AIRE

Definición: Aire, es la mezcla homogénea de gases que constituye la atmósfera terrestre,

que permanecen alrededor de la Tierra por acción de la fuerza de gravedad. En distancias

cortas y medias, es característicamente suave, impalpable y transparente (si está libre de

contaminantes). Al igual que el agua, el aire es esencial para la vida en el planeta.

Propiedades físicas y químicas del aire

1.- Propiedades físicas

El aire ocupa espacio: Aunque al mirar el cielo no veamos nada, los gases del aire

están ahí ocupando espacio .Tienen la capacidad de desplazarse de un lugar a otro y

ocupar todos los espacios vacíos o que nos parecen vacíos.

El aire se expande y se contrae: Los gases llenan todo el espacio del que disponen

de manera uniforme, no tienen un volumen propio .Cuando un gas se calienta o se

quita presión ocupa mayor volumen; al contrario, si a este gas se lo enfría o se le

aplica una cierta presión este disminuirá su volumen.

El aire es una mezcla de gases: Los componentes del aire están mezclados pero no

químicamente combinados.La composición de la atmósfera varía de acuerdo a la

latitud y altitud, los compuestos químicos en cambio, son siempre los mismos.

El aire posee fluidez: Es decir el paso del flujo de aire de un lugar de mayor

concentración a otro de menor concentración, sin gasto de energía.

El aire poseedensidad:La densidad explica  la cantidad de masa de una sustancia

contenida en una unidad de volumen. Por ejemplo:El valor de la densidad calculada

para el aire a 0oC y 1 atm es 1,293 Kg/m3, esto significa que hay 1,293Kg de aire en

1 m3 de volumen.

El aire tiene viscosidad: La viscosidad es la oposición de un fluido (se

denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre

cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil) a las deformaciones

tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad

todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de

viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.

La viscosidad del aire en condiciones normales tiene un valor de µ= 1,783x10 -5

(Kg/m.s), que es aproximadamente del orden de 500 veces inferior a la del agua.

Los primeros investigadores de los siglos XVIII y XIX en estudiar la mecánica de

fluidos analizaron el movimiento del aire como si se tratara de un fluido ideal (µ=o).

La simplificación de considerar el aire como un fluido ideal y el hecho de que su

viscosidad es muy baja, supone una simplificación muy notable de las ecuaciones

del movimiento.

El aire es incoloro, inodoro, insípido, transparente y un buen aislante térmico y

eléctrico.

Otras propiedades no tan importantes son: calor de vaporización (49,0 cal/g) que es

la cantidad de energía necesaria para que el aire pueda evaporarse, calor específico

(0,2402 cal/g. °C) que es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad

de masa de una sustancia (aire en este caso) para elevar su temperatura en una

unidad (kelvin o grado Celsius), la temperatura critica (-140,7 ° C) que es

la temperatura límite por encima de la cual un gas no puede ser condensado por

compresión y la presión critica (37,2 atm) que es la presión del vapor de un líquido

a la temperatura crítica.

Hay que tener en cuenta que el aire no existe en el vacío, sino que el aire llena el

espacio que nosotros vemos como vacío.

Antes de indicar las propiedades químicas del aire es importante conocer la composición

del mismo para su entendimiento.

Composición ponderal y volumétrica del aire

Los componentes del aire pueden dividirse en constantes y variables. Los componentes

constantes del aire son: nitrógeno (78,084% en volumen y 75,503% en peso), oxígeno

(20,946% en volumen y 23,147% en peso) y el porcentaje restante se compone de gases

como el dióxido de carbono (0,039% en volumen y 0,0592% en peso), Metano (CH4)

(0,000179% en volumen y 0,0000989% en peso), Kriptón (Kr) (0,000114% en volumen y

0,0003299% en peso), Óxido nitroso (N2O) (0,00003% en volumen y 0,00004558% en

peso), Xenón (Xe) (0,000009% en volumen y 0,00004081 en peso), Yodo (I2) (0,000001%

en volumen y 0,000008764% en peso), neón (Ne) (0,001818% en volumen y 0,001266% en

peso), Helio (He) (0,00524% en volumen y 0,00007243% en peso), hidrógeno (H2)

(0,000055% en volumen y 0,000003798% en peso), Amoníaco (NH3) (Trazas) y otros

gases pero en proporciones ínfimas. En pequeñas cantidades pueden existir sustancias de

otro tipo: polvo, polen, esporas y ceniza volcánica. También son detectables gases vertidos

a la atmósfera en calidad de contaminantes, como cloro y sus compuestos, flúor, mercurio y

compuestos de azufre. (Ver adjunto 1).

Todos estos componentes se distribuyen alrededor de toda la atmósfera. Según la altitud,

la temperatura y la composición del aire, la atmósfera terrestre se divide en cuatro

capas: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera. A mayor altitud

disminuyen la presión y el peso del aire.

Troposfera: Es la capa de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la Tierra.

Tiene alrededor de 9 millas de espesor en el ecuador terrestre, y en ella ocurren todos los

fenómenos meteorológicos que influyen en los seres vivos, como los vientos, la lluvia y las

nieves. Además, concentra la mayor parte del oxígeno y del vapor de agua. En particular

este último actúa como un regulador térmico del planeta; sin él, las diferencias térmicas

entre el día y la noche serían tan grandes que no podríamos sobrevivir. La tropósfera es una

de las capas más finas del conjunto de las capas de la atmósfera.

Estratosfera: Es una de las capas más importantes de la atmósfera, esta se sitúa entre la

troposfera y la mesosfera, y se extiende desde unas 5 hasta unas 30 millas de la superficie.

La temperatura aumenta progresivamente desde los -55 °C de la tropopausa (zona de

contacto entre troposfera y estratosfera) hasta alcanzar los 0 °C de la estratopausa (zona de

contacto entre la estratosfera y mesosfera), aunque según algunos autores puede alcanzar

incluso los 17 °C o más. Es decir, en esta capa la temperatura aumenta con la altitud, al

contrario de lo que ocurre en las capas superior e inferior. Esto es debido principalmente a

la absorción de las moléculas de ozono que absorben radiación electromagnética en la

región del ultravioleta.

La estratósfera es una región en donde se producen diferentes procesos radiactivos,

dinámicos y químicos. 

Mesosfera: Es la parte de la atmósfera situada por encima de la estratosfera y por debajo de

la termosfera. En la mesosfera la temperatura va disminuyendo a medida que se aumenta la

altura, hasta llegar a unos -80 °C a las 50 millas aproximadamente. Se extiende desde la

estratopausa (zona de contacto entre la estratosfera y la mesosfera) hasta una altura de unos

80 km donde la temperatura vuelve a descender hasta unos -70 °C u -80 °C.

La mesosfera es la tercera capa de la atmósfera de la Tierra. La temperatura disminuye a

medida que se sube, como sucede en la troposfera. Puede llegar a ser hasta de -90° C. Es la

zona más fría de la atmósfera.

La mesosfera, que se extiende entre los 50 y 80 km de altura, contiene sólo cerca del 0,1%

de la masa total del aire. Es importante por la ionización y las reacciones químicas que

ocurren en ella. La baja densidad del aire en la mesosfera determina la formación de

turbulencias y ondas atmosféricas que actúan a escalas espaciales y temporales muy

grandes. También en esta capa se observan las estrellas fugaces que son meteoroides que se

han desintegrado en la termosfera.

Termosfera: Es la capa de la atmósfera terrestre que se encuentra entre la mesosfera y

la exosfera. Dentro de esta capa, la radiación ultravioleta, pero sobre todo los rayos

gamma y rayos X provenientes del Sol, provocan la ionización de átomos de sodio y

moléculas. En dicho proceso los gases que la componen elevan su temperatura varios

cientos de grados, de ahí su nombre. Es la capa de la atmósfera en la que operan los

transbordadores espaciales.

Se extiende desde las 40 millas a las 350 millas, aproximadamente. En esta capa la

temperatura se eleva continuamente hasta más allá de los 1000 °C. Está constituida por

gran cantidad de partículas con carga eléctrica.

Exosfera: Es la capa de la atmósfera terrestre en la que los gases poco a poco se dispersan

hasta que la composición es similar a la del espacio exterior. Es la última capa de la

atmósfera, se localiza por encima de la termosfera, aproximadamente a unas 360 millas de

altitud, en contacto con el espacio exterior, donde existe prácticamente el vacío. Es la

región atmosférica más distante de la superficie terrestre. En esta capa la temperatura no

varía y el aire pierde sus cualidades físico–químicas. (Ver adjunto 2)

Propiedades químicas del aire

El aire es una mezcla de gases incoloros, inodoros e insípidos, formando moléculas

diatómicas, que no reaccionan a temperatura ambiente.

El aire tiene psicrometría, que desde la perspectiva de la termodinámica es la

capacidad que tiene el aire de captar y retener cargas de agua y que se conoce a

través de una carta de temperaturas, entalpías y volumen específico (carta

psicométrica).

Si nos referimos a la reactividad del aire tenemos que ver la reactividad de cada uno de sus

componentes:

Propiedades químicas de los componentes del aire

El oxígeno: El oxígeno es bastante inactivo a temperatura ambiente, pero a temperaturas

elevadas, sus moléculas se combinan fácilmente con otras sustancias. Éste forma

compuestos con todos los elementos excepto los llamados metales nobles (oro, plata y

platino), y los gases nobles (helio, neón y aparentemente el argón).

Las reacciones del oxígeno con otros elementos pueden ser de dos tipos:

Reacciones de combustión. La reacción de combustión es la reacción del oxígeno del aire con un material combustible, como lo son los hidrocarburos. Esta reacción es exotérmica, lo que significa que genera gran cantidad de calor.

Reacciones de oxidación.- La reacción de oxidación es la reacción del oxígeno del aire con cualquier elemento de la tabla periódica, ya sea metálico o no metálico. Al producto de una reacción de oxidación se llama óxido.

El hidrógeno: El hidrógeno es relativamente inerte a temperatura ambiente, pero con una pequeña ignición, en presencia de oxígeno, reacciona violentamente. Por esta cualidad, podemos afirmar que el hidrógeno es combustible. La reacción entre el hidrógeno y oxígeno libera grandes cantidades de energía en forma de luz y calor, dando como producto vapor de agua.

El dióxido de carbono: Este gas es incoloro, inodoro y poco reactivo. Está formado por carbono y oxígeno (CO2). El CO2 puro extingue una llama impidiendo la combustión.El CO2 se disuelve en agua, reacciona con ella y produce pequeñas cantidades de ácido carbónico (H2CO3), el cual hace variar el pH de las disoluciones. Por esta razón se le considera un óxido ácido. El CO2 se utiliza en la elaboración de bebidas efervescentes y en fabricación de bicarbonato de sodio (NaHCO3).

Ozono: Es un gas incoloro de olor penetrante. Su constitución atómica es similar a la del oxígeno (O2) ya que tiene tres átomos de oxígeno (O3). Se produce en forma natural en la estratosfera, a unos 30 Km de la corteza terrestre, por la acción de la radiación ultravioleta (UV) del sol sobre las moléculas de oxígeno.

Debido a su gran poder oxidante, el ozono se utiliza para decolorar aceites y ceras y para esterilizar el agua potable. En estos procesos se oxidan las sustancias extrañas contenidas en esos materiales.

Nitrógeno: Es el gas más abundante en la atmósfera. Está constituido por moléculas

diatómicas (N2). A la temperatura y a la presión atmosférica que se encuentra a nivel del

mar, este gas no reacciona con otro elemento.La gran estabilidad del nitrógeno dificulta que

se formen nuevos compuestos. A temperaturas muy elevadas, reacciona con algunos

metales muy reactivos como el litio (Li) y el magnesio (Mg).

El nitrógeno es muy importante en la formación de proteínas, tanto vegetales como

animales. La etapa esencial, es su conversión en amoníaco (NH3) o ácido nítrico (HNO3).

Un proceso natural importante es la fijación del nitrógeno implica la acción de ciertas

bacterias que se encuentran en las raíces de las leguminosos, como lo porotos, lentejas, el

trébol y la alfalfa. Estas bacterias contienen enzimas que aceleran la transformación del

nitrógeno en amoníaco (NH3), desde donde pueden comenzar a ser utilizado por las plantas

y animales en la síntesis de las distintas proteínas elementales.

Kriptón.- El kriptón es un gas noble inodoro e insípido de poca. Es uno de los productos de

la fisión nuclear del uranio. Para propósitos prácticos puede considerarse un gas inerte

aunque se conocen compuestos formados con el flúor; además puede formar clatratos con

el agua al quedar sus átomos atrapados en la red de moléculas de agua.

Argón.- Se emplea como gas de relleno en lámparas incandescentes ya que no reacciona

con el material del filamento incluso a alta temperatura y presión, prolongando de este

modo la vida útil de la bombilla, y en sustitución del neón en lámparas

fluorescentes cuando se desea un color verde-azul en vez del rojo del neón. También como

sustituto del nitrógeno molecular (N2) cuando éste no se comporta como gas inerte por las

condiciones de operación.

En el ámbito industrial y científico se emplea universalmente en la recreación de

atmósferas inertes (no reaccionantes) para evitar reacciones químicas indeseadas en

multitud de operaciones: Soldadura por arco y soldadura a gas, fabricación de titanio y

otros elementos reactivos.

Helio.- Es un gas incoloro, inodoro e insípido. Tiene menor solubilidad en agua que

cualquier otro gas. Es el elemento menos reactivo y esencialmente no forma compuesto

químicos. La densidad y la viscosidad del vapor de helio son muy bajas. La conductividad

térmica y el contenido calórico son excepcionalmente altos. El helio puede licuarse, pero su

temperatura de condensación es la más baja de cualquier sustancia conocida.

El helio fue el primer gas de llenado de globos y dirigibles. Esta aplicación continúa en la

investigación de alta altitud y para globos meteorológicos. El uso principal del helio lo

constituye el gas inerte de protección en soldadura autógena. Su mayor potencial lo

encontramos en aplicaciones a temperaturas muy bajas. El helio es el único refrigerante

capaz de alcanzar temperaturas menores que 14 K (-434ºF). El principal valor de la

temperatura ultrabaja está en el desarrollo del estado de superconductividad, en el cual hay

prácticamente una resistencia cero al flujo de la electricidad.

Xenón.- El xenón se utiliza para llenar cierto tipo de lámparas de destello para fotografía

que producen luz con un buen equilibrio de todos los colores del espectro visible y pueden

ser utilizadas 10 000 veces o más antes de quemarse. Una lámpara de arco llena con xenón

da luz intensa semejante al arco de carbono; en particular es valiosa en la proyección de

películas.

Se encuentran trazas de xenón en minerales y meteoritos, pero la única fuente comercial de

xenón es el aire. El xenón constituye 0.086 partes por millón por volumen de aire seco.

Dióxido de nitrógeno.- Es un gas tóxico, irritante y precursor de la formación de

partículas de nitrato. Estas llevan a la producción de ácido y elevados niveles de PM-2.5 en

el ambiente. Afecta principalmente al sistema respiratorio. La exposición a corto plazo en

altos niveles causa daños en las células pulmonares, mientras que la exposición a más largo

plazo en niveles bajos de dióxido de nitrógeno puede causar cambios irreversibles en el

tejido pulmonar similares a un enfisema.

Óxidos de nitrógeno.- Provoca alucinaciones, un estado eufórico y en algunos casos puede

provocar pérdida de parte de la memoria humana. No es inflamable ni explosivo, pero

soporta la combustión tan activamente como el oxígeno cuando está presente en

concentraciones apropiadas con anestésicos o material inflamable.

Componentes fijos y variables

Los componentes del aire pueden dividirse en constantes y variables. Los componentes

constantes del aire son el nitrógeno, el oxígeno y el restante se compone de gases como el

dióxido de carbono, Metano (CH4), Kriptón (Kr), etc.

Sin embargo, la composición constante del aire no implica que represente un estado de

equilibrio, sino más bien un estado estacionario, en el que una serie de procesos cíclicos

liberan los componentes fundamentales a la misma velocidad que son consumidos como

consecuencia de otras reacciones químicas en que participan. Así, p. ej., por lo que respecta

al oxígeno la litosfera contiene cantidades suficientes de materias oxidables (compuestos

orgánicos, sulfuros metálicos, óxidos derivados de estados bajos de oxidación) para que, si

se alcanzase el estado de equilibrio, la presión de O2 quedase reducida a un valor

insignificante.

Los componentes variables son los demás gases y vapores característicos del aire de un

lugar determinado, como por ejemplo, los óxidos de nitrógeno provenientes de las

descargas eléctricas durante las tormentas o el óxido de carbono que viene de los escapes

de los motores. Otros gases de composición variables son el Ozono (O3), vapor de agua y

partículas despreciables.

Algunos de los componentes variables del aire proceden de las reacciones químicas que se

producen en el mismo, muchas veces entre sus componentes. Así el nitrógeno y el oxígeno

reaccionan en el seno de las descargas eléctricas durante las tormentas con producción de

NO, el cual forma NO2 con el oxígeno y se transforma posteriormente en ácido nítrico y

nitratos. El oxígeno experimenta cambios muy importantes en función de la altura. Por

encima de 100 Km se presenta en forma atómica muy reactiva, a consecuencia de la acción

de radiaciones. En la ionosfera se encuentra fundamentalmente en forma de O+ y O2+.

Bajo la influencia de las radiaciones ultravioleta de corta longitud de onda se transforma en

ozono (O3). A nivel del mar la concentración de O3 es muy baja, habitualmente inferior a

2x10-8 volúmenes por volumen de aire, aunque en ciertas áreas pueda alcanzar hasta

100x10-8, pero al aumentar la altura la concentración se incrementa considerablemente

para llegar a un máximo a unos 25 Km, siendo la capa concentrada un absorbente eficaz de

las radiaciones ultravioleta de longitud de onda inferior a 300 mµ, letales para los seres

vivos.

AIRE LÍQUIDO

Definición.- El aire líquido es aire que ha sufrido un proceso de licuado (condensación) a

través de la aplicación de altas presiones y la aplicación de bajas temperaturas. Debe ser

conservado en un vaso Dewar (recipiente diseñado para proporcionar aislamiento térmico,

es decir, disminuir las pérdidas de calor por conducción,

convección o radiación) a temperatura ambiente, el aire líquido absorbe rápidamente el

calor y es esta la razón por la que se convierte rápidamente a su estado gaseoso. Se emplea

generalmente en la refrigeración de otras sustancias, así como para la obtención

de nitrógeno, oxígeno, argón, y otros gases inertes en su estado puro.

Métodos de obtención

Como se sabe, para convertir un gas a líquido, es decir condensarlo, se deben aplicar

presión y disminuir su temperatura. La licuefacción de gases incluye una serie de fases

utilizada para convertir un gas en estado líquido. Los procesos se utilizan para fines

científicos, industriales y comerciales. Muchos de los gases se pueden poner en estado

líquido a presión atmosférica normal por simple refrigeración y otros como el dióxido de

carbono, requieren presurización.Pero para el aire el proceso se vuelve complicado porque

se necesita de muy altas presiones y muy bajas temperaturas para su condensación, ante

esto, las industrias aplican varios procesos para la obtención de aire líquido, pero antes de

realizar estos procedimientos se debe purificar el aire.

Purificación previa del aire: Se debe mencionar que antes de que el aire entre en los

aparatos de licuefacción estos deben ser sometidos a un secado cuidadoso, y eliminarse

todo el CO2 que contenga; ambas operaciones son imprescindibles. Las mínimas

cantidades de estas impurezas que quedan se congelan, dañando progresivamente los

aparatos utilizados para la licuefacción del aire.

Antes de entrar a mencionar los diferentes procesos de licuefacción del aire debemos

establecer algunas definiciones:

Efecto Joule – Thompson.- El proceso de Joule-Thompson consiste en el paso desde un

contenedor a presión constante a otro a presión también constante y menor (Pf < Pi),

de un gas a través de un estrangulamiento. El gas se expande adiabáticamente (es una

variación de volumen o presión de un cuerpo sin aumento o disminución de calor. Aplicase

a los fenómenos que se desarrollan en un sistema termodinámico sin ninguna transmisión

de calor) en el paso de un contenedor a otro, y se produce una variación en su temperatura.

La variación de temperatura depende de las presiones, inicial y final, y del gas utilizado.

Está relacionada con la desviación del gas de su comportamiento ideal.

El efecto de Joule – Thompson tiene su campo de aplicación en la producción de gases

licuados a muy baja temperatura.

La mayoría de los sistemas de refrigeración se basan directa o indirectamente en el efecto

Venturi combinado con el de Joule – Thompson. Los ventiladores del PC, la refrigeración

líquida, el aire acondicionado del coche, la forma de los disipadores de calor, las alas de los

aviones, las altas velocidades de un Formula 1 y el difusor de un motor.

Entalpía.- Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación

expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema

termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su

entorno.

En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la

variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación

isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta

que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico),

transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la

utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al

calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión. Su unidad es el Joule.

Entropía.- simbolizada como S es una magnitud física que permite, mediante cálculo,

determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es

una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el

transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de

los sistemas termodinámicos. La palabra entropía significa evolución o transformación.

Existen diversos métodos para condensar el aire, de los cuales se mencionara algunos:

Proceso Hampson: El aire debe ser limpio y seco con presión entre los 2000 - 3000

(lb/in2) entra al cambiador de contracorriente, el fluido pasa a alta presión por el

cambiador, y es expandido aproximadamente sobre la presión atmosférica pasando a través

de la válvula de expansión.

El enfriamiento Joule - Thompson sobre la expansión causa una baja de temperatura, y el

aire expandido frio es obligado a pasar a través de pasos de baja presión del cambiador de

calor, donde se refresca a la entrada de la secuencia de alta presión. Así la temperatura en la

válvula es bajada progresivamente hasta que la temperatura de licuefacción es alcanzada.

(Ver adjunto 3)

Proceso Hampson con Pre-enfriador: Para mejorar la eficiencia del Proceso de Hampson,

se usa aparte un sistema de refrigeración para bajar la temperatura inicial del aire admitido

en el intercambiador de calor, logrando con esto que las evoluciones de condensación y

evaporación estén más cercanas al proceso reversible. (Ver adjunto 3)

Procedimiento Linde: El aire es aspirado por un compresor a una presión P1 y a la

temperatura T1, y condensado hasta la presión P2. Por una refrigeración intermedia con

agua se ha separado en tres el calor de compresión. Admitiendo la compresión isoterma

(tratando de mantener las mismas condiciones), el aire vuelve a estar de nuevo a la

temperatura T1, pero a la presión P2. Fluye después en el intercambiador de calor, en el

cual es enfriado por el aire frio de escape. Al atravesar este aire, la válvula estrangulada se

enfría todavía más, bajando su temperatura por el efecto Joule-Thomson que allí se

produce, y en parte se hace líquida. La parte que continúa en estado gaseoso atraviesa el

intercambiador de calor, del que sale a la temperatura T+∆T, es decir, un poco más frio que

el aire aspirado. El aire liquido puede ser evacuado del depósito por la válvula. (Ver

adjunto 4).

Procedimiento Claude: George. Claude, pensando que la fuerte disminución de

temperatura producida por la expansión del aire con producción de trabajo externo era al

mismo tiempo aprovechable para el consumo de trabajo de su procedimiento de producción

de aire líquido, introdujo, con éxito técnico, el llamado motor de expansión, pero este ya

había sido propuesto en 1857 por Ch. W: Siemens, y treinta años después por Solvay. El

aire atmosférico es aspirado por compresores escalonados, provistos de refrigeración

intermedia; el aire comprimido así a 60 atm, por ejemplo, después de enfriarse en el

intercambiador de calor de contracorriente es dividido en dos partes. El 70% del aire es

dirigido para atravesar el motor de expansión, donde se distiende a la presión atmosférica

produciendo trabajo que puede ser aprovechado para mover el dínamo, o también como

energía supletoria de los motores que accionan los compresores. El 30% del aire fluye

directamente hacia el licuefactor. En este aparato el aire es liquidado bajo su presión

primitiva por el aire frio que procede de la máquina de expansión, y atravesando el

intercambiador de contracorriente, donde cede su frio, es expansionado al salir por la

válvula y liquidándose para ser recogido en estado líquido en un recipiente, de donde puede

ser evacuado por la válvula que el depósito lleva en su fondo. Los gases de escape del

depósito, formados en parte del aire líquido que se ha evaporizado, suben por el

intercambiador de calor, y después de mezclarse con aire frio procedente de la máquina de

expansión, atraviesan los dos intercambiadores de calor. Finalmente, abandonan el aparato

y a una temperatura algo inferior a la que tenían al ser aspirados.La temperatura de entrada

del aire en la máquina de expansión sube con rapidez al aumentar la presión, mientras que

en los casos favorables la fracción correspondiente recuperada disminuye. (Ver adjunto 4).

Licuefador de Aire de Kapitza: Este proceso utiliza una turbina expansora y un

regenerador, los cuales sirven para el propósito dual de enfriar y purificar el aire.

El aire desde el compresor hasta el sitio de temperatura y presión de 7 atmosferas entran

bajo uno de los dos regeneradores paralelos, donde es progresivamente enfriado y las

impurezas (agua y CO2) son depositadas en la superficie fría del regenerador. Después de

pasar a través del regenerador el aire dividido en dos secuencias. La mayor parte del aire

pasa a través del ecualizador de temperatura y luego a través de la turbina de expansión,

donde su temperatura es reducida haciendo el trabajo. El aire muy frio expulsado fuera de

la turbina a una presión un poco superior a 1 atmósfera entra a un filtro de bobina de

condensación dentro del cual el resto de aire a alta presión ha sido encaminado. Este

intercambio de calor resulta en la condensación a 7 atmosferas en el aire en la bobina de

condensación y un calentamiento a baja presión. El aire a baja presión retorna a través de la

otra regeneradora de enfriamiento. El aire licuado en el condensador pasa a través de las

válvulas de expansión es reducida cerca de la presión atmosférica resultando una

disminución de la temperatura y una pequeña evaporización adicional. Después de unos 5

minutos de operación la válvula de reversión es operada de modo que la secuencia de alta y

baja presión cambia los regeneradores. Las funciones de los regeneradores son ahora

aparentes. El aire impuro que entra a alta presión es enfriado y sus impurezas son

condensadas sobre la superficie del primer regenerador mientras que en el otro regenerador

el aire puro frio de baja presión expulsado es evaporado y remueve las impurezas, al mismo

tiempo el regenerador es enfriado. (Ver adjunto 5)

Proceso Cascada: El sistema de cascada es un proceso que consume una potencia más baja

que los procesos ya descritos. Es un sistema donde una serie de líquidos con puntos de

ebullición progresivamente más bajos son condensados bajo presión, en la temperatura

producida por la evaporación del líquido de ebullición más alta. (Ver adjunto 5)

Procedimiento Heyland: El físico Heyland combinó los procedimientos de Linde y

Claude utilizando:

- Válvula de expansión, como el primero, para la expansión de una parte del aire

- Un cilindro especial para el resto, en el que se efectúa la compresión y expansión

alternativas, permitiendo el empleo de lubricantes ordinarios

El aire previamente refrigerado se comprime a 200 atm y el calor de compresión se elimina

por refrigeración en S (Ver adjunto 6) con agua corriente, ahorrándose el montaje de la

estación frigorífica necesaria en el procedimiento Linde. El aire a presión y frío pasa por el

separador de aceite y desecador B (Ver adjunto 6) descomponiéndose después en dos

fracciones: El 60% pasa a la máquina E (Ver adjunto 6) en la que se expansiona con

recuperación de un 13% aproximadamente del trabajo consumido en la compresión y se

enfría hasta -160ºC. A continuación circula por el tubo central de un serpentín triple, como

el utilizado por el procedimiento Linde, refrigerando la otra porción (40%) que entra

directamente por el tubo interno de dicho serpentín. Esta última fracción se expansiona

continuamente a través de la válvula L (Ver adjunto 6) licuándose parcialmente y

recogiéndose en un depósito inferior el aire líquido, pasando el resto no licuado al tubo

exterior del serpentín triple para contribuir a la refrigeración general y ser evacuado a la

atmósfera.

Propiedades y usos del Aire Líquido

Propiedades

El aire líquido tiene una densidad de aproximadamente 870 kg/m3, aunque esta densidad

nominal puede ser diferente en muchos casos dependiendo de la composición elemental del

aire. Ya que como el aire gaseoso tiene un 78% de volumen de nitrógeno y un 21% de

oxígeno aproximadamente, la densidad del aire líquido en composición estándar es

calculada teniendo en cuenta la composición decimal delas densidades en estado líquido de

los respectivos componentes del aire líquido. Punto de fusión: -216.2 °C Punto de

ebullición: -194.35 °C.

El aire líquido tiene propiedades interesantes. Es tan frío que si se introduce un dedo en su

interior se tiene una sensación y un efecto en la piel como de quemadura. Introduciendo un

artículo de caucho vulcanizado en su interior, pierde la elasticidad y se vuelve quebradizo.

Si una pelota de goma que ha estado dentro del aire líquido y se la arroja contra una pared,

se rompe como si fuese de vidrio. Flores, trozos de cartón y otros cuerpos se comportan de

un modo análogo.

Si se vierte aire líquido de un frasco que lo contenga, se transforma en gas antes de llegar al

suelo, o inmediatamente de estar en contacto con él, produciendo una espesa niebla por

condensación del vapor de agua de la atmósfera, debido al descenso brusco de temperatura

que se produce.

Usos

Se usa primordialmente para conseguir en estado de pureza los gases que forman el aire,

principalmente oxígeno y nitrógeno así: siendo el oxígeno y el nitrógeno los principales

gases que componen el aire gaseoso, y siendo éste una solución, al obtenerse el aire líquido

se tiene una solución líquida de oxígeno y nitrógeno. El oxígeno hierve a - 182,5°C, y el

nitrógeno a -195°C, esto es, entre sus puntos de ebullición hay una diferencia de12, 5°C.

Esto nos dice que hay la posibilidad de separarlo por destilación.

Los usos más frecuentes del aire líquido son la refrigeración industrial (por ejemplo es

empleado para refrigerar los dispositivos de superconductividad) y de dispositivos de

laboratorio (fundamentalmente detectores y cámaras de infrarrojo, etc.), algunos inventores

como el ingeniero francés Guy Negré que figura como el inventor de un automóvil que se

propulsa con aire líquido y en aplicaciones diversas de criónica. Posee además diversos

usos en medicina, esterilización de instrumentos. Se usa también para fabricar explosivos y

para templar ciertos aceros destinados a la construcción de maquinaria pesada y de alta

velocidad.

DESTILACIÓN DEL AIRE LÍQUIDO

Destilación – Definición.- La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.

Para aplicar el método de destilación al aire, primero este tiene que estar en su estado líquido, para luego con la aplicación de una ligera variación de temperatura obtener los componentes del aire (oxígeno, nitrógeno, etc.); existen diferentes métodos de destilación del aire, estos son:

DESTILACIÓN FRACCIONADA CRIOGÉNICA

El aire líquido es un producto químico de mercado minoritario que ha sido sustituido en sus principales aplicaciones industriales por sus distintos componentes, pues su fraccionamiento es relativamente barato. Efectivamente, la diferencia de composición entre las fases vapor y líquida en equilibrio del aire licuado a presiones por encima de la atmosférica permite la fácil separación de sus componentes mayoritarios en columnas convencionales de destilación a bajas temperaturas (criogénicas).

En el adjunto 7 se representan las curvas de presión de vapor de los tres componentes mayoritarios del aire, junto con las curvas los puntos de burbuja y de rocío del aire. También se incluyen las curvas de equilibrio entre fases de mezclas binarias de oxígeno y nitrógeno a presiones de 1,5 y 6,5 atm, que permiten conocer la composición de cada fase a una determinada temperatura y a esas presiones.

En las unidades más sencillas se separan tres fracciones: oxígeno, nitrógeno de alta pureza y un nitrógeno impuro residual que se devuelve a la atmósfera, cuando no todo el nitrógeno encuentra salida comercial. Las dos primeras pueden obtenerse en fase vapor a temperaturas próximas a la ambiente, o en fase líquida a bajas temperaturas; la tercera siempre se separa en fase gas. Además, se puede separar con relativa facilidad una fracción de argón bruto con oxígeno, que posteriormente se purifica en una instalación anexa.

Esto sucede porque: primero el nitrógeno tiene un punto de ebullición normal de –196oC, como es menor que el punto de ebullición del oxígeno (que ebulle a -183 oC), y el de otros componentes del aire, al destilar el aire líquido se obtiene primero el nitrógeno, quedando el oxígeno contaminado con pequeñas cantidades de nitrógeno y argón (otros componentes del aire).

Separación criogénica de componentes mayoritarios en fase gas mediante sistemas regenerativos simples de Linde.

La alternativa más simple de fraccionamiento, que se implantó industrialmente a comienzos del siglo XX, consiste en el empleo de una única columna que trabaja a una presión ligeramente por encima de la atmosférica, en la que se introduce el aire frío después de someterlo a una laminación, de resultas de la cual quedará parcialmente licuado. En realidad esta columna fue el resultado de una evolución del separador de fases de los procesos de licuación del aire, al que se aportaba calor por el fondo al enfriar aún más la alimentación antes de la válvula de laminación V1 (Ver adjunto 7, segunda fig). A la vez que se conseguía un agotamiento del nitrógeno en el oxígeno de la corriente de fondo, y se producía un aire enriquecido en oxígeno u oxígeno de baja pureza.

La fracción líquida, empobrecida en nitrógeno, puede ser agotada disponiendo de suficiente número de platos y vaporizando el fondo de la columna con la corriente de la alimentación, previamente a su laminación. El oxígeno se extrae como vapor por encima de la superficie del líquido del hervidor (B) y su concentración sólo puede llegar al 95 %, pues lleva consigo casi todo el argón. Por otra parte, dado que no se dispone de un reflujo líquido frío que introducir por encima de la alimentación, no resulta posible rectificar la fracción vapor, que sale por cabeza (T) con una concentración de nitrógeno próxima al 90%v. Ambas fracciones intercambian el frío con el aire comprimido de alimentación. En el diagrama de la derecha del adjunto 7 se representan las composiciones de las corrientes en el interior de la columna en una serie de etapas de equilibrio en contracorriente (McCabe Thiele) de conformidad al proceso cuyo esquema se incluye en la misma figura a la izquierda. Los

inconvenientes de este procedimiento son la baja pureza del nitrógeno que se puede obtener y su elevado consumo de energía.

El desarrollo tecnológico más importante que se logró al cabo de algunos años consistió enrealizar la destilación en dos columnas dispuestas en serie, en vez de en una sola. La primera se mantenía a la presión de 6,5 atm, y de ella se obtenían dos fracciones, una de oxígeno enriquecido, por el fondo y otra de nitrógeno por cabeza. Ambas fracciones se laminaban por separado (válvulas V2 y V3 dl adjunto 7 segunda fig) y se introducían en la columna de baja presión (dispuesta encima de la atmosférica) para llevar a cabo una segunda destilación. La gran ventaja de esta disposición de doble columna reside en que, manteniendo esa diferencia de presión, puede transmitirse calor desde la cabeza de la columna de alta presión al fondo de la de baja presión mediante un equipo condensador-evaporador, que se denominó calandria y que se representa en el esquema del adjunto 8 segunda fig. Efectivamente, en los diagramas de equilibrio del adjunto 7 se comprueba que hay una diferencia de más de 5º entre la temperatura de condensación del nitrógeno y la de ebullición del oxígeno.

Ahora los vapores ascendentes por la columna inferior pueden rectificarse con parte del condensado conseguido en la calandria como reflujo y se obtiene un nitrógeno mucho más puro, que se extrae en fase líquida y se lamina en V2 del adjunto 8, para acabar de rectificarlo en la columna superior a baja presión, saliendo por cabeza (T). Se ha conseguido así el objetivo propuesto.

El líquido de fondo de la columna inferior se lamina en V3 y también se introduce en la columna superior, generando frío. La fase líquida, rica en oxígeno se agota en la sección inferior de la columna superior de baja presión, pero la concentración del oxígeno vapor que se separa por encima del nivel de líquido (B) no puede ser mayor de 95% debido al presencia de casi todo el argón del aire de alimentación.

Puesto que el oxígeno puede agotarse muy bien en la columna superior a baja presión, no tiene interés agotarlo en el fondo de la columna inferior y pueden suprimirse los platos de agotamiento de esta columna, que solo recoge la fracción líquida generada en el “flash” de la válvula V1. Generalmente la concentración del fondo de la columna inferior es del orden del 40 % de oxígeno.

La presión a la que hay que comprimir el aire es del orden de 65 atm para compensar las pérdidas de energía en las tres laminaciones, cuando teóricamente debería ser suficiente comprimir el aire a unas 7 atm para compensar las pérdidas a través del aislamiento térmico y las de recuperación del frío en los intercambiadores. Evidentemente, esta mejora energética debe conseguirse sustituyendo las laminaciones por expansiones en máquinas térmicas que realicen trabajo.

Separación criogénica de componentes mayoritarios en fase gas mediante procesos mixtos Linde-Claude.

El acoplamiento de una máquina expansora ha sido probado a escala industrial en distintas posiciones. La más sencilla es la que figura en el proceso cuyo esquema se incluye en el adjunto 9, expandiendo parte del aire comprimido y frío con su escape conectado a la columna de baja presión. Dicho proceso, que todavía se aplicaba a mediados del siglo pasado, permitía la producción de cierta cantidad de nitrógeno gas de alta pureza (1 ppm de O2) y oxígeno gas del 99,5%, comprimiendo el aire a 6,8 atm y con descarga a la atmósfera de un nitrógeno residual (algo más de la mitad del contenido en el aire comprimido) con 2,4 % de O2 y la mayor parte del argón.

Dada la baja presión a que se comprime el aire (85 lb/sq in gauge = 6,8 atm) en este proceso, no merece la pena laminarlo a la entrada de la columna de alta presión (80 lb/sq in gauge), por lo que se suprime la válvula de expansión V1 del adjunto 9. El frío correspondiente a esta evolución isoentálpica (el calor a presión constante entre el estado inicial y el final es el mismo) se obtiene expansionando el 15-20% de la alimentación directamente a la columna de baja presión (10 lb/sq in gauge) a través del expansor que recupera energía. Ese frío se transmite a la columna inferior a través de la calandria, produciendo una buena cantidad de reflujo de nitrógeno que se emplea en las dos columnas.

Puede observarse que en este proceso el secado y descarbonatación del aire se hace por solidificación en dos intercambiadores de calor reversibles en vez de hacerlo mediante tamices moleculares, que es una tecnología relativamente moderna. Al enfriarse el aire húmedo y cargado de CO2 que pasa a través de uno de ellos se forma hielo en sus paredes, de modo que a la salida está casi completamente seco. Antes de que se atasque, se cambia el flujo de aire al segundo intercambiador y ahora se hace pasar el nitrógeno residual por el primero de ellos para que el hielo se sublime y quede dispuesto para un nuevo ciclo de secado. El cambio periódico de flujo se hace mediante un juego de válvulas reversibles y la descompresión que se produce en uno de ellos genera un ruido característico.

Separación criogénica de componentes mayoritarios en fase líquida mediante procesos mixtos Linde-Claude.

Las plantas que producen oxígeno y/o nitrógeno líquido requieren un aporte adicional de energía para compensar la diferencia de entalpía que tienen los gases calientes a los líquidos fríos; es decir la presión que debe dar el compresor es muy superior, del orden de 170-200 atm, a pesar del mejor aprovechamiento que supone la instalación de una máquina expansora.

En el diagrama del proceso del adjunto 10 se puede comprobar que el expansor se dispone en paralelo con la válvula de laminación V1 (Ver adjunto 10). A diferencia del proceso anteriormente descrito, la descarga del expansor se mezcla con el aire laminado y se introduce en la columna de alta presión.

El nitrógeno puro (solo 1 ppm de oxígeno) sale de la parte alta de la columna de alta presión, mientras que el oxígeno, con una pureza del 99,5 al 99,95 sale del hervidor de la columna de baja presión. El argón escapa con el nitrógeno residual que se devuelve a la atmósfera.

SEPARACIÓN DE OXÍGENO Y NITRÓGENO DEL AIRE POR MÉTODOS NO CRIOGÉNICOS

Alternativamente a la compra de gases licuados, que además de su coste de adquisición ocasiona costes de operación (regasificación, entre otros), puede ser ventajosa la aplicación de otras tecnologías de separación de gases, que recientemente han tenido un rápido e importante desarrollo: la adsorción con ciclos de presión ("Pressure Swing Adsortion", PSA) y la permeación a través de membranas poliméricas.

Estas tecnologías están siendo objeto en la actualidad de un acelerado desarrollo por las empresas multinacionales del sector de los gases industriales que dedican gran parte de sus recursos de I+D a tal fin, en la esperanza de reducir las limitaciones todavía existentes a su aplicación. Seguidamente se consideran las peculiaridades y limitaciones de estas técnicas no criogénicas que ya se aplican extensamente en el ámbito industrial principalmente para producir nitrógeno, pero también oxígeno, aunque con mayores dificultades.

Adsorción con ciclos de presión "PSA".

La obtención de nitrógeno u oxígeno por adsorción/desorción del otro componente del aire (considerado como impureza) mediante ciclos de presión en un medio selectivamente adsorbente es una variante sencilla de esta técnica de amplio uso en la industria química. Dado el escaso valor del componente adsorbido y del gas perdido en su purga, no es necesaria su recuperación. En un proceso típico de separación de uno de los componentes del aire mediante la técnica PSA (Ver adjunto 10), cada adsorbedor gemelo, dispuesto en paralelo, tiene un ciclo de cuatro tiempos consecutivos.

El primer tiempo de adsorción se realiza pasando aire a presión por el adsorbente, que progresivamente se satura del componente indeseado con un frente plano de "contaminación" que va descendiendo desde la entrada (tubuladura superior, en la figura) hasta la salida (extremo inferior). Antes de que dicho frente alcance esta última tubuladura, el flujo de gas debe interrumpirse para mantener la pureza deseada en el efluente, debiéndose proceder a su regeneración.

La regeneración se lleva a cabo primeramente despresurizando el aparato (segundo tiempo) y después mediante la purga del componente adsorbido (tercer tiempo) que se hace, generalmente, con una fracción del fluido purificado (procedente del otro adsorbedor en servicio) en sentido contrario al de adsorción, con objeto de desplazar el frente de contaminación hasta la misma tubuladura de entrada y de enfriar la masa del adsorbente, eliminando el calor de adsorción acumulado. Completada la regeneración se procede a la presurización del adsorbedor (cuarto tiempo) también con gas purificado, quedando en espera de su entrada en servicio. Un exceso de purga contribuye a una mayor pureza del efluente pero no reduce el volumen del adsorbente necesario para una capacidad predeterminada. Un defecto de purga trae como consecuencia que el frente de contaminación alcance la tubuladura de salida en los ciclos siguientes, lo que supone el fallo del proceso.

A diferencia de la adsorción con regeneración térmica ("Temperature Swing Adsortion - TSA"), las unidades PSA no ocasionan degradación del medio adsorbente, pudiendo llegar a operar más de 10 años sin necesidad de renovación. Sin embargo, debe evitarse el arrastre de gotas y aerosoles (> 10 μm de agua y/o aceite) que puedan escapar de los separadores centrífugos de los compresores, pues acortan sensiblemente la vida útil de los adsorbentes. Para ello deben instalarse dobles filtros coalescentes de alta eficacia.

Los adsorbentes adecuados para retener el oxígeno (producción de nitrógeno purificado con menos del 0,5% de oxígeno) son determinados tipos de tamices moleculares (zeolitas 4A y carbón activo del tipo Bergbau-Forschung). El oxígeno se concentra en la corriente de purga que, como máximo, puede alcanzar un 35-50%. Estas unidades de adsorción deben competir con las unidades criogénicas de fraccionamiento especialmente diseñadas para la producción de nitrógeno de alta pureza, sin separación de oxígeno (que sale como aire enriquecido junto con el nitrógeno residual), con un consumo energético inferior a 0,1 Kwh/Nm3 de N2, y con una inversión mucho menor que las unidades criogénicas convencionales.

Permeación

La permeación de vapor es un proceso unitario de separación a base de membranas; se ha utilizado desde hace varias décadas para la separación de gases. Dicho proceso presenta varias ventajas respecto a los procesos de tratamiento de residuos gaseosos convencionales (ejemplo: adsorción, incineración, oxidación, etc.): su consumo energético es menor, son fáciles de manejar y son económicamente rentables.

El nitrógeno y el oxígeno permean difícilmente a través de todos los polímeros en general, mientras que el CO2 permea entre dos y cinco veces más que el oxígeno. El vapor de agua permea muy fácilmente en los polímeros de naturaleza polar y peor en los no polares.

La diferente velocidad de permeación de los gases a través de membranas poliméricas es la base de la moderna técnica de separación de componentes de mezclas gaseosas. La tecnología de membranas permeables (fibras huecas) resulta ventajosa sobre la adsorción con ciclos de presión PSA para la separación de nitrógeno de pureza próxima al 99 % por las siguientes razones:

a) Inexistencia de partes móviles, excepto en el compresor (necesario en ambos casos);b) Pre tratamiento mínimo del aire, sin necesidad de filtros coalescentes de aerosoles,

imprescindibles para asegurar la duración del adsorbente, yc) Puesta en marcha instantánea.

Sin embargo, como ya se ha indicado, las membranas no son aplicables para obtener oxigeno de riqueza superior al 30%. Ambas tecnologías tienen el inconveniente de que no disfrutan de las ventajas económicas que proporciona el factor de escala, pues el tamaño máximo de los equipos es muy limitado y obliga a la instalación de varias unidades en paralelo para conseguir la capacidad de producción deseada, cuando ésta es grande. Por otra parte, cualquier daño irreversible que puedan sufrir los adsorbentes o las membranas y que obligue a su sustitución prematura, afecta extraordinariamente a la rentabilidad de la planta.

Como ya se dijo, los elementos principales que se obtienen de la destilación del aire son el oxígeno y nitrógeno, de los cuales se pueden destacar las siguientes propiedades:

Oxígeno Líquido: Tiene un color azul pálido y es fuertemente paramagnético (es la tendencia de los momentos magnéticos libres (espín u orbitales) a alinearse paralelamente a un campo magnético). La densidad del oxígeno líquido es de 1,141 g/cm³ (1141 kg/m³) y es poco criogénico (punto de congelación: 50,5 K (-222,65 °C), punto de ebullición: 90,188 K (-182,96 °C) a 101,325 kPa (760 mm Hg)). En el comercio, el oxígeno líquido está clasificado como un gas industrial y ha sido extensamente usado con propósitos industriales y médicos. El oxígeno líquido se obtiene del oxígeno natural que se encuentra en el aire mediante destilación fraccionada. El oxígeno líquido tiene una relación de compresión de 860:1, y por esto actualmente se usa en aviones comerciales y militares.

Nitrógeno Líquido: El nitrógeno líquido es una fuente de fácil transporte y compacta de gas nitrógeno sin presurización. Además, su capacidad para mantener temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua hace que sea muy útil en una amplia gama de aplicaciones, principalmente como un ciclo abierto de refrigerante, incluyendo:

En obra publica se emplea para sellar las vías de agua en la construcción de túneles bajo el agua o nivel freático del terreno, aplicando con lanzas en el interior de las fisuras por donde penetra el agua, el nitrógeno líquido la congela taponando así la vía y dando tiempo a aplicar colas u otros materiales sellantes.

Es también empleado en la conservación de muestras biológicas, para procurar una congelación rápida que evite el daño de estructuras.

Como refrigerador para prácticas extremas de overclock, almacenar células de muestra en un laboratorio como sangre, esperma, ovarios u otras clases de muestras, para congelación y transporte de alimentos

Para congelar el agua de las cañerías en ausencia de válvula de paso. En crioterapia para la eliminación de cánceres de piel o hemorroides. Para eliminar cadáveres. En la preparación de alimentos, como para hacer helado. Para preservar muestras de tejido de extirpaciones quirúrgicas para futuros estudios.

CONTAMINACIÓN DEL AIRE

Contaminación – Definición.- La contaminación es la alteración nociva del estado natural de un medio (en este caso el aire) como consecuencia de la introducción de un agente totalmente ajeno a ese medio (llamado contaminante), causando inestabilidad, desorden, daño o malestar en un ecosistema, en el medio físico o en un ser vivo. El contaminante puede ser una sustancia química, energía (como sonido o calor).

Desde que las personas se reunieron por primera vez en comunidades, ha habido contaminación. La contaminación generalmente se refiere a la presencia de sustancias en el medio ambiente donde no pertenecen o a niveles mayores lo que deben ser.

La Contaminación del aire es producida por toda sustancia no deseada que ingresa a la atmósfera. Es un problema principal en la sociedad moderna. A pesar de que la Contaminación del aire es generalmente un problema peor en las ciudades, los contaminantes afectan el aire en todos lugares. Estas sustancias incluyen varios gases y partículas minúsculas o materia de partículas que pueden ser perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente. La contaminación puede ser en forma de gases, líquidos o sólidos

Naturaleza de los contaminantes del aire

En las últimas décadas los niveles de contaminados enviados a la atmósfera han aumentado considerablemente, en su mayoría por las actividades hechas por el hombre, estos son los llamados contaminantes producidos por el hombre. Estos contaminantes se producen por los procesos de combustión utilizados para generación de energía, los procesos industriales, los sistemas domésticos de agua caliente y calefacción; los servicios públicos y transportes; los procesos de tratamiento de residuos urbanos o industriales y los vapores orgánicos de disolventes, gasolina y otros combustibles similares. Estos son:

Contaminantes gaseosos: en ambientes exteriores e interiores los vapores y contaminantes gaseosos aparece en diferentes concentraciones. Los contaminantes gaseosos más comunes son el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, los hidrocarburos, los óxidos de nitrógeno, los óxidos de azufre y el ozono. Diferentes fuentes producen estos compuestos químicos pero la principal fuente artificial es la quema de combustible fósil que puede ser por causas naturales o por acción del hombre. La contaminación del aire interior es producida por el consumo de tabaco, el uso de ciertos materiales de construcción, productos de limpieza y muebles del hogar. Los contaminantes gaseosos del aire provienen de volcanes, e industrias. El tipo más comúnmente reconocido de contaminación del aire es la niebla tóxica (smog). La niebla tóxica generalmente se refiere a una condición producida por la acción de la luz solar sobre los gases de escape de automotores y fábricas.

Dentro de ellos principales tenemos:

Monóxido de Carbono (CO): Es un gas inodoro e incoloro. Cuando se lo inhala, sus moléculas ingresan al torrente sanguíneo, donde inhiben la distribución del oxígeno. En bajas concentraciones produce mareos, jaqueca y fatiga, mientras que en concentraciones mayores puede ser fatal.

El monóxido de carbono se produce como consecuencia de la combustión incompleta de combustibles a base de carbono, tales como la gasolina, el petróleo y la leña, y de la de productos naturales y sintéticos, como por ejemplo el humo de cigarrillos. Se lo halla en altas concentraciones en lugares cerrados, como por ejemplo garajes y túneles con mal ventilados, e incluso en caminos de tránsito congestionado.

Dióxido de Carbono (CO2): Es el principal gas causante del efecto invernadero. Se origina a partir de la combustión de carbón, petróleo y gas natural. En estado líquido o sólido produce quemaduras, congelación de tejidos y ceguera. La inhalación es tóxica si se encuentra en altas concentraciones, pudiendo causar incremento del ritmo respiratorio, desvanecimiento e incluso la muerte.

Cloro fluorcarbonos (CFC): Son substancias químicas que se utilizan en gran cantidad en la industria, en sistemas de refrigeración y aire acondicionado y en la elaboración de bienes de consumo. Cuando son liberados a la atmósfera, ascienden hasta la estratosfera. Una vez allí, los CFC producen reacciones químicas que dan lugar a la reducción de la capa de ozono que protege la superficie de la Tierra de los rayos solares. La reducción de las emisiones de CFC y la suspensión de la producción de productos químicos que destruyen la capa de ozono constituyen pasos fundamentales para la preservación de la estratosfera.

Contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP): Son compuestos químicos que afectan la salud y el medio ambiente. Las emanaciones masivas –como el desastre que tuvo lugar en una fábrica de agroquímicos en Bhopal, India– pueden causar

cáncer, malformaciones congénitas, trastornos del sistema nervioso y hasta la muerte.

Las emisiones de HAP provienen de fuentes tales como fábricas de productos químicos, productos para limpieza en seco, imprentas y vehículos (automóviles, camiones, autobuses y aviones).

Plomo: Es un metal de alta toxicidad que ocasiona una diversidad de trastornos, especialmente en niños pequeños. Puede afectar el sistema nervioso y causar problemas digestivos. Ciertos productos químicos que contienen plomo son cancerígenos. El plomo también ocasiona daños a la fauna y flora silvestres.  

El contenido de plomo de la gasolina se ha ido eliminando gradualmente, lo que ha reducido considerablemente la contaminación del aire. Sin embargo, la inhalación e ingestión de plomo puede tener lugar a partir de otras fuentes, tales como la pintura para paredes y automóviles, los procesos de fundición, la fabricación de baterías de plomo, los señuelos de pesca, ciertas partes de las balas, algunos artículos de cerámica, las persianas venecianas, las cañerías de agua y algunas tinturas para el cabello.

Ozono (O3): Este gas es una variedad de oxígeno, que, a diferencia de éste, contiene  tres átomos de oxígeno en lugar de dos. El ozono de las capas superiores de la atmósfera, donde se forma de manera espontánea, constituye la llamada “capa de ozono”, la cual protege la tierra de la acción de los rayos ultravioletas. Sin embargo, a nivel del suelo, el ozono es un contaminante de alta toxicidad que afecta la salud, el medio ambiente, los cultivos y una amplia diversidad de materiales naturales y sintéticos. El ozono produce irritación del tracto respiratorio, dolor en el pecho, tos persistente, incapacidad de respirar profundamente y un aumento de la propensión a contraer infecciones pulmonares. A nivel de medio ambiente, es perjudicial para los árboles y reduce la visibilidad.

El ozono que se halla a nivel del suelo proviene de la descomposición (oxidación) de los compuestos orgánicos volátiles de los solventes, de las reacciones entre substancias químicas resultantes de la combustión del carbón, gasolina y otros combustibles y de las substancias componentes de las pinturas y spray para el cabello. La oxidación se produce rápidamente a alta temperatura ambiente. Los vehículos y la industria constituyen las principales fuentes del ozono a nivel del suelo.  

Oxido de nitrógeno (NOx): Proviene de la combustión de la gasolina, el carbón y otros combustibles. Es uno de los principales causas del smog y la lluvia ácida. El primero se produce por la reacción de los óxidos de nitrógeno con compuestos orgánicos volátiles. En altas concentraciones, el smog puede producir dificultades respiratorias en las personas asmáticas, accesos de tos en los niños y trastornos en general del sistema respiratorio. La lluvia ácida afecta la vegetación y altera la composición química del agua de los lagos y ríos, haciéndola potencialmente inhabitable para las bacterias, excepto para aquellas que tienen tolerancia a los ácidos.

Dióxido de azufre (SO2): Es un gas inodoro cuando se halla en bajas concentraciones, pero en alta concentración despide un olor muy fuerte. Se produce

por la combustión de carbón, especialmente en usinas térmicas. También proviene de ciertos procesos industriales, tales como la fabricación de papel y la fundición de metales. Al igual que los óxidos de nitrógeno, el dióxido de azufre es uno de los principales causantes del smog y la lluvia ácida. Está estrechamente relacionado con el ácido sulfúrico, que es un ácido fuerte. Puede causar daños en la vegetación y en los metales y ocasionar trastornos pulmonares permanentes y problemas respiratorios  

Compuestos orgánicos volátiles (VOC): Son substancias químicas orgánicas. Todos los compuestos orgánicos contienen carbono y constituyen los componentes básicos de la materia viviente y de todo derivado de la misma. Muchos de los compuestos orgánicos que utilizamos no se hallan en la naturaleza, sino que se obtienen sintéticamente. Los compuestos químicos volátiles emiten vapores con gran facilidad. La emanación de vapores de compuestos líquidos se produce rápidamente a temperatura ambiente.

Los VOC incluyen la gasolina, compuestos industriales como el benceno, solventes  como el tolueno, xileno y percloroetileno (el solvente que más se utiliza para la limpieza en seco). Los VOC emanan de la combustión de gasolina, leña, carbón y gas natural, y de solventes, pinturas, colas y otros productos que se utilizan en el hogar o en la industria. Las emanaciones de los vehículos constituyen una importante fuente de VOC. Muchos compuestos orgánicos volátiles son peligrosos contaminantes del aire. Por ejemplo, el benceno tiene efectos cancerígenos.

Polvo de ciudades: constituido por sílice, caucho, materia. inorgánicas en general, materia orgánica de origen biológico o productos de la combustión incompleta de comburentes.

Polvo industrial: procedente de focos muy localizados como de fabricas de cemento, siderúrgicas, instalaciones mineras.

Acciones atómicas: con la intervención de acciones atómicas puedes producir sustancias nuevas de efecto mucho más peligrosos.

Aunque la mayoría de contaminantes son resultado de la actividad del hombre también existen los contaminantes de fuentes naturales:

Los incendios forestales: emiten partículas, gases y sustancias que se evaporan en la atmósfera, son los llamados Compuestos Orgánicos Volátiles, también conocidos como COVs o VOCs, por sus siglas en inglés, (Volatile Organic Compounds).

Partículas de polvo ultra finas: cuando el agua y el clima sueltan capas del suelo, aumentan los niveles de partículas en suspensión en la atmósfera.

El metano que se forma en los procesos de pudrición de materia orgánica: la que daña la capa de ozono. Puede acumularse en el subsuelo en altas concentraciones o mezclado con otros hidrocarburos formando bolsas de gas natural.

Fuentes de producción de la contaminación

Fuentes de contaminación del aire

Una fuente de contaminación es aquella que da origen a la misma. En general se clasifican las fuentes de contaminantes en cuatro grupos:

1. Fuentes puntuales (también conocidas como fuentes estacionarias o fijas)

Una fuente puntual se refiere a una fuente en un punto fijo o estacionario, existen cientos de miles de fuentes estacionarias de contaminación del aire, como las plantas de energía, industrias químicas, refinerías de petróleo, fábricas, etc. Según la industria o proceso específico, las fuentes estacionarias pueden emitir uno o varios contaminantes criterio del airea demás de muchos otros contaminantes peligrosos.

Una de las mayores preocupaciones en todo el mundo, es la emisión de contaminantes como el bióxido de azufre (SO2) y partículas (PM) en la generación de energía eléctrica, pues su proceso involucra la combustión de grandes cantidades de combustibles fósiles.| Las industrias químicas, entre otras son responsables de emitir muchos contaminantes peligrosos como los compuestos orgánicos volátiles (COVs).

Muchas de estas fuentes de contaminación a su vez, generan productos de consumo útiles, crean millones de empleos y prestan servicios y comodidades. Por lo que, no resulta viable clausurarlas, pero es urgente que implanten procesos para minimizar y manejar adecuadamente sus emisiones.

La tendencia internacional para disminuir las emisiones contaminantes de este tipo de fuentes, en gran medida está dirigida a la adopción de tecnologías más limpias a través del uso de energías renovables como la solar o eólica, etc. y la implantación de medidas cada vez más efectivas para elevar la eficiencia energética de los procesos y mejorar la calidad de los combustibles, entre otras. Y en menor medida, la instalación de dispositivos de control y reducción de las emisiones de las chimeneas industriales, pues se ha visto que generan otro tipo de desechos contaminantes que han significado problemas ambientales.

2. Fuentes móviles

Las fuentes móviles incluyen a las diversas formas de transporte tales como automóviles, camiones y aviones, etc.

La principal fuente móvil de contaminación del aire es el automóvil, pues produce grandes cantidades de monóxido de carbono (CO) y cantidades menores de óxidos de nitrógeno (NOx) y compuestos orgánicos volátiles (COVs).

Los programas para el control de emisiones de automóviles, como el programa de verificación vehicular y el uso de convertidores catalíticos, han reducido considerablemente la cantidad de contaminantes del aire. Además, las normas que especifican la calidad del combustible de los automóviles y límites de emisiones de vehículos nuevos y en circulación, también han contribuido a una mayor eficiencia y menores emisiones. Por ejemplo, la transición de la gasolina con plomo a la gasolina sin plomo, ha reducido extraordinariamente la cantidad de plomo en el aire ambiental. Sin embargo, debido al creciente número de vehículos, los automóviles siguen siendo la principal fuente móvil de contaminación del aire.

3. Fuentes de área

Las fuentes de área se refiere a una serie de fuentes pequeñas, numerosas y dispersas, que no pueden ser incluidas de manera eficiente en un inventario de fuentes puntuales, pero que en conjunto pueden afectar la calidad del aire en una región, por ejemplo: el uso de madera para cocinar o calentar la casa, las imprentas, las estaciones de servicio, y las tintorerías, etc.

4. Fuentes naturales

Además de las actividades humanas, los fenómenos naturales y la vida animal y vegetal pueden jugar un papel importante en el problema de la contaminación del aire. A continuación se describen dos fuentes naturales significativas, que son comúnmente consideradas en los inventarios de emisiones atmosféricas.

Emisiones Biogénicas. Un gran número de investigadores han establecido que la vegetación (ejemplo: pastos, cultivos, arbustos, bosques, etc.), emiten cantidades significativas de hidrocarburos a la atmósfera.

Emisiones de Suelos. El óxido nitroso (N2O) es producido naturalmente en los suelos como parte de los procesos de desnitrificación (es decir, la reducción de nitritos y nitratos a nitrógeno gaseoso como N2 o NOx). Por su parte, los fertilizantes nitrogenados comerciales constituyen una fuente adicional de nitrógeno, lo cual incrementa las emisiones del suelo de N2O. Se estima que las emisiones de NOx provenientes de los suelos constituyen un 16% de la cantidad global de NOx en la tropósfera.

La erosión eólica es otro fenómeno natural que genera emisiones. Sin embargo, debido a que dichas emisiones típicamente están asociadas con suelos perturbados, frecuentemente son tratadas como fuentes de área. Otras categorías más pequeñas de fuentes naturales incluyen a las termitas quienes emiten (CH4), los relámpagos emisiones de NOx (óxidos de nitrógeno), los volcanes y la actividad geotérmica emisiones de SOx (óxidos de azufre)

Prevenciones

Prevención en las fuentes emisoras, mediante la selección de los combustibles utilizados, la correcta ubicación de los focos emisores y la elaboración de estudios de impacto ambiental.

Prevención mediante el control de emisiones, aplicando técnicas de tratamiento de partículas y de gases para su reducción.

Prevención mediante acciones globales, como el establecimiento de programas contra el cambio climático, el efecto invernadero, planificación urbanística, etc.

Prevención mediante el control de las inmisiones, midiendo la calidad del aire atmosférico.

Acciones a realizar para disminuir la contaminación

El Estado debe preocuparse del problema de la contaminación, dando leyes severas, controlando su cumplimiento y sancionando a los transgresores. El problema ambiental es un problema que afecta al bien común y a la calidad de la vida, y, en consecuencia, no puede quedar al libre albedrío de las personas. El bien común es una responsabilidad del Estado como representante del bienestar de todos los ciudadanos.

El establecimiento de medidas legislativas cada vez más restrictivas, es una técnica eficaz para reducir la contaminación.

Una alta responsabilidad incumbe a los gobiernos municipales, responsables directos de la disposición de la basura y las aguas servidas; del control del parque automotor; de las áreas verdes; del control de los ruidos molestos; del ornato, y de las emisiones contaminantes en su jurisdicción.

Las acciones urbanísticas incluirían una planificación correcta de los edificios, un diseño urbano adecuado, la existencia de vegetación, una gestión adecuada del transporte, etc.

En cuanto a las industrias: Los cambios de procesos pueden consistir en la sustitución de fuentes de energía que utilicen combustibles fósiles por energía solar o hidroeléctrica.

Un cambio de combustible podría ser la utilización de carbones con bajo contenido de azufre para reducir la cantidad de dióxido de azufre emitida o la sustitución del carbón por gas natural.

Las buenas prácticas de operación incluyen medidas como el cuidado y mantenimiento apropiado del equipo. Un programa de inspección y mantenimiento regular, puede evitar la fuga de compuestos orgánicos volátiles en una planta química y, por tanto, su emisión.

Los ciudadanos deben ser los que más prácticas en contra de la contaminación deben aplicar, pues, si empezamos con ellos, comenzará una especie de cadena que daría como resultado el cambio de la forma de pensar de empresarios y gobernadores. Algunas recomendaciones son:

Si conduce, tenga en cuenta lo siguiente:

Evite circular a alta velocidad Cuando compre un vehículo, elija uno que tenga alto rendimiento en millas por litro

de gasolina.  No sobrellene el tanque de gasolina No cargue gasolina en días de alto contenido de ozono. Trate de hacerlo después de

que oscurezca. Use un modelo de vehículo que sea lo más nuevo posible, ya que los modelos

nuevos son, en general, menos contaminantes. Utilice un vehículo alternativo, como por ejemplo el automóvil eléctrico, o uno que

funcione con otro tipo de combustible.  Conduzca suavemente y evite que su automóvil permanezca sin uso durante mucho

tiempo. Si su automóvil es de un modelo anterior a 1995, haga cambiar el peligroso sistema

de aire acondicionado R-12 (cloro fluocarbonado) por el R-134-a, que es más seguro, con lo cual contribuirá a reducir el agujero de ozono. 

Mantenga su automóvil en buen estado, poniendo especial atención en el sistema de escape.

Asegúrese de que los neumáticos tengan la presión de aire adecuada. Mantenga en buen estado el sistema de aire acondicionado de su vehículo,

asegurándose de que no haya filtraciones. Haga menor cantidad de viajes. Planifique su itinerario, de manera de evitar las

zonas de tránsito congestionado. Reduzca el uso de gasolina tanto como le sea posible –la forma y el diseño del

automóvil pueden ser factores determinantes del consumo. Para el control de las emisiones de automóviles, se puede actuar sobre los

combustibles y sobre las emisiones de los motores. Además, estas acciones se deben complementar el urbanismo, la gestión del tráfico y la concienciación ciudadana.

Para reducir las emisiones de los escapes de los motores, la técnica más empleada es el uso del catalizador de tres vías. Este dispositivo es un receptáculo que se coloca en medio del tubo de escape. Transforma los gases reactivos y contaminantes en

otros inocuos como nitrógeno, dióxido de carbono y agua. Es necesario controlar este tipo de dispositivos, ya que pueden presentar problemas de desgaste, perdidas de eficacia, etc. Por otra parte, la mejora en el rendimiento de los motores, de la explosión y de la combustión, y el uso de motores mejorados, como los diesel, motores de dos tiempos o motores rotativos, han contribuido a la reducción de emisiones.

He aquí otras prácticas mediante las cuales Ud. puede contribuir a disminuir la contaminación del aire:

Posponga las tareas de jardinería que requieran el uso de herramientas a gasolina en días de alto nivel de de ozono.  

Consuma alimentos orgánicos o al menos aquellos no hayan sido sometidos a un uso tan intensivo de agroquímicos.     

Restrinja la limpieza en seco. Evite el uso de pinturas, aceites y solventes en días de alta concentración de ozono.   Reduzca el consumo de electricidad, lo cual contribuirá a disminuir las emanaciones

de SO2, NOx, VOC y partículas. Prenda el carbón de leña con un encendedor eléctrico en vez de hacerlo con

combustible líquido.   Se deben usar alternativas menos contaminantes como abonos orgánicos en lugar de

los sintéticos; transformar los desechos urbanos orgánicos en abonos; controlar biológicamente las plagas, es decir, combatir los insectos dañinos con sus enemigos naturales, etc.

Usar bombillos blancos (excepto en el baño, con la humedad se dañan) y que producen dióxido de carbono.