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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Diseño de una planta de obtención de nitrógeno y oxígeno líquido para la
Facultad de Ingeniería Química
Trabajo de titulación, modalidad Propuesta Tecnológica para la obtención
del título de Ingeniera Química
AUTORAS: Bracero Vallejo Karina Madeline
Cárdenas Sinchi Lorena Margarita
TUTOR: Ing. Hugo Fernando Solís García, MSc.
Quito, 2020
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DERECHOS DE AUTOR
Nosotros, KARINA MADELINE BRACERO VALLEJO y LORENA MARGARITA
CÁRDENAS SINCHI en calidad de autores y titulares de los derechos morales y
patrimoniales del trabajo de titulación DISEÑO DE UNA PLANTA DE OBTENCIÓN
DE NITRÓGENO Y OXÍGENO LÍQUIDO PARA LA FACULTAD DE INGENIERÍA
QUÍMICA, modalidad propuesta tecnológica, de conformidad con el Art. 114 del
CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS
CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, concedemos a favor de la
Universidad Central del Ecuador una licencia gratuita, intransferible y no exclusiva para
el uso no comercial de la obra, con fines estrictamente académicos. Conservamos a
nuestro favor todos los derechos de autor sobre la obra, establecidos en la normativa
citada.
Así mismo, autorizamos a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
Los autores declaran que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma
de expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la
responsabilidad por cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y
liberando a la Universidad de toda responsabilidad.
En la ciudad de Quito, a los seis días del mes de febrero del año 2020.
…………………………………..
Lorena Margarita Cárdenas Sinchi
C.C. 1726220518
………………………………….
Karina Madeline Bracero Vallejo
C.C. 1724434970
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iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del trabajo de Titulación presentado por KARINA MADELINE
BRACERO VALLEJO y LORENA MARGARITA CÁRDENAS SINCHI, para
optar por el Grado de Ingeniera Química; cuyo título es: DISEÑO DE UNA PLANTA
DE OBTENCIÓN DE NITRÓGENO Y OXÍGENO LÍQUIDO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA, considero que dicho trabajo reúne los
requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la presentación pública y evaluación
por parte del tribunal examinador que se designe
En la ciudad de Quito, a los seis días del mes de febrero del año 2020.
………………………………….
Ing. Hugo Fernando Solís García, M. Sc.
DOCENTE-TUTOR
C.C. 1717151722
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iv
DEDICATORIA
A mi padre, por ser el sustento de mi familia, por ser un padre cariñoso, amoroso,
comprensivo, por darnos todo su apoyo, por dejarme su mejor herencia “los estudios”. A
él, que sin importar el cansancio o las noches de desvelo, todo sacrificio la hacía con el
mayor de los gustos diciendo “POR MIS HIJITOS”.
A mi madre, por renunciar a su vida y a sus sueños para que podamos cumplir los
nuestros, por todos sus cuidados, por estar siempre a nuestro lado. Gracias por ser una
madre ejemplar, por encaminarme por el camino del bien. Por ella soy la persona quien
soy.
A mis hermanos: Sabrina, Bryan y Fred por ser mi compañía, en especial a mi ñaña
Sabrina, por ser como una madre en estos tiempos difíciles.
A toda mi familia por ser mi alegría y a Dios por permitirme crecer junto a ustedes. Los
amo. Gracias por creer en mi cuando yo misma dudaba.
A mi querida Facultad, a todos los docentes y personal que trabajan arduamente. A mis
queridos maestros: Ing. Ghem Carvajal, Doc. Carolina Montero, Ing. Diego
Montesdeoca, Ing. Mario Calle, Ing. Hugo Solís, Ing. Andrés de la Rosa, los llevare
siempre en mi corazón. Gracias por sus enseñanzas, por formarme no solo como
profesional si no como persona. Gracias por compartir sus experiencias personales y
gracias por las bellas clases impartidas, fueron las mejores.
A mis queridas amigas quienes hicieron ameno el transcurrir del camino universitario:
Bri Aldaz, Bri Aguilar, Wen, Amy, Lore, Maricela, Dany y Pual. Gracias por hacerme
feliz.
A todos a quienes he conocido en esta maravillosa etapa.
Y a ti, Lore Margarita, por ser la mejor compañera que pude tener para elaborar esta tesis,
gracias por tu alegría, por tu positivismo, por tu lealtad, por tu carisma, gracias por hacerlo
posible, por el apoyo, por los bellos momentos que pasamos en este tiempo. Gracias por
tu amistad.
Karina M. Bracero V.
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v
Dedico esta tesis:
A mi madre por apoyarme, consolarme e inspirarme a ser mejor, gracias a usted he
cumplido esta meta, gracias a su cariño que me ayudo en todo momento, estoy tan feliz
de contar con usted, soy muy afortunada de haber nacido de una mujer tan dulce, sencilla
y amorosa, la amo con todo mi corazón.
A mi padre por su apoyo incondicional y sus consejos que siempre los tengo presentes, a
pesar de la distancia todo lo que he logrado es gracias a usted.
A mis hermanos Lobos, Wilson y Marco por siempre estar presentes en todo momento,
siempre han sido mi inspiración y le agradezco a la vida por haberme dado unos hermanos
como ustedes.
A mi hermana Ali por escucharme en los momentos buenos y malos, eres una gran mujer
que ha luchado en cada instante de la vida, gracias por ayudarme y darme un lugarcito en
la familia que formaste.
A mi pequeña Muriam por siempre tener una sonrisa al llegar a casa, fui muy feliz
mientras viví contigo, gracias mujercita te quiero mucho.
A Kari por haber compartido los aciertos y desaciertos en la realización de este trabajo,
gracias por ser un gran apoyo. Eres una gran persona te aprecio mucho y sé que alcanzarás
cosas grandes. ¡Lo logramos!
Lorena Margarita Cárdenas Sinchi
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vi
AGRADECIMIENTOS
A todas las personas que conforman nuestra querida Facultad de Ingeniería de Química,
cada momento ha sido único y especial, hemos encontrado compañeros y amigos de toda
la vida que han marcado un antes y un después. Juntos hemos transitado por este largo
camino en nuestra formación académica, su amistad alegró cada instante.
Al Ing. Hugo Solís por haber sido una guía en todo el camino de la realización de nuestro
trabajo.
Al Ing. Jorge López y Dr. Edward Jiménez, por brindarnos su ayuda y compromiso en
la realización de un trabajo de calidad.
A todos nuestros profesores que en su momento compartieron sus conocimientos, y en
varias ocasiones nos incentivaron a ser mejores profesionales.
Karina Bracero
Lorena Cárdenas
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vii
CONTENIDO
pág.
DERECHOS DE AUTOR....…………………………………………………………... II
APROBACIÓN DEL TUTOR…………………………………………………………III
DEDICATORIA………………………………………………………………………..IV
AGRADECIMIENTOS………………………………………………………………...VI
LISTA DE TABLAS .................................................................................................... XIII
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... XV
LISTA DE ANEXOS ................................................................................................. XVII
GLOSARIO ............................................................................................................... XVIII
RESUMEN .................................................................................................................. XIX
ABSTRACT .................................................................................................................. XX
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
1. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 5
1.1. El Aire .............................................................................................................. 5
1.1.1. Definición y composición ................................................................................. 5
1.1.2. Aplicaciones de los compuestos principales del aire........................................ 5
1.1.2.1. Aplicaciones del nitrógeno. ................................................................................. 5
1.1.2.2. Aplicaciones del oxígeno..................................................................................... 6
1.1.2.3. Aplicaciones del argón. ....................................................................................... 6
1.2. Técnicas de separación del aire ........................................................................ 7
1.2.1. Destilación criogénica. ..................................................................................... 7
1.2.2. Separación por membrana. ............................................................................. 10
1.2.3. Adsorción por cambio de presión. .................................................................. 11
1.3. Descripción de la Tecnología PSA. ................................................................ 11
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viii
1.3.1. Adsorción. ...................................................................................................... 11
1.3.2. Fundamentos del proceso de adsorción por cambio de presión . ................... 12
1.3.3. Separación de aire mediante adsorción por cambio de presión (PSA). .......... 14
1.3.3.1. Descripción del proceso de separación de aire mediante PSA. ......................... 15
1.3.3.2. Principales equipos del proceso de separación de aire mediante PSA. ............. 15
1.3.3.3. Condiciones de operación. ................................................................................. 16
1.3.3.4. Calidad de los productos obtenidos. .................................................................. 16
2. BASES Y CRITERIOS DE DISEÑO ............................................................ 17
2.1. Sistema de Unidades ....................................................................................... 17
2.2. Ubicación y Condiciones del Sistema ............................................................ 17
2.2.1. Ubicación Geográfica. .................................................................................... 17
2.2.2. Condiciones Meteorológicas. ......................................................................... 18
2.3. Capacidad de Diseño ...................................................................................... 19
2.3.1. Análisis de alternativas y selección de la tecnología. ..................................... 19
2.4. Códigos, normas y estándares aplicables ....................................................... 23
2.5. Planos Ingenieriles .......................................................................................... 24
2.6. Tratamiento de aire comprimido .................................................................... 24
2.7. Bases y criterios de diseño de los equipos de la planta .................................. 26
2.7.1. Compresor. ..................................................................................................... 26
2.7.1.1. Compresores de Tornillo. .................................................................................. 27
2.7.1.2. Número de etapas de compresión. ..................................................................... 28
2.7.1.3. Trabajo realizado por el compresor. .................................................................. 28
2.7.1.4. Presión Intermedia. ............................................................................................ 29
2.7.1.5. Temperatura de Salida. ...................................................................................... 29
2.7.1.6. Potencia eléctrica del compresor. ...................................................................... 30
2.7.1.7. Energía removida por el intercambiador de calor para enfriar el aire. .............. 30
2.7.2. Separador ciclónico. ....................................................................................... 31
2.7.2.1. Área del ducto. ................................................................................................... 34
2.7.2.2. Caída de presión. ............................................................................................... 34
2.7.3. Prefiltro. .......................................................................................................... 35
2.7.4. Secador frigorífico. ......................................................................................... 36
2.7.4.1. Flujo térmico transferido. .................................................................................. 38
2.7.4.2. Caída de presión. ............................................................................................... 38
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ix
2.7.5. Filtro micrónico. ............................................................................................. 39
2.7.6. Filtro submicrónico. ....................................................................................... 40
2.7.7. Filtro de carbón activado. ............................................................................... 40
2.7.8. Generador de nitrógeno PSA. ......................................................................... 40
2.7.8.1. Equilibrio-Isoterma de adsorción. ..................................................................... 40
2.7.8.2. Relleno de la columna. ...................................................................................... 41
2.7.8.3. Curvas de Ruptura. ............................................................................................ 42
2.7.8.4. Tiempo del soluto alimentado. .......................................................................... 42
2.7.8.5. Longitud de lecho no utilizado. ......................................................................... 43
2.7.8.6. Tiempo del punto de ruptura. ............................................................................ 43
2.7.8.7. Caída de presión en las columnas de adsorción. ............................................... 43
2.7.8.8. Diámetro del lecho............................................................................................. 43
2.7.9. Refrigerador criogénico. ................................................................................. 44
2.7.9.1. Principio de funcionamiento. ............................................................................. 44
2.7.9.2. Ecuaciones de Diseño. ....................................................................................... 45
2.7.10. Recipientes de almacenamiento...................................................................... 46
2.7.10.1. Almacenamiento de gases. .............................................................................. 46
2.7.10.2. Almacenamiento de líquidos criogénicos. ....................................................... 48
2.7.10.3. Sistemas de aislamiento de tanques refrigerados. ........................................... 50
2.7.10.4. Material de construcción. ................................................................................ 50
2.7.11. Tuberías. ......................................................................................................... 50
2.7.11.1. Velocidad de tuberías. ..................................................................................... 50
2.7.11.2. Diámetro interno de la tubería. ........................................................................ 50
2.7.11.3. Caída de presión de la tubería.......................................................................... 51
2.8. Sobre Diseño de Equipos ................................................................................ 52
2.9. Tiempo de Vida de la Planta........................................................................... 54
3. CÁLCULOS ................................................................................................... 55
3.1. Compresor……………………………...……………………………………56
3.1.1. Número de etapas de compresión ................................................................... 56
3.1.2. Trabajo realizado por el compresor ................................................................ 56
3.1.3. Presión Intermedia .......................................................................................... 57
3.1.4. Temperatura de Salida .................................................................................... 57
3.1.5. Potencia eléctrica del compresor .................................................................... 57
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x
3.1.6. Energía removida por el intercambiador de calor para enfriar el aire ............ 57
3.2. Separador ciclónico ........................................................................................ 58
3.2.1. Área del ducto ................................................................................................. 58
3.2.2. Caída de presión ............................................................................................. 59
3.3. Secador frigorífico .......................................................................................... 60
3.3.1. Cálculo del flujo térmico necesario para enfriar el aire y acondicionarlo. ..... 60
3.3.2. Cálculo del caudal nominal. ........................................................................... 61
3.3.3. Cálculo de la caída de presión. ....................................................................... 62
3.4. Generador de nitrógeno .................................................................................. 62
3.4.1. Curvas de Ruptura .......................................................................................... 63
3.4.2. Tiempo del soluto alimentado 𝒕 ∗ ................................................................... 64
3.4.3. Tiempo del punto de ruptura 𝒕𝒃 ..................................................................... 64
3.4.4. Longitud de lecho no utilizado 𝑳𝑼𝑩 .............................................................. 64
3.4.5. Diámetro del lecho.......................................................................................... 66
3.5. Refrigerador criogénico .................................................................................. 66
3.5.1. Cálculo del flujo térmico transferido por el nitrógeno. .................................. 66
3.5.2. Cálculo del flujo térmico transferido por el oxígeno. ..................................... 67
3.6. Recipientes de Almacenamiento .................................................................... 68
3.6.1. Cálculo del radio óptimo del recipiente. ......................................................... 68
3.6.2. Recipiente de almacenamiento de aire comprimido. ...................................... 68
3.6.2.1. Cálculo del espesor de las paredes del tanque. .................................................. 68
3.6.2.2. Cálculo del espesor de las cabezas del tanque. .................................................. 69
3.6.3. Recipientes de almacenamiento para aire comprimido limpio y seco,
nitrógeno gas y recipiente interno de nitrógeno líquido. ................................................ 69
3.6.3.1. Cálculo del espesor de las paredes del tanque. .................................................. 70
3.6.3.2. Cálculo del espesor de las cabezas del tanque. .................................................. 70
3.6.4. Recipientes de almacenamiento de oxígeno gas y recipiente interno de
oxígeno líquido. .............................................................................................................. 70
3.6.4.1. Cálculo del espesor de las paredes del tanque. .................................................. 71
3.6.4.2. Cálculo del espesor de las cabezas del tanque. .................................................. 71
3.6.5. Recipiente externo de nitrógeno y oxígeno líquido. ....................................... 72
3.6.5.1. Cálculo de la presión crítica. ............................................................................. 72
3.6.5.2. Cálculo del radio ................................................................................................ 72
3.6.5.3. Cálculo del espesor de las paredes. ................................................................... 72
-
xi
3.6.5.4. Cálculo del espesor de las cabezas. ................................................................... 73
3.7. Tuberías .......................................................................................................... 73
3.7.1. Diámetro interno de la tubería ........................................................................ 73
3.7.2. Caída de presión de la tubería......................................................................... 73
4. SIMULACIÓN ............................................................................................... 75
4.1. Paquete termodinámico Peng-Robinson ......................................................... 75
4.2. Condiciones iniciales para la simulación........................................................ 75
4.3. Consideraciones de simulación para los diferentes equipos ........................... 76
4.4. Especificación unitaria de los parámetros del proceso de separación del aire 77
4.5. Simulación del proceso de separación de nitrógeno y oxígeno del aire ......... 78
5. ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD ECONÓMICA ................................... 79
5.1. Estimación de costos Clase V. ........................................................................ 79
5.2. Rentabilidad económica del proyecto............................................................. 79
5.2.1. Valor presente neto (VPN). ............................................................................ 79
5.2.2. Tasa de retorno (TIR). .................................................................................... 80
5.2.3. Periodo de recuperación de la inversión. ........................................................ 80
5.3. Análisis del Riesgo de Variación de la Tasa de Interés. ................................. 81
5.3.1. Duración. ........................................................................................................ 81
5.3.2. Duración Modificada. ..................................................................................... 81
5.3.3. Convexidad. .................................................................................................... 82
5.4. Estimación del costo total del capital del proyecto. ....................................... 82
5.4.1. Precios referenciales de los equipos principales............................................. 83
5.4.2. Estimado de costos directos, indirectos y del capital de trabajo. ................... 85
5.4.3. Costos de operación ........................................................................................ 86
5.5. Flujo de efectivo neto ..................................................................................... 88
5.5.1. Cálculo del VPN. ............................................................................................ 89
5.5.2. Cálculo del TIR. ............................................................................................. 89
5.5.3. Estimación del periodo de recuperación de la inversión. ............................... 89
5.5.4. Cálculo de la duración .................................................................................... 89
5.5.5. Cálculo de la duración modificada ................................................................. 89
5.5.6. Cálculo de la convexidad ................................................................................ 89
6. DESCRIPCIÓN Y FILOSOFÍA DE OPERACIÓN ...................................... 91
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xii
6.1. Descripción del Proceso ................................................................................. 91
6.2. Filosofía de Operación y Control ................................................................... 92
7. RESULTADOS .............................................................................................. 97
7.1. Resultados del cálculo del compresor de tornillo G-110A/B ......................... 97
7.2. Resultados del cálculo del separador ciclónico H-220 ................................... 98
7.3. Resultados del Cálculo del Secador Frigorífico B-240 .................................. 99
7.4. Resultados del cálculo del Generador de nitrógeno D-310A/B ..................... 99
7.5. Resultados del Cálculo del Refrigerador Criogénico X-420A/B ................. 100
7.6. Resultados del Cálculo de los Recipientes de Almacenamiento F-210, F-280,
F-320, F-330, F-430 y F-440. ....................................................................................... 101
7.7. Resultados del Cálculo del Diseño de Tuberías ........................................... 101
7.8. Factibilidad tecnológica, estratégica y económica ....................................... 102
8. DISCUSIÓN ................................................................................................. 103
9. CONCLUSIONES ........................................................................................ 107
10. RECOMENDACIONES .............................................................................. 109
BIBLIOGRÁFIA .......................................................................................................... 110
ANEXOS ...................................................................................................................... 114
-
xiii
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Composición del aire en porcentaje en volumen y peso. ................................... 5
Tabla 2. Condiciones de operación de un ciclo PSA ...................................................... 16
Tabla 3. Pureza de los productos obtenidos con la tecnología PSA ............................... 16
Tabla 4. Sistema de Unidades de Medición ................................................................... 17
Tabla 5. Condiciones meteorológicas de la ciudad de Quito ......................................... 18
Tabla 6. Demanda de Nitrógeno y Oxígeno en los laboratorios académicos y de
investigación de la Universidad Central del Ecuador. .................................................... 19
Tabla 7. Análisis de alternativas de los métodos de separación de aire atmosférico. .... 20
Tabla 8. Comparación de tecnologías empleadas para la separación de aire. ................ 22
Tabla 9. Normas para la selección y diseño de equipos ................................................. 24
Tabla 10. Normas y planos de ingeniería (ISO e ISA) ................................................... 24
Tabla 11. Requisitos de calidad de aire comprimido según la norma ISO8573-1:2010 25
Tabla 12. Eficiencias aproximadas de un motor eléctrico. ............................................. 30
Tabla 13. Factores de corrección del caudal nominal .................................................... 39
Tabla 14. Velocidades recomendadas en tuberías. ......................................................... 50
Tabla 15. Factor de sobre diseño de los equipos de la planta de separación de aire ...... 53
Tabla 16. Propiedades fisicoquímicas del aire atmosférico a las condiciones de diseño 55
Tabla 17. Propiedades fisicoquímicas del aire comprimido a las condiciones de diseño
........................................................................................................................................ 58
Tabla 18. Dimensiones del ciclón de alta eficiencia ...................................................... 59
Tabla 19. Datos para el diseño del secador frigorífico ................................................... 60
Tabla 20. Factores de corrección del caudal nominal para las condiciones de operación.
........................................................................................................................................ 61
Tabla 21. Condiciones de operación para la separación del nitrógeno a partir del aire. 62
Tabla 22. Propiedades fisicoquímicas del aire comprimido y seco a las condiciones de
diseño .............................................................................................................................. 62
Tabla 23. Resumen del rendimiento de la columna para la producción de N2 a partir del
aire utilizando empaquetadura CMS a diversas presiones de trabajo. ........................... 63
-
xiv
Tabla 24. Datos obtenidos a partir de la extrapolación de la curva de avance de adsorción
del oxígeno en el CMS ................................................................................................... 65
Tabla 25. Datos para el diseño del crioenfriador de nitrógeno. ...................................... 67
Tabla 26. Datos para el diseño del crioenfriador de oxígeno ......................................... 67
Tabla 27. Datos para el diseño de recipientes de almacenamiento de aire comprimido 68
Tabla 28. Datos para el diseño de recipientes de almacenamiento de aire comprimido
limpio y seco, nitrógeno gas y recipiente interno de nitrógeno líquido. ........................ 69
Tabla 29. Datos para el diseño de recipientes de almacenamiento de oxígeno gas y
recipiente interno de oxígeno líquido. ............................................................................ 71
Tabla 30. Datos para el diseño del recipiente externo de nitrógeno y oxígeno líquido. . 72
Tabla 31. Condiciones iniciales del aire ......................................................................... 75
Tabla 32. Consideraciones para la simulación de los equipos ....................................... 76
Tabla 33. Especificaciones de los parámetros del proceso de separación del aire ......... 77
Tabla 34. Precios referenciales de los equipos principales y costo total de los equipos 84
Tabla 35. Factores típicos para el costo de capital basado en los costos de equipos
entregados y costo estimados. ........................................................................................ 85
Tabla 36. Potencia consumida de la planta..................................................................... 86
Tabla 37. Costo de energía en el Ecuador. ..................................................................... 86
Tabla 38. Flujo de efectivo neto ..................................................................................... 88
Tabla 39. Resultados del diseño del compresor de tornillo lubricado ............................ 97
Tabla 40. Caída de presión en el ciclón de alta eficiencia .............................................. 98
Tabla 41. Resultados del cálculo del secador frigorífico B-240..................................... 99
Tabla 42. Resultados del cálculo de la columna de adsorción D-310A/B ..................... 99
Tabla 43. Resultados del cálculo del refrigerador criogénico X-420A/B .................... 100
Tabla 44. Resultados del cálculo de los recipientes de almacenamiento. .................... 101
Tabla 45. Factibilidad tecnológica, estratégica y económica ....................................... 102
-
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Diagrama de la separación del aire mediante un sistema de destilación
criogénica.......................................................................................................................... 9
Figura 2. Proceso de separación del aire por un sistema de membrana. ........................ 10
Figura 3. Ciclo de Skarstrom: dos camas seis etapas. ................................................... 13
Figura 4. Esquema del proceso de separación de aire mediante PSA. ........................... 15
Figura 5. Ubicación geográfica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad
Central del Ecuador ........................................................................................................ 18
Figura 6. Selección de tecnologías de separación del aire en función de la capacidad de
producción y pureza del gas nitrógeno. .......................................................................... 23
Figura 8. Rangos de operación de compresores comerciales. ........................................ 26
Figura 8. Componentes de un compresor de tornillo rotativo con inyección de aceite. . 27
Figura 9. Curva de rendimiento, ciclón de alta eficiencia. ............................................. 32
Figura 10. Curva de rendimiento, ciclón de alto rendimiento. ....................................... 32
Figura 11. Dimensión estándar del ciclón. (a) Ciclón de alta eficiencia. (b) Ciclón de alto
rendimiento. .................................................................................................................... 33
Figura 12. Factor de Caída de presión del ciclón. .......................................................... 35
Figura 13. Secadores de aire comprimido BOGE .......................................................... 36
Figura 14. Esquema de un secador frigorífico. ............................................................... 37
Figura 15. Tasa fraccional de oxígeno y nitrógeno en tamiz molecular de carbono. ..... 41
Figura 16. Esquema del equipo de refrigeración criogénica. ......................................... 44
Figura 17. Principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración Gifford-McMahon. 45
Figura 18. Dimensiones principales de una cabeza toriesférica. .................................... 47
Figura 19. Curvas de avance parcial para la adsorción de oxígeno en CMS en la columna
para presiones de trabajo: (●) 25 psig, (▲) 50 psig y (■)75psig. .................................. 63
Figura 20. Extrapolación de la curva de avance parcial para la adsorción de oxígeno en
CMS en la columna para (♦)100psig. ............................................................................. 65
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Figura 21. Esquema de simulación del proceso de separación del aire ......................... 78
Figura 22. Gráfica de la variación del precio del bono n función de cambios en la TIR 90
Figura 23. Diseño del ciclón propuesto. ......................................................................... 98
-
xvii
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. EQUIPOS RECOMENDADOS POR BOGE PARA EL SISTEMA DE
PURIFICACIÓN DE AIRE COMPRIMIDO EN BASE A LA NORMA ISO8573-
1:2010 ........................................................................................................................... 114
ANEXO B. MATERIALES DE DISEÑO PARA RECIPIENTES DE
ALMACENAMIENTO DE BAJA PRESIÓN ............................................................. 115
ANEXO C. MATERIALES DE DISEÑO PARA RECIPIENTES DE
ALMACENAMIENTO DE LÍQUIDOS CRIOGÉNICOS .......................................... 116
ANEXO D. BALANCE DE MASA A LAS CONDICIONES DE DISEÑO .............. 117
ANEXO E. BALANCE DE MASA A LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN ...... 118
ANEXO F. LÍNEAS DE TUBERÍA ............................................................................ 119
ANEXO G. NOMENCLATURA DE VÁLVULAS .................................................... 121
ANEXO H. FLUJOS DE EFECTIVO NETO Y ACUMULADOS PARA UN
PERIODO DE 5 AÑOS, VPN, TIR Y PERIODO DE RECUPERACIÓN DE LA
INVERSIÓN. ................................................................................................................ 123
ANEXO J. ANÁLISIS DE RIESGO ............................................................................ 124
ANEXO K. PLANO DE SIMBOLOGÍA .................................................................... 125
ANEXO L. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO (PFD) ................................... 126
ANEXO M. DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL (P&ID) ......... 127
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xviii
GLOSARIO
PSA Pressure swing adsorption (Adsorción por cambio de presión)
TSA Temperature swing adsorption (Adsorción por cambio de temperatura)
CSA Concentration swing adsorption (Adsorción por cambio de concentración)
CMS Carbon molecular sieve (Tamiz molecular de carbono)
ACFM Actual cubic feet per hour (Pies cúbicos actuales por hora)
PDP Pressure dew point (Presión en el punto de rocío)
VPN Valor presente neto
TIR Tasa interna de retorno
FOB Free on board (libre de envío)
a.u. Adimentional units (Unidades adimensionales)
BDV Blown down valve (Válvula de cierre)
PSV Pressure safety valve (Válvula de seguridad de presión)
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xix
TITULO: Diseño de una planta de obtención de nitrógeno y oxígeno líquido para la
Facultad de Ingeniería Química.
Autoras: Karina Madeline Bracero Vallejo
Lorena Margarita Cárdenas Sinchi
Tutor: Hugo Fernando Solís García
RESUMEN
Diseño de una planta de separación de aire para la obtención de nitrógeno y oxígeno
líquido en la facultad de Ingeniería Química, para suplir la demanda de estos compuestos
en los Laboratorios Académicos y de Investigación de la Universidad Central del
Ecuador. Para el diseño de la planta se estimó la demanda de nitrógeno y oxígeno en los
diferentes laboratorios y se proyectó este consumo a futuro. Se prosiguió con un análisis
de alternativas, considerando las siguientes tecnologías de separación: destilación
criogénica, adsorción por cambio de presión (PSA) y separación por membrana. Se
seleccionó la tecnología PSA a partir de una evaluación de factores técnicos y
económicos. Con la tecnología seleccionada se realizó el diseño y la simulación del
proceso en un software comercial. A partir de la simulación se obtuvo el balance de masa
y energía de las diferentes corrientes del proceso, en base a esta información y a los
criterios de diseño se dimensionó los equipos de procesos principales. A continuación, se
realizó el diagrama de tuberías e instrumentos (P&ID) de la planta y finalmente se hizo
un estudio de prefactibilidad económica clase V. La planta diseñada en el presente
proyecto de investigación permite obtener nitrógeno y oxígeno líquido con una pureza
del 99, 9% y 58% respectivamente. La inversión inicial para la construcción de la planta
con capacidad de 73,54 kg/h de nitrógeno líquido es de $1.223.678 USD, con un tiempo
estimado de recuperación de la inversión de 2,6 años y una generación de ganancias
anuales de $951.251 USD.
PALABRAS CLAVE: AIRE ATMOFÉRICO/ ADSORCIÓN POR CAMBIO DE
PRESIÓN/ LICUEFACCIÓN DE GASES/ NITRÓGENO LÍQUIDO/ OXÍGENO
LÍQUIDO/ PROCESO CRIOGENICO
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xx
TITLE: Design of a plant to obtain nitrogen and liquid oxygen in the Chemical
Engineering Faculty.
Authors: Karina Madeline Bracero Vallejo
Lorena Margarita Cárdenas Sinchi
Tutor: Hugo Fernando Solís García
ABSTRACT
Design of an air separation plant to obtain nitrogen and liquid oxygen in the Chemical
Engineering Faculty, to supply the demand for these compounds in the Academic and
Research Laboratories of the Central University of Ecuador. For the design of the plant,
the demand of nitrogen and oxygen in the different laboratories was estimated, and this
consumption was projected for the future. It has been made an analysis of alternatives
considering the following separation technologies: cryogenic distillation, pressure swing
adsorption (PSA) and membrane separation. PSA technology was selected by an
evaluation of technical and economic factors. Moreover, the design and simulation of the
process was carried out by a commercial software. The mass and energy balance of every
process currents was obtained from the simulation. The obtained information and design
criteria was used to size the equipment of main processes. Later on, it made a piping and
instrument diagram of the plant, finally class v economical prefactibility was done. This
designed plant allows to have liquid oxygen and nitrogen with a purity of 99,9 % and 58
% respectively. The initial invertion to build the plant with a capacity of 73,54 kg/h of
liquid nitrogen is $1.223.678 USD, it has an estimated time to recogain the invertion of
2,6 years and annual earnings generation of $ 951,251 USD.
KEYWORDS: ATMOFERIC AIR/ PRESSURE SWING ADSORTION/ GAS
LICUEFACTION/ LIQUID NITROGEN/ LIQUID OXYGEN/ CRIOGENIC PROCESS
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1
INTRODUCCIÓN
La producción de gases industriales (oxígeno, nitrógeno, argón, etc.) a partir del aire es
una actividad de enorme importancia económica debido a la amplia aplicación de estos
gases en diversas industrias. (Clavería, Lozano, & Hombrados, 2001).
Se utilizan grandes cantidades de productos de aire de alta pureza en industrias como la
del acero, química, semiconductores, aeronáutica, refinación, procesamiento de alimentos
y medicina. (Amarkhail, 2009)
“El aire es una mezcla de gases que consiste principalmente en nitrógeno (78%), oxígeno
(21%) y argón (0,9%). El 0.1% restante está compuesto principalmente de dióxido de
carbono y de los gases inertes: neón, helio, criptón y xenón.” (Amarkhail, 2009, p.3)
El nitrógeno gaseoso se usa en las industrias química, electrónica, del petróleo y los
metales por sus propiedades inertes. El nitrógeno líquido se utiliza en aplicaciones que
van desde la molienda criogénica de plásticos hasta la congelación de alimentos.
Los mercados más grandes para el oxígeno se encuentran en la producción de metales
primarios, productos químicos, productos de arcilla, vidrio, concreto, gasificación,
refinerías de petróleo y soldadura, además es ampliamente utilizado en el ámbito médico.
El argón, el tercer componente principal del aire, encuentra usos como material inerte
principalmente en soldadura, fabricación de acero, tratamiento térmico y en los procesos
de fabricación de productos electrónicos. (Amarkhail, 2009)
-
2
“El aire atmosférico es la materia prima necesaria para la mayor parte de los procesos
comerciales de producción de oxígeno, nitrógeno y argón, se encuentra libre y fácilmente
disponible en su forma natural” (Expósito, 2017, p.28), sin embargo, se necesita un
requerimiento energético intensivo para separar el aire en sus componentes.
Industrialmente el aire se separa por tres procesos básicos: separación por membranas,
adsorción por cambio de presión (PSA) y destilación criogénica.
Los sistemas de separación por membranas operan bajo el principio de permeación
selectiva de gases a través de una membrana. Los sistemas disponibles comercialmente
usan membranas de fibra hueca fabricadas de polímeros tales como polisulfonas,
poliamidas y policarbonatos que permean el oxígeno más rápido que el nitrógeno a través
de un mecanismo de disolución-difusión. . Al respecto del proceso de separación por
membrana ()
El aire se comprime y pasa a través de una serie de filtros para eliminar el exceso de vapor
de agua, así como cualquier impureza. A continuación, se calienta el aire hasta la
temperatura óptima de proceso para el polímero dado (normalmente 40 – 60ºC) y se
alimenta axialmente hacia el centro de miles de fibras huecas empaquetadas en una
configuración tubo y carcasa. Los gases se concentran durante su paso por las fibras y se
recogen como producto. (p.31) (Expósito, 2017)
El proceso de adsorción por cambio de presión depende de la selectividad, es decir, de la
diferencia en la afinidad de la superficie para diferentes componentes. Las moléculas del
gas son atraídas por la superficie del adsorbente donde se concentran y son eliminadas de
la fase gas. Estos materiales adsorbentes (zeolitas, carbón activo, sílica gel) actúan como
tamices moleculares adsorbiendo su gas objetivo en un proceso de alta presión,
posteriormente el proceso cambia a baja presión para realizar el proceso inverso, la
desorción, que permite la regeneración de la columna (Expósito, 2017). Los procesos
PSA se basan en el hecho de que los gases tienden a ser atraídos hacia superficies o
adsorbidos cuando se encuentran bajo presión, es decir, cuanto mayor es la presión, más
gas es adsorbido y cuando la presión se reduce el gas es liberado o desorbido. (Fernández,
2014)
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3
La destilación criogénica se utiliza principalmente para la obtención de nitrógeno,
oxígeno y argón en cantidades elevadas (>100 Tm/día), ya sea como producto líquido o
gaseoso, o bien cuando se requiere una alta pureza de oxígeno (>95%) o producir argón.
Todos los procesos criogénicos están basados en la compresión del aire y su posterior
enfriamiento a temperaturas muy bajas, para conseguir su licuefacción parcial. Esto
permite su destilación criogénica (basada en el fenómeno de que cada uno de los
componentes puros del aire licúa a temperaturas diferentes) para separar el/los
productos/s deseados en una columna de etapas múltiples. (Clavería, Lozano, &
Hombrados, 2001)
La mayoría de las fuentes de oxígeno y nitrógeno comercial están basadas en la
separación criogénica del aire, siendo esta la mejor alternativa a pesar de su elevado costo,
ya que permite obtener grandes cantidades de N2 y O2 a purezas de hasta el 99,99%. En
la actualidad la técnica que se lleva a cabo en las plantas de separación de aire, (ASU por
sus siglas en inglés, air separation unit) es la doble columna para la separación principal
de oxígeno y nitrógeno más una columna adicional para la obtención de una corriente de
argón puro. (Cerrada, 2017)
Hasta la década de 1950, la demanda de nitrógeno era baja. El suministro podía
satisfacerse fácilmente retirando una porción de vapor de nitrógeno de la parte superior
de la columna de alta presión como coproducto de un proceso de doble columna para la
producción de oxígeno. En la década de 1960, la demanda industrial de nitrógeno
aumentó, y esto llevó a la necesidad del diseño de plantas exclusivas para nitrógeno sin
coproducción de oxígeno. Para la mayoría de las aplicaciones, se requiere producto de
nitrógeno a una presión entre 6 y 10 atm. (Ageawal & Herron, 2000)
Hoy en día, las principales empresas industriales que suministran productos de destilación
y licuefacción de aire y también los equipos para este propósito son: Linde (Alemania),
Air Liquide (Francia), Nippon Sanso (Japón), Air Products & Chemicals (EE. UU.) y
Messer Group (Alemania).
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4
Los gases atmosféricos licuados, incluidos el nitrógeno, el oxígeno y el argón, están
encontrando cada vez más usos en la industria. Tales gases atmosféricos licuados
proporcionan capacidades criogénicas para diversos procesos industriales y son más
económicos de transportar en el suministro comercial. (United State of America Patente
nº US 9,726,427 B1, 2017)
La Universidad Central del Ecuador dispone de una serie de laboratorios de Investigación
y Académicos, en los que se emplea nitrógeno principalmente como gas portador en
cromatografía, en equipos de laboratorio como es el caso del calorímetro diferencial de
barrido (DSC) entre otros, y oxígeno para la combustióngas. Para suplir las necesidades
y requerimientos de estos gases se diseñó una planta de producción de nitrógeno de alta
pureza (99,9%), y oxígeno líquido al 58%, como corriente secundaria del proceso
utilizando aire atmosférico como materia prima. Para el diseño se consideró la factibilidad
tecnológica, económica y estratégica.
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5
1. MARCO TEÓRICO
1.1. El Aire
1.1.1. Definición y composición
El aire es una mezcla gaseosa incolora, insípida e inodora; que presenta en su mayor
composición nitrógeno y oxígeno, estos gases tienen una amplia aplicación industrial y
pueden ser separados por diferentes métodos. En la Tabla 1 se presenta de manera
detallada la composición del aire puro en base seca. (Yarke, 2005)
Tabla 1. Composición del aire en porcentaje en volumen y peso. (Yarke, 2005)
Componente Fórmula Porcentaje en volumen,
(% )
Porcentaje en peso, (
kg)
Oxígeno O2 20,98 23,2
Nitrógeno N2 78,03 75,5
Argón Ar 0,93 1,29
Neón Ne 0,00124 8,50E-04
Helio He 4,08E-04 5,60E-05
Criptón Kr 4,90E-06 1,41E-05
Xenón Xe 5,90E-07 2,66E-06
Anhídrido
carbónico CO2 4,00E-02 0,05
1.1.2. Aplicaciones de los compuestos mayoritarios del aire
1.1.2.1. Aplicaciones del nitrógeno. Se lo emplea por lo general a purezas mayores de
99,8 %. Ortuño (1999) y Parker (2012), señalan las siguientes aplicaciones para el
nitrógeno:
Fabricación de amoniaco y cianamida cálcica.
Agente frigorífico
Inertización de corrientes de purga para la eliminación de insectos y sus larvas.
Separación de hidrógeno del gas de coquería.
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6
El nitrógeno gas se emplea para desplazar el aire en procesos de almacenamiento y
envasado, permitiendo reducir el contenido de oxígeno a niveles que generan la
eliminación de bacterias.
El nitrógeno en estado gaseoso se utiliza para transportar líquidos inflamables y
polvos, debido a su propiedad no oxidante, por lo cual genera beneficios adicionales como
la eliminación de explosiones y fuego que están asociadas con el transporte de estos
fluidos.
Formación de microburbujas en cremas y ciertos postres, mediante la adición de
nitrógeno gas, incrementando así el volumen y mejorando la textura. Además, el
nitrógeno previene la oxidación del producto y no afecta al sabor.
Caracterización de sólidos en análisis BET.
1.1.2.2. Aplicaciones del oxígeno. Presenta aplicaciones variadas a nivel industrial, que
en su gran mayoría se debe a su carácter oxidante, por lo cual se lo utiliza como
comburente en hornos. Caselles, Gómez, Molero & Sardá (2015), Ortuño (1999), indican
que el oxígeno presenta las siguientes aplicaciones:
Tostación de minerales sulfurados
Fabricación de vidrios y materiales cerámicos
Procesos de oxidación en síntesis orgánicas e inorgánicas
Gasificación de carbones
El oxígeno líquido se utiliza como comburente en propulsores de cohetes espaciales
El oxígeno con una pureza mayor al 99,5% se alimenta a sopletes de soldadura y
corte de metales.
1.1.2.3. Aplicaciones del argón. Es un gas altamente no reactivo al igual que el
nitrógeno, se lo emplea como capa protectora para evitar la oxidación de sustancias. La
corporación Air Products and Chemicals (2012) y Grupo INFRA (2001), señalan las
siguientes aplicaciones para este gas:
Protección de metales para la prevención de la oxidación durante el proceso de
soldadura (MIG-MAG, TIG, plasma y laser).
Empleado como gas de cubierta para la protección de toberas.
Eliminación de impurezas en procesos de refinación.
Llenado de bombillas junto con otros gases para la obtención de colores especiales.
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Fabricación de semiconductores y circuitos.
Detección de explosivos.
Cromatografía de gases.
Aislante térmico.
Gas de arrastre para reactores de laboratorio.
1.2. Técnicas de separación del aire
La obtención de los componentes individuales del aire se produce por diversos métodos,
en el presente proyecto tecnológico se plantean las tres principales técnicas de separación
del aire: destilación criogénica, separación por membrana y adsorción por cambio de
presión.
1.2.1. Destilación criogénica. La destilación se fundamenta en la producción de vapor
a través de la ebullición de una mezcla líquida, en el sistema se produce un equilibrio de
fases, líquido y vapor. El vapor generado asciende por la columna enriqueciéndose del
componente más volátil, mientras que el líquido desciende por la columna
enriqueciéndose de los componentes menos volátiles. El vapor sale y se condensa
permitiendo la separación de componentes de la mezcla líquida. (McCabe, Smith &
Harriot, 2011)
El proceso de destilación del aire empieza con la purificación del aire atmosférico
mediante un sistema de filtrado, con lo cual se consigue la eliminación de partículas
gruesas. Se prosigue con una compresión del aire, European Industrial Gases Association
(EIGA, 2013), plantea que la compresión puede estar en un rango de 4-10 atm y el aire
debe enfriarse hasta la temperatura ambiente, luego de haberse calentado por el proceso
de compresión.
Posterior el aire debe pasar por un sistema de purificación, a pesar de estar filtrado
contiene contaminantes cómo: agua, dióxido de carbono e hidrocarburos pesados, estos
se eliminan mediante una columna de adsorción de carbón activado. La corriente de aire
pasa a un intercambiador de calor, este lo enfría hasta una temperatura cercana a su
temperatura de licuefacción e ingresa a la columna de destilación de alta presión, esta
columna opera normalmente a una presión aproximada de 5 bar, por la cabeza se obtiene
nitrógeno líquido a concentraciones del 99,99 % mientras que por el fondo se obtiene
oxígeno líquido a una pureza del 40 %. Para la separación del argón se emplea una
segunda columna de baja presión que opera a una presión aproximada de 1 bar, como
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corriente de alimentación ingresa una corriente de oxígeno al 40 %, por la cabeza de la
columna se obtiene argón a una concentración entre el (95-98) % de pureza y por el fondo
sale oxígeno puro.
Para este tipo de tecnologías el costo de inversión es alto comparado con otras
tecnologías, pero ell volumen de producción es alto, con caudales mayores a 50.000 m3/h
de nitrógeno. (Cerrada, 2017)
El proceso de separación se visualiza en la Figura 1.
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Figura 1. Diagrama de la separación del aire mediante un sistema de destilación criogénica. (LINDE, 2007)
Compresión del aire
Filtro
Bomba de agua
Evaporación fría
Turbina de
expansión
Separador
de líquidos
Sub-
enfriador
Intercambiador
de calor Unidad de tamiz
molecular Columna de baja
presión
Columna de alta
presión
Condensador/
reboiler
Columna de
argón crudo
Columna de
argón puro
Oxígeno gaseoso
Nitrógeno gaseoso
Oxígeno líquido
Nitrógeno líquido
Argón líquido
LAR
2. Aire acondicionado y purificación 1. Compresión del aire 4. Refrigeración & compresión 6. Rectificación criogénica de argón 3. Intercambio de calor 5. Rectificación criogénica del aire
Bomba
criogénica
Bomba criogénica
HP Inter-
cambiador
de calor
AIRE
Impuro GAN
Compresor de refuerzo de
aire
GOX
GAN
LOX
LIN
LAR
LIN
LOX
GAN
GOX
-
10
1.2.2. Separación por membrana. La separación por membrana es una tecnología de
separación emergente, debido a que necesita de un menor costo de capital y energía a
diferencia de otras tecnologías de separación. La separación se fundamenta en la
diferencia de difusividad y solubilidad de los diferentes gases contenidos en la corriente
gaseosa. Mediante esta tecnología se puede generar un aproximado de 10 a 25 toneladas
de oxígeno por día con una pureza del 25 al 40%. (Chong, Thiam, Teoh & Heng, 2016)
Para la separación del aire, ingresa una corriente de aire limpio y seco al módulo de
membrana y separa al nitrógeno y oxígeno. El oxígeno sale de la membrana por la parte
superior, también llamado permeado, debido a su alta difusividad, ya que tiene un tamaño
de molécula más pequeño que el nitrógeno, por lo cual la mayoría de los materiales de la
membrana son más permeables al oxígeno que a otros gases, mientras que el nitrógeno y
argón es retenido en la membrana, conocido como retenido. (Smith & Klosek, 2001)
Los sistemas basados en módulos de membrana operan a presiones de entrada de aire de
60 a 189 psig, mientras mayor es la presión de entrada de aire, más nitrógeno y oxígeno
enriquecen el gas que se puede producir a partir de una fibra determinada. La presión y
la temperatura a las cuales la fibra se comprime y el tiempo que el aire tiene que
permanecer dentro de la fibra, determina la pureza del nitrógeno. Con esta tecnología se
puede proporcionar nitrógeno gas con una pureza que varía del 95% al 99,9%. (Parker,
2016). En la Figura 2 se aprecia el esquema del proceso de separación de aire por
membrana.
Figura 2. Proceso de separación del aire por un sistema de membrana. (EVONIK
INDUSTRIES)
Aire Compresor Enfriador Separador de niebla
Filtro de
carbón
Filtro de
polvo
Calentador
Medidor
de O2 Producto
N2
Separador
de drenaje
Separador
de N2
Gas enriquecido
de O2
Separación de Nitrógeno
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1.2.3. Adsorción por cambio de presión. La adsorción por cambio de presión (PSA por
sus siglas en inglés) es un proceso no-criogénico de separación de aire. Este proceso
consiste en la adsorción del gas objetivo (N2, O2) sobre un medio adsorbente selectivo,
que se encuentra relleno en una columna de gas de alta presión. (Chong, Lai, Thiam,
Teoh, & Heng, 2016).
El presente trabajo se desarrolla en base a la tecnología de adsorción por cambio de
presión, esta tecnología ha sido seleccionada después de realizar el análisis de alternativas
que se detalla en el CAPÍTULO 2 BASES Y CRITERIOS DE DISEÑO.
1.3. Descripción de la Tecnología PSA.
1.3.1. Adsorción. “La adsorción es un fenómeno en el que uno o más componentes de
un fluido (adsorbato) se transfieren, mediante un proceso de separación selectiva, hacia
la superficie de un sólido (adsorbente).” (Nilchan, 1997, p.16)
El proceso de separación selectiva ocurre debido a las fuerzas de atracción entre las
moléculas del fluido y de la superficie sólida, y su intensidad depende de la naturaleza de
ambas fases. Si las moléculas de las fases fluida y sólida están unidas por fuerzas
relativamente débiles como las de Van Der Waals, se habla de una adsorción física
(fisisorción). Mientras que, si la intensidad de las fuerzas es mayor, debido a la formación
de enlaces químicos, se trata de una adsorción química (quimisorción). “Como señaló
Ruthven (1994), la adsorción física es más útil para desarrollar procesos prácticos de
adsorción periódica, ya que es más fácil revertir la adsorción (es decir, regenerar la fase
sólida original) manipulando las condiciones de operación externas.” (apud Nilchan,
1997, p.16).
Nichalsan (1997), indica que los métodos más comunes para regenerar la fase sólida son:
1) Incremento de la temperatura, proceso conocido como adsorción por cambio de
temperatura (TSA por sus siglas en inglés).
2) Reducción de la presión parcial del adsorbato en la fase gas, proceso conocido como
adsorción por cambio de presión (PSA),
3) Variación de la concentración, proceso conocido como adsorción por cambio de
concentración (CSA), que permite manipular la presión y temperatura, y se utiliza
generalmente cuando el fluido es un líquido.
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De entre estos métodos el que se prefiere es el PSA ya que presenta menor tiempo de
operación en comparación al TSA y CSA.
1.3.2. Adsorción por cambio de presión PSA. “En un proceso de PSA, el adsorbente
adsorbe las especies preferenciales de una mezcla de gases, que luego se desorden por
reducción de presión.” (Jain, Moharir, & Wozny, 2003, p.25)
El concepto base del proceso de adsorción por cambio de presión (PSA) apareció ya en
los años 30, sin embargo, se hizo conocido por los trabajos de Skarstrom y Guerin de
Montgareuil y Domine durante la década de los 50’s. En sus trabajos se consideraba un
proceso de adsorción periódico de dos columnas basado en adsorción por cambio de
presión, que operaba en ciclos de tres o cuatro etapas. El ciclo de tres etapas denominado
ciclo de cambio de presión temprana consistía en: presurización de la alimentación,
liberación del producto y despresurización. El ciclo de cuatro etapas, denominado ciclo
de Skarstrom, es una modificación del ciclo de cambio de presión temprana que incluye
una etapa de purga después de la etapa de despresurización. (Nilchan, 1997)
Cassidy y Holmes (1984), Ruthven (1984), Ruthven et al. (1994) y Yang (1987) señalan
que se han propuesto varias modificaciones del sistema PSA adicionando etapas como la
despresurización en paralelo y la ecualización de presión, con el objetivo de mejorar el
rendimiento del sistema.
El sistema PSA modificado que se prefiere en la actualidad es el de dos camas y seis
etapas (ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.¡Error! No se encuentra
el origen de la referencia.) que incluye dos pasos de ecualización de presión y reemplaza
la etapa de purga por la de desorción, al ciclo original de Skarstrom. Estas modificaciones
mejoran la recuperación del producto y reducen la cantidad de energía requerida para la
etapa de presurización. (Nilchan, 1997)
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Depre
suri
zaci
ón
Deso
rció
n
Ecual
izac
ión d
e
pre
sio
nes
Pre
suri
zació
n
Ad
sorc
ión
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suri
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Ad
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Ecual
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pre
sio
nes
Depre
suri
zaci
ón
Deso
rció
n
Ecual
izac
ión d
e
pre
sio
nes
ProductoProducto
Cam
a 1
Cam
a 2
Purga Purga
Purga Purga
Figura 3. Ciclo de Skarstrom: dos camas seis etapas. (Nilchan, 1997)
Nilchan (1997) señala que el ciclo Skarstrom modificado de dos camas y seis etapas
comprende los siguientes pasos:
1. Presurización. El lecho 1 se presuriza con el gas de alimentación en el extremo
de alimentación del lecho mientras el producto final está cerrado. Al mismo
tiempo, el lecho 2 se sopla a la presión de funcionamiento más baja. (generalmente
atmosférica).
2. Adsorción. La alimentación de alta presión se alimenta al lecho 1 donde el
componente difuso más rápido es adsorbido en las partículas sólidas, dejando el
componente difuso más lento como un producto en el flujo de salida. Se abre el
producto final y se retira. Al mismo tiempo, la cama 2 está desorbida.
3. Primera igualación de presión. Los extremos de alimentación y producto de
las dos camas están conectados entre sí para garantizar una transferencia rápida
de gas.
4. Despresurización. La presión en el lecho 1 se reduce a baja presión liberando
gas en el extremo de alimentación mientras el producto final está cerrado. Durante
este tiempo, el lecho 2 se presuriza con gas de alimentación.
-
14
5. Desorción. El lecho 1 se desconecta por un tiempo con el extremo de
alimentación abierto y el extremo del producto cerrado. Durante este tiempo, la
pequeña cantidad del componente difusor más lento que se ha absorbido durante
la etapa de adsorción, se desorbe. Al mismo tiempo, la cama 2 se utiliza para
generar productos.
6. Segunda igualación de presión. Esto es lo mismo que la primera ecualización
de presión con los flujos invertidos. (p.126)
1.3.3. Separación de aire mediante adsorción por cambio de presión (PSA). En las
últimas décadas los procesos de adsorción por cambio de presión (PSA) se han convertido
en un tema de interés en separaciones de gases, siendo la separación de aire una de las
aplicaciones más importantes de esta tecnología. (Zaid, Abdulbasit, & Heba, 2016)
La separación de aire por PSA se divide en dos grupos dependiendo si el producto (gas
enriquecido) es oxígeno o nitrógeno. Al respecto, Hassan, Raghavan, & Ruthven (1987),
expresan:
Los procesos que producen oxígeno utilizan un adsorbente selectivo de nitrógeno,
generalmente zeolita 5A o 13X, por la naturaleza del material adsorbente la
separación depende del equilibrio de adsorción. Por el contrario, los procesos de
nitrógeno, que generalmente usan un tamiz molecular de carbono (CMS) o, menos
comúnmente una zeolita 4A modificada, dependen del equilibrio cinético.
(p.2037)
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1.3.3.1. Descripción del proceso de separación de aire mediante PSA. La ¡Error! No
se encuentra el origen de la referencia. representa un esquema general del proceso de
separación de aire mediante la tecnología de adsorción por cambio de presión.
Figura 4. Esquema del proceso de separación de aire mediante PSA. (Ivanova &
Lewis, 2012)
El aire atmosférico es comprimido y enviado hacia la unidad de tratamiento de aire
comprimido, constituida por una serie de filtros y un secador, que permite remover las
impurezas del aire (partículas sólidas, agua y aceite). El aire limpio y seco es conducido
a la unidad de generación PSA en la cual dependiendo del adsorbente utilizado se puede
obtener como producto oxígeno o nitrógeno. Ivanova y Lewis (2012) señalan que en la
producción de nitrógeno:
A alta presión el CMS adsorbe selectivamente el oxígeno permitiendo que el
nitrógeno pase a través del tamiz a la pureza deseada. Mientras la primera columna
produce nitrógeno la segunda es despresurizada para remover el oxígeno
adsorbido. El ciclo de adsorción y desorción entre las dos columnas permite la
producción continua del nitrógeno. (p.39)
1.3.3.2. Principales equipos del proceso de separación de aire mediante PSA. Por lo
general una planta de separación de aire PSA consta de los siguientes equipos:
Compresor de tornillo lubricado. Permite comprimir el aire atmosférico.
Separador ciclónico. Separa las partículas sólidas con tamaño mayor a 25 µm y el
agua condensada.
Prefiltro. Retiene partículas sólidas de hasta 5µm de tamaño.
Secador de aire refrigerado. Retira la humedad del aire.
-
16
Módulo de filtros. Separan partículas sólidas de hasta 0,01µm y retienen olores y
aceites.
Recipiente de almacenamiento de aire seco. Almacena el aire limpio y seco que
posteriormente ingresará a la unidad de generación PSA.
Generador PSA. Separa los componentes del aire N2/O2 y dependiendo del
adsorbente utilizado se obtiene el gas deseado.
Recipiente de almacenamiento de gas producto. Almacena el gas producto
enriquecido en la unidad PSA.
Postfiltro. Retiene impurezas que han sido arrastradas durante la separación de los
gases.
1.3.3.3. Condiciones de operación. En la Tabla 2 se muestran los rangos de temperatura
y presión en los que opera un proceso PSA de separación de aire.
Tabla 2. Condiciones de operación de un ciclo PSA
Variable Rango
Temperatura, C 20-50
Presión, bar 0-8,5
1.3.3.4. Calidad de los productos obtenidos. En la Tabla 3 se indica la pureza que se
puede alcanzar tanto para el oxígeno como para el nitrógeno utilizando la tecnología PSA
de separación de aire. Cabe recalcar que esta tecnología permite obtener una única
corriente enriquecida, es decir, no es posible obtener simultáneamente nitrógeno y
oxígeno a altas concentraciones.
Tabla 3. Pureza de los productos obtenidos con la tecnología PSA
Producto Pureza, %
Nitrógeno >99,9
Oxígeno 95
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2. BASES Y CRITERIOS DE DISEÑO
A continuación, se presentan las bases y criterios de diseño consideradas para el
desarrollo del proyecto.
2.1. Sistema de Unidades
En la Tabla 4 se detallan las unidades de medición utilizadas.
Tabla 4. Sistema de Unidades de Medición
Temperatura Grados Kelvin (K)
Presión Absoluta Kilo pascal (kPa abs.) Presión manométrica Kilo pascal (kPa man.)
Masa Kilogramo (kg)
Volumen Metros cúbicos (m3)
Longitud Metros (m)
Tiempo Horas (h), minutos (min), segundos (s)
Caudal Metro cúbico por hora (m3/h)
Velocidad (m/s)
Potencia Watts (kW)
2.2. Ubicación y Condiciones del Sistema
2.2.1. Ubicación Geográfica. La planta se instalará en la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador, ubicada al noroccidente de la ciudad de
Quito, en la provincia de Pichincha, en las coordenadas geográficas 0°11′59″ S 78°30′20″
O. (ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.)
-
18
Figura 5. Ubicación geográfica de la Facultad de Ingeniería Química de la
Universidad Central del Ecuador
2.2.2. Condiciones Meteorológicas. En la Tabla 5 se reportan las condiciones
meteorológicas de la ciudad de Quito, tomadas del Anuario Meteorológico del INAMHI
(2019) para la estación climatológica Iñaquito (M0024) por ser la más cercana a la zona
del proyecto.
Tabla 5. Condiciones meteorológicas de la ciudad de Quito
Condiciones climáticas Valor
Temperatura, °C
máx. registrada 24,5
mín. registrada 10
promedio 15,3
Humedad relativa, %
máx. registrada 100
mín. registrada 34
promedio 74
Precipitación, mm/h máx. en 24 h 35
Elevación, msnm - 2889
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19
2.3. Capacidad de Diseño
La capacidad de la planta se estima en función de la demanda de N2 y O2, dentro de los
laboratorios académicos y de investigación de la Universidad Central del Ecuador, y de
la tecnología de separación de aire seleccionada.
La información recopilada revela que la demanda de N2 es significativamente mayor que
la de O2, siendo aproximadamente de 0,5 m3/h como se puede apreciar en la Tabla 6, por
lo que se estima, en primera instancia, la capacidad de diseño en función de la demanda
de N2.
Tabla 6. Demanda de Nitrógeno y Oxígeno en los laboratorios académicos y de
investigación de la Universidad Central del Ecuador.
Facultades Carreras/Departamentos
Consumo
Nitrógeno Oxígeno
m3/h m3/h
Ciencias químicas OSP 0,013 0,003
Ciencias biológicas
Reproducción 0,192 0,000
Bovinos 0,192 0,000
Biotecnología Vegetal 0,077 0,000
Ingeniería química
DPEC 0,000 0,005
Laboratorios Académicos 0,001 0,000
Laboratorios Investigación 0,022 0,004
Odontología Prótesis 0,000 0,002
Medicina veterinaria y zootecnia Reproducción animal 0,001 0,000
FIGEMPA 0,002 0,000
Total 0,436 0,012
Se proyectó esta demanda considerando un factor de 3, como criterio ingenieril,
requiriendo así un flujo de 1,5 m3/h de N2, sin embargo, es necesario la selección de la
tecnología de separación de aire para definir la capacidad de diseño de la planta. A
continuación, se realiza el análisis de alternativas y la selección de la tecnología.
2.3.1. Análisis de alternativas y selección de la tecnología. En la Tabla 7 se resumen
las ventajas y desventajas de las principales tecnologías de separación de aire: separación
por membrana, separación por cambio de presión y destilación criogénica.
-
20
Mientras que en la Tabla 8 se muestra una comparación de las tecnologías desarrolladas
hasta la fecha para la separación de aire.
Tabla 7. Análisis de alternativas de los métodos de separación de aire atmosférico.
Métodos de
separación Ventajas Desventajas
Separación
por
membranas
La separación por membranas en las
últimas décadas ha conseguido
mejorar y desarrollar los equipos de
separación, logrando mejoras sobre
procesos convencionales, generando
un menor costo de capital, operación
y un menor consumo energético
debido a que no es necesario generar
fases sólidas o líquidas empleadas
en otros sistemas de separación.
En el proyecto de investigación
realizado por García, Gómez,
López & Navaza (2012), se
demuestra que conforme el
diámetro cinético de los gases
aumenta la transferencia de
materia disminuye por
presentarse una mayor
probabilidad de choques entre
las moléculas y la pared de la
membrana, produciendo una
baja velocidad de transferencia
de masa.
Presenta sencillez en el proceso de
separación y un bajo peso.
Este proceso presenta menor
selectividad y rendimiento de
sus membranas con respecto a
otros sistemas de separación.
Estos sistemas de separación
trabajan a presiones bajas generando
un menor consumo de energía y por
tanto un menor costo de inversión.
La capacidad de producción
mediante esta tecnología se
encuentra en un rango de 10 a
25 toneladas por día con una
pureza de oxígeno entre (38-40)
%.
Los módulos de las membranas
pueden proporcionar gas nitrógeno
con un rango de pureza entre (95-
99,9) %, el avance de la tecnología
de estas membranas permite un
mayor tiempo de vida útil, además
son muy rentables y generan
tiempos cortos de recuperación de la
inversión.
Las membranas comerciales no
presentan alta permeabilidad y
selectividad en la producción de
gases a gran escala.
Las membranas comerciales
presentan una vida útil de alrededor
de 10 años y su mantenimiento es
mínimo.
Presenta una mayor pureza sólo
en aplicaciones específicas,
como el nitrógeno y no es fiable
con respecto a los otros sistemas
de separación.
El sistema de membranas presenta
arreglos de montaje flexible,
pudiéndose ubicar de manera
vertical u horizontal.
-
21
Continuación de la Tabla 7:
Métodos
de
separación
Ventajas Desventajas
Adsorción
por
cambio de
presión
Técnica de producción de mediana
escala, con un volumen de producción
de 20 a 100 ton/día. Permite obtener gas
oxígeno de alta pureza (>90%).
Requerimiento energético y
costo de inversión inicial
medio.
Al combinar esta técnica con la técnica
VSA (vacuom swing absortion) se
puede alcanzar una pureza del 95% de
oxígeno incrementando además el
volumen de producción, esto fue
logrado por la compañía de producción
de gas industrial PRAXAIR.
Se requieren dos lechos para
que el proceso sea continuo
y sea posible regenerar el
adsorbente.
Con esta técnica es posible producir
nitrógeno a una pureza >99,5%, se
prefiere el uso de esta técnica en casos
en los que los sistemas de membrana
requieren operaciones de multietapas y
cuando los procesos criogénicos
resultan muy costos.
El proceso requiere de una
corriente de aire seco para la
operación ya que el agua
disminuye la capacidad de
adsorción de los materiales.
La presión de trabajo requerida es menor
que en la técnica de separación por
membranas, reduciendo el coste
operativo.
La planta requiere un
espacio de instalación medio
en comparación a las otras
dos técnicas.
Presenta un tiempo de ciclo de
operación corto, simplificando el
proceso.
La operación resulta ruidosa
debido a los cambios de
presión en los procesos de
presurización y
despresurización.
El material adsorbente se puede
regenerar y reutilizar repetidamente en
una secuencia alterna de etapas de
adsorción y regeneración. El costo del capital
incrementa a medida que
aumenta el flujo de
producción en comparación
con las plantas criogénicas.
Vida útil prolongada de los tamices
moleculares, mayor a 10 años.
La instalación y el arranque de la planta
no presentan dificultad y requieren de un
tiempo mínimo.
-
22
Continuación de la Tabla 7:
Métodos
de
separación
Ventajas Desventajas
Destilación
criogénica
Técnica de producción a gran escala,
con un volumen de producción mayor a
100 Ton/día.
Alto requerimiento
energético y mayor costo de
inversión inicial
Esta técnica de separación es la más
eficiente a gran escala. Puede producir
nitrógeno, oxígeno y argón a mediana y
gran escala tanto en estado gaseoso
como en estado líquido.
La puesta en marcha y
parada de la planta requieren
de mayor tiempo en
comparación a las dos
técnicas.
Permite obtener nitrógeno de alta pureza
con trazas de 1 ppm de O2 residual. Es
posible alcanzar niveles de menos de 1
ppb de O2 añadiendo más etapas de
separación al proceso.
La planta requiere un
espacio de instalación
grande en comparación a las
otras dos técnicas.
Se requiere de una unidad de
licuefacción adicional para
la obtención de productos
líquidos.
Tabla 8. Comparación de tecnologías empleadas para la separación de aire.(Smith
y Klosek, 2001)
*sTBP= Tonelada corta por día. El valor de 1 tonelada corta es igual a 907 kilogramos.
**El tiempo de arranque es una medida del tiempo requerido para reiniciar el proceso y
alcanzar la pureza después de un apagado. (Smith y Klosek, 2001).
Proceso Estado
Rango
económico
(sTBP)*
Capacidad
de
subproductos
Límite de
pureza
(%vol)
Tiempo de
arranque**
Adsorción Semi-maduro 99 Minutos
Química En desarrollo Indeterminado Pobre > 99 Horas
Criogénica Maduro >20 Excelente > 99 Horas
Membrana Semi-maduro 99 Horas
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23
Para facilitar la selección de la tecnología apropiada (según los requerimientos de flujo y
pureza) en la literatura se pueden encontrar diagramas, como el que se muestra en la
Figura 6, que recomiendan el uso de la tecnología de separación de aire en función de la
capacidad de producción y pureza. Estos diagramas son específicos para cada gas; en este
caso el diagrama presentado corresponde al gas nitrógeno.
Figura 6. Selección de tecnologías de separación del aire en función de la
capacidad de producción y pureza del gas nitrógeno. (Universidad Politécnica de
Madrid, 2004)
En base a las aplicaciones de N2 en los laboratorios de la Universidad Central del Ecuador
se determinó que el N2 utilizado en crio preservación de semen, en el laboratorio de
Ciencias Biológicas, requiere la mayor pureza (99,9 %) considerando esta pureza se
puede observar en la Figura 6 que la tecnología más adecuada, para la demanda estimada
de nitrógeno (1,5 m3/h), es la PSA. Para que la operación resulte económicamente viable
se trabajará con un flujo aproximado de 9 m3/h.
Es así que el sistema se dimensiona para el procesamiento de 9 m3/h de N2 gaseoso
utilizando la tecnología PSA. El tiempo de operación de la planta es de 8 horas diarias, 5
días a la semana. El almacenamiento debe ser en estado líquido obteniéndose un flujo de
0,12 m3/h de N2 líquido.
2.4. Códigos, normas y estándares aplicables
En la Tabla 9 se detallan las normas empleadas para determinar las bases y criterios de
diseño de los equipos que constituyen la planta de separación de aire.
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24
Tabla 9. Normas para la selección y diseño de equipos
Código/Norma Descripción
ISO 8573-1:2010
Parte 1. Contaminantes y clases de pureza. Esta norma define las
clases de pureza del aire comprimido en base a la máxima
cantidad de contaminante permitida en cada metro cúbico de aire
comprimido.
API 620 Diseño y construcción de tanques de almacenamiento grandes,
soldados, de baja presión.
ASME BPV
Sección VIII División 1. Reglas para la construcción de recipientes a presión.
Tabla 10. Normas y planos de ingeniería (ISO e ISA)
Código Descripción
ANSI/ISA-5.1-2009 Simbología de instrumentación e identificación
ISA-5.5-1985 Símbolos gráficos para equipos de proceso.
ISO-R508:1966 Identificación de tuberías que transportan fluidos
en estado líquido o gaseoso en instalaciones
terrestres y a bordo de barcos.
2.5. Planos Ingenieriles
Se empleó un software comercial para elaborar los planos PFD y P&ID de la planta de
separación, bajo las normas de la Tabla 10. (ver Anexo K, L y M)
2.6. Tratamiento de aire comprimido
El requerimiento de pureza del aire comprimido depende de su aplicación. La norma
ISO8573-1:2010 especifica los requisitos de calidad del aire comprimido; en esta norma
se ha categorizado a los principales contaminantes del aire comprimido, partículas
sólidas, agua y aceite, para definir las clases de pureza en base a la cantidad de
contaminante permitida en cada metro cúbico de aire comprimido. En la Tabla 11 se
muestra la especificación de la calidad de aire según la ISO8573-1:2010.
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Tabla 11. Requisitos de calidad de aire comprimido según la norma ISO8573-
1:2010
CLASE
Partículas sólidas Agua Aceite
Número máx. por m3 Concentración
másica
mg/m³
Punto de
roció a
presión
de vapor
Líquida
g/m³
Concentración
total de aceite
mg/m³ 0,1-0,5
µm
0,5-1
µm
1-5
µm
0 Tal como especifique el usuario o el proveedor del equipo y más estrictos que los de
la Clase 1
1 ≤
20000 ≤ 400 ≤ 10 - ≤ -70 °C - 0,01
2
≤
40000
0
≤ 6000 ≤ 100 - ≤ -40 °C - 0,1
3 - ≤
90000 ≤ 1000 - ≤ -20 °C - 1
4 - - ≤ 10000 - ≤ +3 °C - 5
5 - - ≤ 100000 - ≤ +7 °C - -
6 - - - ≤ 5 ≤ +10 °C - -
7 - - - 5 - 10 - ≤ 0,5 -
8 - - - - - 0,5-5 -
9 - - - - - 5 - 10 -
x - - - >10 - >10 >10
El uso de esta clasificación facilita la selección de los equipos de purificación idóneos
para cada sistema.
En la generación de nitrógeno se recomienda que la calidad del aire sea ISO8573-1:2010
Clase 1.4.1; estos tres últimos dígitos corresponden a la clasificación de pureza
seleccionada para las partículas sólidas, el