Generadores de nitrógeno generar gas nitrógeno puro in situ separándolo del aire natural. Todos sabemos que el aire contiene aproximadamente 78% de nitrógeno en volumen. Así pues, la unidad de nitrógeno comprime este aire y, a continuación, utiliza materiales especiales para eliminar el oxígeno y otras impurezas. El resultado es un flujo continuo de nitrógeno de alta pureza para uso industrial.
Siga leyendo para conocer los principios básicos, los componentes y sencillos consejos de instalación de las unidades de generación de nitrógeno in situ.
Principios de producción de nitrógeno
Separación del aire:
Uno de los métodos para producir nitrógeno es la separación criogénica del aire. En este proceso, el aire se enfría hasta que se vuelve líquido. Después se destila para separar el nitrógeno del oxígeno. Este método alcanza una pureza muy elevada, pero necesita equipos grandes y complejos. Las plantas criogénicas se utilizan básicamente para la producción de grandes volúmenes porque son costosas y consumen mucha energía.
Adsorción por cambio de presión (PSA):
Los generadores de nitrógeno in situ utilizan sobre todo la tecnología PSA. Esta tecnología funciona atrapando el oxígeno y otros gases en un adsorbente a presión, pero dejando nitrógeno como salida. El aire comprimido se envía a un recipiente lleno de tamiz molecular de carbono (CMS). Las moléculas de oxígeno se adhieren al CMS. Pero las grandes moléculas de nitrógeno fluyen como nitrógeno purificado. Básicamente, hay dos torres que funcionan en paralelo: una torre adsorbe oxígeno y la otra regenera (libera los gases adsorbidos). Ambas torres intercambian sus papeles de vez en cuando. Este proceso alterno garantiza un suministro continuo de nitrógeno gaseoso.
Niveles de pureza del nitrógeno
Nitrógeno de calidad industrial: Las aplicaciones industriales suelen utilizar nitrógeno puro de casi 95% a 99,9%. Este nitrógeno de “calidad industrial” puede contener niveles más altos de oxígeno residual o argón. Pero esto es aceptable para muchos procesos. Se utiliza para fines como el blanketing, la purga, el envasado de alimentos y el procesamiento de metales, donde la pureza extrema no es fundamental. Así pues, “generadores de nitrógeno industriales” son más sencillas y tienen menores costes de funcionamiento.
Nitrógeno de pureza ultra alta: Algunas aplicaciones necesitan nitrógeno extremadamente puro, normalmente con una pureza de 99,999% o superior. Este nitrógeno de “pureza ultra alta” tiene los únicos niveles de ppm (partes por millón) de impurezas. Y esta pureza es muy necesaria en la fabricación de semiconductores, la industria farmacéutica, la aeroespacial y otras industrias de precisión. Para conseguir esta pureza ultraelevada, básicamente se necesita una separación más estricta, además de etapas de purificación adicionales.
Componentes del sistema
- Compresor de aire:En primer lugar, es necesario disponer de un compresor de aire dedicado que proporcione el aire comprimido a alta presión necesario para la generación de nitrógeno. Por eso, los compresores de aire que se utilizan para este fin suelen ser compresores exentos de aceite o tener filtros. Además, el compresor debe suministrar un caudal suficiente a la presión necesaria (normalmente entre 4 y 13 bares) para satisfacer las necesidades del generador.
- Secador de aire:Lo segundo son los secadores de aire. Antes de que el aire entre en las torres PSA, pasa por un secador de aire. Este secador elimina la humedad del aire comprimido. Básicamente, se instala un secador desecante o frigorífico después del compresor y antes del generador para conseguir un punto de rocío bajo.
- Lechos de tamiz molecular:El núcleo de la unidad es el lecho de tamiz molecular. Consiste en dos o más recipientes adsorbentes llenos de tamiz molecular de carbono (CMS). Estos lechos realizan la separación propiamente dicha. Cada recipiente está lleno de un CMS que adsorbe específicamente oxígeno (a veces también dióxido de carbono).
Cuando el aire comprimido entra en un lecho, las moléculas de oxígeno son atrapadas por el CMS y el nitrógeno lo atraviesa. El gas de salida es nitrógeno muy puro. Al cabo de un tiempo, este lecho saturado se desconecta y se despresuriza, pero el otro lecho toma el relevo. Este principio de lecho gemelo permite que un lecho adsorba y el otro se regenere para un funcionamiento continuo.
- Válvulas de control y tuberías:Una red de válvulas y tuberías dirige el flujo de aire a través del sistema. Estas válvulas conmutan el aire de alimentación entre las dos torres de adsorción. Además, controlan los tiempos de presurización y venteo.
Además, las tuberías conectan el compresor, el secador de aire, los recipientes y la salida de nitrógeno. Por tanto, un diseño adecuado de las tuberías garantiza la limpieza del aire de entrada y una salida de nitrógeno estable.
También se instalan tuberías de escape para purgar de forma segura el oxígeno expulsado y otras impurezas a la atmósfera.
Principios de trabajo
Presurización y despresurización:
El sistema funciona ciclando cada adsorbedor a través de fases de alta y baja presión. En la fase de adsorción, un recipiente se presuriza con aire seco. En la fase de regeneración, el otro recipiente se despresuriza para purgar los gases adsorbidos.
Mientras una torre capta oxígeno a alta presión, la otra se despresuriza para liberar el oxígeno recogido. Entonces cambian de papel. Esta “oscilación” de presión permite la producción continua de nitrógeno.
Ciclos de adsorción y desorción:
Durante la etapa de adsorción, el aire comprimido entra en un recipiente adsorbente. Entonces, las moléculas de oxígeno se unen (adsorben) al tamiz de carbono y el nitrógeno pasa como producto. Esta fase de adsorción continúa hasta que el CMS de ese recipiente se satura de oxígeno.
Ahora, el sistema aísla ese recipiente y abre su escape para bajar la presión. La caída de presión provoca la desorción: el oxígeno (y la humedad) se desprenden del tamiz y son expulsados. Esto restablece la capacidad del adsorbente. Cambiando estos ciclos de adsorción/desorción entre los dos recipientes, el generador mantiene una producción constante de nitrógeno.
Procedimiento de extracción de oxígeno:
El tamiz molecular de carbono es clave para la eliminación del oxígeno. El CMS tiene poros diminutos que adsorben selectivamente moléculas más pequeñas como el oxígeno y el vapor de agua, mientras que las moléculas de nitrógeno más grandes pasan de largo. En la práctica, cuando el aire entra en el recipiente, el oxígeno se “pega” a la superficie del tamiz. Durante la regeneración, el oxígeno liberado es expulsado por una pequeña corriente de nitrógeno o simplemente por ventilación. El oxígeno expulsado se envía fuera del sistema como gas residual. A lo largo de muchos ciclos, esta adsorción selectiva elimina la mayor parte del oxígeno del aire, de modo que el gas restante es mayoritariamente nitrógeno.
Instalación y configuración
Preparación del terreno:
Lo primero es preparar el terreno. Una instalación adecuada empieza por esto. También hay que asegurarse de que los cimientos sean estables y estén nivelados para soportar el equipo y reducir las vibraciones. Además, el lugar elegido debe estar bien ventilado para disipar el calor y los gases purgados.
Conexiones eléctricas y de servicios:
El generador debe estar conectado a los sistemas de la instalación. Esto incluye conectarlo al cuadro eléctrico con la debida toma de tierra y protección de circuitos. Si la unidad tiene un compresor incorporado, tendrá sus propios requisitos de alimentación; si no, conecte la salida del compresor de aire del taller a la entrada del generador.
Asimismo, instale tuberías para la salida de nitrógeno hasta el punto de uso y para la línea de escape. De acuerdo con las guías de instalación, todas las tuberías de entrada de aire, salida de nitrógeno y ventilación deben estar correctamente dimensionadas y bien ajustadas.
Consideraciones de seguridad:
La seguridad es muy importante con los generadores de gas. La sala debe estar ventilada para que las fugas de nitrógeno (un gas inerte) no se acumulen y desplacen al oxígeno.
Instale la unidad de forma que los conductos de escape y ventilación descarguen al exterior o en una zona segura.
Además, deben instalarse válvulas de alivio de presión en los recipientes para evitar sobrepresiones, y éstas, junto con otros dispositivos de seguridad, deben probarse periódicamente.
Los operarios deben recibir formación sobre la manipulación segura. Por ejemplo: como el nitrógeno puro es inodoro. Por eso, las instalaciones suelen incluir alarmas de control de oxígeno en espacios cerrados.
Siguiendo las mejores prácticas, el generador de nitrógeno puede utilizarse sin riesgo para el personal o el equipo.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la vida útil de un generador de nitrógeno?
En general, las unidades generadoras de nitrógeno bien mantenidas tienen una vida útil de entre 15 y 30 años. Las piezas principales, como los compresores o los lechos de tamiz molecular, necesitan revisiones o sustituciones periódicas. Con un servicio y mantenimiento adecuados, algunos sistemas pueden funcionar más de 30 años.
¿Son caros los generadores de nitrógeno?
Sus precios varían mucho según el tipo y el tamaño. Las unidades de membrana pequeñas pueden rondar los 1.400 ¤; los sistemas PSA de laboratorio o de alta pureza suelen costar varios miles.
¿Cuáles son los problemas habituales de los generadores de nitrógeno?
Los generadores de nitrógeno pueden tener problemas como baja pureza, caídas de presión, fugas de aire, prefiltros obstruidos o fallos en las válvulas.
¿Cuál es la eficiencia de los generadores de nitrógeno?
La eficiencia depende de la tecnología, el diseño, el ciclo de trabajo y las necesidades de pureza. Los sistemas PSA ofrecen mejores relaciones aire/nitrógeno para purezas elevadas. Los sistemas de membrana utilizan menos energía para purezas más bajas.
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