Procesos Industriales de Fraccionamiento del Aire y Producción de Ácido Nítrico

Procesos de Fraccionamiento del Aire y Obtención de Gases Industriales

Doble columna de Linde

En el sistema de doble columna de Linde, la columna inferior opera a una presión de 5 atm, mientras que la superior lo hace a 1 atm. Esta diferencia de presiones es la que permite disponer del reflujo, gracias al descenso que experimentan los puntos de ebullición al bajar la presión.

El proceso sigue estos pasos:

• El aire entra frío y comprimido a una temperatura de 150 K y se introduce dentro de un calderín a través de un serpentín sumergido en un líquido más frío (105 K).
• La corriente de aire comprimido sale más fría y, al pasar por una válvula isoentálpica, se enfría aún más, dividiéndose en dos fracciones.
• La fracción líquida tiende a descender por la columna, concentrando el componente más volátil (N₂) hasta un 40 %.
• El N₂ que entra en la parte baja de la columna a través de la corriente 1 asciende, entra en los tubos, se enfría, condensa y cae a la corona circular. Posteriormente, se recoge y se transporta a la parte superior de la columna.
• El O₂ entra en ebullición. La corriente que sale del calderín inferior pasa por la válvula V2, produciendo una expansión isoentálpica que genera el reflujo.
• Esta corriente se dirige hasta un plato de alimentación en la columna superior. La fase gaseosa de N₂ condensa, mientras que la fase líquida de O₂ desciende.
• A medida que el O₂ baja hasta los 90 K, ya no puede descender más. Finalmente, se obtiene O₂ de elevada pureza y N₂ al 99,9 %.

Columna Linde sencilla con recompresión

En este método, se introduce una corriente de aire comprimido y frío a través de un serpentín. Se hace pasar por una válvula de expansión isoentálpica (V1) y se introduce en el seno de la columna. La fracción líquida desciende y la gaseosa asciende.

El O₂ que baja se recolecta, mientras que el N₂ se extrae por la parte superior y se divide en dos corrientes: una destinada a la venta y otra para recirculación. Esta última pasa primero por un compresor donde se enfría y luego por el serpentín. Finalmente, la corriente que sale del serpentín atraviesa la válvula V2 y se reintroduce en la columna.

Destilación según el método Claude

Este sistema logra el funcionamiento de las dos secciones de la columna de rectificación de manera distinta:

• La corriente A procede de una expansión isoentrópica.
• La corriente B se somete a una expansión isoentálpica.

Ambas corrientes se unen en un calderín. Esta nueva corriente asciende por el tubo enfriándose progresivamente; el O₂ cae y realiza el lavado del gas. El N₂ asciende, se recoge en la parte superior del tubo y se lleva a la columna pasando por un serpentín. El O₂ licuado se recoge, se hace pasar por la válvula V2 y se introduce en la columna. Por la parte superior se obtiene N₂ prácticamente puro.

Los gases nobles e hidrocarburos en el aire

Para la obtención de gases nobles, se extrae una corriente del plato donde la concentración de Argón (Ar) es máxima (10 %) y se envía a una columna contigua para su fraccionamiento. Del calderín, una fracción de O₂ se dirige a la columna superior.

Existen dos métodos principales:

1. Sin contacto: El gas se expande y genera el frío necesario para condensar el O₂ enriquecido.
2. Con contacto: En lugar de un intercambiador de calor (IC), la columna no dispone de elementos internos, manteniendo dos corrientes a reflujo.

Posteriormente, el N₂ se elimina mediante destilación, quedando una mezcla de 80 % Ar y 20 % O₂. Para eliminar el oxígeno restante, se forman óxidos metálicos o se combina con H₂.

Horno Wisconsin

Este horno opera mediante un sistema de refrigeración cíclico:

• Se quema un gas combustible (gas de agua o gas natural) a una temperatura de 2300 ºC.
• El gas incandescente entra en contacto con el lecho y, una vez enfriado, se dirige al taller de absorción de NO.
• Las altas temperaturas se logran precalentando el aire con el relleno del lecho gemelo (2).
• Cuando la temperatura del lecho 1 sube y la del lecho 2 baja, el distribuidor invierte automáticamente los flujos. Así, la combustión se traslada al lecho 2 (refrigerado en el ciclo anterior) y el aire se precalienta con el calor almacenado en el lecho 1.

Obtención del ácido nítrico (HNO₃)

El ácido nítrico se obtiene industrialmente mediante la oxidación del amoníaco con aire. A su vez, el amoníaco se sintetiza a partir de H₂ y N₂, lo que permite establecer un circuito cerrado de producción.

Inconvenientes y purificación:

• Los gases de salida contienen un 4 % de O₂, el cual se elimina utilizando un exceso de H₂.
• Existen impurezas de NOx que deben eliminarse pasándolas por un lecho de metal, el cual se regenera posteriormente con H₂.