Consideraciones para la purificación de gases industriales

1 de agosto de 2019 | Por Brian Warrick y Dan Spohn, Applied Energy Systems, Inc.

Los requisitos de pureza y las propiedades del gas requieren diferentes métodos para la purificación de gases industriales. Aquí se proporcionan consideraciones clave para seleccionar la tecnología de purificación de gas.

Los gases industriales son fundamentales para una amplia gama de aplicaciones en las industrias de procesos químicos (CPI). En la mayoría de los casos, los gases industriales se producen con una especificación de pureza particular, lo que significa que pueden contener solo una cantidad limitada de contaminantes. Para muchas aplicaciones, los gases proporcionados por los proveedores pueden no cumplir con las especificaciones del proceso para un proceso determinado, lo que significa que el gas requeriría purificación para reducir aún más los contaminantes. Una mejor comprensión de la generación, el almacenamiento y la separación de gases industriales puede ayudar con la selección de la tecnología de purificación de gases que satisfaga las necesidades del proceso. Varias consideraciones clave pueden tener un impacto en el tipo de purificador de gas seleccionado. Estos incluyen lo siguiente: el método de producción para el suministro de gas; la pureza de la fuente de gas; cómo se empaqueta la fuente de gas; las especies de moléculas de impurezas a eliminar y la pureza esperada; así como la selección de medios, la capacidad de los medios, la velocidad espacial, el diseño del paquete y los requisitos de envío. Este artículo analiza la producción de gases industriales con respecto a los métodos de purificación, almacenamiento, seguridad y envío.

Existen muchos métodos de generación de gas, pero para este artículo consideraremos principalmente la separación física de los componentes (como el nitrógeno del aire o el hidrógeno del gas natural), en lugar de la generación de gases a través de reacciones químicas. Las reacciones generan gases como el amoníaco, utilizando el proceso Haber-Bosch. Otras reacciones crean gases como NO, SiH4, PH3, etc., que se usan comúnmente en la industria electrónica.

La separación física de gases se basa en procesos de membrana, catalíticos y de adsorción, destilación criogénica y otras tecnologías. Aquí se analizan algunos de los más comunes.

Separación de membranas. Una tecnología común de separación de aire utiliza membranas de fibra hueca para separar el nitrógeno del oxígeno (Figura 1). La tecnología de membrana se usa comúnmente cuando los requisitos de pureza no son estrictos. Dentro del sistema de membrana, muchos miles de fibras huecas se colocan en una carcasa y se suministra aire comprimido a un extremo. La pared de fibra es permeable a los gases, pero la velocidad de difusión a través de la pared de fibra varía según el gas. Para el aire, el oxígeno, el dióxido de carbono, el argón y otros contaminantes traza pasan a través de la pared a un ritmo más rápido que el nitrógeno y se dirigen hacia la ventilación. El nitrógeno sale del sistema de membrana con una pureza típica superior al 95 %. El usuario puede variar la pureza lograda por un sistema basado en membrana ajustando el flujo a través del sistema. La ventaja de un sistema basado en membrana es que no hay partes móviles, pero la pureza de salida puede variar con el caudal.

Figura 1. Los dispositivos de separación por membrana, utilizados cuando los requisitos de pureza no son estrictos, emplean membranas de fibra hueca para separar el nitrógeno del oxígeno.

Adsorción por oscilación de presión. La adsorción por oscilación de presión (PSA) y la adsorción por oscilación de presión al vacío (VPSA) se utilizan cuando los requisitos de pureza son más altos. Cuando se requiere la separación de impurezas en el nivel alto de partes por millón (PPM), en lugar de la separación de impurezas en el nivel porcentual, el PSA es una opción (Figura 2). Los sistemas PSA se utilizan normalmente como prepurificación de gases que entran en un proceso criogénico y para la purificación de hidrógeno. La tecnología VPSA (Figura 3) se utiliza para la producción de vidrio flotado in situ y oxígeno de grado médico.

Figura 2. Los gases se pueden purificar utilizando una variedad de diferentes medios de purificación, incluidas zeolitas, aleaciones metálicas y otros.

Figura 3. La adsorción por oscilación de presión al vacío se usa cuando los requisitos de pureza del gas son más altos

Los sistemas PSA consisten en pares de recipientes que operan en paralelo, o pueden diseñarse en configuraciones con múltiples recipientes en serie. Cada recipiente está lleno de medios de adsorción, como tamices moleculares de carbono, zeolitas y carbón vegetal. El gas de alimentación a purificar pasa a través de uno o más recipientes que operan a presiones típicamente superiores a 100 psig. Las impurezas dentro de la corriente de gas de alimentación se adsorben físicamente (fisisorción) en la superficie del medio mediante fuerzas de Van der Waals (enlaces débiles creados por interacciones electrostáticas de corto alcance entre dipolos moleculares). Los sistemas PSA funcionan aprovechando los diferentes comportamientos de adsorción a diferentes presiones y temperaturas. Los sitios de adsorción están ocupados por moléculas de impurezas, mientras que el gas deseado pasa a través del medio. La capacidad para cada impureza varía según la selección del medio, a menudo determinada por el tamaño de los poros. A medida que las moléculas de impurezas atraviesan los vasos de PSA, el medio requiere regeneración para eliminar las impurezas adsorbidas. Dentro de un sistema PSA, el recipiente se aísla y el gas se ventila rápidamente a la presión atmosférica, lo que libera las impurezas atrapadas. Luego, el recipiente se vuelve a presurizar y está listo para recibir más gas de alimentación. Esta regeneración puede completarse en un tiempo de ciclo de minutos a horas. Para la separación de nitrógeno u oxígeno del aire, el ciclo suele ser corto.

Destilación criogénica. Cuando se requiere una pureza de gas de bajo nivel de partes por millón, normalmente se utiliza la destilación criogénica. Los procesos criogénicos se basan en la separación física de los gases en relación con el punto de ebullición. Muchos gases pueden separarse criogénicamente, pero aquí se describe la separación del aire (Figura 4). El aire comprimido se enfría y luego pasa a través de un tamiz molecular para eliminar la humedad, los hidrocarburos y el dióxido de carbono antes de ingresar a la columna de destilación. El gas que ingresa a la columna se enfría a temperaturas criogénicas contra los gases que salen. Para mantener el equilibrio de refrigeración necesario para sustentar el proceso, a menudo se utiliza una turbina de expansión. El aire sube por la columna a través de una serie de bandejas contra el líquido de reflujo que cae en cascada por la columna. La separación de los gases se produce debido a las diferentes temperaturas de ebullición. El nitrógeno con una pureza del 99,999 % o superior se puede suministrar directamente como vapor o licuado para la administración criogénica. Las impurezas dentro del nitrógeno suelen incluir monóxido de carbono e hidrógeno, que tienen un punto de ebullición similar o inferior.

Figura 4. Las unidades de separación de aire, como la que se muestra aquí, separan los gases según los diferentes puntos de ebullición, mediante destilación criogénica.

Algunos gases se generan a partir de reservas almacenadas, como el gas natural. El helio se recupera de campos de gas selectos, en todo el suroeste de los EE. UU. y otras áreas selectas del mundo. El helio recuperado se puede licuar para su uso en imágenes de resonancia magnética (MRI; el mayor consumidor de helio), así como para el enfriamiento de dispositivos dentro de la industria electrónica, para dispositivos de flotación y otros.

El hidrógeno se produce a partir de gas natural utilizando un reformador de metano con vapor (SMR) y es la fuente de más del 90 % de todo el hidrógeno. Con un SMR, el vapor y el metano del gas natural reaccionan sobre un material catalítico a temperatura elevada para crear hidrógeno y monóxido de carbono según la siguiente reacción:

CH4 + H2O —> 3H2 + CO

La corriente rica en H2 y CO reacciona además con otro catalizador para generar hidrógeno y dióxido de carbono. Luego, este hidrógeno ingresa a un sistema PSA, en el que se separa el dióxido de carbono, mientras que los niveles de trazas de contaminantes quedan atrapados a temperatura elevada y luego se liberan durante el paso de despresurización. El hidrógeno puede licuarse para su entrega a un tanque de almacenamiento criogénico o suministrarse como vapor a través de remolques tubulares, cilindros o tuberías. El hidrógeno criogénico normalmente alcanzará un nivel de pureza del 99,99999 % sin más purificación.

Una vez generados, los gases industriales generalmente se almacenan para su entrega en cilindros, remolques tubulares, contenedores de líquidos o se conectan a una tubería después de la generación en el sitio (Figura 5). Los cilindros de almacenamiento varían en tamaño desde un volumen pequeño y una presión de suministro subatmosférica hasta más de 200 °C a presiones que superan los 3000 psi. Los remolques tubulares contienen múltiples tanques horizontales que funcionan a alta presión y son capaces de almacenar miles de pies cúbicos de gas. El hidrógeno y el helio se almacenan comúnmente en remolques tubulares. Los productos atmosféricos, como el nitrógeno, el argón y el oxígeno, así como los productos especiales, como el amoníaco, se almacenan en dewars como producto líquido o criogénico. Los Dewar suelen estar sobre bases con ruedas, lo que permite un fácil transporte. Durante el uso, el líquido se vaporiza a una presión típica superior a 100 psi. Los Dewar se usan comúnmente para soldadura orbital, donde se requiere una purga de gas para proteger la soldadura de la contaminación.

Para las instalaciones de producción que requieren grandes cantidades de gas, es común el almacenamiento de líquidos a granel o la generación in situ. El almacenamiento in situ de nitrógeno criogénico, oxígeno y argón (comúnmente denominados gases atmosféricos a granel; BAG), así como hidrógeno, amoníaco y otros, permite un flujo ininterrumpido y una presión de suministro estable. Los productos BAG y de hidrógeno se almacenan en tanques horizontales o verticales aislados que van desde 1500 gal a más de 50 000 gal de capacidad criogénica. Estos tanques se rellenan con producto criogénico entregado a través de un camión cisterna. El amoníaco y otros gases especiales se almacenan en fuentes de líquidos a granel comúnmente conocidas como contenedores de tóner o ISO. Estos contenedores generalmente se reemplazan en lugar de rellenarse. Para las instalaciones de usuarios finales de alto volumen, la generación de gas de BAG e hidrógeno en el sitio es común.

Las tecnologías de purificación comunes se seleccionan en función de la clase de gas, como: inerte, raro, fluorado, corrosivo, tóxico, hidruro, etc. Además, la elección de la tecnología se refina por la eliminación de impurezas requerida. Es importante evitar el uso de un purificador con un gas o clase de gases que no sea para el que fue construido. Muchos tipos de medios usados ​​para la purificación son significativamente más reactivos que los medios usados ​​en la separación de gases inicial. Por ejemplo, el carbón vegetal se puede usar en la separación de aire inicial, pero el níquel activado solo se puede usar para la purificación posterior. Si bien el carbón vegetal puede ser seguro para el aire, si se pasa una cantidad de oxígeno a nivel porcentual a través del níquel activado, puede producirse una reacción exotérmica que genere un calor superior a los 1000 °C. Incluso un material tan inerte como un tamiz molecular generará un calor significativo si se expone a una humedad saturada.

Para la mayoría de las aplicaciones de gases industriales, la solicitud más común es la eliminación de la humedad. Esto se puede lograr usando zeolitas como medios de purificación, pero se debe tener cuidado para asegurar la selección de la zeolita adecuada para este propósito. Como se indicó, la humedad saturada puede generar calor, el tamaño inadecuado de los poros puede afectar la eficiencia y la capacidad, y algunos medios de zeolita no son compatibles con las clases de gases corrosivos y de otro tipo.

El uso de zeolitas en la purificación de gases no se limita a la eliminación de la humedad. Las zeolitas se pueden usar en aplicaciones criogénicas para atrapar una variedad de impurezas, pero el uso más común para ellas es a temperatura ambiente. La remoción de humedad es el resultado de la fisisorción, como se describió anteriormente. Una diferencia clave en el uso de zeolitas para la purificación es que la activación se completa con el flujo de gas a través del medio a una temperatura elevada. Este método optimiza la purificación, que puede dimensionarse para un año o más.

En aplicaciones donde se requiere la eliminación de oxígeno, monóxido de carbono, hidrógeno y otros, normalmente se utilizan catalizadores metálicos. El catalizador metálico se puede operar a temperatura ambiente oa temperatura elevada. Los metales comunes incluyen níquel, cobre y paladio, pero hay disponible una amplia gama de catalizadores metálicos en función del gas de alimentación. Muchos metales utilizados en la purificación no se encuentran en forma elemental pura, sino que se utilizan como un polvo de gran área superficial que reside en un soporte de zeolita. La cantidad de metal puede ser tan pequeña como 0,5% en peso para algunos medios. Los catalizadores metálicos a temperatura ambiente funcionan según el principio de adsorción química o quimisorción (Figura 4). En el caso del níquel, cuando entra en contacto con monóxido de carbono, se forma carbonilo de níquel. De manera similar, el oxígeno dentro de la corriente de gas forma óxido de níquel. Estos medios requieren la adición de calor e hidrógeno para su activación. El hidrógeno reacciona con el catalizador a temperatura elevada para reducir los enlaces de carbono y oxígeno, dejando una superficie de níquel puro.

Cuando se requiere la eliminación de metano y nitrógeno, se utiliza una aleación de metales de tierras raras. Estas aleaciones suelen estar basadas en Zr y son altamente reactivas con las impurezas. Operando a temperaturas superiores a 300˚C, las moléculas de impurezas se adsorben en la superficie y se convierten en una parte permanente de la aleación, similar a una píldora que se absorbe en el cuerpo. Dichos medios se pueden usar solo una vez y, en contacto con niveles de impurezas superiores a 100 ppm, pueden generar una reacción exotérmica más fuerte que la del níquel y generar calor por encima de los 2000 °C.

También existe una amplia variedad de tecnologías de purificación adicionales, que incluyen membranas altamente selectivas, criógenos, óxidos, etc., y están disponibles para aplicaciones especializadas.

Una vez que se entiende la fuente de gas, la pureza del producto entrante y las impurezas requeridas para la eliminación y se selecciona el medio purificador, es necesario determinar el caudal y la presión. No todos los medios tienen la misma capacidad para cada impureza. Las aleaciones metálicas tienen una gran capacidad para eliminar oxígeno, pero una capacidad muy limitada para nitrógeno. Además, la capacidad se ve afectada por la calidad de los medios utilizados. Si el objetivo es eliminar la humedad de la corriente de gas de alimentación y se usa un tamiz molecular 5A, entonces la capacidad de eliminación será diferente que si se usa un tamiz molecular 13X. Por lo tanto, después de seleccionar un medio, es necesario entender la capacidad de cada impureza.

A continuación, se debe considerar la vida útil esperada del sistema de purificación. Específicamente, la pregunta es cuánto tiempo debe durar el purificador entre la regeneración o la colocación. Para medios de temperatura ambiente, zeolitas y catalizadores metálicos, la regla general es una vida útil de un año, según el contenido de impurezas "típico" dentro de la corriente de gas de alimentación. Como se discutió anteriormente, las impurezas típicas se pueden determinar en muchos gases simplemente conociendo el método de producción de gas.

La consideración final rodea el empaque del medio purificador. Aquí, la velocidad espacial es importante para garantizar que el gas haga un contacto adecuado con el medio. Un contacto insuficiente significa que el caudal cambia y la pureza del gas de salida también cambiará. Un objetivo de seleccionar correctamente un purificador es garantizar una pureza constante con diferentes caudales. En muchas aplicaciones, los procesos de los usuarios finales dependen tanto o más de la consistencia que de las concentraciones de pureza.

Para optimizar la forma final del sistema de purificación de gas, se debe considerar la relación de aspecto, el área de la sección transversal, la densidad de empaque y la pérdida de presión requerida en el lecho, así como si el purificador encajará en las limitaciones de espacio del usuario final. La optimización del producto final es posiblemente el paso más crítico en la purificación. Más allá de un purificador a escala de laboratorio, se debe considerar la consistencia para garantizar que el purificador se alinee con el diseño de equipo existente y potencial futuro.

Luego, el purificador empaquetado final debe enviarse al usuario final. Muchas zeolitas y óxidos se pueden enviar a través de métodos de envío estándar, pero muchos catalizadores y aleaciones de metal pueden requerir un envío peligroso. La Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA) define las normas para el envío de todos los materiales peligrosos enviados por avión. Según la clase de material peligroso y el grupo de paquetes, se pueden aplicar límites en las cantidades de envío. En estos casos, se puede requerir un permiso especial. La determinación de materiales peligrosos y los requisitos de disposiciones especiales están determinados por las reglamentaciones de la IATA.

No todos los gases con una pureza del 99,999 % tienen la misma carga de impurezas y no todos los gases con una pureza del 99,999 % contienen exactamente 10 partes por millón (ppm) de impurezas. Al seleccionar un purificador, una pregunta común es "¿cuál es la concentración de impurezas?" Este es el aspecto más importante de la selección del purificador y tiene un impacto significativo en el costo y la vida útil del sistema de purificación. El nitrógeno generado en forma criogénica proporciona un buen ejemplo. A medida que el nitrógeno pasa por el proceso de destilación, pequeñas cantidades de dióxido de carbono, humedad y todos los hidrocarburos, así como componentes con puntos de ebullición superiores al del nitrógeno, se licuan en una corriente de desecho. El nitrógeno sale de la columna que contiene hidrógeno y monóxido de carbono, que no están licuados debido a sus puntos de ebullición más altos. Además, si el nitrógeno se licua para el almacenamiento criogénico, el hidrógeno normalmente se evapora del líquido debido a su punto de ebullición. Por lo tanto, el nitrógeno de una fuente criogénica suele estar más cerca de un producto con una pureza del 99,9999 %. Si bien existen algunos procesos de destilación especializados, el nitrógeno generado a partir de una columna de destilación suele ser el mismo en todos los grados. Lo que puede variar es cómo se procesa el nitrógeno después de la destilación. Para grados de mayor pureza, se utilizan pruebas analíticas y de transporte mejoradas para garantizar que el producto entregado sea de la más alta pureza. El gas puede tener un certificado de conformidad. Otros gases siguen un comportamiento similar, específicamente que el contenido de impurezas dentro del gas puede predecirse por cómo se generó el producto.

Un elemento común de los métodos de separación mencionados anteriormente es el uso de un adsorbente o catalizador para eliminar o separar componentes. La purificación es simplemente una extensión de estas tecnologías de generación de gas. Con la excepción del hidrógeno líquido, la pureza de cada tecnología es del 99,999 % o superior (Figura 6). Para muchas aplicaciones dentro de la industria electrónica, se requiere una pureza del orden del 99,9999999 %. Por lo tanto, se requieren tecnologías mejoradas para impulsar aún más la pureza a estos niveles. Una gráfica (Figura 7) demuestra que las impurezas de oxígeno, humedad y dióxido de carbono se eliminaron a menos de 50 ppt. Cuando se habla de la pureza de un gas, una terminología común es referirse al número de nueves que se usa para expresar el nivel de pureza. Por ejemplo, un gas con una pureza del 99,999 % se denomina gas "5 nueves" (5N) y puede contener hasta 10 ppm de contaminantes totales. Para la purificación de gases industriales, es común una pureza de 7 nueves (7N; menos de 100 ppb de impurezas) a 9 nueves (9N; menos de 1 ppb de impurezas).

Existe una tecnología de purificación de 7N o superior para la mayoría de los gases industriales, pero no todas las impurezas se pueden eliminar de cada gas. Un ejemplo es el oxígeno, que contiene altos niveles de ppm de gases inertes. Las tecnologías de purificación estándar no ofrecen un medio para eliminar los gases inertes del oxígeno. Por lo tanto, el oxígeno purificado puede ser solo un gas 5N, aunque el metano, la humedad, el hidrógeno, el monóxido de carbono y el dióxido de carbono se eliminen a niveles bajos de ppb.

Figura 5. Aquí se muestran varias opciones de almacenamiento de gas

Figura 6. El número de "Ns" representa el nivel de pureza del gas

Figura 7. La gráfica muestra la reducción de impurezas al nivel de partes por trillón

Editado por Scott Jenkins

Brian Warrick es director de tecnología de purificación de Applied Energy Systems Inc., (180 Quaker Lane, Malvern, PA 19355; correo electrónico: [email protected]; teléfono: 610-647-8744) división ARM Purification, cargo que ocupa desde 2013. Warrick tiene más de 20 años de experiencia profesional en las industrias de equipos y gases industriales, y ha demostrado experiencia en investigación y desarrollo, desarrollo de líneas de productos, ventas, fabricación, propuestas y contratos. Antes de unirse a AES/ARM, Warrick trabajó en varios puestos para Praxair Inc. Es autor o coautor de seis patentes estadounidenses. Warrick tiene una maestría en física de la Universidad de Colorado y es Six Sigma Green Belt.

Dan Spohn es el director de desarrollo de negocios de purificación Applied Energy Systems (misma dirección anterior; correo electrónico: [email protected]; teléfono: 610-647-8744). Antes de unirse a AES/ARM, Spohn ocupó puestos de marketing y ventas técnicas para varias empresas y fue gerente de ingeniería e ingeniero mecánico. Spohn es un veterano de la Marina de los EE. UU. y se educó en la Escuela de Energía Nuclear Naval de los EE. UU.

Nota del editor:Para ver gráficos adicionales asociados con este artículo, visite la versión en línea de este artículo en www.chemengonline.com