Debido a la creciente necesidad de gases de alta pureza en las industrias, las unidades de separación de aire (ASU) son ahora una necesidad. Ofrecen un medio rentable de generar la pureza necesaria de oxígeno, nitrógeno y argón en grandes cantidades. En comparación con otros métodos de suministro de gas, la separación criogénica del aire es más eficaz, cuesta menos por unidad de gas y es más adaptable a la producción a gran escala.
Pero, ¿qué es una ASU, cómo funciona y por qué es relevante en diversos campos? En este artículo nos centraremos en cómo funcionan, de qué están hechas y dónde se utilizan en la industria.
¿Qué es una unidad de separación de aire (ASU)?
Una unidad de separación de aire, o ASU (Air Separation Unit), es una planta industrial que se utiliza para separar los distintos gases del aire. El aire, que puede considerarse una sustancia pura, es en realidad una mezcla de gases, principalmente nitrógeno, oxígeno y argón, y algunos otros gases.
La función principal de la ASU es desmezclar esta mezcla en sus componentes. Esto no sólo tiene fines académicos; los productos - nitrógeno, oxígeno y argón - son ingredientes esenciales para una amplia gama de aplicaciones industriales. El nitrógeno se utiliza como gas inerte en las industrias química y electrónica, el oxígeno en la combustión y la medicina, y el argón en la soldadura y la iluminación.
Por tanto, la ASU no es sólo un equipo, sino una tecnología fundamental que sirve de apoyo a muchas industrias de la economía contemporánea. Es un insumo fundamental para industrias tan diversas como la siderúrgica y la sanitaria, ya que convierte el aire en valiosos productos industriales. Es importante entender la ASU para comprender la columna vertebral de muchos procesos de fabricación del mundo actual.
Explicación de las principales tecnologías y principios de la ASU
Las unidades de separación de aire utilizan principios de termodinámica y ciencia de los materiales, principalmente a través de la destilación criogénica, gestionando ciclos de baja temperatura potenciados por el efecto Joule-Thomson para licuar eficazmente el aire para la separación de gases.
Sin embargo, la destilación criogénica sigue siendo el método más común de separación del aire, a pesar de que existen otros métodos como la separación por membranas y los procesos de adsorción. Es el más eficaz y el más utilizado para los requisitos de separación a gran escala y de alta pureza.
Principio de la destilación criogénica
La destilación criogénica es el proceso de trabajo más común de la mayoría de las Unidades de Separación de Aire. Este método se basa en las diferencias en los puntos de ebullición de los principales componentes del aire.
Una vez enfriado y comprimido, el aire se introduce en columnas de destilación. Se trata de estructuras muy altas y especializadas que se utilizan para la destilación fraccionada. El nitrógeno, al ser el primero en vaporizarse debido a su bajo punto de ebullición, asciende en la columna mientras que los demás componentes permanecen en la base. El oxígeno, que tiene un punto de ebullición más alto, permanece en estado líquido y se recoge en la parte inferior. El argón, presente en menor cantidad, suele recogerse en una sección intermedia de la columna.
El proceso de separación no es de un solo paso, sino que implica el proceso de vaporización y condensación en la columna. Es posible prever un régimen de flujo en contracorriente en el que las fases de vapor y líquido interactúan, enriqueciendo los componentes deseados a diferentes niveles.
Los gradientes de temperatura y presión dentro de estas columnas de destilación deben ser controlados a los niveles necesarios para alcanzar la pureza deseada de los gases separados. La destilación criogénica es, por tanto, una forma más avanzada y eficaz de separar gases del aire con gran pureza.
Efecto Joule-Thomson en el enfriamiento
El enfriamiento del gas a temperaturas criogénicas dentro de una ASU se basa principalmente en el efecto Joule-Thomson. Este principio termodinámico se refiere al cambio de temperatura de un gas o vapor real cuando se hace pasar a través de una válvula o un tapón poroso y se impide que todo el calor se transfiera al entorno.
En concreto, cuando se deja que un gas comprimido se expanda libremente, se enfría. Este efecto de enfriamiento se produce porque en los gases reales existen fuerzas intermoleculares. Hay que hacer un esfuerzo para contrarrestar estas fuerzas de atracción a medida que el gas se expande y esta energía se deriva de la energía interna del gas y de ahí la disminución de la temperatura.
En los sistemas ASU, el efecto Joule-Thomson se utiliza de forma muy eficaz en los ciclos de refrigeración. El aire comprimido pasa por un dispositivo de expansión, como una válvula o una turbina. Esta expansión provoca una disminución considerable de la temperatura. El gas enfriado se utiliza entonces para preenfriar el aire comprimido entrante en un intercambiador de calor para formar un bucle de refrigeración regenerativo. Este proceso de expansión e intercambio de calor se realiza de forma cíclica y la temperatura se reduce hasta el punto en que se consigue la licuefacción y los productos finales son oxígeno líquido y nitrógeno líquido.
El efecto Joule-Thomson es, por tanto, un componente crítico de las tecnologías criogénicas, que se utilizan para licuar el aire con vistas a su posterior separación.
Componentes clave de los sistemas ASU
Una ASU se compone de varios sistemas que se integran para funcionar como una sola unidad: compresores de aire para aumentar la presión, preenfriamiento para reducir la temperatura y tamices moleculares para la purificación. Las columnas de destilación son esenciales para la separación de gases, mientras que los licuefactores se utilizan para mantener los gases a temperaturas criogénicas.
Estos componentes integrados y controlados permiten separar el aire en nitrógeno, oxígeno y argón de gran pureza, esenciales para el funcionamiento de la ASU.
| Componente | Función | Importancia |
| Compresor de aire | Comprime el aire a alta presión | Esencial para la licuefacción, el diseño multietapa mejora la eficacia |
| Sistema de preenfriamiento | Reduce la temperatura del aire antes de la licuefacción | Evita la sobrecarga de la etapa de refrigeración criogénica |
| Sistema de purificación por tamiz molecular | Elimina agua, CO₂ e hidrocarburos | Evita el hielo y los depósitos sólidos que pueden bloquear los equipos |
| Columna de destilación criogénica | Separa oxígeno, nitrógeno y argón | Núcleo de la ASU, determina la pureza final del gas |
| Licuadora | Mantiene bajas temperaturas para licuar el aire | Utiliza ciclos de refrigeración para mantener las condiciones criogénicas |
Compresor de aire y preenfriamiento
El compresor de aire es la primera pieza y la más básica de una UEA. Su función es aspirar aire del ambiente y comprimirlo a las altas presiones necesarias para el proceso de licuefacción criogénica. En la mayoría de los casos, se trata de compresores industriales multietapa construidos para un uso constante y eficaz. Sin embargo, el propio proceso de compresión aumenta la temperatura del aire, ya que se produce calor durante el proceso. Este aire comprimido caliente no es bueno para el procesamiento criogénico del material. Por ello, es inevitable una etapa de preenfriamiento.
Los sistemas de preenfriamiento se utilizan para enfriar el aire comprimido a una temperatura más baja utilizando refrigeración mecánica e intercambiadores de calor antes de enfriarlo en la sección criogénica. El preenfriamiento tiene varias funciones importantes: reduce la carga de enfriamiento del sistema de refrigeración criogénica, mejora la eficacia del proceso de licuefacción posterior y, lo que es más importante, ayuda a eliminar una parte significativa del vapor de agua contenido en el aire de admisión. Es importante eliminar el vapor de agua en esta fase para evitar la formación de hielo en las secciones extremadamente frías de la ASU, lo que puede causar bloqueos e interferencias operativas. El compresor de aire y el sistema de preenfriamiento, trabajando en tándem, preparan la corriente de aire para las delicadas y energéticamente intensivas etapas de separación criogénica que siguen.
Sistema de purificación por tamiz molecular
La separación eficaz del aire a temperaturas criogénicas requiere una purificación meticulosa de la corriente de aire entrante. El aire, como fuente de nitrógeno, oxígeno y argón, no sólo contiene componentes útiles, sino también aditivos no deseados como vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos. Estos contaminantes, si no se eliminan, precipitarían a temperaturas criogénicas, lo que causaría problemas operativos como bloqueos dentro del equipo, mala transferencia de calor y calidad del producto.
El sistema de purificación por tamiz molecular está diseñado para satisfacer esta importante necesidad. Emplea tamices tamiz molecular adsorbentes (4A, 5A, 13X, etc.) para adsorber selectivamente estas impurezas. Estos materiales se seleccionan debido a su tamaño de poro bien definido que puede filtrar selectivamente a nivel molecular. Esto les permite capturar moléculas de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos, al tiempo que dejan pasar libremente los demás componentes del aire.
Los sistemas de depuración ASU suelen tener varios lechos adsorbentes que funcionan de forma cíclica, y esto se hace mediante adsorción por cambio de presión (PSA o VPSA) o adsorción por cambio de temperatura (TSA). Este funcionamiento cíclico hace posible una eliminación muy eficaz de los contaminantes en todo momento. El sistema de purificación por tamiz molecular es muy importante para el funcionamiento a largo plazo de la ASU y para conseguir la pureza requerida de los gases separados, lo que a su vez da lugar a gases de alta pureza. Por lo tanto, es necesario asegurarse de que se instala un sistema de purificación de tamiz molecular adecuado y eficaz para obtener un rendimiento óptimo y fiable de la ASU.
¿Por qué elegir los tamices moleculares Jalon?
Cuando se trata de la crucial etapa de purificación con tamiz molecular en las unidades de separación de aire, Jalon los tamices moleculares destacan como la elección inteligente. Como fabricante líder de adsorbentes de tamiz molecular, Jalon proporciona materiales diseñados específicamente para satisfacer las rigurosas exigencias de los sistemas ASU.
Nuestros tamices moleculares ofrecen una capacidad excepcional para la eliminación de vapor de agua, dióxido de carbono e hidrocarburos, garantizando una pureza de gas ultra alta y evitando el ensuciamiento del sistema. Con más de 20 años de experiencia en el sector, 112 patentes registradas y certificaciones internacionales de calidad ISO 9001 e ISO 14001, Jalon es un socio de confianza en la purificación de ASU.
Proporcionamos soluciones personalizadas de tamiz molecular adaptadas a las operaciones de ASU, garantizando un rendimiento de purificación estable, una calidad de gas constante y una eliminación eficaz de los contaminantes.
Asóciese con JalonCon este producto, estará invirtiendo en el corazón del sistema de purificación de su ASU, garantizando un rendimiento superior, eficiencia y estabilidad operativa a largo plazo.
Columnas de destilación y licuefactores
Las columnas de destilación son el núcleo de una ASU, ya que es aquí donde tiene lugar la separación real del aire licuado. No se trata de simples canales, sino de complejos diseños de ingeniería, que pueden contener bandejas o empaquetaduras estructuradas para garantizar que las fases de vapor y líquido entren en contacto de forma eficaz con el fin de separarlas.
Los licuefactores forman parte de los equipos integrados que funcionan en tándem con las columnas de destilación. Su principal función es mantener las bajas temperaturas necesarias para la destilación y mantener el aire constantemente en estado líquido. Los licuefactores utilizan refrigerantes y ciclos de expansión para eliminar el calor del sistema y garantizar que las columnas de destilación estén a las temperaturas bajas adecuadas. En estas columnas, el proceso de separación se controla mediante gradientes de temperatura y presión que se mantienen dentro de la columna. El nitrógeno, al ser más volátil, se evapora y asciende por la columna, mientras que el oxígeno y el argón, con puntos de ebullición más altos, se condensan y descienden.
Las especificaciones de las columnas de destilación y los licuefactores son fundamentales para determinar la eficacia del proceso de separación y la pureza de los gases separados. Son la tecnología clave que convierte el aire licuado en valiosos gases industriales de gran pureza.
Diversas aplicaciones industriales de la ASU
Los gases generados por las ASU no son productos de nicho; son requisitos básicos en una amplia gama de industrias e intervienen en casi todos los aspectos del mundo contemporáneo. Las aplicaciones son numerosas y esenciales, y muchas de ellas exigen el uso de una cantidad significativa de oxígeno.
En la fabricación de acero, el oxígeno de las ASU contribuye a mejorar la eficacia de la combustión de los hornos. La industria química recurre al nitrógeno derivado de las ASU para crear atmósferas inertes y como reactivo en procesos como la producción de amoníaco. La sanidad necesita oxígeno médico para el tratamiento y cuidado de los pacientes. Además, los ASU son útiles en la fabricación de productos electrónicos, el procesamiento de alimentos y muchas otras industrias, como las centrales eléctricas, donde el oxígeno puede mejorar la eficiencia de la combustión y reducir las emisiones en algunas tecnologías, como la gasificación.
Desde la fabricación a gran escala hasta las intrincadas operaciones en el ámbito sanitario, la tecnología de la ASU es esencial, ya que los procesos que soporta son cruciales para el mundo industrial contemporáneo.
ASU en la industria siderúrgica
La industria siderúrgica es una de las más importantes del mundo moderno y uno de los mayores consumidores de productos de las Unidades de Separación de Aire. El oxígeno, que es el principal producto de las ASU para la fabricación de acero, es útil para aumentar la eficacia de los altos hornos y los hornos de oxígeno básico. Complementar estos hornos con oxígeno de alta pureza aumenta la tasa de combustión y, por tanto, la tasa de producción de acero y disminuye la cantidad de combustible utilizado por tonelada de acero. Esto no sólo acelera el proceso de fabricación del acero, sino que también reduce el coste de producción, haciéndolo más económico y respetuoso con el medio ambiente.
Además, el nitrógeno generado por las ASU se utiliza en las industrias siderúrgicas con fines de inertización y purga para evitar cualquier forma de oxidación durante el proceso de fabricación y manipulación del acero. Las ASU y la industria siderúrgica son mutuamente dependientes: Por un lado, las ASU suministran el oxígeno necesario para la fabricación eficiente del acero y, por otro, la gran escala de la industria siderúrgica crea la demanda y la necesidad de desarrollar la tecnología de las ASU.
Las ASU son, de hecho, activos estratégicos para la industria siderúrgica contemporánea, ya que permiten la fabricación de este material de ingeniería vital.
ASU en la industria química
La industria química es una industria altamente sensible que implica muchas reacciones químicas y por lo tanto requiere las propiedades inertizantes y reactivas de los gases generados por las Unidades de Separación de Aire. El nitrógeno, que es el gas más común que separan las ASU, es un elemento crítico para la seguridad y el control de procesos en las industrias de fabricación de productos químicos. Se utiliza como gas inerte para evitar reacciones con el oxígeno o la humedad en tanques de almacenamiento, tuberías y reactores químicos. Esta atmósfera inerte es especialmente importante en la manipulación de productos químicos inflamables, explosivos o sensibles al oxígeno para proporcionar condiciones seguras de producción y almacenamiento.
Aparte de la inertización, el oxígeno de las ASU se utiliza como reactivo en diversos procesos de síntesis química, incluidas las reacciones de oxidación en la producción química a gran escala y las etapas de oxidación en las industrias de química fina y farmacéutica. Esto se debe a que, en la industria química, la pureza y fiabilidad del suministro de gas de las ASU debe ser muy alta, ya que incluso las impurezas más pequeñas pueden alterar el equilibrio químico y afectar a la calidad del producto final.
Desde la mejora de las medidas de seguridad hasta la facilitación de intrincadas reacciones químicas, los gases de ASU son instrumentos versátiles y cruciales para los ingenieros químicos y la industria química.
ASU en Sanidad
En el sector sanitario, las ASU ya no son sólo herramientas industriales; son instalaciones vitales que suministran el oxígeno de calidad médica necesario para el tratamiento de los pacientes y para las ventilaciones. Hospitales, clínicas y otros centros médicos necesitan oxígeno constante y de alta pureza para diversos usos en sus operaciones. Por ejemplo, terapia respiratoria para pacientes con trastornos pulmonares, anestesia durante intervenciones quirúrgicas, incubadoras de oxígeno para neonatos y reanimación cardiopulmonar.
El oxígeno médico generado por las ASU se purifica posteriormente y se somete a pruebas para cumplir las normas requeridas de oxígeno puro para la respiración humana, que suele ser de 99,5% o superior para garantizar la seguridad de los pacientes y la eficacia del oxígeno en el proceso de tratamiento.
Además del oxígeno, el nitrógeno de las ASU se utiliza en la conservación de muestras biológicas, como sangre y tejidos, y en algunas operaciones quirúrgicas. La disponibilidad continua y constante del oxígeno médico producido por las ASU es obligatoria en los centros sanitarios; cualquier interrupción puede tener efectos adversos en las condiciones de los pacientes. Las ASU sanitarias se construyen normalmente con sistemas de reserva para funcionar las 24 horas del día, los 365 días del año, como protectores invisibles de la salud respiratoria en instalaciones sanitarias de todo el mundo.
Optimizar el rendimiento de las ASU: Factores clave
El rendimiento óptimo de la ASU depende de varios factores clave. Entre ellos se incluyen: Exigencias de pureza y caudal, Eficiencia y coste energético, y Selección del tamiz molecular. Estos factores deben gestionarse de forma óptima para mejorar la eficacia de la ASU y su valor económico.
Exigencias de pureza y caudal
Las condiciones de funcionamiento y las características de diseño de una unidad de separación de aire vienen determinadas principalmente por el nivel de pureza y el caudal de las aplicaciones a las que debe servir la unidad. Por ejemplo, las aplicaciones de oxígeno médico requieren niveles muy altos de pureza del oxígeno, a menudo superiores a 99,999% con límites normativos específicos sobre las impurezas permitidas. Para cumplir estos requisitos de alta pureza, la ASU necesita etapas de purificación y destilación adicionales que posiblemente consuman más energía, lo que requiere una integración muy estrecha de los intercambiadores de calor para obtener un rendimiento óptimo.
Por otro lado, algunos usos industriales, por ejemplo, el nitrógeno para el blanketing inerte, pueden requerir niveles de pureza más bajos, lo que puede permitir el uso de técnicas de separación más sencillas y menos intensivas en energía. Del mismo modo, los requisitos de caudal también varían en función del tamaño de la aplicación final. Una gran acería integrada necesitará una cantidad enorme y constante de oxígeno y, por tanto, ASU de gran capacidad, mientras que un pequeño laboratorio de investigación puede necesitar sólo una pequeña cantidad de nitrógeno de alta pureza.
Por lo tanto, es importante que la definición exacta de los requisitos de pureza y caudal se defina claramente al inicio del diseño y funcionamiento de la ASU. De este modo, la producción de la ASU se ajusta a las necesidades del usuario final, lo que excluye la posibilidad de un exceso de ingeniería y posibles problemas de rendimiento.
Eficiencia energética y Coste
Las ASU, por su propio diseño, requieren una gran cantidad de energía eléctrica para impulsar el proceso de compresión. El proceso de licuefacción y destilación del aire requiere bajas temperaturas, que se consiguen utilizando una gran cantidad de energía para la compresión y refrigeración del aire. Así pues, la eficiencia energética no es sólo un factor medioambiental para los operadores de ASU; es una necesidad empresarial que afecta a la cuenta de resultados. Reducir el consumo de energía equivale a recortar costes y aumentar la competitividad de la empresa.
Hay muchas soluciones de ingeniería que se utilizan para mejorar la eficiencia energética de la ASU. Entre ellas están la mejora de las características de los compresores de aire, el uso de sistemas de recuperación de calor para capturar el calor residual de distintos procesos y reutilizarlo, la utilización de ciclos de refrigeración mejores y más eficientes y el uso de componentes energéticamente eficientes en la planta de ASU.
Además, los nuevos avances en el diseño de procesos de ASU, incluido el acoplamiento de los pasos del proceso y la optimización de los diseños de las columnas de destilación, contribuyen a minimizar el consumo total de energía. La constante demanda de mejora de la eficiencia energética en la tecnología ASU se debe a los beneficios económicos y a la creciente preocupación por el medio ambiente y las normas más estrictas que regulan el consumo de energía en las industrias. Se trata de un proceso continuo de mejora que busca aumentar la eficiencia de la tecnología ASU en un intento de reducir los costes de producción en el futuro.
Selección del tamiz molecular
La selección del adsorbente de tamiz molecular adecuado para el sistema de purificación de una unidad de separación de aire es una decisión con implicaciones significativas para el rendimiento de la ASU, la fiabilidad operativa y los costes generales de funcionamiento. Los distintos tipos de tamices moleculares presentan variaciones en cuanto a capacidad de adsorción, selectividad para contaminantes específicos (vapor de agua, dióxido de carbono, hidrocarburos) y características de regeneración.
La selección del tipo y grado óptimos de tamiz molecular para una instalación específica de ASU requiere una cuidadosa consideración de factores como la composición del aire ambiente de entrada, las especificaciones de pureza deseadas de los gases separados y las condiciones de funcionamiento específicas del sistema de purificación.
Un tamiz molecular bien elegido no sólo garantizará una eliminación eficaz y fiable de los contaminantes objetivo, evitando el ensuciamiento del sistema y manteniendo la pureza del gas producto, sino que también contribuirá a prolongar la vida útil del adsorbente y a reducir el consumo de energía durante los ciclos de regeneración.
Por el contrario, una selección subóptima del tamiz molecular puede reducir la eficacia de la purificación, aumentar el tiempo de inactividad debido a las incrustaciones, incrementar los costes energéticos asociados a una regeneración más frecuente y, en última instancia, comprometer la calidad del gas de producción. Por lo tanto, la selección del tamiz molecular no es una decisión rutinaria, sino una consideración estratégica de ingeniería que afecta directamente al éxito operativo a largo plazo y al rendimiento económico de las instalaciones de ASU.
Avances y futuro de la tecnología ASU
El campo de la tecnología de las unidades de separación de aire (ASU) está evolucionando rápidamente, impulsado por la creciente demanda de eficiencia, sostenibilidad y nuevas aplicaciones. Los futuros sistemas de ASU serán más eficientes energéticamente e integrarán materiales avanzados, diseños de procesos optimizados y sistemas de control inteligentes para minimizar el consumo de energía y maximizar la recuperación de gas.
Las ASU modulares y más pequeñas están ganando terreno, lo que permite la producción de gas in situ para aplicaciones a menor escala y ubicaciones remotas. Además, la digitalización y las operaciones de ASU impulsadas por IA están mejorando la eficiencia, con sensores inteligentes, análisis de datos y sistemas de mantenimiento predictivo que garantizan un rendimiento óptimo y reducen el tiempo de inactividad.
Las continuas mejoras en la tecnología de tamices moleculares también están contribuyendo a los avances en ASU. Los tamices moleculares desempeñan un papel fundamental en la purificación del ASU, ya que garantizan una gran pureza del gas al eliminar eficazmente los contaminantes. En la actualidad, los investigadores desarrollan activamente tamices moleculares más selectivos y eficaces para mejorar la capacidad de adsorción, prolongar la vida útil y reducir los costes energéticos. Si está buscando impulsar la innovación en la purificación de ASU, asociarse con Jalon puede apoyar el desarrollo de tamices moleculares de próxima generación, mejorando el rendimiento y la sostenibilidad.
Más allá de las aplicaciones tradicionales, la tecnología ASU se está expandiendo hacia la producción de energía de hidrógeno y la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), desempeñando un papel crucial en la descarbonización y la transición hacia un futuro energético más sostenible. Dado que las industrias de todo el mundo siguen dependiendo de los gases industriales de alta pureza, el futuro de la tecnología ASU sigue siendo prometedor, ya que ofrece soluciones más eficientes, versátiles e impactantes para un mundo en rápida evolución.
EN 
DE 
ES 
JA 
