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

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