La adsorción por oscilación de presión (PSA) es una tecnología que permite la separación, purificación y recuperación de gases aprovechando las diferencias en la adsorción selectiva de los componentes gaseosos por parte de los adsorbentes en condiciones de presión variables. En comparación con métodos tradicionales como la separación criogénica, la PSA suele funcionar a temperaturas cercanas a la ambiente; por ello, se utiliza ampliamente en aplicaciones como la purificación de hidrógeno, la producción de oxígeno y nitrógeno, la purificación de gas natural, el enriquecimiento de biogás y el tratamiento de gases residuales industriales.
En diversos sistemas PSA, el adsorbente determina el rendimiento fundamental de la separación de gases. El carbón activado y su derivado —el tamiz molecular de carbono (CMS), producido mediante ingeniería del tamaño de los poros— presentan abundantes estructuras microporosas, elevadas capacidades de adsorción y excelentes características de regeneración, lo que los convierte en importantes materiales adsorbentes a base de carbono para determinados sistemas de separación de gases PSA.
¿Qué es el PSA?
La adsorción por oscilación de presión (PSA) es un proceso de separación cíclico basado en la adsorción. El principio subyacente es sencillo: los adsorbentes suelen adsorber mayores cantidades de componentes gaseosos específicos a presiones más altas, mientras que liberan los gases adsorbidos —regenerando así el adsorbente— cuando la presión desciende. Mediante la repetición continua de etapas como la adsorción a presión y la desorción a presión reducida, se puede lograr la separación de gases de forma continua.
Un sistema PSA típico suele constar de dos o más recipientes de adsorción. Mientras un recipiente se encuentra en la fase de adsorción, otro puede someterse simultáneamente a despresurización, regeneración o repressurización. El funcionamiento alterno de varios lechos de adsorción permite que el sistema proporcione un flujo continuo del gas deseado. Por lo tanto, el PSA no se basa en una única etapa de adsorción para la separación, sino que logra una purificación continua del gas mediante la acción combinada de las propiedades del adsorbente y los ciclos de presión.
¿Cómo funciona el carbón activado en el PSA?
El carbón activado es un material de carbono poroso que se caracteriza por una estructura porosa muy desarrollada. Cuando una mezcla de gases atraviesa un lecho de carbón activado, las distintas moléculas de gas muestran comportamientos de adsorción variables debido a las diferencias en el tamaño molecular, la polaridad, el punto de ebullición, las interacciones superficiales y el grado de ajuste con el tamaño de los poros.
La tecnología de adsorción por oscilación de presión (PSA) se basa en estas diferencias para lograr la separación de gases.
Por ejemplo, en determinados sistemas PSA de hidrógeno, el gas de alimentación puede contener componentes como H₂, CO₂, CO, CH₄ y N₂. El adsorbente captura preferentemente impurezas específicas, al tiempo que permite que el hidrógeno atraviese el lecho como gas producto. Por consiguiente, el carbón activado puede actuar como una de las capas adsorbentes dentro de un sistema PSA con múltiples adsorbentes.
En aplicaciones industriales prácticas, el carbón activado se utiliza con frecuencia en combinación con otros adsorbentes, en lugar de encargarse por sí solo de todo el proceso de separación. Por ejemplo, en un proceso PSA de hidrógeno a escala industrial se utilizó una disposición en capas de carbón activado y tamices moleculares 5A para producir hidrógeno de alta pureza a partir de gas de horno de coque.
Carbón activado frente a tamiz molecular de carbono para PSA
Al hablar del carbón activado para la adsorción por oscilación de presión (PSA), es fundamental distinguir entre el carbón activado estándar y los tamices moleculares de carbón (CMS).
El carbón activo estándar suele presentar una amplia distribución del tamaño de los poros y ofrece una elevada capacidad de adsorción, lo que lo hace adecuado para eliminar una amplia gama de gases contaminantes. Por el contrario, el CMS se fabrica a partir de materiales de carbono con tamaños de poro y estructuras de boca de poro controlados con precisión, lo que le confiere unas capacidades de tamizado molecular distintivas.
Esta distinción reviste especial importancia en la separación de aire. Al controlar su estructura microporosa, los materiales CMS generan una diferencia en las velocidades de adsorción del oxígeno y el nitrógeno. Las investigaciones indican que los CMS utilizados para la separación de aire requieren que el tamaño de los poros se controle dentro de un rango muy estrecho, lo que permite la separación basada en la cinética de difusión de las moléculas de gas.
En resumen, aunque ambos son adsorbentes a base de carbono, el carbón activado estándar hace hincapié en la capacidad de adsorción y en la capacidad de adsorción superficial, mientras que el CMS da prioridad a una estructura microporosa precisa y a la selectividad cinética; por consiguiente, sus aplicaciones previstas y sus diseños de rendimiento difieren.
| Artículo | Carbón activado | Tamiz molecular de carbono |
| Función | Adsorber las impurezas | Separar el O₂ del N₂ |
| Mecanismo | Equilibrio | Cinética |
| Tamaño de los poros | Amplio (micro, meso, macro) | 0,3–0,5 nm, estrecha |
| APUESTA | 900–1 300 m²/g | 300–800 m²/g |
| CTC | ≥ 50–75% | N/A |
| Densidad aparente | 400-600 g/l | 650-700 g/l |
| Dureza | ≥ 95% | ≥ 95% |
| Ash | ≤ 8% | ≤ 5% |
| Tamaño | Gránulos de Φ3/4/5 mm | Perlas de 0,5 a 2,0 mm |
| Uso principal | PSA de H₂ / pretratamiento / purificación | PSA de N₂ |
| Coste | Inferior | Más alto |
Aplicaciones del carbón activado en el PSA
El carbón activado y los adsorbentes a base de carbono se pueden aplicar a una amplia gama de procesos de separación y purificación de gases mediante PSA. Las diferentes aplicaciones plantean requisitos variables a los adsorbentes utilizados.
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Purificación del hidrógeno
La purificación del hidrógeno es una de las aplicaciones industriales más importantes de la PSA. Por ejemplo, las corrientes de hidrógeno procedentes de la reformación del metano con vapor (SMR), del gas de horno de coque y de otros gases residuales industriales suelen contener impurezas como CO₂, CO, CH₄ y N₂, además del hidrógeno.
Los procesos PSA aprovechan las diferentes afinidades de adsorción que tienen los adsorbentes por estas impurezas, lo que permite que el hidrógeno atraviese el lecho de adsorción como gas producto.
Las investigaciones indican que el carbón activado es adecuado para la separación por presión (PSA) de hidrógeno, y que el comportamiento de adsorción multicomponente desempeña un papel crucial en el diseño final del sistema PSA. En un estudio experimental, las pruebas de VPSA realizadas con gránulos de carbón activado extruido alcanzaron una pureza de hidrógeno del 99,981% y una tasa de recuperación del 81,6%, lo que demuestra el valor práctico de los adsorbentes a base de carbón en la purificación del hidrógeno.
Sin embargo, estos datos experimentales no pueden servir como garantía directa del rendimiento para todas las unidades industriales, ya que los resultados finales dependen de factores como la composición del gas de alimentación, la presión, las etapas del ciclo, las combinaciones de adsorbentes y el diseño de los equipos.
Generación de oxígeno
La tecnología PSA también puede utilizar tamices moleculares de carbono (CMS) para separar los componentes del aire. El aire está compuesto principalmente por nitrógeno y oxígeno; los materiales CMS permiten la separación cinética de estos gases al adsorber un componente más rápidamente que el otro, lo que permite recuperar el componente restante como gas producto.
En la investigación sobre el PSA para oxígeno, se utiliza el CMS para el enriquecimiento de oxígeno, y los estudios analizan la pureza del producto, las tasas de recuperación y la capacidad de producción en diversas configuraciones del ciclo PSA. Los resultados experimentales demuestran que las etapas específicas del ciclo empleadas influyen significativamente en la pureza final del oxígeno y en la tasa de recuperación.
Esto pone de manifiesto la interdependencia entre el rendimiento del adsorbente y el diseño del ciclo PSA; la idoneidad de un adsorbente para una unidad PSA concreta no puede determinarse únicamente en función de su capacidad de adsorción estática.
Generación de nitrógeno
El CMS es un material de tamiz molecular a base de carbono muy utilizado en los sistemas de generación de nitrógeno por PSA. Una vez que el aire entra en la torre de adsorción, el CMS adsorbe preferentemente componentes como el oxígeno; debido a las diferencias en la cinética de adsorción, el nitrógeno pasa a través del material y se obtiene como gas producto en la salida del lecho de adsorción.
En el caso de los tamices moleculares de carbono (CMS) utilizados en la generación de nitrógeno, el control del tamaño de los poros resulta especialmente crucial. Las investigaciones sobre los tamices moleculares de carbono tradicionales indican que los materiales necesarios para la separación del aire suelen presentar una estructura microporosa muy controlada, con el fin de aprovechar las diferencias cinéticas entre el O₂ y el N₂.
Por lo tanto, el CMS para la generación de nitrógeno es distinto del carbón activado que se utiliza habitualmente para el tratamiento del agua o la decoloración en fase líquida.
Mejora del biogás
El biogás suele contener CH₄ y CO₂, junto con posibles impurezas como vapor de agua, H₂S, siloxanos y otros contaminantes en trazas. Los procesos de PSA pueden aprovechar los diferentes comportamientos de adsorción de estos gases sobre el adsorbente para adsorber selectivamente el CO₂, aumentando así la concentración de metano.
Se han estudiado los tamices moleculares de carbono para su uso en el enriquecimiento de biogás mediante PSA. En los experimentos pertinentes se han utilizado mezclas de CH₄/CO₂ como gas de alimentación para estudiar el comportamiento de adsorción y ruptura bajo diversas condiciones de presión, así como para desarrollar modelos de PSA de dos torres.
Cabe señalar que, por lo general, el biogás requiere un pretratamiento antes de entrar en la unidad de PSA. Las altas concentraciones de humedad, H₂S, siloxanos y otras impurezas pueden afectar negativamente a la vida útil y al rendimiento a largo plazo del adsorbente.
Por consiguiente, un sistema integral de PSA para biogás requiere prestar atención no solo al adsorbente en sí, sino también a:
• Deshidratación
• Control del H₂S
• Control de siloxanos
• Filtración de neblina de aceite y partículas
• Separación de CO₂ y CH₄
• Índice de recuperación de metano
• Tratamiento de los gases de escape
Eliminación de nitrógeno del gas natural
El carbón activado también puede utilizarse para separar el nitrógeno del gas natural. Dado que el CH₄ y el N₂ comparten propiedades moleculares similares, separarlos supone un reto. Los investigadores han estudiado procesos de eliminación de nitrógeno del gas natural utilizando carbón activado como adsorbente en una configuración PSA de reflujo doble.
Los estudios indican que es posible mejorar la pureza del metano y los índices de recuperación optimizando parámetros operativos como el ciclo PSA, la ubicación de la alimentación y el reflujo de gas.
Esto demuestra que el adsorbente es solo uno de los componentes del sistema global de eliminación de nitrógeno del gas natural. La selección del adsorbente, el diseño del lecho y las condiciones del ciclo PSA deben optimizarse de forma sinérgica.
Conclusión
El carbón activado actúa como material funcional esencial y auxiliar en los procesos de purificación y separación de gases mediante adsorción por oscilación de presión (PSA). El carbón activado de alto rendimiento, diseñado a medida con una estructura porosa y unas propiedades superficiales optimizadas, ofrece una selectividad de adsorción excepcional, una gran capacidad de eliminación de impurezas y un rendimiento estable en los ciclos, lo cual es esencial para mejorar la eficiencia de la separación de gases mediante PSA, aumentar la pureza del gas final y prolongar la vida útil de los equipos de PSA. La selección adecuada de carbón activado especializado de grado PSA elimina eficazmente las impurezas interferentes habituales, como la humedad, los compuestos orgánicos volátiles y los contaminantes residuales presentes en el gas bruto, estabilizando todo el ciclo de adsorción y desorción, al tiempo que reduce las pérdidas operativas y los costes de mantenimiento de los sistemas de producción.
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