pureza del aire repercute en la salud o el bienestar de los seres vivos. Esta alteración es la contaminación o estado contaminado del aire ambiental. Se considera la contaminación como cualquier modificación en la composición del aire puro; otras veces la definición se basa en la nocividad de las sustancias modificadoras de esta composición sobre el hombre, los animales, las planta.

Las alteraciones en la composición del aire tiene dos orígenes :

  • Naturales

debida a causas diversas, como vientos, meteoritos, fuego, nieblas, polen, vida animal; es inevitable y la naturaleza le hace frente por si misma restableciendo el equilibrio cuando ha sido la perturbación .

  • Artificiales

provocadas por los procesos de combustión, la industria, el transito y otras actividades del hombre. Esto da lugar a que el aire de las ciudades, los centros industriales este cada vez mas contaminada por la acumulación de humo, polvo y gases (una central térmica de carbón de 1000 Mw puede emitir 400 Tn de dióxido de azufre que equivale a 400 Tn de ácido sulfúrico).

 

De momento, la realidad parece demostrar que la teoría del consumo progresivo no puede mantenerce, tanto por el empobrecimiento del planeta en materia prima, como por los efectos ecológicos de la acumulación de residuos que la naturaleza no puede digerir al ritmo creciente que se ve obligado a recibirlos.

Naturaleza de los contaminantes del aire

 

Por su mayor importancia los contaminantes que han merecido mayor importancia son los siguientes:

 

o      Polvo de ciudades:

constituido por sílice, gitumen, caucho, mat. inorgánicas en general, mat. orgánica de origen biológico o productos de la combustión incompleta de comburentes.

o      Polvo industrial:

procedente de focos muy localizados como de fabricas de cemento, siderúrgicas, instalaciones mineras.

o      Gases:

de origen y composición muy distintos como óxidos de carbono, de azufre, de nitrógeno; ácido sulfúrico y sulfhidrico, aldheido, acetonas, hidrocarburos.

o      Vapores:

Procedente de fabricas de harina de pescado, fibras artificiales, coquerias.

o      Humos:

Son especialmente peligrosos, como los humos de productos metalúrgicos y los de chimenea pues generalmente arrasan productos de la combustión incompleta.

o      Acciones atómicas:

con la intervención de acciones atómicas puedes producir sustancias nuevas de efecto mucho mas peligrosos.

La industria química como foco de contaminación

Es en esta industria, mas que en cualquier otra donde se encuentra una gran variedad de problemas específicos. En realidad, los residuos contaminantes se deben al insuficiente rendimiento económico de la recuperación de los productos intermedios o finales (En el caso de los superfosfatos, una fabrica de alta capacidad de producción puede emitir hasta 1 Kg. de fósforo/hora en forma de HF y F6SiH2.)

La producción de energía como foco contamínate

La mayor composición de la energía primaria se obtiene por combustión de los combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural, lanzándose a la atmósfera dióxido de carbono, monoxido de carbono, óxidos del azufre, óxidos del nitrógeno

Cenizas, atomos, radicales libres.

 

  • Oxidos del carbono:

El CO y el CO2 se desprenden en grandes cantidades. Su razón es debido a la cinética de la reacción de combustión en una primera etapa el carbono se quema a monoxido para luego combinarse con oxigeno para formar el dióxido


 

CO + O2 CO2 + O

 

  • Oxidos del nitrógeno:

Su aparición en el aire caliente tiene su origen en las reacciones:


 

O + N2 NO + N

N + O2 NO + O

Entonces se debe utilizar temperaturas de llama baja para evitar la formación de NO pero esta baja temperatura conducirían a contenidos altos de CO. En la actualidad se trata de operar reduciendo al mínimo la emisión de CO y luego eliminando el NO producido, en lugar de evitar su formación.

 

  • Oxidos del azufre:

el SO2 y el SO3 son los únicos que aparecen en cantidades significativas. El SO también es importante cinéticamente en la obtención de compuestos que contienen azufre. En condiciones favorables también pararse el S2O pero estas especies tienes gran reatividad y a temperatura ambiente no se detectan en los humos de chimenea. Los que aparecen fundamentalmente son el SO2 y el SO3 en equilibrio.


SO2 + 1/2 O2 SO3

Favorece la formación de dióxido de azufre las altas temperaturas mientras que al trióxido lo favorece para su formación las bajas temperaturas.

Se a comprobado que la concentración de SO3 en las llamas es superior a la de equilibrio mientras que en la chimenea es inferior. Esta divergencia puede explicarse por vía cinética, como para los óxidos del carbono y nitrógeno, pues en la evolución del azufre porque en la llama intervienen atomos e iones. A partir de las constantes de velocidad de reacción, puede calcularse que el contenido máximo de SO3 ha de estar entre un 1 y 5 % de la concentración de SO2, que es el orden de magnitud efectivamente encontrado en distintos gases de chimenea. A temperaturas algo inferiores a las de la llama comienza a ser significativa la reacción:


SO3 + CO SO2 + CO2

 Efecto de la contaminación en la atmósfera

 

En toxicología industrial se ha establecido una característica de las materias tóxicas que suele designarse como MAC (concentración máxima posible). La definición no es sencilla, pues, independientemente de las respuestas alérgicas y de las diferentes sensibilidades entre los individuos, los sometidos a estas atmósferas llegan a crear habito insensibilizándose. Por ello las cifras adoptadas para el MAC de cada sustancia suele ser tres veces inferiores al valor capaz de afectar a quienes no están inmunizados por la costumbre.

Evolución del contenido de CO2 y su efecto

sobre la temperatura media de la tierra

 

concentración

diferencia de

aumento del nivel

Tiempo

de CO2

temperatura

del mar

Años

ppm

·c

metros

 

 

 

 

1850

295

0

0

1900

297

0.02

0

1950

308

0.1

0

2000

350

0.46

0.25

2070

750

7

7

 

 

Nuestro olfato detecta muchas de las sustancias y concentraciones mucho menores que la que detecta el MAC. La mínima concentración con que puede identificarse por el olor, la presencia de una sustancias en el aire se representa por el anagrama MID (minimun identificable odour). Por ejemplo para el bromo es de 0,05 para el amoniaco es de 50.

Concertaciones máximas admisibles (MAC) de varias sustancias en ppm.

Para ocho horas de exposición

 

Sustancia

MAC

 

 

Niquelcarbonilo

0.001

Bromo

0.1

Cloro

1

Anilina

5

Trietilamina

25

Cloroformo

50

Amoniaco

100

Metanol

200

Etilmercaptano

250

Gasolina

500

Etanol

1000

Dióxido de carbono

5000

 

Trabajo realizado por:

ezequieln@geocities.com

 

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