Los generadores y estaciones de nitrógeno son complejos de producción de aire a nitrógeno estacionarios o móviles.
Tecnología de adsorción
Concepto de adsorción
El proceso de separación de gases por adsorción en los generadores de nitrógeno se basa en el fenómeno de fijar varios componentes de la mezcla de gases mediante una sustancia sólida denominada adsorbente . Este fenómeno es provocado 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 con el uso de procesos de adsorción en generadores de nitrógeno está bien estudiada y se aplica ampliamente en las 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 que presentan los diversos componentes de la mezcla de gases sobre los factores de presión y temperatura. Entre las plantas de adsorción de nitrógeno de varios 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 el cambio de presiones 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 realiza a una presión inferior a la atmosférica.
El proceso de adsorción por oscilación en cada uno de los dos adsorbedores consta de dos etapas que se ejecutan durante 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 las moléculas de nitrógeno se dejan viajar a través del recipiente que contiene el adsorbente-adsorbente. En la etapa de regeneración, los componentes adsorbidos se liberan del adsorbente ventilado a la atmósfera. Luego, el proceso se repite varias veces. [4]
Ventajas
- Alta pureza de nitrógeno: las plantas generadoras de nitrógeno PSA permiten la producción de nitrógeno de alta pureza a partir del aire, 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 habitual de PSA. 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 considerablemente más complejos y solo 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 ultra alta pureza y están disponibles con compresores internos o sin ellos.
- Bajos costos operativos: mediante la sustitución de 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 medioambiental: la generación de nitrógeno gaseoso es un enfoque sostenible, ecológico y energéticamente eficiente para proporcionar nitrógeno puro, limpio y seco. En comparación con la energía necesaria para una planta de separación de aire criogénica y la energía necesaria para transportar el nitrógeno líquido de la planta a la instalación, el nitrógeno generado consume menos energía y genera muchos menos gases de efecto invernadero. [6]
Tecnología de membranas
Concepto de separación de gases
El funcionamiento de los sistemas de membranas se basa en el principio de velocidad diferencial con el que varios componentes de la mezcla de gases penetran en la sustancia de la membrana. La fuerza impulsora en el proceso de separación de gas es la diferencia de presiones parciales en los diferentes lados de la membrana. [7]
Cartucho de membrana
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 a presión a un haz de fibras de membrana. Debido a la diferencia en las 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, los ahorros en la producción de nitrógeno generalmente superan el 50%. [ cita requerida ] El costo neto del nitrógeno producido por los complejos de nitrógeno es significativamente menor que el costo del cilindro o nitrógeno licuado. [5]
- Diseño del módulo: con 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. Usando un sistema modular, la instalación de generación puede construirse a partir de una selección de equipos preexistentes y, cuando sea necesario, la capacidad de producción de una planta puede aumentarse al costo mínimo. 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 de nitrógeno en el sitio mediante el empleo de equipos que ya están presentes.
- Fiabilidad: las unidades de separación de gas no tienen componentes móviles, lo que garantiza una fiabilidad excepcional. Las membranas son altamente resistentes a las vibraciones y golpes, químicamente inertes a las grasas, insensibles a la humedad y capaces de operar en un amplio rango de temperatura de –40 ° С a + 60 ° С. [ cita requerida ] Con el mantenimiento adecuado, la vida útil de la unidad de membrana varía 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 de PSA (95% a 99% de pureza en comparación con 99,9995%; las aplicaciones de mayor pureza están disponibles a velocidades de flujo más bajas ≤ 10L / 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 bacterias y otros organismos. Los generadores se utilizan 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, la degradación química de los alimentos provocada por la oxidación puede eliminarse o detenerse.
- Química analítica : los generadores de nitrógeno son necesarios para diversas formas de química analítica, como la cromatografía líquida, la espectrometría de masas y la cromatografía de gases, donde es necesario un suministro estable y continuo de nitrógeno.
- Neumáticos de aviones y vehículos de motor : aunque el aire es un 78% de nitrógeno, la mayoría de los neumáticos de los aviones están llenos de nitrógeno puro. Hay muchas tiendas de neumáticos y automóviles con generadores de nitrógeno para llenar los neumáticos. La ventaja de usar 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 un poco más grande (155 pm) que el O 2 (152 pm).
- Industrias química y petroquímica: La aplicación principal y muy importante del nitrógeno en las industrias química y petroquímica 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 en tuberías, transporte de agentes químicos y regeneración de catalizadores usados en procesos tecnológicos.
- 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 habituales en electrónica se encuentran en el proceso de soldadura . Equipos específicamente selectivos, de reflujo y de soldadura por ola.
- 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 por aire hipóxico para producir aire con un bajo contenido de oxígeno que suprimirá un incendio. Para prevenir 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 los sistemas de rociadores contra incendios de tubería seca y de acción previa . [8]
- 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 templado neutro, cementación, soldadura fuerte, alivio de tensiones, endurecimiento con cianuro, sinterización de polvo metálico y enfriamiento por 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 empaque para evitar la polimerización de los aceites secantes.
- Petróleo industria: En la industria petrolera, el nitrógeno es un componente indispensable en una serie de procesos. Más comúnmente, el nitrógeno se usa 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 pruebas y purgas de tuberías, limpieza de recipientes tecnológicos y limpieza de 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 garantiza la seguridad contra explosiones e incendios en actividades donde se utilizan sustancias dispersas finas.
Ver también
- Nitrógeno líquido
- Gas industrial
Referencias
- ^ "Glosario" . El Centro de Apoyo Tecnológico de Revitalización de Tierras y Brownfields. 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 oscilación de presión?" . Peak Scientific . Consultado el 9 de enero de 2012 .
- ^ a b "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.
- ^ "Soluciones para la corrosión de rociadores de tubería seca" . Consultado el 24 de febrero de 2017 .