DISEÑO DE UN GENERADOR DE OXÍGENO PARA SU APLICACIÓN …
67
FACULTAD DE INGENIERÍA DISEÑO DE UN GENERADOR DE OXÍGENO PARA SU APLICACIÓN EN PISCICULTURA PROYECTO DE GRADO PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO MECÁNICO AUTOR: ARIEL CAPOTE SÁNCHEZ DIRECTOR / ASESOR: GIACOMO BARBIERI, PhD BOGOTÁ, 2018
Transcript of DISEÑO DE UN GENERADOR DE OXÍGENO PARA SU APLICACIÓN …
FACULTAD DE INGENIERÍA
DISEÑO DE UN GENERADOR DE OXÍGENO PARA
SU APLICACIÓN EN PISCICULTURA
PROYECTO DE GRADO
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
AUTOR:
ARIEL CAPOTE SÁNCHEZ
DIRECTOR / ASESOR:
GIACOMO BARBIERI, PhD
BOGOTÁ, 2018
2
Agradecimientos
La exitosa culminación de este Proyecto de Grado es muestra de mis más sinceros
agradecimientos a mis padres Gil Capote Rodríguez y Martha Lissette Sánchez Cruz
que con su ejemplo de compromiso, sacrificio y superación me han inculcado un
profundo amor hacia la academia y mi profesión. Estaré eternamente agradecido con
ustedes por servir de guía y consejeros en esta maravillosa experiencia. Ahora les
entrego la tranquilidad y la satisfacción de haber formado a un hijo que posee la
voluntad y las herramientas para hacer de su futuro lo mejor posible.
Agradezco al profesor Giacomo Barbieri, quien además ahora considero un colega. Su
orientación fue de incontable valor para el desarrollo de este proyecto.
Agradezco la presencia de todas las amistades que me brindaron su más sincero
apoyo, ustedes han sido partícipes de todo este proceso y han enriquecido todos mis
recuerdos con su alegría y honestidad.
Finalmente le agradezco a la institución y sus maestros por su compromiso y esfuerzo
en formar a profesionales y seres humanos.
“El éxito es la suma de pequeños esfuerzos que se hacen día tras día”
Robert Collier
3
Tabla de contenidos
Agradecimientos ....................................................................................................... 2
1. Descripción del proyecto ................................................................................ 5
2. Introducción ..................................................................................................... 5
3. Objetivos ............................................................................................................ 5
4. Requerimientos del cliente ............................................................................ 6
5. Estado del arte .................................................................................................. 6
5.1. Generación de oxígeno ............................................................................... 6
5.2. Concentración del oxígeno ........................................................................ 8
5.3. Tasa de flujo de salida de oxígeno ............................................................ 9
5.4. Dimensiones del dispositivo .................................................................... 11
6. Requerimientos de ingeniería ..................................................................... 12
7. Marco teórico .................................................................................................. 13
7.1. Adsorción por Oscilación de Presión ..................................................... 13
7.2. Fundamentos de la adsorción ................................................................. 15
7.3. Adsorbentes ................................................................................................. 17
7.3.1. Carbón activado ............................................................................................. 17
7.3.2. Tamiz molecular de carbono ....................................................................... 18
7.3.3. Gel de sílice ...................................................................................................... 19
7.3.4. Zeolita ................................................................................................................ 20
8. Diseño conceptual .......................................................................................... 21
8.1. Etapas del proceso de generación de oxígeno ..................................... 21
8.1.1. Compresión del aire ...................................................................................... 21
8.1.2. Pre-tratamiento del aire .............................................................................. 22
8.1.3. Separación del aire por adsorción ............................................................ 23
8.1.4. Almacenamiento del oxígeno ...................................................................... 24
8.1.5. Distribución del oxígeno .............................................................................. 24
8.2. Instrumentación, control y recolección de información ................... 24
8.3. Diagrama de flujo del proceso de generación de oxígeno ................. 26
9. Diseño de ingeniería ...................................................................................... 28
9.1. Selección del adsorbente .......................................................................... 28
9.2. Dimensionamiento de las columnas de adsorción .............................. 29
9.3. Diseño mecánico de las columnas de adsorción .................................. 30
9.3.1. Selección de materiales ................................................................................ 30
4
9.3.2. Selección de tuberías .................................................................................... 31
9.4. Diseño de componentes mecánicos ........................................................ 34
9.5. Análisis mecánico computacional .......................................................... 39
10. Manufactura .................................................................................................... 41
11. Procedimiento experimental ....................................................................... 46
11.1. Pruebas de hermeticidad y estanqueidad ......................................... 46
11.2. Purga y puesta a punto del dispositivo .............................................. 46
11.2.1. Ciclo de generación de oxígeno .................................................................. 48
11.2.2. Ciclo de regeneración o desorción ............................................................ 48
11.3. Caracterización del dispositivo ........................................................... 49
11.3.1. Experimento A: Presión de entrada vs Concentración del oxígeno. 50
11.3.2. Experimento B: Tiempo vs Concentración del oxígeno ....................... 51
11.3.3. Experimento C: Presión de entrada vs Tiempo de Saturación.......... 51
11.3.4. Experimento D: Presión de entrada vs Pérdidas de presión ............. 52
12. Resultados ....................................................................................................... 52
12.1. Experimento A: Presión de entrada vs Concentración del oxígeno . 52
12.2. Experimento B: Tiempo vs Concentración del oxígeno ....................... 53
12.3. Experimento C: Presión de entrada vs Tiempo de saturación .......... 54
12.4. Experimento D: Presión de entrada vs Pérdidas de presión ............. 56
13. Conclusiones ................................................................................................... 57
14. Referencias ...................................................................................................... 58
5
1. Descripción del proyecto
El proyecto consiste en el desarrollo de un dispositivo capaz de generar o concentrar
oxígeno para su uso en el tratamiento de aguas de piscicultura. Este dispositivo
permitirá realizar la conversión de un fluido inicial (agua o aire) a un fluido
resultante de alta concentración de oxígeno.
2. Introducción
El oxígeno constituye un elemento indispensable para la vida de diversos organismos
vivos, en especial los acuáticos donde regula los procesos metabólicos y funcionales
de los organismos. En general, el oxígeno disuelto en el agua determina el crecimiento
y desarrollo de los peces, así como la eficiencia de los criaderos piscicultores. La
respiración de los peces y la difusión del oxígeno hacia la superficie generan pérdidas
de la concentración de este elemento esencial en el agua, por lo tanto, es necesario
proveer oxígeno a los estanques. La oxigenación de estanques piscicultores suele
realizarse generalmente por medio de la fotosíntesis de algas u otras plantas
acuáticas, difusión del oxígeno atmosférico en el cuerpo de agua, renovación de agua
del estanque y mediante aireación mecánica. [1]
3. Objetivos
Objetivo General:
Desarrollar un prototipo de generación de oxígeno de alta pureza para el
tratamiento de aguas de piscicultura.
Objetivos Específicos:
Aplicar los conocimientos de ingeniería adquiridos durante la carrera de
ingeniería mecánica para diseñar y desarrollar un sistema controlable y
funcional.
Desarrollar un proyecto enfocado en la resolución de problemas ingenieriles.
6
4. Requerimientos del cliente
El cliente requiere un dispositivo concentrador de oxígeno de alta pureza para el
tratamiento de aguas de piscicultura. El dispositivo debe desarrollarse pensando en
su aplicación tanto para empresas industriales como para campesinos independientes
colombianos, por lo tanto, el cliente ha establecido previamente los requerimientos
básicos que el dispositivo deberá satisfacer, estos se listan en la Tabla 1:
Tabla 1. Requerimientos del cliente.
Requisito Descripción
Fuente de energía Eléctrica
Necesidad de transporte Únicamente en el momento de la
instalación.
Producto Oxígeno de alta pureza
Aplicación del dispositivo Sistema de oxigenación de un tanque de
piscicultura de capacidad 250 litros
Costos de manufactura Aproximadamente 2 millones de pesos
(COP)
Tiempo de diseño y producción 16 semanas
5. Estado del arte
5.1. Generación de oxígeno
En los últimos años la piscicultura se ha convertido en una práctica de producción
masiva utilizando tanques de mayor tamaño y por lo tanto permitiendo establecer
poblaciones más numerosas. En el cultivo de peces es importante mantener niveles
apropiados de oxígeno disuelto en el agua con el fin de hacer más eficiente el
desarrollo y reproducción de las poblaciones. Los concentradores o generadores de
oxígeno son dispositivos capaces de producir un flujo rico en oxígeno a partir del aire,
estos dispositivos se presentan como una fuente económicamente sostenible para
piscicultores con acceso a un suministro eléctrico fiable. [2]
La obtención de oxígeno puede ser realizado por diversos métodos, destacándose la
electrólisis del agua, la destilación del aire licuado y la separación de gases por
adsorción. En la electrólisis del agua se genera una descomposición de los elementos
7
primarios al excitar los enlaces con una corriente eléctrica. [3] Este método permite
la obtención de los elementos hidrógeno y oxígeno en estado gaseoso en proporción 2:1
en volumen, correspondiente a la fracción estequiométrica de los elementos en la
molécula de agua (H2O). Por otro lado, la destilación de aire licuado es un proceso
termodinámico que permite la separación de fases debido a las diferencias en los
puntos de ebullición entre el nitrógeno (78 K) y el oxígeno (90 K), principales
constituyentes del aire. [4]
La adsorción ocurre debido a la interacción entre un gas y la estructura discontinua
de un material sólido. El principio de la separación de gases por adsorción indica que
cuando un flujo interactúa con la superficie de un material se generan fuerzas de
atracción o repulsión entre las moléculas del fluido y del material sólido. [5] En la
separación de gases por adsorción el proceso más destacable es el de Adsorción por
Oscilación de Presión (PSA, por sus siglas en inglés) en este proceso, a diferencia de
la Adsorción por Oscilación de Temperatura (TSA, por sus siglas en inglés), los
cambios de presión en un proceso de adsorción isotérmico permiten separar
selectivamente determinados componentes de una mezcla de gases. La principal
ventaja de este ciclo con respecto a otros es que es más rápido permitiendo obtener
mayores tasas de flujo de salida.
En general, en el escalado de un proceso los costos de operación son proporcionales a
la tasa de flujo de salida. Los procesos de separación de gases por adsorción suelen
presentar un comportamiento lineal, mientras que otros como la destilación del aire
licuado presentan un comportamiento no lineal. Según la Figura 1 es posible
interpretar que los procesos de adsorción son económicamente más viables para
aplicaciones de tasas de flujo de salida bajas o moderadas. Por otro lado, los procesos
de destilación criogénicas se presentan como una opción más viable para tasas de
flujo de salida altas. [5]
8
Figura 1. Variación de costos con respecto al flujo de salida para procesos por adsorción y destilación.
[6]
La simplicidad del proceso de separación de gas por adsorción con respecto a otros
procesos y su relación eficiencia/costo lo propone como una de las opciones más viables
de obtención y suministro de oxígeno de alta pureza en aplicaciones in-situ de la
piscicultura.
5.2. Concentración del oxígeno
El nivel de oxígeno disuelto en el agua es un factor fundamental en la piscicultura
influyendo en gran medida en la actividad, metabolismo y reproducción de los
cultivos, por lo cual es de gran importancia mantener niveles apropiados de oxígeno
disuelto en el tanque.
La norma ISO 80601-2-69:2014 de Medical Electrical Equipment indica los requisitos
vigentes para concentradores de oxígeno estacionarios. La actual norma sugiere que
9
el concentrador de oxígeno deberá ser capaz de suministrar un flujo de salida continuo
con concentración superior al 82%. La concentración o pureza del oxígeno de la
mayoría de los concentradores actuales producen entre 82% y 96% de fracción de
volumen. [2]
5.3. Tasa de flujo de salida de oxígeno
La tasa de flujo de salida de oxígeno representa la capacidad del sistema para
suministrar oxígeno al tanque de cultivo. Es importante que dicha capacidad sea la
adecuada según el tamaño del tanque, especie del cultivo y tamaño de la población.
Los concentradores de oxígeno convencionales para aplicaciones médicas de
oxigenoterapia se fabrican con capacidades de 3 a 10 litros por minuto. [2] Por otro
lado, existen concentradores de oxígeno industriales de capacidades de suministro de
hasta 500 l/min. En la Tabla 2 se presenta una categorización de los concentradores
de oxígeno comerciales disponibles según su tamaño, aplicaciones típicas y flujo de
salida característico.
Tabla 2. Capacidad según tamaño y aplicación de concentradores de oxígeno. [7]
Tamaño Aplicaciones Flujo de salida
Pequeño Medicina, Hidroponía, Acuacultura,
Tratamiento de desperdicios Hasta 10 l/min
Mediano Medicina, Soldaduras, Acuacultura,
Tratamiento de aguas 10 – 25 l/min
Grande
Medicina, Soldaduras, Trabajo de
vidrios, Acuacultura, Tratamiento de
aguas
Hasta 500 l/min
Industrial
Medicina, Soldaduras, Trabajo de
vidrios, Acuacultura, Tratamiento de
aguas
Hasta 2000 l/min
Según los requerimientos iniciales establecidos por el cliente se abastecerá un tanque
con volumen de 250 litros para el cultivo de una población de pescados. En Colombia
las actividades de piscicultura se centran en el cultivo de las especies de la tilapia
(Oreochromis sp y Oreochromis niloticus), la trucha arco iris (Oncorchynchus
mykiss), la chachama blanca (Piaractus brachypomus), la cachama negra (Colossoma
macropomum) y el camarón marino (Litopennaeus vannamei). [8]
10
La tilapia es la especie más cultivada en el país, aportando un 60% del sector
comercial correspondiente, siendo esta una fuente de proteína animal de excelente
calidad. [9] Las tilapias poseen un ciclo productivo de ocho meses y su ganancia de
masa se presenta en la Figura 2. La capacidad de cultivo de tilapias se relaciona con
el volumen del tanque y además el factor de carga del cultivo, es decir la masa máxima
de pescados por cada mil litros de agua, la ecuación 1 es útil para conocer la cantidad
de pescados que soporta un cultivo de peces:
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑒𝑠 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒(𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠) ∗ 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (
𝑘𝑔𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
)
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑐𝑎𝑑𝑜 (𝑘𝑔) [𝐸𝑐. 1]
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 25~35 𝑘𝑔
1000 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
Utilizando la ecuación 1 es posible determinar que la población soportada es de 22
peces para un tanque con volumen de 250 litros (estimando un factor de carga alto de
35 kg/1000 litros y la masa de la tilapia en su período de engordamiento de 400
gramos). Estudios anteriores han obtenido experimentalmente el consumo de oxígeno
de poblaciones de tilapia [10], en la Figura 3 se presentan los resultados obtenidos
para poblaciones de diferente densidad.
Figura 2. Ganancia de masa de la tilapia durante su ciclo productivo. [9]
11
Figura 3. Consumo diario de oxígeno de poblaciones de tilapia de diferentes densidades. [10]
A partir de los datos presentados en la Figura 3 es posible determinar que la población
de 90 ind/m3 generó el consumo más bajo siendo este en promedio de 350 mg O2 / kg
tilapia*h. Las condiciones apropiadas para el cultivo de la especie indicaron que la
mínima cantidad de oxígeno disuelto que debe estar presente en el tanque es de 6 mg
O2 / litro. [10] A partir de esto es posible predecir el consumo promedio de oxígeno de
una población de 22 peces con similar densidad (22 peces/ 250 litros es equivalente a
88 peces/m3) mediante el análisis presentado en la ecuación 2:
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑂2 = 350 mg O2
kg tilapia ∗ h∗ 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑡𝑖𝑙𝑎𝑝𝑖𝑎 ∗
1ℎ
60𝑚𝑖𝑛∗
1
𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑢𝑒𝑙𝑡𝑜∗ 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑐𝑒𝑠 [𝐸𝑐. 2]
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 = 8.5 𝑙/𝑚𝑖𝑛
Según las características de los cultivos de tilapia es posible determinar que un
concentrador de oxígeno de capacidad media, capaz de suministrar de 10 a 20 lpm,
debe ser apropiado para satisfacer la demanda de oxígeno de la población de tilapia
contenida en el tanque de estudio.
5.4. Dimensiones del dispositivo
Las dimensiones de los dispositivos generadores de oxígeno varían desde modelos
portátiles de tamaño pequeño a plantas de generación con grandes dimensiones. Las
características físicas de algunos modelos comerciales se presentan en la Tabla 3.
12
Tabla 3. Dimensiones y peso del dispositivo según capacidad de concentradores de oxígeno. [7]
Tamaño Modelo Capacidad Dimensiones Peso
Pequeño OGSI OG-20 10 l/min 52.1 x 33 x 71.1 cm 36.3 kg
Mediano OGSI OG-25 24 l/min 50 x 36 x 160 cm 86 kg
Grande OGSI OG-1000 472 l/min 140 x 122 x 307 cm 2064 kg
Industrial OGSI OG-1200 600 l/min 173 x 132 x 279 cm 2540 kg
6. Requerimientos de ingeniería
El dispositivo concentrador para el tratamiento de aguas de piscicultura deberá ser
diseñado según los requerimientos de ingeniería, estas especificaciones han sido
determinadas según el estado del arte y el estudio del problema. Los requerimientos
que el dispositivo deberá satisfacer se listan en la Tabla 4:
Tabla 4. Requerimientos del sistema.
Nombre Categoría Descripción Objetivo Método de
Verificación
Fuente de
energía Funcional
Debe funcionar con
energía eléctrica -
Operar con
corriente alterna
Transporte Funcional Debe permitir su
instalación -
Transportar hasta
su sitio de
instalación
Suministro Recurso Debe alimentarse
de aire atmosférico -
Implementación de
diseño
Costos Restricción Compras y
manufacturas
2 millones
COP
Implementación de
diseño
Proceso Funcional PSA - Implementación de
diseño
Filtro
molecular Funcional Adsorbente -
Implementación de
diseño
Filtros Funcional Debe extraer la
humedad del aire . Diseño
Flujo de
salida Rendimiento
Debe suministrar
oxígeno a un
reservorio
10-20 l/min
Medir con un
flujómetro el caudal
de oxígeno
Concentración
de oxígeno Rendimiento
Debe suministrar
oxígeno de alta
pureza
>85% Verificar con un
medidor de oxígeno
Dimensiones Físico
El dispositivo debe
ser de tamaño
restringido
1.5 x 0.5 x
0.5m
Verificar el
volumen de caja
13
7. Marco teórico
7.1. Adsorción por Oscilación de Presión
La Adsorción por Oscilación de Presión es un proceso de separación selectiva
mediante el cual es posible separar uno o más componentes de un flujo de
alimentación heterogéneo. Los procesos de separación involucran dos etapas
principales: la adsorción y la regeneración o desorción, ver Figura 4. En la adsorción
los componentes no deseados son retirados de la mezcla debido a su interacción con
un tamiz molecular, por otro lado, en la etapa de regeneración las moléculas
adsorbentes liberan las especies seleccionadas.
(a) (b)
Figura 4. Diagrama esquemático de la etapa de (a) adsorción y (b) regeneración en un proceso de
separación del aire para obtención de oxígeno de alta pureza.
El proceso PSA opera en condiciones aproximadamente isotérmicas lo cual lo hace
más eficiente energéticamente con respecto al proceso TSA, dado que en este otro
proceso los ciclos de calentamiento y enfriamiento de los gases requieren una gran
cantidad de energía. [11] En el proceso PSA la capacidad de adsorción útil se define
por la diferencia entre presiones de la adsorción y regeneración en una misma curva
Aire atmosférico
(N2, O2, Ar)
Oxígeno de
alta pureza Flujo de purga
Oxígeno de alta pureza
14
isoterma. La Figura 5 presenta los conceptos de operación de los procesos PSA, TSA
y PTSA en el cual la presión y temperatura oscilan simultáneamente.
Figura 5. Esquema de operación de los procesos PSA, TSA y PTSA. Modificado de: [11]
Los procesos de separación PSA a diferencia de otros métodos de separación no posee
un comportamiento de estado estacionario, es decir, sus variables no permanecen
invariantes en el tiempo. Por lo tanto, el diseño y escalamiento del proceso se describe
a partir de una serie de ecuaciones diferenciales que relacionan el rendimiento y las
variables operacionales.
Las aplicaciones del proceso permiten obtener productos refinados de distintas
especies, entre sus principales aplicaciones prácticas se encuentran la separación del
aire, el secado del aire y la purificación de hidrógeno. En general, las limitaciones del
proceso son los adsorbentes dado que algunas especies químicas tienen interacciones
débiles con los tamices moleculares. Los resultados de concentración de hidrógeno
pueden generar productos de hasta un 99% de refinamiento, para la concentración
del nitrógeno se obtienen productos de 99.5 – 99% de pureza, por otro lado, la
concentración de oxígeno es de 80-95% de pureza, en este último el porcentaje residual
suele estar compuesto por argón. [6] En la Tabla 5 se presentan las aplicaciones
típicas del proceso PSA relacionadas con los adsorbentes y tipos de sistemas que
permiten la obtención de diversos productos.
15
Tabla 5. Aplicaciones típicas del proceso PSA. [6]
Proceso Producto Adsorbente Tipo de sistema
Recuperación de H2 a
partir de combustibles
H2 de ultra alta
pureza
Carbono activado o
Zeolita
Sistema multi-
columnas
Secado Aire seco Alúmina Activada Doble columna
Separación del aire O2 (+Ar) Zeolita 5A - 13X Doble columna
Separación del aire N2 (+Ar) Tamiz molecular de
carbono o Zeolita Doble columna
Separación del aire N2 + O2 Tamiz molecular de
carbono Doble columna
Separación de gas de
vertederos CO2 + CH4
Tamiz molecular de
carbono Oscilación de vacío
Para aplicaciones de separación del aire los adsorbentes más comunes son la zeolita
y el tamiz molecular de carbono, debido a su capacidad de retirar el nitrógeno y el
oxígeno respectivamente, ambos procesos se realizan en un sistema de dos columnas.
7.2. Fundamentos de la adsorción
El fenómeno de separación por adsorción puede producirse por los mecanismos
estéricos, cinéticos o de equilibrio. [5] El mecanismo estérico se produce cuando las
moléculas interactúan con un tamiz molecular, la difusión de una especie química en
la molécula adsorbente se produce cuando esta tiene una forma o geometría
apropiada. La separación por el mecanismo estérico, usualmente en zeolitas, permite
un rango amplio de selectividad dado que la variedad de estructuras cristalinas
permite atrapar moléculas de diferentes tamaños. En la Figura 6 se presenta la
difusión de moléculas en la estructura de un tamiz molecular.
Figura 6. Mecanismo de adsorción estérico. Modificado de: [12]
16
El mecanismo cinético de separación ocurre debido a que se producen diferentes tasas
de difusión en las moléculas adsorbentes, en general, los tamices moleculares de
carbón son amorfos y poseen una amplia variedad de tamaños de poros, la
distribución de estos tamaños incidirá en la tasa de difusión de las moléculas
presentes en una mezcla. En la Figura 7 se observa el tamaño de poro característico
para diferentes adsorbentes.
Figura 7. Distribución del tamaño de poros para varios adsorbentes. [5]
La adsorción por el mecanismo de equilibrio ocurre debido a la naturaleza de las
interacciones entre la molécula adsorbida y la superficie sólida, según su naturaleza
puede ser categorizada por adsorción física o química. [5] La adsorción física se
produce principalmente por las fuerzas de Van der Waals y las fuerzas electrostáticas,
estas ocurren por la atracción o repulsión débil entre moléculas como resultado de sus
cargas superficiales. Por otro lado, la adsorción química implica la transferencia de
electrones entre moléculas y la formación de enlaces químicos. En la separación de
gases por adsorción por lo general ocurren interacciones de equilibrio físico dado que
algunos adsorbentes como la zeolita presentan estructuras iónicas. [13]
17
7.3. Adsorbentes
El proceso de adsorción ocurre según la naturaleza de la molécula adsorbida y la
superficie del adsorbente, de esta manera, la selectividad de múltiples especies
dependerá de su afinidad molecular con el absorbente. En un proceso de separación
es importante que el adsorbente posea suficiente área superficial que interactúe con
la molécula que tiene preferencialidad. En la separación de gases los requisitos
primarios son la alta selectividad que favorece un producto de mayor pureza y la alta
capacidad de adsorción que determina el tamaño y costo del dispositivo. Por otro lado,
la eficiencia del proceso dependerá también de las tasas de difusión de las moléculas
en la estructura del adsorbente. [6]
7.3.1. Carbón activado
La materia rica en carbono tal como la madera, el carbón, el coque, huesos u otros
componentes orgánicos debido a su porosidad tiene la capacidad de adsorber una gran
cantidad de elementos. Sin embargo, el proceso de activación permite obtener nuevos
poros con características parcialmente controlables. Mediante un tratamiento de
carbonización se elimina la materia volátil presente en el suministro carbonoso y
posteriormente una gasificación a altas temperaturas desarrolla una mayor área
superficial y porosidad. [5]
Las ventajas asociadas con el uso del carbón activado con respecto a otros adsorbentes
implican que en la purificación del aire no es necesario eliminar la humedad del flujo
de entrada, dado su amplia distribución de tamaños de poros es capaz de absorber
moléculas no polares, tales como el nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, metano y
otras débilmente polares, tales como el agua. Debido a lo anterior, su capacidad de
adsorción es hasta el doble que la de otros adsorbentes comunes. Además, la
interacción molecular con las especies adsorbidas es usualmente menor con respecto
a otros adsorbentes por lo cual la etapa de regeneración demanda menos energía. [5]
18
(a) (b)
Figura 8. Isotermas de adsorción del nitrógeno para (a) tipos de carbón activado y (b) tipos de
zeolitas. [14]
En la Figura 8 se presentan las isotermas de adsorción de nitrógeno para diversos
adsorbentes de carbono seleccionados debido a su gran área de superficie, volumen
de microporos y hidrofobicidad que favoreció la adsorción de nitrógeno. El carbono #
1 (96831) se deriva del lignito. El carbón # 2 (10198) se deriva de madera. El carbón
# 3 (Norit RB) es un carbón activado por vapor. El carbono n. ° 4 (22874) es derivado
de turba. El carbón # 5 (37771) es derivado del carbón y se activa con vapor. Por otro
lado, zeolitas 3A (KA), 4A (NaA) y 5A (CaA) fueron analizadas. [14] En comparación
con los resultados presentados anteriormente es posible determinar que el carbón
activado # 5 posee una capacidad de adsorción de nitrógeno hasta dos veces mayor
que la zeolita estudiada de mayor adsorción (5A).
7.3.2. Tamiz molecular de carbono
Los tamices moleculares debido a su comportamiento hidrofílico son usualmente
eficientes en el proceso de separación de flujos que carguen humedad. Este adsorbente
posee una distribución de tamaño de poros comprendida entre 2.5 y 10 Å, esta
característica ha despertado el interés industrial en la producción de Nitrógeno a
partir del aire, esto es posible gracias a que el diámetro molecular del nitrógeno
difiere con respecto a los demás componentes presentes en el aire, ver Tabla 6. [5] El
19
proceso de manufactura de este adsorbente incluye la trituración, oxidación,
compactación y carbonización de una materia prima rica en carbono tal como el
carbón bituminoso.
Tabla 6. Diámetro molecular de los componentes del aire. [15]
Componente Diámetro
Molecular (pm)
Diámetro
Molecular (�̇�)
Nitrógeno 370 3.7
Oxígeno 358 3.58
Argón 340 3.4
Helio 256 2.56
Hidrógeno 293 2.93
Neón 275 2.75
Dióxido de Carbono 407 4.07
Monóxido de Carbono 376 3.76
7.3.3. Gel de sílice
El gel de sílice se obtiene debido a la coagulación de una solución coloidal de ácido
silícico. Debido a que este adsorbente es altamente hidrofílico es utilizado
industrialmente para como agente secante para remover la humedad de flujos
gaseosos. [16] En la Figura se presenta la capacidad de adsorción de hidrógeno de
diversos adsorbentes.
Figura 9. Equilibrio de adsorción de vapor de agua del aire atmosférico a 25°C en (A) alúmina
granular; (B) alúmina esférica; (C) gel de sílice; (D) zeolita 5A; (E) carbón activado. [5]
20
7.3.4. Zeolita
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos de alta micro-porosidad ocupada por
especies catiónicas de naturaleza alcalina o alcalinotérrea, tales como sodio, potasio
y calcio. [13] La alta selectividad de la zeolita se debe a que el diámetro de sus poros
es controlado a partir de la selección de cationes y su disposición en la red estructural
cristalina, debido a esto se obtiene una distribución homogénea del tamaño de poros
que oscila entre 3 y 10 Å. En la Figura 10 se presentan los tamaños de poros
característicos de zeolitas y otros adsorbentes comúnmente utilizados.
Figura 10. Distribución del tamaño de microporos de (a) zeolita tipo 3A; (b) 4A; (c) 5A; (d) 10X; (e)
13X; (f) tamiz molecular de carbono; (g) carbón activado. [5]
Las zeolitas se encuentran usualmente en la naturaleza como minerales y se conocen
alrededor de 40 tipos, sin embargo, es posible sintetizar una amplia variedad en
condiciones de laboratorio, por lo cual hoy en día se conocen hasta 150 tipos. La
estructura de una zeolita consiste en un tetraedro de silicato (SiO4) y tetraóxido de
aluminio (AlO4) unidos entre sí por átomos de oxígeno compartidos. [13]
21
8. Diseño conceptual
8.1. Etapas del proceso de generación de oxígeno
En general, un proceso de generación o concentración de oxígeno puede ser dividido
por cinco etapas principales: la compresión del aire, el pre-tratamiento del aire, la
separación por adsorción, el almacenamiento del oxígeno y su distribución.
8.1.1. Compresión del aire
La compresión del aire atmosférico es la etapa inicial del proceso de generación de
oxígeno. En esta etapa un compresor aumenta la presión del aire y lo bombea al
sistema. Aunque existen diversos tipos de compresores usualmente los compresores
reciprocantes son apropiados para la compresión de la mayoría de los fluidos
gaseosos.
Los compresores reciprocantes son máquinas que aumentan la presión de un gas en
un espacio confinado mediante el uso de un pistón. Al confinar un gas y reducir su
volumen el choque de moléculas aumenta y por lo tanto el fluido adquiere mayor
presión. Estos poseen una válvula de admisión o succión y otra de descarga, ambas
válvulas se abren debido a diferenciales de presión generados en el ciclo de
movimiento del pistón. En la Figura 11 se presenta el funcionamiento de una etapa
de compresión recíproca.
Figura 11. Ciclo de compresión recíproca de una etapa. [17]
22
En la Figura 11 cuando el pistón en su punto más alto ambas válvulas se encuentran
cerradas. En la posición B el pistón sale de su punto de estancamiento superior y
realiza una expansión del volumen libre lo cual genera un diferencial de presión
negativo o vacío. En la posición C la presión de vacío supera la resistencia de la
válvula de admisión por lo cual esta se abre y se produce una presión de succión que
produce que el aire atmosférico ingrese al cilindro. Tras llegar a su punto de
estancamiento inferior el pistón comienza a ascender y un diferencial de presión
positivo produce la compresión del aire confinado. En la posición E la presión del aire
comprimido supera la resistencia de la válvula de descarga y el gas fluye al sistema
con mayor presión.
8.1.2. Pre-tratamiento del aire
Los compresores de aire pueden operar en múltiples ambientes y por lo tanto están
expuestos a agentes contaminantes que pueden afectar la correcta operación de los
dispositivos. El diseño de un sistema de generación de oxígeno, desde la instalación
más simple a la más compleja, debe considerar los riesgos contaminantes presentes
en el sitio de operación. El pre-tratamiento del aire consiste en adecuar el flujo de
aire atmosférico previo a su entrada en las columnas de adsorción, para esto es
importante la remoción de la humedad y el filtrado de partículas sólidas como el polvo.
Los filtros de línea se encargan de limpiar un flujo para satisfacer los requisitos
propios de cada instalación, ver Figura 12.
(a) (b)
Figura 12. Filtros para pre-tratamiento del aire. (a) filtro de partículas sólidas [18]; (b) filtros de
humedad y aceite [19].
23
Los filtros de partículas sólidas consisten en membranas que impiden el paso de
partículas gruesas, usualmente mayores a un micrómetro. Por otro lado, los filtros
coalescentes permiten retirar la humedad y aceite del vapor de aire. En conjunto estos
filtros permiten obtener un caudal más refinado permitiendo de esta manera
aumentar la eficiencia del proceso.
8.1.3. Separación del aire por adsorción
La separación del aire ocurre en columnas de adsorción, estas operan como
recipientes a presión que tienen en su interior algún agente adsorbente selectivo. La
disposición de válvulas conectadas a la entrada y a la salida de las columnas permite
dirigir el flujo según transcurra el ciclo de generación. En la Figura 13 se presentan
válvulas manuales de bola y de cortina, las primeras permiten abrir o cerrar el
conducto de un flujo, por otro lado, las válvulas de cortina permiten regular el caudal
de paso.
(a) (b)
Figura 13. (a) Válvula manual de bola [20]; (b) válvula manual de cortina [21].
La disposición de dos o más columnas permite que el proceso de generación de oxígeno
ocurra de manera continua esto dado que cuando una de las columnas está
adsorbiendo la otra columna se está regenerando. Adicionalmente, en el proceso de
regeneración es importante disponer de un escape silenciador de tal manera que el
flujo de purga pueda ser evacuado de manera difusa y se reduzca el ruido durante la
operación del dispositivo.
24
8.1.4. Almacenamiento del oxígeno
Tras el proceso de separación del aire el almacenamiento del oxígeno se realiza en un
recipiente a presión. Los elementos sometidos a presión deben poseer válvulas de
alivio de presión, estos elementos preventivos disminuyen la posibilidad de accidentes
en caso de que la presión del tanque exceda la presión admisible de seguridad.
8.1.5. Distribución del oxígeno
La distribución del oxígeno se realiza mediante un conducto de salida con una válvula
dispuesta la cual permite regular el caudal. Debido a que el oxígeno producido por
estos dispositivos suelen emplearse en múltiples actividades industriales y médicas
debe garantizarse la limpieza e inertización de los conductos.
8.2. Instrumentación, control y recolección de información
La instrumentación requerida en el diseño de un sistema de generación de oxígeno
usualmente está compuesta por sensores indicadores de presión, de caudal y de
concentración de oxígeno. Los manómetros son instrumentos utilizados ampliamente
en el monitoreo de fluidos gaseosos. Estos instrumentos miden la presión
manométrica de un determinado punto del sistema, la cual es la diferencia entre la
presión real o absoluta y la presión atmosférica. [22] En el proceso de generación de
oxígeno es importante monitorear siempre la presión de los recipientes presurizados
para garantizar que esta no sea lo suficientemente alta como para poner en riesgo la
operación del dispositivo y/o los alrededores. Estos dispositivos pueden ser análogos
o digitales, en la Figura 14 se presentan los tipos de manómetros comerciales más
comunes.
(a) (b)
Figura 14. (a) Manómetro análogo [22]; (b) sensor de presión digital [23].
25
Los sensores indicadores de caudal o flujo son requeridos para conocer la tasa de
salida de las columnas de adsorción y por lo tanto poder monitorear el proceso de
adsorción y saturación de las columnas. Así mismo, estos indicadores permiten
conocer la capacidad real de abastecimiento de oxígeno. Los flujómetros análogos
funcionan gracias a la fuerza de flotabilidad que ejercen sobre un elemento
usualmente esférico de masa y volumen conocido. Además, existen flujómetros
digitales que realizan su medición en la línea de flujo, ver Figura 15.
(a) (b)
Figura 15. (a) Flujómetro análogo [24]; (b) flujómetro digital [25].
Los analizadores de oxígeno son sensores capaces de detectar la cantidad de oxígeno
presente en un caudal. Estos sensores son generalmente digitales y permiten conocer
si la composición de salida de las columnas de adsorción es apropiada, ver Figura 16.
A partir de esta medición se monitorea que los tiempos en los ciclos de adsorción y
desorción sean apropiados. Además, permite identificar rápidamente problemas de
funcionamiento relacionados con la capacidad de adsorción del adsorbente utilizado.
Figura 16. Analizador de oxígeno digital. [26]
26
El control y recolección de la información puede ser realizado mediante la
implementación de micro-controladores tales como Arduino. Así mismo, el uso de
estos dispositivos permite que el sistema controle actuadores del sistema como el
compresor o las válvulas de manera autónoma.
8.3. Diagrama de flujo del proceso de generación de oxígeno
El proceso de generación de oxígeno por el método PSA se describe en el diagrama de
flujo presentado en la Figura 17. En este se presenta la disposición de los
componentes del sistema y los puntos de implementación de los instrumentos de
medición. En la Tabla 7 se proporciona la descripción de los símbolos utilizados en el
diagrama de flujo.
Figura 17. Diagrama esquemático del proceso PSA de generación de oxígeno.
27
Tabla 7. Descripción de los símbolos esquemáticos del proceso.
Símbolo Descripción
Indicador de flujo
Compresor de aire
Removedor de humedad
Filtro de aire
Válvula de bola manual
Válvula de cortina manual
Escape silenciador
Manómetro
Flujómetro
Columna de adsorción
28
9. Diseño de ingeniería
9.1. Selección del adsorbente
El adsorbente utilizado mayormente para las aplicaciones de separación de aire y
purificación del oxígeno es la zeolita, aunque existen diversos tipos y estas varían
según la distribución de tamaño de poros y los cationes presentes. La zeolita de tipo
13X es ampliamente utilizada en la purificación del oxígeno debido a su alta
selectividad con el nitrógeno. Además, la zeolita 13X con respecto a otras zeolitas
comerciales como la 5A tiene una mayor capacidad de adsorción de nitrógeno y menor
selectividad para el oxígeno [27], en la Figura 18 se aprecia que este comportamiento
se cumple para todo el rango de presiones hasta 7 bar.
Figura 18. Capacidad de adsorción de la zeolita 13X y 5A a diferentes presiones. [27]
Finalmente se ha optado por utilizar la zeolita 13X como adsorbente en el proceso de
concentración de oxígeno, algunas de sus características principales se presentan en
la Tabla 8.
Tabla 8. Especificaciones de la Zeolite 13X utilizada. [28]
Especificación Valor
Tipo 13X
Tamiz 4x8
Diámetro (mm) 2.3 - 4.8
Desgaste (%peso) ≤ 0.1
Densidad (lb/ft3) 40 - 50
Resistencia mecánica (lbf) ≥ 18
29
9.2. Dimensionamiento de las columnas de adsorción
El dimensionamiento de las columnas de adsorción es un parámetro de gran
importancia dentro del diseño debido a que este se relaciona con la capacidad de
adsorción de nitrógeno del sistema. En general, una columna de adsorción se
comporta como un reactor poroso motivo por el cual se quiere aumentar la superficie
en contacto con el aire atmosférico, por esto columnas de mayor densidad son capaces
de adsorber mayores cantidades de nitrógeno.
Las dimensiones generales de las columnas se obtuvieron a partir de la cantidad de
zeolita disponible. Dado que se adquirieron 3 libras de zeolita para la realización del
proyecto se realizó un análisis del volumen máximo de las columnas, ver ecuación 3.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑧𝑒𝑜𝑙𝑖𝑡𝑎 =𝑀𝑎𝑠𝑎𝑧𝑒𝑜𝑙𝑖𝑡𝑎
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑧𝑒𝑜𝑙𝑖𝑡𝑎 [𝐸𝑐. 3]
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛𝑧𝑒𝑜𝑙𝑖𝑡𝑎 =3 𝑙𝑏
40 𝑙𝑏/𝑓𝑡3= 0.075 𝑓𝑡3 = 2120 𝑐𝑚3
Según la cantidad de zeolita disponible se determina el volumen de las columnas de
adsorción el cual es equivalente a 2120 cm3. El volumen total de zeolita disponible es
distribuido en dos columnas idénticas por lo cual el volumen de diseño de una
columna es de 1060 cm3. En la Tabla 9 se presentan las especificaciones de la columna
en función del diámetro nominal utilizado.
Tabla 9. Especificaciones de la columna de adsorción según diámetro nominal.1
Diámetro nominal (in) Altura (in) Altura (cm)
1 82 209
1 1/2 37 93
2 21 52
2 1/2 13 33
3 9 23
3 1/2 7 17
4 5 13
1 Los diámetros se presentan en pulgadas (in) dado que las tuberías de proceso se comercializan con tamaños estandarizados basados en esta unidad. Las demás dimensiones se manejarán en el sistema internacional.
30
Dadas las restricciones del sistema establecidas en la Tabla 4 se posee un área de
trabajo de máximo 150 cm de largo con 50 cm de ancho, por lo tanto, a partir de las
especificaciones presentadas en la Tabla 9 se determina que las columnas de
adsorción deben tener un diámetro nominal superior a una pulgada. En este diseño
se opta por emplear columnas de diámetro nominal de dos pulgadas puesto que para
una altura de aproximadamente 50 cm se adquiere un espacio adecuado para ubicar
las válvulas y demás accesorios del sistema.
9.3. Diseño mecánico de las columnas de adsorción
Las columnas de adsorción están sometidas a cargas internas generadas por la
circulación del gas a través de ellas motivo por el cual es importante diseñar y
seleccionar los elementos garantizando la integridad del dispositivo durante su
operación. El diseño de elementos simples y cuya manufactura sea rápida y
económica es importante para el desarrollo de un proyecto en la economía local del
país, por lo tanto, el diseño y manufactura de este dispositivo se simplificó con
respecto a otros concentradores de oxígeno comerciales.
El concepto que se plantea en este trabajo para la construcción de columnas de
adsorción de concentradores de oxígeno implica el uso de tuberías y tapones de fin de
línea comúnmente utilizados en conductos hidráulicos o neumáticos. Los
componentes mencionados anteriormente son ampliamente comercializados
permitiendo un fácil acceso para la mayoría de los campesinos y las empresas
colombianas.
9.3.1. Selección de materiales
Los materiales en contacto con el oxígeno producen reacciones a determinadas
temperaturas y presiones. Con frecuencia se presentan oxidación y corrosión, dos
fenómenos que desgastan la superficie del componente y debilitan su estructura.
Además, un manejo inapropiado del oxígeno es el principal causante de explosiones e
31
incendios que vulneran la seguridad de los alrededores, debido a esto la selección de
los materiales es fundamental en el proceso de diseño.
Algunos materiales galvanizados suelen ser apropiado para los elementos expuestos
a las condiciones externas, sin embargo, no son apropiados para conductos de oxígeno
dado que se pueden producir óxidos en el interior del sistema, contaminando la pureza
del oxígeno y afectando otros componentes del sistema. El acero es un material
apropiado para emplearse en elementos presurizados, sin embargo, al quedar
expuesto al aire y la humedad se oxida generando óxido de hierro, el continuo
desgaste de los componentes produce altos costos de mantenimiento.
Por otro lado, el acero inoxidable contiene contenidos superiores de cromo y níquel
motivo por el cual se presenta un incremento de su resistencia a la corrosión y la
oxidación. Adicionalmente, este material es mecánicamente difícil de desgastar y
deformar haciéndolo duradero en condiciones de cargas permanentes y cíclicas
elevadas. Por lo tanto, el acero inoxidable se considera el material apropiado para la
aplicación estudiada y se empleará en la manufactura de las columnas de adsorción.
9.3.2. Selección de tuberías
La resistencia mecánica de los elementos es de gran importancia en el proceso de
selección y diseño de tuberías de alta presión. Este se debe realizar siguiendo la
norma ANSI/ASME B31.3-2010 que designa las especificaciones de tuberías de
proceso.
La norma ASME indica que cuando las tuberías son empleadas con fluidos normales
(entiéndase por no inflamables y no tóxicos) se debe tener un espesor mínimo de pared
con designación cédula 40S, esto para materiales no sensible a las entallas como el
acero inoxidable austenítico, ver Tabla 10. Los números de cédula se relacionan con
la máxima presión de operación y el esfuerzo permisible del material empleado.
32
Las tuberías de cédula 40 y 40S son fabricadas para su aplicación en conducción de
agua a altas presiones, gas, aire y fluidos no corrosivos. Estos tubos se fabrican bajo
la norma ASTM A53 y pueden ser soldados o no.
Tabla 10. Espesor mínimo de tuberías roscadas externamente. [29]
Según el volumen calculado en el dimensionamiento de las columnas se optó por
fabricar dos columnas de diámetro nominal de 2 pulgadas y 50 cm de longitud de
acero inoxidable ASTM A-312 tipo 304L.
La norma ASME permite realizar el análisis de la resistencia mecánica de los tubos
para una presión máxima de diseño de 100 psi. Mediante la ecuación 4 se determina
la presión interna máxima admisible [29]:
𝑃𝑚á𝑥 =𝑆
1,155ln (
𝐷 − 2𝐶𝑜
𝐷 − 2(𝑇 − 𝐶1)) [𝐸𝑐. 4]
𝑃𝑚á𝑥 = 1786 𝑝𝑠𝑖
33
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 =𝑃𝑚á𝑥
𝑃𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜=
1786 𝑝𝑠𝑖
100 𝑝𝑠𝑖≅ 18 [𝐸𝑐. 5]
Donde Pmáx corresponde a la presión interna máxima, Ptrabajo es la presión máxima de
diseño, S es el esfuerzo permitido (ver Tabla 11), D es el diámetro externo de la
tubería, T es el espesor de pared, C0 y C1 son tolerancias relacionadas con la corrosión
y erosión las cuales se supondrán equivalen a cero debido a las características del
material empleado.
Los resultados obtenidos de la ecuación 5 indican que el uso de la tubería seleccionada
brinda un factor de seguridad de aproximadamente 18. Para aplicaciones que
implican someter elementos a presión poseer un coeficiente elevado ofrece mayor
seguridad durante su operación. Así mismo, permite a la columna operar a presiones
superiores a la establecida en este diseño dentro de un rango seguro. Por otro lado, se
realizó un análisis de fatiga a la columna calculando la intensidad del esfuerzo en la
superficie interna debido a la presión utilizando la ecuación 6 [29]:
𝑆 =𝑃𝐷2
2(𝑇 − 𝑐)(𝐷 − (𝑇 − 𝑐)) [𝐸𝑐. 6]
𝑆 = 913.6 𝑝𝑠𝑖
La norma ASME indica que únicamente debe realizarse un análisis de fatiga si el
valor supera por tres veces el esfuerzo permitido presentado en la Tabla 11. Dado que
esto no ocurre la norma permite descartar cálculos más avanzados debido a que la
tubería es apropiada para la aplicación.
34
Tabla 11. Esfuerzo permitido para acero inoxidable ASTM A312. [29]
9.4. Diseño de componentes mecánicos
El diseño propuesto para las columnas de adsorción implica la utilización de tuberías
de proceso y otros elementos mecánicos tales como tapones de fin de línea y bujes de
acople, en esta sección se especifican los principales aspectos a tener en cuenta
durante el diseño de estos elementos.
Los tapones de fin de línea son utilizados comúnmente para obstruir el flujo a través
de un conducto, con este fin son capaces de soportar altas presiones debido a la
presencia de roscas cónicas estandarizadas por la norma NPT (Rosca Nacional de
Tubos por sus siglas en inglés). Así mismo, estas roscas favorecen la estanqueidad del
fluido contenido debido al contacto entre hilos del tapón (rosca hembra) y de la tubería
(rosca macho).
El primer aspecto a tener en cuenta es la resistencia de las roscas frente a la presión
de diseño especificada previamente, dado que la manufactura de las roscas NPT
presentes en tapones y tuberías está estandarizada es posible encontrar tablas de
resistencia en los manuales designados. En la Tabla 12 se presentan los rangos de
35
presión permitidos para la utilización de tapones de fin de línea según la norma
ANSI/ASME B 31.3.
Tabla 12. Rangos de presión admisibles para roscas NPT.
A partir de los valores presentados en la Tabla 12 es posible determinar que las roscas
cónicas presentes en los tapones y tuberías de diámetro de dos pulgadas admiten una
presión de hasta 3900 psi. Según lo anterior, es posible asegurar que la resistencia de
las roscas presentes en los componentes es adecuada para la aplicación dado que no
supera la presión interna máxima calculada.
Debido a que las columnas de adsorción deben permitir que fluidos transiten a través
de ellas es importante que estas cuenten con una entrada y una salida de gases. Dado
que los tapones de fin de línea poseen una superficie sólida es necesario adaptar este
componente mediante la instalación de bujes, ver Figura 19.
Figura 19. Buje de entrada - salida de gases, obtenido en Autodesk Inventor.
36
Los bujes diseñados deben ser manufacturados con un material compatible con el de
los tapones ya que estos deberán ser unidos fijamente mediante soldaduras, por lo
tanto, se empleará el acero inoxidable como material base para la manufactura de
este componente.
Las uniones soldadas entre sustratos ferrosos tales como el acero inoxidable poseen
resistencias variables en dependencia de las propiedades del electrodo empleado y las
características del cordón de soldadura obtenido. Al diseñar componentes soldados es
importante seleccionar procesos y materiales que faciliten y disminuyan los costos del
proceso. [30] Debido a la compatibilidad entre el material del tapón y de los bujes se
opta por realizar un cordón de soldadura mediante la técnica GTAW o TIG que se
caracteriza por la ausencia de material de aporte. En este proceso un electrodo
permanente de tungsteno produce un cordón más resistente puesto que se mitiga la
interacción con el aire u otras sustancias contaminantes durante el proceso de
aplicación.
En el diseño planteado se realizan juntas de filete alrededor de los arcos internos y
externos del buje con un tamaño de cateto de dos milímetros. En la Figura 20 se
presentan los cordones de soldadura presentes en los tapones.
Figura 20. Juntas de filete en los tapones resaltadas por zonas azules, modificado de Autodesk
Inventor.
37
La resistencia de las uniones soldadas se calcula a partir del tipo de carga a la cual
esta se encuentra sometida, en el caso particular de las columnas de adsorción la
presión produce esfuerzos cortantes a lo largo de la soldadura. La mínima área del
cordón de soldadura se encuentra en la garganta y usualmente las fallas se producen
por esta zona. En la Figura 21 se presenta el esquema de las juntas soldadas y las
fuerzas aplicadas.
Figura 21. Esquema de la junta de filete y la acción de las cargas aplicadas. [31]
Para realizar un análisis de las tensiones sobre la garganta se emplean las siguientes
ecuaciones [31]:
𝜎𝑥 =𝐹
𝐴=
𝐹
0.707 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 7]
𝜏 = 𝜎 = 𝜎𝑥 ∗ 𝐶𝑜𝑠(45°) =𝐹
ℎ𝑐 ∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 8]
𝜎1 =𝐹
2 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙+ √(
𝐹
2 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙)2 + (
𝐹
ℎ𝑐 ∗ 𝑙)2 = 1.618 ∗
𝐹
ℎ𝑐 ∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 9]
𝜏𝑚á𝑥 = √(𝐹
2 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙)2 + (
𝐹
ℎ𝑐 ∗ 𝑙)2 = 1.118 ∗
𝐹
ℎ𝑐 ∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 10]
Donde 𝜎𝑥 representa el esfuerzo de tensión del plano x, F corresponde a la fuerza de
tensión aplicada, A es el área sobre la cual se aplica la fuerza, ℎ𝑐 es el tamaño del
cateto, 𝑙 es la longitud de la soldadura, σ corresponde al esfuerzo normal sobre la
garganta, 𝜏 es el esfuerzo cortante sobre la garganta, 𝜎1 es el esfuerzo principal y 𝜏𝑚á𝑥
corresponde al máximo esfuerzo cortante.
38
Tabla 13. Resultados de los cálculos de uniones fijas.
c Filete superior Filete inferior
F 154.4 N 94.5 N
A 2.24*10-4 m2 1.37*10-4 m2
𝒉𝒄 2 mm 2 mm
𝒍 62.8 mm 53.4 mm
𝝈𝒙 1.25 MPa 1.74 MPa
𝝉 = 𝝈 1.23 MPa 0.88 MPa
𝝈𝟏 1.99 MPa 1.42 MPa
𝝉𝒎á𝒙 1.37 MPa 0.98 MPa
𝝈𝒑𝒆𝒓𝒎 68 MPa 68 MPa
Según los resultados presentados en la Tabla 13 se puede determinar que ambos
cordones de soldadura son mecánicamente resistentes en el estado de esfuerzos
establecidos para el diseño.
Los diseños CAD de los bujes soldados a los tapones de fin de línea se presentan en
la Figura 22, el tapón de entrada posee un único conducto mientras que el tapón de
salida posee dos, el superior destinado a la instrumentación de un manómetro o
termopar y el inferior destinado al conducto del flujo. En la Figura 23 se presenta el
aspecto del ensamble final de las columnas de adsorción.
(a) (b)
Figura 22. (a) Tapón de entrada; (b) Tapón de salida, obtenido en Autodesk Inventor.
39
Figura 23. Diseño CAD de las columnas de adsorción ensambladas, obtenido en Autodesk Inventor.
9.5. Análisis mecánico computacional
El diseño de componentes mecánicos demanda la comprobación de los resultados
obtenidos analíticamente mediante métodos experimentales o computacionales. El
uso de softwares de diseño asistido por computadora (CAD) se torna indispensable en
el proceso de análisis de resistencia mecánica de piezas o ensambles. El uso del
software Autodesk Inventor permite modelar mecánicamente las piezas y realizar
análisis estructurales, esta herramienta permite someter el diseño planteado para
verificar los resultados previamente obtenidos. Esta herramienta computacional
permite realizar el análisis estático del ensamble presentado en la Figura 23.
Tabla 14. Parámetros de simulación, Autodesk Inventor.
Descripción Valor
Material
Material base Acero inoxidable austenítico
Esfuerzo de fluencia 228 MPa
Esfuerzo último 540 MPa
Módulo de Young 190.3 GPa
Coeficiente de Poisson 0.305
Módulo cortante 72.9 GPa Condiciones de
operación Presión 0.69 MPa
Los parámteros de simulación presentados en la Tabla 14 permiten generar un
reporte de los cálculos mecánicos realizados sobre la estructura, entre los principales
resultados podemos encontrar el factor de seguridad, los esfuerzos principales y la
deformación presente en los elementos.
40
Figura 24. Resultados del factor de seguridad de la columna de adsorción, obtenido en Autodesk
Inventor.
Los resultados obtenidos en la simulación se presentan en la Figura 24, estos
muestran un factor de seguridad de mínimo 7.6 sobre el tapón de fin de línea próximo
a los bujes, mientras que para la tubería de proceso y resto de elementos se
encuentran factores de hasta 15. Analíticamente se había obtenido un factor de
seguridad sobre la tubería de aproximadamente 18 por lo cual existe consistencia
entre ambos cálculos realizados. Por otro lado, en los tapones se obtienen valores más
bajos debido a que los agujeros requeridos para la ubicación de los bujes se comportan
como concentradores de esfuerzo, sin embargo, este factor es aceptable para la
aplicación destinada.
En la Figura 25 se presentan las deformaciones y los esfuerzos de Von Mises
desarrollados, estos esfuerzos se emplean en la teoría de fallas de la energía de
distorsión para materiales dúctiles. En esta teoría se consideran energía de distorsión
en el volumen las cuales se representan con esfuerzos principales, si estos esfuerzos
principales superan el esfuerzo de fluencia del material entonces se producirá una
falla [32]. De los resultados presentados en la Figura 25 (a) se puede determinar que
el esfuerzo máximo de Von Mises es de 30 MPa lo cual resulta considerablemente
41
inferior al esfuerzo de fluencia de 228 MPa, por lo tanto, los resultados indican que
no ocurrirá una falla mecánica en el sistema.
Por otro lado, los resultados presentados en la Figura 25 (b) indican que las
deformaciones máximas presentes en la estructura son despreciables y no
representan riesgo para la operación del dispositivo.
(a) (b)
Figura 25. (a) Esfuerzos principales; (b) Deformaciones presentes, obtenido en Autodesk Inventor.
10. Manufactura
El proceso de manufactura del dispositivo se realizó en el Laboratorio de Servicios de
Manufactura (ML- 027) de la Universidad de los Andes. El uso de sierra sinfín, torno
convencional, fresadora y estación de soldadura TIG permitieron obtener la totalidad
de las piezas empleadas en este proyecto.
Del diseño presentado previamente se desarrollaron planos de manufactura
detallados que se presentan en las últimas páginas de este documento. Los planos de
manufactura desarrollados especifican las dimensiones principales de todos los
componentes.
42
En primer lugar se manufacturaron las tuberías de las columnas de adsorción, al
disponer de una tubería de proceso de un metro de longitud se realizó un corte con la
sierra sinfín en la sección media para obtener dos columnas de dimensiones similares.
Posteriormente, se contrató el servicio de un taller externo para realizar las roscas
NPT externas con diámetro nominal de dos pulgadas y paso de rosca designado por
la norma.
Los tapones de fin de línea son componentes comerciales por lo cual no fue necesario
realizar el roscado, sin embargo su superficie superior es sólida y por lo tanto es
necesario adecuarla para permitir el paso de los bujes a través de ella. Con el uso de
torno convencional y fresadora es posible realizar los respectivos agujeros en las tapas
de ambos extremos de la columna de adsorción, ver Figuras 26 y 27.
Figura 26. Tapón de fin de línea con agujero central.
Figura 27. Tapón de fin de línea con agujeros y bujes insertados.
43
El proceso de soldadura de los bujes a los tapones se realizó mediante la técnica de
soldadura GTAW o TIG, esta fue realizada sin material de aporte dado que un
electrodo de tungsteno produce un arco que logra unir ambos componentes. Una vez
que se obtienen los cordones de soldadura se deja reposar y se inspeccionan las
soldaduras individualmente, ver Figura 28. Posteriormente, se ensamblan las
columnas de adsorción, ver Figura 29.
Figura 28. Cordones de soldadura de los bujes y tapones.
Figura 29. Ensamble de las columnas de adsorción.
Debido a que en las columnas de adsorción transitará un flujo de aire enriquecido en
oxígeno es importante remover la presencia de aceite u otras sustancias
contaminantes que puedan ocasionalmente producir una combustión o generar otros
44
riesgos. Por lo tanto, se contrató un servicio externo que limpiara externamente e
internamente las columnas mediante el uso de sustancias químicas desengrasantes.
Debido al tamaño de las partículas adsorbentes fue necesario implementar un
sistema de tamizaje grueso que impidiera el paso de la zeolita al conducto de válvulas
del dispositivo, para esto se empleó una malla de acero inoxidable comercial, ver
Figura 30.
Figura 30. Sistema de tamizaje en el interior de las columnas de adsorción.
Una vez que las columnas cumplieron las características necesarias para su
apropiado funcionamiento se prosiguió con insertar el material adsorbente en su
interior y garantizar que este se dispusiera de manera compacta. Adicionalmente, se
empleó teflón para facilitar el roscado y aportar a la hermeticidad de las columnas,
ver Figuras 31 y 32.
Figura 31. Partículas adsorbentes en el interior de la columna de adsorción.
45
Figura 32. Columna de adsorción rellena de zeolita.
Finalmente, se realizó la conexión de los conductos de entrada y salida el cual consta
de tuberías de cobre flexible, racores, tees y válvulas manuales. Este proceso demandó
el cálculo de las dimensiones y curvaturas apropiadas para las tuberías de cobre, se
emplearon cortadores y dobladoras de tubería para obtener cada segmento, ver
Figura 33.
Figura 33. Dispositivo ensamblado e instrumentado.
46
11. Procedimiento experimental
El procedimiento experimental seguido para la caracterización del dispositivo se
presenta con el fin de dar a conocer a futuros experimentadores las técnicas seguidas.
11.1. Pruebas de hermeticidad y estanqueidad
Garantizar la hermeticidad y estanqueidad del dispositivo es de gran importancia en
el manejo de gases. La hermeticidad define la capacidad del sistema de contener un
flujo. Cuando se ensambla un sistema hidráulico o neumático debe garantizarse la
hermeticidad de todas las uniones presentes. La hermeticidad o la ausencia de la
misma puede evidenciarse al esparcir una solución de agua y jabón sobre todas las
uniones del sistema, cuando un flujo a presión transita en el interior de los conductos
este puede fugarse a través de las imperfecciones en los sellos. Cuando el sistema
presenta una fuga el fluido gaseoso produce que la solución jabonosa burbujee, esto
permite identificar visualmente las uniones que no cumplen con los requisitos de
hermeticidad.
De igual manera, la estanqueidad se relaciona con la capacidad de contener el flujo.
Esta prueba consiste en presurizar el sistema e inspeccionar en un período de 24
horas si existe variación con respecto a la presión inicial. Esta prueba permite conocer
el estado de los sellos del conducto.
11.2. Purga y puesta a punto del dispositivo
La purga del sistema se realiza con un barrido de nitrógeno, este elemento inerte es
altamente efectivo para desplazar agentes potencialmente combustibles. La
inertización es una práctica necesaria previa a la puesta en punto del sistema para
garantizar que no prevalezcan agentes contaminantes peligrosos para la operación
del dispositivo.
47
El dispositivo de concentración de oxígeno diseñado y manufacturado es de operación
manual por lo cual es importante seguir una secuencia de pasos básicos que
permitirán que el sistema se presurice y despresurice según el transcurso de las
etapas.
Figura 34. Esquema de válvulas del dispositivo.
El funcionamiento del proceso PSA de generación de oxígeno es un proceso cíclico y
simultáneo, por lo tanto:
A. Cuando la columna de adsorción A esté en el ciclo de generación
simultáneamente la columna de adsorción B se encontrará en el ciclo de
regeneración.
48
B. Cuando la columna de adsorción A se sature de nitrógeno se terminará su ciclo
de generación y comenzará su ciclo de regeneración.
C. Cuando la columna de adsorción B esté en el ciclo de generación
simultáneamente la columna de adsorción A se encontrará en el ciclo de
regeneración.
D. Cuando la columna de adsorción B se sature de nitrógeno se terminará su ciclo
de generación y comenzará su ciclo de regeneración.
11.2.1. Ciclo de generación de oxígeno
El ciclo de generación de oxígeno consta de 6 etapas descritas a continuación:
I. Cerrar todas las válvulas de bola (VB) y de cortina (VC).
II. Abrir la válvula de cortina 1 (VC1) hasta lograr la presión del flujo de
entrada deseada, esta puede oscilar entre 0 y 100 psi.
III. Abrir la válvula de bola 1 (VB1) para permitir que la columna de
adsorción A se presurice.
IV. Verificar el aumento de presión en el manómetro instrumentado en la
columna de adsorción A.
V. Abrir la válvula de bola 5 (VB5) para permitir que el flujo enriquecido
en oxígeno circule.
VI. Abrir paulatinamente la válvula de cortina 3 (VC3) hasta obtener el
flujo de salida deseado.
11.2.2. Ciclo de regeneración o desorción
El ciclo de regeneración consta de 6 etapas descritas a continuación:
I. Cerrar la válvula de bola 5 (VB5) para evitar que el flujo enriquecido
en nitrógeno circule.
II. Cerrar la válvula de bola 1 (VB1).
49
III. Abrir la válvula de bola 2 (VB2) para permitir que la columna de
adsorción B se presurice.
IV. Verificar el aumento de presión en el manómetro instrumentado en la
columna de adsorción B.
V. Abrir la válvula de cortina 2 (VC2) para permitir que el flujo
enriquecido en oxígeno circule a la columna de adsorción A saturada
de nitrógeno. 2
VI. Abrir la válvula de bola 3 (VB3) para permitir que la columna de
adsorción A se despresurice.
11.3. Caracterización del dispositivo
La caracterización del dispositivo se realizó en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos
(ML – 032). Se utilizó un banco de trabajo con acceso a una línea de mantenimiento
de aire la cual suministra un flujo a presión constante de aire atmosférico, la
presencia de un filtro permite que el flujo entre sin humedad al sistema, ver Figura
35.
Figura 35. Banco de trabajo.
2 Adicionalmente se debe abrir la válvula de bola 6 (VB6) para para permitir que el flujo enriquecido
en oxígeno circule. Se debe tener en cuenta que el proceso es contínuo y por lo tanto siempre existe
una columna de adsorción suministrando oxígeno.
50
Se realizaron múltiples experimentos con el fin de conocer y caracterizar el
funcionamiento del dispositivo. Las metodologías empleadas se describen en los
siguientes apartados.
11.3.1. Experimento A: Presión de entrada vs Concentración del
oxígeno.
Experimento que permitió conocer la incidencia de la presión de entrada o de
generación sobre el valor de concentración de oxígeno. Para esto se reguló la presión
de entrada con la válvula de cortina 1 (VC1), se realizó el experimento con presiones
en el rango entre 0.5 y 7 bares.
Al establecer la presión de generación se realizaron múltiples ciclos de generación con
el fin de obtener valores estadísticos de la concentración de oxígeno obtenida, ver
Figura 36. La concentración de oxígeno se obtuvo mediante el uso del sensor de
oxígeno. El uso de este sensor requiere que se ubique en la opción de medición hasta
100% y que el flujo de entrada sea menor o igual a 8 lpm, esto garantiza mediciones
replicables y disminuye las posibilidades de que el sensor se descalibre.
Figura 36. Mediciones de concentración de oxígeno.
51
11.3.2. Experimento B: Tiempo vs Concentración del oxígeno
Experimento que permitió conocer el comportamiento de la concentración del oxígeno
en función del tiempo transcurrido. Para esto se reguló la presión de entrada con la
válvula de cortina 1 (VC1), se realizó el experimento con presiones en el rango entre
0.5 y 7 bares. Al establecer la presión de generación se monitoreó la concentración de
oxígeno tomando dichos valores cada minuto durante un período de 15 minutos.
11.3.3. Experimento C: Presión de entrada vs Tiempo de Saturación
Experimento que permitió conocer los tiempos de saturación de las columnas de
adsorción. Para esto se reguló la presión de entrada con la válvula de cortina 1 (VC1),
se realizó el experimento con presiones en el rango entre 0.5 y 7 bares. Al establecer
la presión de generación se realizaron múltiples ciclos de generación con el fin de
obtener valores estadísticos, en este experimento se monitorearon los cambios en la
concentración de oxígeno hasta que estos fueran mayores al 10%. Con ayuda de un
cronómetro digital se registraron los tiempos en los cuales dichos valores de
concentración variaban considerablemente. Así mismo, se registraron los flujos de
salida máximos que suministra el dispositivo, ver Figura 37.
Figura 37. Flujómetro empleado en las mediciones.
52
11.3.4. Experimento D: Presión de entrada vs Pérdidas de presión
Experimento que permitió conocer las pérdidas de presión de dispositivo. Para esto
se reguló la presión de entrada con la válvula de cortina 1 (VC1), se realizó el
experimento con presiones en el rango entre 0.5 y 7 bares. Al establecer la presión
de generación se monitoreó la presión de la columna de adsorción, ver Figura 38.
Figura 38. Manómetro empleado en las mediciones.
12. Resultados A continuación se presentan los resultados obtenidos y su respectivo análisis.
12.1. Experimento A: Presión de entrada vs Concentración del oxígeno
Los resultados obtenidos presentados en la Figura 39 indican que al aumentar la
presión de entrada o de generación se obtienen resultados de concentración de oxígeno
superiores. Este comportamiento se produce debido que a presiones más altas la
zeolita es capaz de adsorber mayor cantidad de nitrógeno, ver Figura 18.
Adicionalmente, se determina que a partir de una presión de 3 bares se obtienen flujos
de salida cuyas concentraciones de oxígeno son superiores al 80%. Debido a los
requisitos de ingeniería planteados previamente es posible afirmar que a partir de 3
bares el dispositivo suministra un flujo apropiado para su aplicación en las
actividades destinadas.
53
Figura 39. Resultados del experimento A: Presión de entrada vs Concentración del oxígeno.
12.2. Experimento B: Tiempo vs Concentración del oxígeno
Los resultados obtenidos presentados en la Figura 40 indican que al iniciar el ciclo de
generación la concentración de oxígeno en el flujo es equivalente a la del aire, sin
embargo rápidamente este valor se incrementa y se mantiene relativamente estable
en el período de monitoreo de 15 minutos. Es posible evidenciar que para presiones
comprendidas entre 3 y 7 bares los resultados son similares y las pequeñas
alteraciones producen que los resultados se traslapen en múltiples ocasiones. A partir
de esto se puede analizar que no existen diferencias considerables entre las
operaciones en dicho rango de presiones en cuanto a la pureza del producto obtenido.
Adicionalmente, es posible distinguir que para la curva de operación de 7 bares a
partir del minuto catorce se produce una rápida disminución de la concentración del
oxígeno, esta disminución está asociada con una pérdida en la capacidad de adsorción
del nitrógeno.
54
Figura 40. Resultados del experimento B: Tiempo vs Concentración del oxígeno.
12.3. Experimento C: Presión de entrada vs Tiempo de saturación
Los resultados obtenidos presentados en la Figura 41 indican que al aumentar la
presión de entrada o de generación se obtienen menores tiempos de saturación de las
columnas de adsorción. Este comportamiento se produce debido que a presiones más
altas la zeolita es capaz de adsorber mayor cantidad de nitrógeno en un mismo
período de tiempo, por lo tanto, la capacidad total de adsorción de la columna se
completa con mayor rapidez.
Se determina que la operación del dispositivo a bajas presiones puede permitir ciclos
largos de generación y regeneración, por otro lado, la operación a presiones altas
demandará ciclos más cortos y por lo tanto mayor asistencia del operador o sistema
de control.
55
Figura 41. Resultados del experimento C: Presión de entrada vs Tiempo de saturación.
Adicionalmente, se determinaron los flujos de salida del sistema, de la Tabla 15 se
puede afirmar que para todas las presiones estudiadas se satisface el requisito de
ingeniería planteado de flujo de salida mínimo.
Tabla 15. Resultados del experimento C: Flujo de salida.
Presión de operación (bar) Flujo máximo (lpm)
0.5 13
1 18
2 20+
3 20+
4 20+
5 20+
6 20+
7 20+
56
12.4. Experimento D: Presión de entrada vs Pérdidas de presión
Los resultados obtenidos presentados en la Figura 42 indican que al aumentar la
presión de entrada o de generación se obtienen mayores pérdidas de presión en las
columnas de adsorción. Este comportamiento se produce debido que a presiones más
altas el flujo posee mayor turbulencia y por lo tanto aumenta la fricción con los
conductos y adsorbentes.
Figura 42. Resultados del experimento D: Presión de entrada vs Pérdidas de presión.
Las pérdidas registradas entre 1 y 4 bares son considerablemente bajas y por lo tanto
no generan ningún efecto considerable en el proceso de generación de oxígeno. Por
otro lado, las pérdidas más altas pueden afectar la capacidad de adsorción del
nitrógeno al disminuir las presiones parciales de los gases en el interior de las
columnas.
57
13. Conclusiones
En este proyecto de grado se realizó el diseño de un dispositivo de concentración de
oxígeno para su aplicación en actividades industriales tales como la piscicultura.
Siendo la piscicultura un sector de importante crecimiento en Colombia este trabajo
aporta las bases del diseño de un producto capaz de suministrar oxígeno de alta
pureza. El análisis desarrollado del proceso de concentración del oxígeno mediante el
ciclo de Adsorción por Oscilación de Presión (PSA) identifica sus características
principales y brinda una explicación resumida y concreta sobre los principales
aspectos a tener en cuenta en el desarrollo de futuros proyectos afines.
El diseño del dispositivo planteado en este trabajo logra simplificar el proceso de
manufactura con el ánimo de hacerlo más accesible para campesinos y pequeños
empresarios colombianos. Sin embargo, se garantiza que el dispositivo es funcional y
seguro para su operación debido a que los cálculos basados en las normas respectivas
dan soporte a las decisiones ingenieriles planteadas.
Los resultados presentados en este trabajo indican que el dispositivo es capaz de
obtener un producto de oxígeno de alta pureza dentro de su rango de operación, así
mismo, se caracterizaron los parámetros de operación más relevantes del dispositivo.
Los diferentes métodos de verificación permiten establecer que el dispositivo cumple
con todos los requerimientos de ingeniería planteados.
58
14. Referencias
[1] Solla, «Piscicultura, El Oxígeno Disuelto en estanques piscícolas,» 27 11 2014.
[En línea]. Available: http://www.solla.com/content/piscicultura-el-ox-geno-
disuelto-en-estanques-pisc-colas. [Último acceso: 7 11 2017].
[2] Organización Mundial de la Salud, ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS
CONCENTRADORES DE OXÍGENO, Ginebra: Biblioteca de la OMS, 2016.
[3] R. Burns, Fundamentos de química, Pearson Educación, 2003.
[4] I. Gaskue, «Producción de oxígeno y nitrógeno. Proceso Linde,» 7 12 2012. [En
línea]. Available: http://www.ingenieriaquimica.net/articulos/307-produccion-
de-oxigeno-y-nitrogeno-proceso-linde. [Último acceso: 7 11 2017].
[5] R. Yang, Gas separation by adsorption processes, Stoneham: Butterworth
Publishers, 1986.
[6] D. Ruthven, S. Farooq y K. Knaebel, Pressure Swing Adsorption, New York:
VCH Publishers, 1994.
[7] Oxygen Plus Medical Systems Inc., «Industrial Oxygen Generators,» 2015. [En
línea]. Available: https://www.oxygenplusmedical.com/industrial-oxygen-
concentrators.htm. [Último acceso: 19 02 2018].
[8] Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Plan Nacional para el Desarrollo
de la Acuicultura Sostenible en Colombia - PlaNDAS, Bogotá, 2014.
[9] Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, El cultivo de la tilapia roja
(Orechromis sp.) en estanques de tierra, fuente de proteína animal de excelente
calidad, Bogotá, 2014.
[10] J. García, G. Peña, G. Soto, A. Mercado, O. Alatorre y E. Rico, «Effect of stocking
density on growth performance and oxygen consumption of Nile tilapia
(Oreochromis niloticus) under greenhouse conditions,» Latin American Journal
of Aquatic Research, vol. 44, pp. 177-183, 2016.
59
[11] C. Férnandez Martín, «The Promising Application of Microwaves in Carbon
Capture and Storage,» Ampere Newsletter, pp. 19-21, 10 10 2016.
[12] S. Mokhatab, «ONSITE NITROGEN GENERATION VIA PSA
TECHNOLOGY,» Chemical Engineering, 1 07 2016. [En línea]. Available:
http://www.chemengonline.com/onsite-nitrogen-generation-via-psa-
technology/. [Último acceso: 2018 02 24].
[13] D. Ruthven, Principles of adsorption and adsorption processes, Wiley, 1984.
[14] Y. Yang, N. Burke, S. Ali, S. Huang, S. Lim y Y. Zhu, «Experimental studies of
hydrocarbon separation on zeolites, activated carbons and MOFs for
applications in natural gas processing,» Royal Society of Chemistry Advances,
nº 7, pp. 12629 - 12638, 2017.
[15] National Physical Laboratory, «Mean velocity, free path and size of molecules,»
Kaya & Laby, 2014. [En línea]. Available:
http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_2/2_2_4.html. [Último
acceso: 26 02 2018].
[16] D. Do, Adsorption analysis: Equilibria and kinetics, London: Imperial College
Press, 1998.
[17] H. Patil, «Single Stage Compressor,» Mariner Resource Center, 20 12 2016. [En
línea]. Available: https://marinerspotted.com/2016/12/single-stage-compressor/.
[Último acceso: 04 03 2018].
[18] K&N Filters, «K&N RC-5177,» [En línea]. Available:
https://www.knfilters.co.uk/search/product.aspx?prod=rc-5177. [Último acceso:
4 03 2018].
[19] FivePears, «FivePears BFC4000,» [En línea]. [Último acceso: 4 03 2018].
[20] Esacademic, «Válvula de bola,» [En línea]. Available:
http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/1195035. [Último acceso: 4 03 2018].
[21] Dismat, «Válvulas,» [En línea]. Available: http://dismat.com.bo/valvulas/.
[Último acceso: 4 03 2018].
60
[22] Winters Instruments, «P3S 300 Pressure Gauges,» [En línea]. Available:
http://winters.com/product/p3s-300-series-pressure-gauge/. [Último acceso: 4 03
2018].
[23] RS Components Ltd, «Gems Sensors ATEX Gauge Pressure Sensor,» [En línea].
Available: https://uk.rs-online.com/web/p/pressure-sensors/7970962/. [Último
acceso: 4 03 2018].
[24] Abest Meter, «Digital Oxygen Flow Meters,» [En línea]. Available:
https://www.abestmeter.com/oxygen-flow-meter/. [Último acceso: 4 03 2018].
[25] Aalborg, «XFM digital mass flow meter,» [En línea]. Available:
http://www.aalborg.com/index.php/main_page/product_overview/id_product_ov
erview/63. [Último acceso: 4 03 2018].
[26] Scuba, «Innovative NRC Oxygen Analyzer,» [En línea]. Available:
https://www.scuba.com/scuba-gear-225/230289/Innovative-NRC-Oxygen-
Analyzer.html. [Último acceso: 4 03 2018].
[27] M. Mofarahi y E. Javadi, «Comparison of two pressure swing adsorption
processes for air separation using zeolite 5A and zeolite 13X,» Petroleum and
Coal, vol. 55, pp. 216-225, 2013.
[28] Sorbent Media, «Adsorbents: Technical Data,» [En línea]. Available:
https://sorbentmedia.com/pages/specification-sheets-msds. [Último acceso: 16
05 2018].
[29] The American Society of Mechanical Engineers, Tuberías de proceso: Código
ASME para tuberías a presión, B31, New York: THE AMERICAN SOCIETY
OF MECHANICAL ENGINEERS, 2012.
[30] R. Budynas y J. Nisbeth, Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, 9 ed.,
México: McGraw Hill, 2012.
[31] P. Ringegni, «Mecanismos y Elementos de Máquinas: Cálculo de uniones,» 2013.
[En línea]. Available:
61
http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Uniones%20soldadas%20se
xta%20edicion%202013.pdf. [Último acceso: 26 06 2018].
[32] M. Mangee, «Nitrogen Gas Adsorption in Zeolites 13X and 5A,» Walla Walla
University, College Place.
62
63
64
65
66
67
