Los generadores y estaciones de nitrógeno son complejos estacionarios o móviles de producción de nitrógeno a partir de aire .
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 los generadores de nitrógeno se basa en el fenómeno de fijación de los distintos componentes de la mezcla de gases por una sustancia sólida denominada adsorbente . Este fenómeno se produce por la interacción de las moléculas del gas y del adsorbente. [1]
Tecnología de adsorción por oscilación de presión
La tecnología de producción de aire a nitrógeno con 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 los distintos componentes de la mezcla de gases con respecto a los factores de presión y temperatura. Entre las plantas de adsorción de nitrógeno de varios tipos, las plantas de adsorción por oscilación de presión (PSA) son las que han encontrado la aplicación más amplia en todo el mundo.
El diseño del sistema se basa en la regulación de la adsorción de gases y la regeneración del adsorbente mediante cambios de presión en dos recipientes que contienen el adsorbente y el adsorbente. Este proceso requiere una temperatura constante, cercana a la ambiente. Con este proceso, la planta produce nitrógeno a una presión superior a la atmosférica, mientras que la regeneración del adsorbente se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica.
El proceso de adsorción oscilante en cada uno de los dos adsorbedores consta de dos etapas que se desarrollan durante unos minutos. En la etapa de adsorción, las moléculas de oxígeno, H2O y CO2 se difunden en la estructura porosa del adsorbente, mientras que las moléculas de nitrógeno pueden viajar a través del recipiente que contiene el adsorbedor y el adsorbente. En la etapa de regeneración, los componentes adsorbidos se liberan del adsorbente y se expulsan a la atmósfera. A continuación, el proceso se repite varias veces. [4]
Ventajas
Alta pureza del nitrógeno: las plantas generadoras de nitrógeno PSA permiten producir nitrógeno de alta pureza a partir del aire, algo que los sistemas de membrana no pueden proporcionar: hasta un 99,9995 % de nitrógeno. Pero en la mayoría de los casos no producen más del 98,8 % de nitrógeno, siendo el resto argón, que no se separa del nitrógeno mediante el proceso PSA habitual. El argón normalmente no supone un problema, ya que es más inerte que el nitrógeno. Esta pureza del nitrógeno también se puede garantizar mediante sistemas criogénicos, pero son considerablemente más complejos y solo se justifican en caso de grandes volúmenes de consumo. Los generadores de nitrógeno utilizan tecnología CMS (Carbon Molecular Sieve ) para producir un suministro continuo de nitrógeno de altísima pureza y están disponibles con compresores internos o sin ellos.
Bajos costos de operación: Al sustituir plantas de separación de aire obsoletas, los ahorros en la producción de nitrógeno superan ampliamente el 50%. [ cita requerida ] 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 método 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 de separación criogénica del aire y la energía necesaria para transportar el nitrógeno líquido desde la planta hasta las instalaciones, 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 la velocidad diferencial con la que los distintos componentes de la mezcla de gases penetran en la sustancia de la membrana. La fuerza impulsora del proceso de separación de gases es la diferencia de presiones parciales en los distintos lados de la membrana. [7]
Cartucho de membrana
Distribución del flujo dentro de la fibra
Estructuralmente, una membrana de fibra hueca representa un cartucho cilíndrico que funciona como un carrete con fibras de polímero enrolladas específicamente. 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 externa e interna de la membrana, se logra la separación del flujo de gas.
Ventajas
Beneficios económicos: Al sustituir los sistemas criogénicos o de adsorción, el ahorro en la producción de nitrógeno generalmente supera el 50%. [8] El costo neto del nitrógeno producido por complejos de nitrógeno es significativamente menor que el costo del nitrógeno en cilindros o licuado. [5]
Diseño modular: En lo que respecta 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. Mediante 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 con el mínimo coste. Esta opción resulta aún más útil cuando un proyecto prevé un aumento posterior de la capacidad de la empresa o cuando la demanda puede simplemente requerir la producción de nitrógeno in situ empleando equipos que ya están presentes.
Fiabilidad: Las unidades de separación de gases no tienen componentes móviles, lo que garantiza una fiabilidad excepcional. Las membranas son muy resistentes a las vibraciones y los golpes, químicamente inertes a las grasas, insensibles a la humedad y capaces de funcionar en un amplio rango de temperaturas de –40 °C a +60 °C. [ cita requerida ] 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 requerida ]
Desventajas
Capacidad limitada
Pureza relativamente baja en comparación con las unidades PSA (pureza del 95 % al 99 % en comparación con el 99,9995 %; hay aplicaciones de mayor pureza disponibles a 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 descomposición completa de los productos. Esto es causado por reacciones químicas con oxígeno, bacterias y otros organismos. Se utilizan generadores para inundar los productos con N2 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 está compuesto en un 78 % por nitrógeno, la mayoría de los neumáticos de los aviones se llenan con nitrógeno puro. Hay muchos talleres de neumáticos y de automoción 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 en su interior 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 se enfría como resultado de estar seco y no permea el neumático tan fácilmente debido a que es una molécula ligeramente más grande (155 pm) que el O2 ( 152 pm).
Industrias químicas y petroquímicas: La principal y más importante aplicación del nitrógeno en las industrias químicas y petroquímicas es la creación de un entorno 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 los aviones utilizan nitrógeno para retrasar la ruptura de los neumáticos en caso de despegues interrumpidos, lo que permite un tiempo de evacuación antes de que el calor del sistema de frenos provoque un incendio interno en el neumático. Los tapones fusibles en el neumático son la protección principal contra la desviación de presión inducida por el calor. Los incendios internos en los neumáticos pueden iniciarse en la parada inicial debido a las secciones calientes locales de las ruedas.
Electrónica: En electrónica, el nitrógeno sirve para desplazar el oxígeno en la fabricación de semiconductores y circuitos eléctricos , tratamiento térmico de productos terminados, así como en soplado y limpieza. Los usos más comunes en electrónica son en el proceso de soldadura . En concreto en equipos de soldadura selectiva, por reflujo y por 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 suprimirá el incendio. Para prevenir la corrosión, los generadores de nitrógeno se utilizan en lugar de un sistema de aire comprimido o junto con él para proporcionar gas nitrógeno de supervisión en lugar de aire para sistemas de rociadores contra incendios de acción previa y de tuberías secas . [9]
Industria del vidrio: En la producción de vidrio, el nitrógeno resulta eficaz como agente refrigerante para electrodos de hornos de arco eléctrico, así como para desplazar el oxígeno durante los procedimientos de proceso.
Metalurgia : La industria metalúrgica generalmente utiliza nitrógeno como un 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 de oxígeno durante el envasado con el fin de evitar la polimerización de los aceites secantes.
Industria petrolera : En la industria petrolera, el nitrógeno es un componente indispensable en numerosos procesos. El nitrógeno se utiliza habitualmente para crear un entorno inerte que evite explosiones y la seguridad contra incendios , así como para facilitar el transporte y la transferencia de hidrocarburos. Además, el nitrógeno se utiliza para realizar pruebas y purgas en tuberías, limpiar recipientes tecnológicos y limpiar transportadores de gas licuado e instalaciones de almacenamiento de hidrocarburos.
Industria farmacéutica : En la industria farmacéutica, el nitrógeno encuentra aplicación en el envasado de productos farmacéuticos y para garantizar la seguridad contra explosiones e incendios en actividades en las que se utilizan sustancias finamente dispersas.
^ "Glosario". Centro de Apoyo Tecnológico para la Revitalización de Tierras y Áreas Abandonadas. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2008. Consultado el 21 de diciembre de 2009 .
^ "Cómo enterrar el problema". Royal Society of Chemistry . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ "Desarrollo de la adsorción por oscilación de presión". Hoja de ruta de investigación humana . NASA . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ "¿Cómo funcionan los generadores de nitrógeno por adsorción por oscilación de presión?". Peak Scientific . Consultado el 9 de enero de 2012 .
^ ab "MEMO 3 DISEÑO PRELIMINAR DE PROCESOS DE NITRÓGENO: SISTEMAS PSA Y 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 oscilación de presión". Estudios en ciencia de superficies y catálisis .
^ "Soluciones para la corrosión de los rociadores de tuberías secas". Archivado desde el original el 13 de agosto de 2019. Consultado el 24 de febrero de 2017 .
