El nitrógeno, considerado el "quinto utilidad" en la producción industrial

El nitrógeno, considerado el "quinto mayor utilidad" en la producción industrial, es tan importante como el agua, la electricidad, el gas natural y el aire comprimido, y se utiliza ampliamente en diversos escenarios industriales. Actualmente, hay dos formas principales de obtener nitrógeno: una es confiar en proveedores externos (como gas en cilindros, nitrógeno líquido y separación criogénica de aire in situ) y la otra es la generación interna de nitrógeno in situ. Con las crecientes demandas de reducción de costos y eficiencia en la industria,generación de nitrógeno in situse ha convertido en la tendencia principal del mercado.Atlas Copco, aprovechando su experiencia en equipos de gas, puede proporcionar soluciones personalizadas de generación de nitrógeno in situ basadas en los requisitos específicos de pureza y caudal de una empresa, ayudando a las empresas a controlar los costos y maximizando la calidad del nitrógeno. Este artículo lo guiará a través de las tendencias de desarrollo, las ventajas principales, los principios técnicos y las aplicaciones industriales de la generación de nitrógeno in situ, brindándole una referencia para la selección de su solución de suministro de nitrógeno.

El modelo tradicional de depender de proveedores externos de nitrógeno (como el almacenamiento en cilindros de gas y tanques de almacenamiento de nitrógeno líquido) tiene muchos puntos débiles: la logística y el transporte tienen una pesada carga ambiental, los empleados necesitan dedicar tiempo a administrar la cadena de suministro, el gas se desperdicia fácilmente, existen riesgos de seguridad y el costo total a largo plazo es alto.

La generación de nitrógeno in situ puede solucionar perfectamente estos problemas y sus principales ventajas se pueden resumir en 6 puntos:

1. Menor costo: El costo unitario de producción de nitrógeno es solo una fracción del de los proveedores externos, lo que genera importantes beneficios a largo plazo;
2. Los costos son controlables: no es necesario firmar contratos de suministro complejos y a largo plazo con terceros, y los costos son estables y predecibles;
3. Desperdicio cero: La producción de nitrógeno es directamente proporcional al uso y no habrá gas inactivo ni desperdiciado.
4. Reducir los costes de gestión: Eliminar procesos como el transporte de nitrógeno, el procesamiento de pedidos y la conciliación de pagos, reduciendo la cantidad de esfuerzo de gestión requerido;
5. Más seguro: No es necesario almacenar grandes cantidades de cilindros de gas a alta presión o nitrógeno líquido en el lugar, lo que reduce los riesgos de seguridad en el entorno de trabajo;
6. Bajo impacto ambiental: Reduce las emisiones de carbono durante el transporte y elimina la necesidad de contenedores de almacenamiento que consumen muchos recursos.

Para las empresas con una demanda diaria estable de nitrógeno, la generación de nitrógeno in situ es sin duda una mejor opción, ya que puede mejorar la eficiencia operativa desde múltiples dimensiones, como la cadena de suministro, el costo y la seguridad.

La generación de nitrógeno in situ se basa principalmente en dos tecnologías principales: tecnología de separación por membrana yTecnología de adsorción por cambio de presión (PSA). Los dos tienen principios y escenarios aplicables diferentes y pueden seleccionarse de manera flexible según las necesidades de las empresas.

El componente central de la generación de nitrógeno por separación de membrana es el "módulo de membrana" (aproximadamente 10 cm de diámetro), que está lleno de una gran cantidad de fibras poliméricas huecas. El proceso de generación de nitrógeno se puede resumir como "separación por permeación".

• Después de que el aire comprimido seco y limpio ingresa al módulo de membrana, diferentes componentes del aire pasarán a través de la pared de fibra de polímero a diferentes velocidades debido a diferencias en las propiedades moleculares (este proceso se llama "ósmosis").
• Las moléculas de agua (H₂O) son las que penetran más rápido y son las primeras en atravesar la pared de la fibra y ser expulsadas; las moléculas de oxígeno (O₂) penetran en segundo lugar más rápido y se expulsan más tarde.
• Las moléculas de nitrógeno (N₂) tienen la tasa de permeación más lenta y no pueden atravesar la pared de la fibra. Con el tiempo, permanecen dentro de la fibra y salen por el otro extremo de la membrana, convirtiéndose en gas nitrógeno utilizable.
• Para evitar que los gases impermeables creen sobrepresión y obstruyan las fibras dentro de la cubierta de la membrana, la cubierta de la membrana está equipada con "respiraderos de permeación" para descargar rápidamente "gases residuales", como agua y oxígeno.

• El aire de admisión debe estar limpio y seco: si el aire comprimido contiene agua líquida o impurezas, obstruirá las fibras del diafragma y acortará su vida útil. Por lo tanto, es necesario instalar un separador de agua (como un secador frigorífico) aguas arriba del generador de nitrógeno. Algunos modelos ya tienen filtros y secadores incorporados, por lo que no se requiere instalación adicional.
• Se permite una pequeña cantidad de vapor de agua: las fibras de la membrana pueden tolerar una cierta cantidad de vapor de agua, por lo que no es necesario tratar excesivamente la humedad del aire aspirado, pero se debe evitar absolutamente la entrada de agua líquida.

La producción de nitrógeno del PSA se basa en un ciclo de "adsorción-regeneración". Los componentes principales son dos recipientes a presión (torre A y torre B) que contienen "tamices moleculares de carbono." La producción continua de nitrógeno se logra cambiando los estados operativos de las dos torres.

• Etapa de adsorción: El aire comprimido seco y limpio ingresa a la torre A, y el tamiz molecular de carbono absorberá preferentemente impurezas como oxígeno (O₂), dióxido de carbono (CO₂) y vapor de agua (las moléculas de oxígeno son más pequeñas y pueden ingresar a los poros del tamiz molecular, mientras que las moléculas de nitrógeno son más grandes y no pueden ingresar); el nitrógeno no absorbido se descarga de la torre A y puede usarse o almacenarse directamente.
• Etapa de regeneración: Cuando la torre A está saturada con adsorción, el sistema cambia a la torre B (la torre B ingresa a la etapa de adsorción y produce nitrógeno continuamente); al mismo tiempo, una pequeña cantidad de nitrógeno descargado de la torre A fluirá de regreso a la torre A, reduciendo la presión dentro de la torre A. Después de que la presión caiga, el tamiz molecular de carbono liberará el oxígeno previamente adsorbido, que será arrastrado por el nitrógeno inverso y descargado.
• Las dos torres alternan entre adsorción y regeneración para lograr una producción continua y estable de nitrógeno durante 24 horas. El generador de nitrógeno de la serie NGP+ de Atlas Copco utiliza tecnología PSA y es un dispositivo "plug-and-play" fácil de operar y altamente confiable.

• El aire de entrada requiere un tratamiento minucioso: el aire comprimido debe someterse a secado, eliminación de aceite y eliminación de polvo; si contiene aceite o humedad, contaminará el tamiz molecular de carbono, lo que provocará una disminución en la capacidad de adsorción. Por lo tanto, se debe instalar un secador, un filtro de aceite y un filtro de carbón entre el compresor y el generador de nitrógeno.
• Agregue protección contra fallas: se recomienda instalar sensores de presión, temperatura y punto de rocío a presión en el generador de nitrógeno. Si el aire de admisión no cumple con los requisitos, se puede configurar una alarma a tiempo para evitar contaminar el sistema PSA.

El gas nitrógeno, debido a sus propiedades inertes (baja reactividad) e incoloro e inodoro, es adecuado para una variedad de necesidades industriales. Los siguientes son sus principales escenarios de aplicación:

• Función principal: Reemplazar el oxígeno en el empaque, evitar que los alimentos se oxiden y se echen a perder y mantener el sabor y aroma del producto; al mismo tiempo, extender la vida útil de los alimentos envasados ​​(como patatas fritas, productos horneados y embotellados de bebidas).

• Función principal: en el proceso de producción y envasado de medicamentos, el nitrógeno seco crea un "ambiente inerte" para evitar que el oxígeno provoque reacciones químicas innecesarias en los medicamentos y garantizar la calidad de los mismos; al mismo tiempo, ayuda a las empresas farmacéuticas a reducir los costos de adquisición de gas y cumplir con los estándares de cumplimiento de la industria.

• Función principal: Los componentes electrónicos tienen requisitos extremadamente altos para el entorno de producción. El nitrógeno se puede utilizar en soldadura, ensamblaje, almacenamiento y otros procesos: previene la oxidación de los componentes durante la soldadura, crea un ambiente limpio y controlado durante el ensamblaje, evita daños por humedad durante el almacenamiento y, en última instancia, reduce la tasa de defectos.

• Función principal: En técnicas analíticas comoLC-MS(cromatografía líquida-espectrometría de masas), se utiliza nitrógeno para eliminar los disolventes de la muestra y evitar la interferencia del disolvente con los resultados de la medición; al mismo tiempo, puede formar un entorno protector neutral para garantizar la precisión de los datos experimentales.

• Función principal: Mejorar la seguridad operativa: utilizar nitrógeno para purificar sistemas de compresores, tuberías y reactores, y descargar gases inflamables y explosivos para evitar incendios o explosiones; También se puede utilizar para desespumar en tanques de almacenamiento de petróleo y para controlar la presión durante la perforación de petróleo y gas.

• Función principal: el nitrógeno puede reducir la concentración de oxígeno en el medio ambiente por debajo del "concentración de oxígeno limitada(LOC)", evitando que sustancias inflamables se quemen debido a la falta de oxígeno. Es una de las tecnologías clave para la seguridad industrial contra incendios en todo el mundo.

• Funciones principales: cubre industrias como la fabricación de automóviles, la construcción, el procesamiento de metales, la aeroespacial, la producción de baterías y las energías renovables. Se utiliza principalmente en escenarios como la antioxidación, el control de presión y la protección ambiental (como la protección inerte durante el tratamiento térmico del metal y la protección contra la humedad durante la producción de baterías).

Si necesita más información sobre la selección de soluciones de generación de nitrógeno in situ (como escenarios de aplicación específicos para PSA y tecnologías de separación por membrana), o desea obtener cálculos de la demanda de nitrógeno estomizado, deje un mensaje en la sección de comentarios. También puede obtener más información técnica a través de los canales oficiales de Atlas Copco.