Nitrogênio, considerado a “quinta maior utilidade” na produção industrial

O nitrogênio, considerado a “quinta maior utilidade” na produção industrial, é tão importante quanto a água, a eletricidade, o gás natural e o ar comprimido, e é amplamente utilizado em diversos cenários industriais. Atualmente, existem duas maneiras principais de obter nitrogênio: uma é contando com fornecedores terceirizados (como gás em cilindros, nitrogênio líquido e separação criogênica de ar no local) e a outra é a geração interna de nitrogênio no local. Com as crescentes demandas por redução de custos e eficiência na indústria,geração de nitrogênio no localtornou-se a principal tendência do mercado.Atlas Copco, aproveitando sua experiência em equipamentos de gás, pode fornecer soluções personalizadas de geração de nitrogênio no local com base nos requisitos específicos de pureza e vazão de uma empresa, ajudando as empresas a controlar custos e ao mesmo tempo maximizar a qualidade do nitrogênio. Este artigo irá guiá-lo através das tendências de desenvolvimento, principais vantagens, princípios técnicos e aplicações industriais de geração de nitrogênio no local, fornecendo uma referência para a seleção de sua solução de fornecimento de nitrogênio.

O modelo tradicional de dependência de fornecedores terceiros de azoto (tais como armazenamento de cilindros de gás e tanques de armazenamento de azoto líquido) tem muitos pontos problemáticos: a logística e o transporte têm um pesado fardo ambiental, os funcionários precisam de dedicar tempo à gestão da cadeia de abastecimento, o gás é facilmente desperdiçado, existem riscos de segurança e o custo total a longo prazo é elevado.

A geração de nitrogênio no local pode resolver perfeitamente esses problemas e suas principais vantagens podem ser resumidas em 6 pontos:

1. Menor custo: O custo unitário de produção de nitrogênio é apenas uma fração do custo de fornecedores terceirizados, resultando em benefícios significativos a longo prazo;
2. Os custos são controláveis: não há necessidade de assinar contratos de fornecimento de terceiros complexos e de longo prazo e os custos são estáveis ​​e previsíveis;
3. Desperdício zero: A produção de nitrogênio é diretamente proporcional ao uso e não haverá gás ocioso ou desperdiçado.
4. Reduza custos de gerenciamento: Eliminar processos como transporte de nitrogênio, processamento de pedidos e reconciliação de pagamentos, reduzindo a quantidade de esforço de gerenciamento necessário;
5. Mais seguro: Não há necessidade de armazenar grandes quantidades de cilindros de gás de alta pressão ou nitrogênio líquido no local, reduzindo os riscos à segurança no ambiente de trabalho;
6. Baixo impacto ambiental: Reduz as emissões de carbono durante o transporte e elimina a necessidade de contêineres de armazenamento com uso intensivo de recursos.

Para empresas com uma procura diária estável de azoto, a geração de azoto no local é, sem dúvida, uma melhor escolha, pois pode melhorar a eficiência operacional em múltiplas dimensões, tais como cadeia de abastecimento, custos e segurança.

A geração de nitrogênio no local depende principalmente de duas tecnologias principais: tecnologia de separação por membrana etecnologia de adsorção com oscilação de pressão (PSA). Os dois têm princípios e cenários aplicáveis ​​diferentes e podem ser selecionados com flexibilidade de acordo com as necessidades das empresas.

O componente central da geração de nitrogênio por separação por membrana é o "módulo de membrana" (aproximadamente 10 cm de diâmetro), que é preenchido com um grande número de fibras poliméricas ocas. O processo de geração de nitrogênio pode ser resumido como “separação por permeação”.

• Depois que o ar comprimido seco e limpo entra no módulo da membrana, diferentes componentes do ar passarão através da parede da fibra polimérica em velocidades diferentes devido às diferenças nas propriedades moleculares (este processo é chamado de "osmose").
• As moléculas de água (H₂O) permeiam mais rapidamente e são as primeiras a passar pela parede da fibra e serem expelidas; moléculas de oxigênio (O₂) permeiam o segundo mais rápido e são expelidas mais tarde.
• As moléculas de nitrogênio (N₂) têm a taxa de permeação mais lenta e não podem passar através da parede da fibra. Eles eventualmente permanecem dentro da fibra e fluem para fora da outra extremidade da membrana, tornando-se gás nitrogênio utilizável.
• Para evitar que gases impermeáveis ​​criem sobrepressão e obstruam as fibras dentro do invólucro da membrana, o invólucro da membrana é equipado com "aberturas de permeação" para descarregar prontamente "gases residuais", como água e oxigênio.

• O ar de admissão deve estar limpo e seco: Se o ar comprimido contiver água líquida ou impurezas, obstruirá as fibras do diafragma e reduzirá sua vida útil. Portanto, um separador de água (como um secador refrigerado) precisa ser instalado a montante do gerador de nitrogênio. Alguns modelos já possuem filtros e secadores integrados, portanto nenhuma instalação adicional é necessária.
• Uma pequena quantidade de vapor de água é permitida: As fibras da membrana podem tolerar uma certa quantidade de vapor de água, portanto não há necessidade de tratar excessivamente a umidade do ar de admissão, mas a entrada de água líquida deve ser absolutamente evitada.

A produção de nitrogênio PSA é baseada em um ciclo de “adsorção-regeneração”. Os componentes principais são dois vasos de pressão (torre A e torre B) contendo "peneiras moleculares de carbono." A produção contínua de nitrogênio é obtida alternando os estados operacionais das duas torres.

• Estágio de adsorção: O ar comprimido seco e limpo entra na torre A, e a peneira molecular de carbono adsorverá preferencialmente impurezas como oxigênio (O₂), dióxido de carbono (CO₂) e vapor de água (as moléculas de oxigênio são menores e podem entrar nos poros da peneira molecular, enquanto as moléculas de nitrogênio são maiores e não podem entrar); o nitrogênio não adsorvido é descarregado da torre A e pode ser usado ou armazenado diretamente.
• Estágio de regeneração: Quando a torre A está saturada com adsorção, o sistema muda para a torre B (a torre B entra na fase de adsorção e produz nitrogênio continuamente); ao mesmo tempo, uma pequena quantidade de nitrogênio descarregado da torre A fluirá de volta para a torre A, reduzindo a pressão dentro da torre A. Após a queda de pressão, a peneira molecular de carbono liberará o oxigênio previamente adsorvido, que será levado embora pelo nitrogênio reverso e descarregado.
• As duas torres alternam entre adsorção e regeneração para alcançar uma produção contínua e estável de nitrogênio por 24 horas. O gerador de nitrogênio da série NGP+ da Atlas Copco usa tecnologia PSA e é um dispositivo "plug-and-play" simples de operar e altamente confiável.

• O ar de admissão requer tratamento completo: O ar comprimido deve passar por secagem, remoção de óleo e remoção de poeira – se contiver óleo ou umidade, contaminará a peneira molecular de carbono, levando a uma diminuição na capacidade de adsorção. Portanto, um secador, filtro de óleo e filtro de carbono devem ser instalados entre o compressor e o gerador de nitrogênio.
• Adicione proteção contra falhas: Recomenda-se instalar sensores de pressão, temperatura e ponto de orvalho de pressão no gerador de nitrogênio. Se o ar de admissão não atender aos requisitos, um alarme poderá ser acionado a tempo de evitar a contaminação do sistema PSA.

O gás nitrogênio, devido às suas propriedades inertes (baixa reatividade) e incolor e inodora, é adequado para diversas necessidades industriais. A seguir estão seus principais cenários de aplicação:

• Função central: Repor o oxigênio na embalagem, evitar a oxidação e deterioração dos alimentos e manter o sabor e o aroma do produto; ao mesmo tempo, prolongar a vida útil de alimentos embalados (como batatas fritas, produtos assados ​​e bebidas engarrafadas).

• Função central: No processo de produção e embalagem de medicamentos, o nitrogênio seco cria um "ambiente inerte" para evitar que o oxigênio cause reações químicas desnecessárias nos medicamentos e para garantir a qualidade dos medicamentos; ao mesmo tempo, ajuda as empresas farmacêuticas a reduzir os custos de aquisição de gás e a cumprir os padrões de conformidade da indústria.

• Função principal: Os componentes eletrônicos têm requisitos extremamente elevados para o ambiente de produção. O nitrogênio pode ser usado em soldagem, montagem, armazenamento e outros processos: evita a oxidação dos componentes durante a soldagem, cria um ambiente limpo e controlado durante a montagem, evita danos por umidade durante o armazenamento e, em última análise, reduz a taxa de defeitos.

• Função central: Em técnicas analíticas comoLC-MS(cromatografia líquida-espectrometria de massa), o nitrogênio é usado para remover solventes da amostra para evitar interferência do solvente nos resultados da medição; ao mesmo tempo, pode formar um ambiente protetor neutro para garantir a precisão dos dados experimentais.

• Função principal: Melhorar a segurança operacional – Usar nitrogênio para purificar sistemas de compressores, tubulações e reatores e descarregar gases inflamáveis ​​e explosivos para evitar incêndios ou explosões; também pode ser usado para remoção de espuma em tanques de armazenamento de petróleo e controle de pressão durante a perfuração de petróleo e gás.

• Função central: O nitrogênio pode reduzir a concentração de oxigênio no ambiente para abaixo do "concentração limitada de oxigênio(LOC)", evitando a queima de substâncias inflamáveis ​​devido à insuficiência de oxigênio. É uma das tecnologias-chave para a segurança contra incêndio industrial em todo o mundo.

• Funções principais: Abrangendo indústrias como fabricação de automóveis, construção, processamento de metal, aeroespacial, produção de baterias e energia renovável, é usado principalmente em cenários como antioxidação, controle de pressão e proteção ambiental (como proteção inerte durante tratamento térmico de metal e proteção contra umidade durante a produção de baterias).

Se você precisar de mais informações sobre a seleção de soluções de geração de nitrogênio no local (como cenários de aplicação específicos para PSA e tecnologias de separação por membranas), ou quiser obter cálculos de demanda de nitrogênio estomizado, deixe uma mensagem na seção de comentários. Você também pode obter mais informações técnicas através dos canais oficiais da Atlas Copco.