GASES INDUSTRIALES Este artículo describe los usos y la producción de cinco gases (acetileno, hidrógeno, carbono, dióxido, nitrógeno, oxígeno y argón) El acetileno se produce por reacción de carburo de calcio con agua; el hidrógeno está hecho por electrólisis de agua; el dióxido de carbono se obtiene del gas Kapuni; nitrógeno, oxígeno y argón se obtienen del aire mediante destilación fraccionada. INTRODUCCIÓN Este artículo describe la producción de cinco gases (acetileno, hidrógeno, dióxido de carbono, nitrógeno, oxígeno y argón) por BOC Gases (NZ) Ltd. Los productos son todos los gases bajo condiciones normales, pero no necesariamente se almacenan o transportan como tales. USOS DE GASES INDUSTRIALES Los diferentes gases se usan en una amplia variedad de industrias, pero más notablemente en las industrias de metal, polímeros y alimentos. Los usos individuales de los gases son: Acetileno El acetileno se utiliza principalmente en llamas de oxiacetileno para cortar acero suave y para soldar. Hidrógeno Los gases BOC utilizan una pequeña proporción del hidrógeno para reaccionar con trazas de oxígeno en otras corrientes de gas. Los dos gases reaccionan formando agua, que puede condensarse fácilmente en una mezcla de gases. La mayoría del hidrógeno se vende a la industria de las grasas y aceites comestibles, donde se usa para hidrogenar aceites vegetales para hacer margarina. Dióxido de carbono El dióxido de carbono se usa ampliamente en la industria alimentaria para aplicaciones tales como la eliminación de cafeína de los granos de café para hacer café descafeinado y para carbonatar cerveza, refrescos, etc. También se utiliza para el enfriamiento en la comida y las industrias de fabricación. Nitrógeno El nitrógeno tiene dos usos principales: refrigeración y atmósfera inerte. Como nitrógeno líquido se utiliza para enfriar en muchos procesos industriales y en la industria alimentaria Como nitrógeno gaseoso es utilizado para formar una manta inerte sobre las sustancias que pueden ser oxidadas por el aire. El nitrógeno se usa para enfriar varios equipos mecánicos que deben mantenerse extremadamente fríos y para congelar alimentos como pollo, hamburguesas y frutas que se consumen fuera de temporada. Se utilizan mantas o capas inertes de nitrógeno sobre líquidos reactivos en camiones cisterna, en barniz fabricación y también dentro de los paquetes de papas fritas. Oxígeno La mayor parte del oxígeno producido por BOC Gases es utilizado por la empresa de acero Glenbrook para oxidar las impurezas no deseadas en el acero. El resto se usa en la industria alimentaria, en oxígeno médico para la respiración y sopletes de oxiacetileno. Argón El argón es altamente no reactivo y, por lo tanto, como el nitrógeno, se puede usar como una capa protectora para evitar que las sustancias se oxiden. El argón se usa principalmente para proteger el metal muy caliente, ya que este es altamente reactivo. La mayor parte se usa en soldadura para proteger el metal fundido, y una pequeña cantidad se usa en bombillas para evitar la oxidación del filamento de tungsteno (elemento químico) al rojo vivo. BOC Gases también distribuye una variedad de otros gases, incluido el aire comprimido. LOS PROCESOS DE FABRICACIÓN Y PURIFICACIÓN Los procesos de fabricación del acetileno e hidrógeno se tratarán a continuación. El dióxido de carbono se compra en forma líquida de la planta de gas natural de Kapuni (donde es un subproducto de su proceso). El nitrógeno, el oxígeno y el argón se extraen todos de la destilación fraccionada del aire, por lo que estos gases están cubiertos juntos. Cifras globales de pureza y capacidad de producción se dan en la Tabla 1. Tabla 1. Estadística de producción de cada gas Pureza % Contaminantes Acetileno 99.5 Huellas de aire Bajos niveles de NH3 Hidrógeno 99.999 O2 Dióxido de carbono 99.98 Huellas de aire e hidrocarburos Nitrógeno 99.999 Ar, O2 99.5 N2 , H2O , Ar , CH4 99.999 N2 , O2 , H2O Oxígeno Argón Acetileno El acetileno se fabrica por la acción del agua sobre el carburo de calcio: CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 Una tolva sellada se mantiene llena de carburo de calcio triturado (importado principalmente de Noruega) y un tubo de gusano de movimiento lento lleva el sólido hacia adelante para caer en un recipiente de reacción de tres metros de altura (Figura 1). La reacción se produce espontáneamente al mezclar y el gas formado pasa a través de una tubería hidráulica a un soporte de gas donde se almacena por encima del agua. La adición de agua al recipiente de reacción se regula manualmente. Si la producción de gas se vuelve demasiado rápida, la reacción se ralentiza añadiendo más agua, lo que reduce la temperatura y, por lo tanto, la velocidad. El acetileno fluye desde el soporte de gas a través de una serie de bandejas que contienen principalmente cloruro férrico para eliminar impurezas tales como sulfuro de hidrógeno, fosfina y amoníaco. El gas luego pasa a través de un secador que contiene cloruro de calcio. Luego se comprime a 20 atmósferas (si se comprime más, el acetileno se descompone) y pasa a través de otra cama de cloruro de calcio para eliminar los últimos restos de agua. El gas comprimido se bombea a cilindros o tanques donde se disuelve en acetona para garantizar que se pueda transportar y manipular de forma segura. Figura 1 - Producción de acetileno El principal subproducto del proceso es la cal apagada (Ca (OH)2). Esto se deshidrata en una serie de estanques de sedimentación y luego se envía a una empresa de eliminación de residuos. Parte de la cal es objeto de dumping (su venta, a menos precio) pero la mayoría se usa para reducir el pH del agua efluente. Hidrógeno El hidrógeno se fabrica mediante la electrólisis del agua. El agua utilizada primero se destila y luego pasa a través de varias columnas de intercambio iónico para eliminar cualquier contaminante mineral. Luego se bombea a celdas de electrólisis que contienen hidróxido de potasio. El hidróxido actúa como un electrolito por lo que no se consume, por lo tanto, mientras que las céldas necesitan ser recargados continuamente con agua, rara vez necesitan hidróxido adicional. La electrólisis se produce a baja intensidad, pero a un voltaje relativamente alto en tanques de acero con electrodos de acero niquelado en una solución con una gravedad específica de 1.225. Reacción en el cátodo: 2H2O(l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- Reacción en el ánodo: 2H2O(l) → O2 (g) + 4H+(ac) + 4 e- En general: 2H2O(l) → O2 (g) + 2H2 (g) Los dos gases se recolectan en tubos separados. El oxígeno simplemente se ventila a la atmósfera, mientras que el hidrógeno se trata adicionalmente. Se comprime a 172 bar y se calienta a 90oC (la compresión solo lo calienta a unos 70oC) y pasa sobre una mezcla de paladio y alúmina. Cualquier oxígeno contaminante se reduce catalíticamente a agua, pero el gas tiene una temperatura suficientemente alta para evitar que esto se condense y desactive el catalizador. El gas es secado sobre una mezcla de alúmina y gel de sílice y luego se pasa a través de un filtro de gas, se comprime y se bombea a cilindros o tanques. Dióxido de carbono El dióxido de carbono es producido en Kapuni por la Corporación de Gas Natural y luego enviado a BOC Gases como líquido en tanques o camiones cisterna presurizados. Además de venderlo en forma líquida, algunos son convertidos en hielo seco, CO2 sólido que se sublima a la presión atmosférica a -78oC (La sublimación es el proceso de un sólido que cambia a un gas sin pasar por una forma líquida). Para hacer hielo seco, el líquido se despresuriza rápidamente, causando que parte del CO2 se solidifique y el resto se ventile como un gas. La fracción gaseosa se recoge y recicla por razones económicas y ambientales. La 'nieve' de CO2 se comprime en gránulos y se vende a la industria. La destilación fraccionada de aire El aire está compuesto en gran parte de nitrógeno, con una cantidad significativa de oxígeno y trazas de gases nobles y otros compuestos (Tabla 2). El nitrógeno, oxígeno y argón se separan sobre la base del punto de ebullición y cualquier compuesto que interfiera con los usos finales es eliminado antes de la distribución. Tabla 2 - La composición promedio de aire % por volumen Punto de ebullición Nitrógeno (N2) 78.08 -196 Oxígeno (O2 ) 20.95 -183 Argón (Ar) 0.93 -186 Dióxido de carbono (CO2 ) 0.035 -78 Neón (Ne) 0.00182 -246 Helio (He) 0.00052 -269 Krypton (Kr) 0.00011 -152 Xenon (Xe) 0.00009 -108 Hidrógeno (H2) 0.00005 -253 Óxido nitroso (N2O) 0.00005 -88 Agua (H2O) Hasta 4.0 100 * El dióxido de carbono no hierve, sublima. Este es el punto de sublimación (en lugar del punto de ebullición) del dióxido de carbono. La separación implica licuefacción de aire seguida de destilación fraccionada. Nitrógeno (tiene un punto de ebullición más bajo) es más volátil que el oxígeno o el argón. El agua y el dióxido de carbono debe eliminarse de las corrientes de argón y nitrógeno (ya que se utilizan como mantas para evitar la oxidación) pero los otros componentes no lo necesitan debido a su baja concentración e inercia. Varios principios importantes están involucrados en el proceso y se resumen a continuación: • Cuando el trabajo se realiza en el aire, al comprimirlo, se calienta. • Cuando el aire comprimido se expande a través de una abertura o válvula, se enfría. • Cuando el aire se expande en una turbina, funciona en los rotores y se enfría aproximadamente diez veces más que en expansión simple. • Cuando una mezcla de líquidos está en equilibrio con su vapor, el vapor sobre el líquido es más rico en el componente más volátil (es decir, se evapora más del líquido de bajo punto de ebullición). • El punto de ebullición de un líquido es más bajo a menor presión. Licuefacción La Figura 2 muestra el diseño de una planta de licuefacción de aire típica. Figura 2 - Diseño típico de una planta de licuación de aire En la planta de BOC en Glenbrook, el aire se extrae de la atmósfera y pasa a través de unas series de etapas de compresión que aumentan la presión a aproximadamente 6 atmósferas de la forma más isotérmica posible, siendo la temperatura final es ~ 30oC. Para mantener la temperatura baja, el aire pasa a través de enfriadores de agua después de cada uno de los primeros tres ciclos de compresión. Después la quinta etapa, el gas comprimido pasa a través de un enfriador directo, es decir, está en contacto con el agua de enfriamiento. Luego pasa a través de un intercambiador de calor reversible (de un diseño en forma de panal) donde el refrigerante, que fluye en una tubería diferente y en la dirección inversa, es gas nitrógeno frío a -167oC y presión de 0,5 atm desde la columna de fraccionamiento. La temperatura del aire en el punto medio es ~ -105oC y -165oC cuando emerge. Durante este proceso, el dióxido de carbono y el vapor de agua se congelan desde la corriente de aire hacia la superficie fría. Para evitar que estos bloqueen la tubería, las corrientes de flujo se invierten cada 12 minutos, es decir, el nitrógeno frío fluye a través de la tubería que había llevado la corriente de aire y viceversa. El corriente de nitrógeno a baja presión elimina el hielo y los sólidos de CO2 . Este aire completamente comprimido ahora entra al bloque principal de intercambio de calor. Este bloque tiene tuberías para varias corrientes de gas diferentes. Los refrigerantes de este bloque son los residuos de N2 y O2 de la columna de fraccionamiento y el 10% de la corriente de aire que se toma desde la parte inferior de la columna de fraccionamiento inferior. El 10% de corriente de aire que emerge del intercambiador de calor principal pasa a través de la turbina de expansión y se enfría a -162oC al trabajar en las palas del rotor a medida que experimenta una caída de presión de 6 a 0.5 atm. Esta turbina impulsa un generador y la energía se devuelve a la red nacional. Este aire más frío luego vuelve al intercambiador de calor reversible. Después de pasar a través de los intercambiadores de calor, el aire ahora se enfría justo por encima del punto de rocío y entra en la parte inferior (al fondo) de la primera columna de fraccionamiento. Destilación fraccionada El aire líquido se destila fraccionadamente para separar el nitrógeno más volátil del oxígeno menos volátil de acuerdo con el cuarto principio mencionado anteriormente. La unidad de separación del aire consta de dos columnas (inferior y superior) en las que una gran cantidad de destilaciones sucesivas y las condensaciones pueden llevarse a cabo de forma continua. Las columnas contienen una serie de bandejas metálicas horizontales, cada una conteniendo una serie de pequeños orificios y dos tubos de drenaje a la bandeja de abajo. El líquido se mantiene en las bandejas mientras el vapor burbujea a través de los agujeros con velocidad suficiente para evitar que el líquido gotee hacia atrás. El vapor que ingresa en una bandeja desde abajo está más caliente que el líquido en la bandeja, con el resultado de que parte del vapor se condensa y parte del líquido se evapora y sube a la bandeja superior. El vapor que se evapora de cada bandeja es más rico en nitrógeno que el líquido restante. En consecuencia, a medida que avanzamos por las columnas, tanto las fases líquidas como las de vapor se enriquecen en nitrógeno, mientras que la concentración de oxígeno aumenta hacia la parte inferior(fondo) de las columnas. La columna inferior con ~ 25 bandejas funciona a una presión de 6 atmósferas y produce un líquido en el fondo a la temperatura de -180oC que contiene 30 - 35% de oxígeno. Esto se escurre, pasando a través de una válvula de expansión que causa una caída de presión de 0.4 atmósferas y se ejecuta en la columna superior con ~ 75 bandejas aproximadamente dos tercios del camino hacia arriba. El oxígeno líquido casi puro se acumula en la parte inferior de la columna superior a -180oC. Este líquido está dividido por finas paredes desde la parte superior de la columna inferior. Debido a que la columna inferior se ejecuta a mayor presión, esta temperatura es lo suficientemente baja como para condensar el nitrógeno gaseoso en la parte superior de la columna inferior, ya que a 6 atmósferas de presión el punto de ebullición del nitrógeno es -177oC (principio 5). Así líquido nitrógeno que contiene < 10 vpm 2 de oxígeno se escurre en la parte superior de la columna inferior, y el intercambio de calor hace que el vapor de oxígeno suba por la columna superior. Parte de este nitrógeno líquido va hacia el almacenamiento, mientras que el resto pasa a través de una válvula de expansión en la parte superior de la columna superior. El nitrógeno gaseoso se extrae continuamente de la parte superior de esta columna a -193oC, se utiliza en intercambiadores de calor como se describió anteriormente y luego descargado a la atmósfera. La planta produce oxígeno con una pureza muy alta, mientras que una pequeña cantidad de oxígeno originalmente en el aire se desperdicia con nitrógeno. Si se usara una columna de una sola etapa, se perdería el 40% del oxígeno. Luego, el oxígeno se elimina de la corriente de argón mediante una reacción catalizada por Pd con hidrógeno, seguido de esto, la humedad de este proceso se elimina con alúmina lista para el llenado del cilindro. Llenado de cilindros Los gases se pueden transportar en cilindros como gas o líquido. Todos los gases para aplicaciones industriales de menor volumen se envían desde BOC Gases en cilindros. Estos vienen en una variedad de tamaños desde A (la más pequeña) hasta G (el más grande). Los cilindros están codificados por colores para identificación. Antes de llenar un cilindro para contener gas licuado, se coloca en escalas muy sensible escamas y se llena a través de una válvula hasta que se alcanza el peso correcto. Muchas aplicaciones requieren una mezcla de gases (ej. Guinness usa una mezcla de dióxido de carbono y nitrógeno a relación de 1: 4 para carbonizar su cerveza) y estos se calculan agregando el peso correcto de un gas y luego el siguiente. Una vez que se llena el cilindro, el gas líquido en el tubo de llenado se ventila (para evitar que se expanda y destruya el tubo) y el cilindro se sella. Luego se aplica agua jabonosa para que la persona que llena el cilindro pueda ver fácilmente si tiene alguna fuga. Los cilindros que contienen gas comprimido se llenan a la presión requerida. Algunos gases almacenados en forma líquida deben mantenerse en cilindros con aislamiento térmico y debe mantenerse en niveles bajos temperaturas, por ejemplo, N 2, O 2, Ar, aire. Como la densidad de un líquido es mucho mayor que la de un gas, se pueden almacenar y transportar mayores cantidades en forma líquida. SEGURIDAD DE LA PLANTA Se debe tener mucho cuidado con las plantas de hidrógeno y acetileno para evitar incendios, ya que son ambas sustancias altamente inflamables. Se mantienen controles rigurosos sobre las fuentes de ignición y materiales incompatibles, como aceite alrededor de la planta de oxígeno. En algunos casos, las herramientas de metal están hechas de bronce (en lugar de acero) para que no emitan chispas durante el uso, además los cigarrillos y los teléfonos celulares deben estar apagados, etc. En la planta de acetileno también existe peligro del carburo de calcio, ya que emite un gran volumen de gas acetileno cuando está mojado o húmedo, por lo que debe almacenarse en ausencia total de humedad. SERVICIOS PÚBLICOS La planta de hidrógeno y la separación de aire requieren una gran cantidad de electricidad por lo que la planta tiene su propia pequeña estación secundaria para proporcionar esto. IMPLICACIONES AMBIENTALES La producción de gas es en gran medida una industria extremadamente amigable con el medio ambiente. Con la excepción de la producción de acetileno e hidrógeno, los procesos en cuestión no producen residuos. En la producción de acetileno, el residuo producido es la cal, que crea un pequeño problema de eliminación, pero la mayor parte se usa en el tratamiento del agua. El único desperdicio en la producción de hidrógeno es el oxígeno, que está naturalmente presente en el aire y por lo tanto no crea un problema. Cuando se utilizan los gases, se genera nuevamente un poco de daño ambiental. El nitrógeno, oxígeno y argón son simplemente fracciones diferentes de aire, por lo que devolverlas al aire no tiene efectos negativos ni perjudiciales. El hidrógeno también está presente en el aire y es inofensivo. Dióxido de carbono y acetileno (que se quema, emitiendo dióxido de carbono y agua) son más preocupantes, pero aun así no causan daños serios. Cualquier dióxido de carbono que no se forme en gránulos de hielo seco se recicla en el sitio. Las únicas dos áreas de preocupación son el consumo de energía y el uso, en Glenbrook, de grandes volúmenes de agua de refrigeración. EL PAPEL DEL LABORATORIO El laboratorio está involucrado exclusivamente en las pruebas de control de calidad. El laboratorio está equipado con cromatógrafos de gases y espectrofotómetro FTIR y analizadores para oxígeno y humedad. Las muestras de todos los gases se prueban en uno de los cromatógrafos de gases para garantizar que su composición está dentro de los límites aceptables de la composición requerida, y las otras las pruebas se llevan a cabo según sea necesario. Dependiendo del grado, se puede analizar un lote de gas a granel o determinar la composición individual de cada cilindro. Este último se utiliza para los grados de más alta calidad y para mezclas especiales de bajo volumen de composición específica, requerida para fines médicos o para calibración de equipos analíticos, por ejemplo.
