El gas nitrógeno es un gas industrial versátil que se utiliza en muchos sectores para fines que van desde la inertización y la purga hasta la congelación y el envasado de alimentos. Sin embargo, los suministros tradicionales a través de cilindros y Dewars pueden ser prohibitivamente costosos, peligrosos y logísticamente difíciles de transportar y manipular.
Afortunadamente, los sistemas generadores de nitrógeno in situ que utilizan adsorción por cambio de presión (PSA) o separación de membrana Las tecnologías ofrecen una solución rentable, segura y confiable para extraer nitrógeno del aire ambiente con niveles de pureza adecuados incluso para las aplicaciones más exigentes.
Esta guía completa proporciona una comparación en profundidad de PSA y membrana. generación de nitrógeno enfoques que abarcan factores clave de rendimiento, consideraciones de costos, aplicaciones típicas en las que destaca cada tecnología y recomendaciones para seleccionar el sistema óptimo según sus necesidades.
Introducción al gas nitrógeno y sus usos
Antes de profundizar en los detalles del PSA y la producción de nitrógeno por membrana, es útil comprender por qué las industrias necesitan nitrógeno en primer lugar.
Como gas inerte y no reactivo, algunos de los principales usos del nitrógeno incluyen:
- Purga – Desplazar el oxígeno o la humedad del equipo de proceso para evitar la corrosión y mantener la pureza.
- Cobertura – Proteger los productos químicos y materiales sensibles al oxígeno de la exposición/degradación
- Transporte – Proporcionar una atmósfera inactiva para artículos en movimiento como alimentos, productos electrónicos o productos químicos.
- Congelación – Aprovechar la temperatura extremadamente fría del nitrógeno líquido para congelar instantáneamente alimentos, productos biológicos, tejidos y otras muestras delicadas.
- Presurización – Suministro de una fuerza constante en aplicaciones como sistemas neumáticos.
El nitrógeno es el gas de referencia para estas funciones críticas en las industrias farmacéutica, química, alimentaria, aeroespacial, electrónica, de procesamiento de metales y de petróleo y gas.
Cumplir con las tolerancias de pureza, presión, caudal y costos de cada aplicación separa a los generadores de alto rendimiento de los de bajo rendimiento.
Cómo funcionan los generadores de nitrógeno PSA
PSA, abreviatura de adsorción por cambio de presión, separa el aire atmosférico en corrientes de oxígeno concentrado y nitrógeno de alta pureza aprovechando las diferencias en los tamaños moleculares y las afinidades de adsorción.
- El aire ambiente pasa primero filtros para eliminar partículas, aceites y humedad.
- El aire limpio luego fluye hacia uno de los múltiples vasos adsorbentes empacado con Tamiz molecular de carbono (CMS) Medios rodeados de componentes de soporte como distribuidores y purificadores.
- A altas presiones relativas dentro de los recipientes, el material CMS adsorbe oxígeno relativamente pequeño y moléculas de gas traza dentro de su red de nanoporos ampliamente desarrollada, al tiempo que permite el paso preferencial de las moléculas de nitrógeno más ligeras y simples.
- Una vez que un recipiente adsorbente alcanza su capacidad, los controles automatizados se realizan de forma independiente. cambiar la presión cerca de los niveles ambientales
- Esto provoca una inversión del equilibrio en la que las moléculas de oxígeno cautivas se liberan y se eliminan mientras la extracción de nitrógeno continúa ininterrumpidamente desde los otros vasos.
Los pasos compensados de presurización y regeneración entre múltiples recipientes crean un ciclo de separación de PSA continuo que solo consume energía eléctrica para la compresión de aire, el bombeo de fluidos y los controles de proceso.
Los sistemas de nitrógeno PSA correctamente diseñados son muy robustos. Cuando se alimentan con suficiente aire pretratado y se mantienen según las recomendaciones, los generadores pueden producir de manera confiable nitrógeno de grado específico durante más de dos decadas.
Cómo funcionan los generadores de nitrógeno de membrana
Las separaciones por membranas adoptan un enfoque distinto para extraer nitrógeno del aire basándose en las diferencias innatas de permeabilidad entre varias especies de gases en materiales poliméricos selectivamente permeables.
- Ambiente aire Primero pasa a través de filtros de partículas y coalescentes antes de ingresar a los módulos de membrana.
- Miles de largos y estrechos fibras de membrana Proporciona una amplia superficie para la separación de gases.
- Los materiales de fibra y el espesor de las paredes están diseñados para permitir la difusión preferencial de oxígeno y humedad en relación con el nitrógeno.
- Bajo presiones manométricas mantenidas, el oxígeno migra a través de las paredes de la fibra más rápido como "permeado", mientras que el nitrógeno viaja más rápido a lo largo de los orificios de la fibra hueca para emerger purificado en la corriente de "retenido".
- Los respiraderos permeados transportan de forma segura las especies que se difunden más rápidamente
Sin piezas móviles ni controles complejos, los generadores de membrana logran un funcionamiento silencioso, alta confiabilidad y una instalación rápida. Sin embargo, las limitaciones de eficiencia significan que los equipos de membrana tienden a satisfacer demandas de nitrógeno más pequeñas con objetivos de pureza moderados.
Los cartuchos de membrana nuevos, operados correctamente, pueden durar alrededor de cinco años antes de que sea necesario reemplazarlos, un procedimiento sencillo similar al cambio de filtros.
Niveles de pureza de PSA frente a nitrógeno de membrana
- PSA = Hasta 99.9999%
- Membrana = 95-99.5%
Separar el aire en nitrógeno de alta pureza y alta recuperación plantea una dificultad cada vez mayor a medida que las impurezas permitidas disminuyen más allá del rango 95-99,5%.
Lograr la pureza de Cuatro, Cinco y Seis 9 (99.99% a 99.999999%) depende exclusivamente de la tecnología PSA, donde la captura profunda de oxígeno impulsa la generación de nitrógeno de grado de precisión.
Caudales de nitrógeno de PSA frente a membranas
- PSA = Diseñado para aplicaciones de nitrógeno de flujo alto y muy alto: producciones que abarcan ~10 a miles de metros cúbicos por hora
- Membrana = Normalmente, flujos de nitrógeno pequeños a medianos, de 5 a ~3000 metros cúbicos por hora
Después de la preparación y compresión del aire, los sistemas PSA aprovechan múltiples recipientes llenos de CMS que funcionan en paralelo para escalar la capacidad de nitrógeno sin interrupciones en una envoltura excepcionalmente amplia sin introducir cuellos de botella.
La ampliación del sistema de membranas enfrenta mayores desafíos en torno al tamaño de los módulos, las densidades de empaquetamiento de fibras y la gestión de cargas de energía parásitas que las economías de escala ayudan a contrarrestar en el lado del PSA.
Ciertas aplicaciones específicas de membranas se extienden a una escala mayor, pero generalmente pierden rentabilidad en comparación con el PSA.
Compensaciones entre PSA y costos operativos de membrana
| Factor de costo | PSA | Membrana |
| Precio inicial del sistema | Normalmente más bajo | A menudo más alto |
| Consumo de energía | > Membrana | < PSA |
| Consumibles + Piezas de Repuesto | Baja frecuencia | Más a menudo |
| Frecuencia del servicio | Intervalos largos | Mínimo requerido |
| Costo total de por vida | Más bajo | Más alto |
Contraintuitivamente, la mayor inversión de capital inicial para PSA paga dividendos a través de menores gastos operativos de por vida y tiempos medios más largos entre fallas en relación con los sistemas de membrana impulsados por reemplazo.
Los generadores emblemáticos de PSA, con el mantenimiento adecuado, funcionan de manera confiable durante más de 20 años mientras consume insumos de energía razonables con una rotación limitada de consumibles, lo que resulta en bajos costos por pie cúbico estándar.
Ambas tecnologías generan nitrógeno de forma más económica que cualquier alternativa.
Industrias y aplicaciones ideales para nitrógeno de membrana
Aeroespacial
- Pruebas de componentes
- Túneles de viento
Automotor
- Cabinas de pintura
- Inflado de neumáticos
Alimentación y bebidas
- Transporte presurizado
- gas de almacenamiento
Gas de horno, metales
- Atmósferas controladas
- Procesos térmicos
Con la simplicidad y la limpieza como puntos de venta, los generadores de nitrógeno de membrana admiten aplicaciones de demanda liviana a media con objetivos de pureza moderados, como pruebas de componentes aeroespaciales, usos de pintura y neumáticos para automóviles en el rango 95-98%, transporte o almacenamiento, inertización de consumibles y suministros de gas para hornos para Usuarios de la industria metalúrgica.
Industrias y aplicaciones ideales para nitrógeno PSA
Producción de gases industriales
- Suministros centrales de gas
- Distribución masiva
Procesado químico
- Gas inerte
- Transporte de reactivo/producto
Petróleo y gas
- Recuperación mejorada de petróleo
- limpieza de tuberías
Fabricación de productos electrónicos
- Atmósferas de transporte
- Entornos de almacenamiento
Procesamiento farmacéutico
- Transferencia sin oxígeno
- Gas de purga/gas general
Alcanzar niveles de pureza de 99%+ de manera confiable en volúmenes altos y sostenidos hace que los sistemas PSA sean adecuados para funciones de suministro de nitrógeno a mayor escala, incluida la producción y distribución centralizada de gas industrial, la generación de nitrógeno líquido, los sectores químico y farmacéutico con límites estrictos de impurezas y actividades de petróleo y gas de alto volumen.
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Con mecanismos de separación física, una amplia gama de factores de rendimiento y diversas aplicaciones para pesar, seleccionar soluciones de nitrógeno óptimas en el sitio que coincidan con sus objetivos puede resultar abrumador.
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