Los generadores y estaciones de nitrógeno son complejos de producción de aire a nitrógeno estacionarios o móviles .
Generador de nitrógeno por adsorción
Tecnología de adsorción
Concepto de adsorción
Generador de nitrógeno por adsorción
El proceso de separación de gases por adsorción en generadores de nitrógeno se basa en el fenómeno de fijar diversos componentes de la mezcla de gases mediante una sustancia sólida llamada adsorbente . Este fenómeno se produce por la interacción del gas y las moléculas adsorbentes. [1]
Tecnología de adsorción por cambio de presión
La tecnología de producción de aire a nitrógeno mediante el uso de procesos de adsorción en generadores de nitrógeno está bien estudiada y se aplica ampliamente en instalaciones industriales para la recuperación de nitrógeno de alta pureza. [2] [3]
El principio de funcionamiento de un generador de nitrógeno que utiliza la tecnología de adsorción se basa en la dependencia de las tasas de adsorción de varios componentes de la mezcla de gases de los factores de presión y temperatura. Entre las plantas de adsorción de nitrógeno de diversos tipos, las plantas de adsorción por cambio de presión (PSA) han encontrado la aplicación más amplia en todo el mundo.
El diseño del sistema se basa en la regulación de la adsorción de gas y la regeneración del adsorbente mediante cambios de presión en dos recipientes que contienen adsorbente-adsorbente. Este proceso requiere una temperatura constante, cercana a la ambiental. Con este proceso, la planta produce nitrógeno a una presión superior a la atmosférica, mientras que la regeneración del adsorbente se logra a una presión inferior a la atmosférica.
El proceso de adsorción por oscilación en cada uno de los dos adsorbentes consta de dos etapas que duran unos minutos. En la etapa de adsorción, las moléculas de oxígeno, H 2 O y CO 2 se difunden en la estructura de poros del adsorbente mientras que a las moléculas de nitrógeno se les permite viajar a través del recipiente que contiene el adsorbente-adsorbente. En la etapa de regeneración, los componentes adsorbidos se liberan del adsorbente que se expulsa a la atmósfera. Luego el proceso se repite varias veces. [4]
Ventajas
Alta pureza del nitrógeno: las plantas generadoras de nitrógeno de PSA permiten la producción de nitrógeno de alta pureza a partir del aire, algo que los sistemas de membranas no pueden proporcionar: hasta un 99,9995 % de nitrógeno. Pero en la mayoría de los casos no producen más del 98,8% de nitrógeno y el resto es argón que no se separa del nitrógeno mediante el proceso PSA habitual. El argón normalmente no es un problema, ya que el argón es más inerte que el nitrógeno. Esta pureza del nitrógeno también puede garantizarse mediante sistemas criogénicos, pero son mucho más complejos y sólo se justifican por grandes volúmenes de consumo. Los generadores de nitrógeno utilizan tecnología CMS ( tamiz molecular de carbono ) para producir un suministro continuo de nitrógeno de pureza ultra alta y están disponibles con compresores internos o sin ellos.
Bajos costes operativos: mediante la sustitución de plantas de separación de aire obsoletas, el ahorro en la producción de nitrógeno supera ampliamente el 50%. [ cita necesaria ] El costo neto del nitrógeno producido por los generadores de nitrógeno es significativamente menor que el costo del nitrógeno embotellado o licuado. [5]
Impacto ambiental: La generación de gas nitrógeno mediante PSA es un enfoque sostenible, respetuoso con el medio ambiente y energéticamente eficiente para proporcionar gas nitrógeno puro, limpio y seco. En comparación con la energía necesaria para una planta criogénica de separación de aire y la energía necesaria para transportar el nitrógeno líquido desde la planta a la instalación, el nitrógeno generado consume menos energía y genera muchos menos gases de efecto invernadero. [6]
Tecnología de membrana
Generador de nitrógeno de membrana
Concepto de separación de gases
El funcionamiento de los sistemas de membrana se basa en el principio de velocidad diferencial con la que los distintos componentes de la mezcla de gases impregnan la sustancia de la membrana. La fuerza impulsora en el proceso de separación de gases es la diferencia de presiones parciales en los diferentes lados de la membrana. [7]
Cartucho de membrana
Distribución de flujo dentro de la fibra.
Estructuralmente, una membrana de fibras huecas representa un cartucho cilíndrico que funciona como un carrete con fibras poliméricas específicamente enrolladas. El flujo de gas se suministra bajo presión a un haz de fibras de membrana. Debido a la diferencia de presiones parciales en la superficie de la membrana interna y externa, se logra la separación del flujo de gas.
Ventajas
Beneficios económicos: Mediante la sustitución de sistemas criogénicos o de adsorción el ahorro en la producción de nitrógeno generalmente supera el 50%. [8] El costo neto del nitrógeno producido por los complejos de nitrógeno es significativamente menor que el costo del nitrógeno en cilindro o licuado. [5]
Diseño de módulos: Respecto a la simplicidad del sistema, un generador de nitrógeno se puede dividir en módulos. Esto contrasta directamente con los sistemas clásicos en los que el equipo está diseñado para una determinada etapa del proceso de separación. Utilizando un sistema modular, la instalación de generación se puede construir a partir de una selección de equipos preexistentes y, cuando sea necesario, se puede aumentar la capacidad de producción de una planta al mínimo costo. Esta opción parece aún más útil cuando un proyecto prevé un aumento posterior de la capacidad empresarial, o cuando la demanda puede requerir simplemente la producción in situ de nitrógeno mediante el empleo de equipos que ya están presentes.
Confiabilidad: Las unidades de separación de gas no tienen componentes móviles, lo que garantiza una confiabilidad excepcional. Las membranas son altamente resistentes a vibraciones y golpes, químicamente inertes a las grasas, insensibles a la humedad y capaces de funcionar en un amplio rango de temperaturas de –40°С a +60°С. [ cita necesaria ] Con un mantenimiento adecuado, la vida útil de la unidad de membrana oscila entre 130.000 y 180.000 horas (15 a 20 años de funcionamiento continuo). [ cita necesaria ]
Desventajas
Capacidad limitada
Pureza relativamente baja en comparación con las unidades PSA (95 % a 99 % de pureza en comparación con 99,9995 %; hay aplicaciones de mayor pureza disponibles con caudales más bajos ≤ 10 l/min)
Aplicaciones de los generadores de nitrógeno.
Industrias de alimentos y bebidas: En el momento en que se producen alimentos o bebidas, o se cosechan frutas y verduras, se inicia un proceso de envejecimiento hasta la completa descomposición de los productos. Esto es causado por reacciones químicas con oxígeno, bacterias y otros organismos. Se utilizan generadores para inundar los productos con N 2 que desplaza el oxígeno y prolonga significativamente la vida útil del producto porque estos organismos no pueden desarrollarse. Además, se puede eliminar o detener la degradación química de los alimentos causada por la oxidación.
Neumáticos de aviones y vehículos de motor : aunque el aire tiene un 78% de nitrógeno, la mayoría de los neumáticos de aviones están llenos de nitrógeno puro. Hay muchas tiendas de neumáticos y de automóviles con generadores de nitrógeno para llenar los neumáticos. La ventaja de utilizar nitrógeno es que el tanque está seco. A menudo, un tanque de aire comprimido tendrá agua que proviene del vapor de agua atmosférico que se condensa en el tanque después de salir del compresor de aire. El nitrógeno mantiene una presión más estable cuando se calienta y enfría como resultado de estar seco y no penetra el neumático tan fácilmente debido a que es una molécula ligeramente más grande (155 pm) que el O 2 (152 pm).
Industrias químicas y petroquímicas: La aplicación principal y muy importante del nitrógeno en las industrias químicas y petroquímicas es la provisión de un ambiente inerte destinado a garantizar la seguridad industrial general durante la limpieza y protección de los recipientes de proceso. Además, el nitrógeno se utiliza para pruebas de presión de tuberías, transporte de agentes químicos y regeneración de catalizadores usados en procesos tecnológicos.
Los neumáticos de las aeronaves utilizan relleno de nitrógeno para retrasar la ruptura de los neumáticos en eventos de despegue interrumpido, lo que permite tiempo de evacuación antes de que el calor del sistema de frenos provoque un incendio interno en los neumáticos. Los tapones fusibles en el neumático son la protección principal contra las variaciones de presión inducidas por el calor. Los incendios internos de los neumáticos pueden producirse en la primera parada debido a secciones locales calientes de las ruedas.
Electrónica: En electrónica, el nitrógeno sirve para desplazar el oxígeno en la fabricación de semiconductores y circuitos eléctricos , el tratamiento térmico de productos terminados, así como en el soplado y la limpieza. Los usos más comunes en electrónica son el proceso de soldadura . Específicamente equipos de Soldadura Selectiva, Reflujo y Ola.
Generador de nitrógeno de membrana que proporciona gas de supervisión al sistema de rociadores contra incendios de tubería seca
Protección contra incendios: La industria de protección contra incendios utiliza gas nitrógeno para dos aplicaciones diferentes: extinción de incendios y prevención de la corrosión . Los generadores de nitrógeno se utilizan en sistemas de prevención de incendios con aire hipóxico para producir aire con un bajo contenido de oxígeno que extinguirá un incendio. Para evitar la corrosión, los generadores de nitrógeno se utilizan en lugar de o junto con un sistema de aire comprimido para proporcionar gas nitrógeno de supervisión en lugar de aire para sistemas de tuberías secas y rociadores contra incendios de acción previa . [9]
Industria del vidrio: en la producción de vidrio, el nitrógeno resulta eficaz como agente refrigerante para los electrodos de los hornos de arco eléctrico, así como para desplazar el oxígeno durante los procedimientos del proceso.
Metalurgia : La industria del metal generalmente utiliza nitrógeno como medio para proteger los metales ferrosos y no ferrosos durante el recocido. Además, el nitrógeno es útil en procesos industriales estándar como el templado neutro, la cementación, la soldadura fuerte, el alivio de tensiones, el endurecimiento con cianuro, la sinterización de polvo metálico y el enfriamiento de matrices de extrusión.
Industria de pinturas y barnices: la producción de pinturas y barnices utiliza nitrógeno para la creación de un ambiente inerte en los recipientes de proceso para garantizar la seguridad, así como para el desplazamiento del oxígeno durante el empaque para evitar la polimerización de los aceites secantes.
Industria petrolera : En la industria petrolera, el nitrógeno es un componente indispensable en varios procesos. Lo más común es que el nitrógeno se utilice para crear un ambiente inerte para prevenir explosiones y para la seguridad contra incendios y para apoyar el transporte y la transferencia de hidrocarburos. Además, el nitrógeno se utiliza para probar y purgar tuberías, limpiar recipientes tecnológicos y limpiar vehículos de gas licuado y depósitos de hidrocarburos.
^ "Glosario". El Centro de Apoyo Tecnológico a Brownfields y Revitalización de Tierras. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2008 . Consultado el 21 de diciembre de 2009 .
^ "Cómo enterrar el problema". Real Sociedad de Química . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ "Desarrollo de la adsorción por cambio de presión". Hoja de ruta de la investigación humana . NASA . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ "¿Cómo funcionan los generadores de nitrógeno por adsorción por cambio de presión?". Pico científico . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ ab "MEMO 3 DISEÑO PRELIMINAR DE PROCESOS DE NITRÓGENO: PSA Y SISTEMAS DE MEMBRANA" (PDF) . DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA DE LA UNIVERSIDAD CARNEGIE MELLON . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ "Un enfoque sostenible para el suministro de nitrógeno". Parker Hannifin, División de Filtración y Separación . Consultado el 5 de marzo de 2015 .
^ Vieth, WR (1991). Difusión en y a través de Polímeros . Múnich: Hanser Verlag.
^ "Separación de nitrógeno del aire mediante adsorción por cambio de presión". Estudios en Ciencias de Superficies y Catálisis .
^ "Soluciones para la corrosión de rociadores de tuberías secas". Archivado desde el original el 13 de agosto de 2019 . Consultado el 24 de febrero de 2017 .
