O gás nitrogênio é um gás industrial versátil usado em muitos setores para fins que vão desde inertização e purga até congelamento e embalagem de alimentos. No entanto, os fornecimentos tradicionais através de cilindros e Dewars podem ser proibitivamente caros, perigosos e logisticamente difíceis de transportar e manusear.
Felizmente, os sistemas geradores de nitrogênio no local que utilizam adsorção por oscilação de pressão (PSA) ou separação por membrana oferecem uma solução econômica, segura e confiável para extrair nitrogênio do ar ambiente em níveis de pureza adequados até mesmo para as aplicações mais exigentes.
Este guia abrangente fornece uma comparação detalhada entre PSA e membrana geração de nitrogênio abordagens sobre os principais fatores de desempenho, considerações de custo, aplicações típicas nas quais cada tecnologia se destaca e recomendações para selecionar o sistema ideal com base em suas necessidades.
Uma cartilha sobre gás nitrogênio e seus usos
Antes de mergulhar nas especificidades do PSA e da produção de nitrogênio por membrana, é útil entender por que as indústrias precisam de nitrogênio em primeiro lugar.
Como gás inerte e não reativo, alguns dos principais usos do nitrogênio incluem:
- Purgando – Deslocamento de oxigênio ou umidade do equipamento de processo para evitar corrosão e manter a pureza
- Cobertura – Proteger produtos químicos e materiais sensíveis ao oxigênio contra exposição/degradação
- Transporte – Fornecer uma atmosfera inativa para mover itens como alimentos, eletrônicos ou produtos químicos
- Congelando – Aproveitar a temperatura extremamente baixa do nitrogênio líquido para congelar rapidamente alimentos, produtos biológicos, tecidos e outras amostras delicadas
- Pressurização – Fornecendo uma força consistente em aplicações como sistemas pneumáticos
O nitrogênio é o gás padrão ouro para essas funções críticas nas indústrias farmacêutica, química, alimentícia, aeroespacial, eletrônica, processamento de metais e petróleo/gás.
Atender às tolerâncias de pureza, pressão, vazão e custo de cada aplicação separa os geradores de alto desempenho dos de baixo desempenho.
Como funcionam os geradores de nitrogênio PSA
PSA, abreviação de adsorção por oscilação de pressão, separa o ar atmosférico em oxigênio concentrado e fluxos de nitrogênio de alta pureza, aproveitando as diferenças em tamanhos moleculares e afinidades adsortivas.
- O ar ambiente passa primeiro filtros para remover partículas, óleos e umidade
- O ar limpo flui então para um dos vários vasos adsorventes embalado com Peneira Molecular de Carbono (CMS) mídia cercada por componentes de suporte como distribuidores e purificadores
- Em altas pressões relativas dentro dos vasos, o material CMS adsorve oxigênio relativamente pequeno e moléculas de gás traço dentro de sua rede de nanoporos amplamente desenvolvida, permitindo a passagem preferencial de moléculas de nitrogênio mais leves e simples.
- Quando um recipiente adsorvente atinge a capacidade, os controles automatizados são independentes mudar a pressão para baixo perto dos níveis ambientais
- Isto provoca uma reversão do equilíbrio onde as moléculas de oxigênio cativas são liberadas e liberadas enquanto a extração de nitrogênio continua ininterrupta dos outros vasos.
A compensação das etapas de pressurização e regeneração entre vários vasos cria um ciclo de separação PSA contínuo que consome apenas energia elétrica para compressão de ar, bombeamento de fluidos e controles de processo.
Os sistemas de nitrogênio PSA adequadamente projetados são altamente robustos. Quando alimentados com ar pré-tratado suficiente e mantidos de acordo com as recomendações, os geradores podem produzir nitrogênio de acordo com a especificação de maneira confiável por mais de Duas décadas.
Como funcionam os geradores de nitrogênio de membrana
As separações por membrana adotam uma abordagem distinta para extrair nitrogênio do ar, baseando-se nas diferenças de permeabilidade inata entre várias espécies de gases em materiais poliméricos seletivamente permeáveis.
- Ambiente ar primeiro passa por filtros de partículas e coalescentes antes de entrar nos módulos de membrana
- Milhares de longos e estreitos fibras de membrana fornecer extensa área de superfície para separação de gases
- Os materiais de fibra e espessuras de parede são projetados para permitir difusão preferencial de oxigênio e umidade em relação ao nitrogênio
- Sob pressões manométricas mantidas, o oxigênio migra através das paredes da fibra mais rapidamente como “permeado”, enquanto o nitrogênio viaja mais rápido ao longo dos furos ocos da fibra para emergir purificado no fluxo de “retentado”.
- As aberturas de permeação transportam com segurança as espécies de difusão mais rápida
Sem peças móveis ou controles complexos, os geradores de membrana alcançam operação silenciosa, alta confiabilidade e instalação rápida. No entanto, as limitações de eficiência significam que o equipamento de membrana tende a atender às menores demandas de nitrogênio sob metas de pureza moderada.
Operados corretamente, os novos cartuchos de membrana podem durar cerca de 5 anos antes de exigirem substituição – um procedimento simples, semelhante à troca de filtros.
Níveis de pureza de nitrogênio PSA vs. membrana
- PSA = Até 99,9999%
- Membrana = 95-99,5%
A separação do ar em nitrogênio exato de alta pureza e alta recuperação apresenta dificuldade crescente à medida que as impurezas permitidas diminuem além da faixa 95-99,5%.
Alcançar a pureza de Quatro, Cinco e Seis 9 (99.99% a 99.999999%) depende exclusivamente da tecnologia PSA, onde a captura profunda de oxigênio potencializa a geração de nitrogênio de grau de precisão.
Taxas de fluxo de nitrogênio PSA vs. membrana
- PSA = Projetado para aplicações de nitrogênio de fluxo alto e muito alto – saídas que variam de aproximadamente 10 a milhares de metros cúbicos por hora
- Membrana = Normalmente fluxos de nitrogênio pequenos a médios de 5 a ~3.000 metros cúbicos por hora
Após a preparação e compressão do ar, os sistemas PSA aproveitam vários recipientes cheios de CMS funcionando em paralelo para dimensionar a capacidade contínua de nitrogênio em um envelope excepcionalmente amplo, sem introduzir gargalos.
A expansão do sistema de membrana enfrenta desafios maiores em relação ao dimensionamento dos módulos, densidades de empacotamento de fibra e gerenciamento de cargas de energia parasitas que as economias de escala ajudam a contrabalançar no lado do PSA.
Certas aplicações de membranas de nicho se estendem a uma escala maior, mas geralmente perdem eficiência de custos em comparação com o PSA.
Compensações entre PSA e custos operacionais de membrana
| Fator de custo | PSA | Membrana |
| Preço inicial do sistema | Normalmente mais baixo | Muitas vezes mais alto |
| Consumo de energia | > Membrana | <PSA |
| Consumíveis + peças de reposição | Baixa frequência | Mais frequentemente |
| Frequência de serviço | Intervalos longos | Mínimo necessário |
| Custo total vitalício | Mais baixo | Mais alto |
Contraintuitivamente, o maior investimento de capital inicial para PSA paga dividendos através de menores despesas operacionais ao longo da vida e tempos médios mais longos entre falhas em relação aos sistemas de membrana orientados para substituição.
Com manutenção adequada, os principais geradores PSA operam de forma confiável para mais de 20 anos ao mesmo tempo que consome insumos de energia razoáveis com rotatividade limitada de consumíveis, resultando em baixos custos por pé cúbico padrão.
Ambas as tecnologias geram nitrogênio de forma mais econômica do que quaisquer alternativas.
Indústrias e aplicações ideais para nitrogênio de membrana
Aeroespacial
- Teste de componentes
- Túneis de vento
Automotivo
- Cabines de pintura
- Inflação dos pneus
Alimentos e bebidas
- Transporte pressurizado
- Gás de armazenamento
Gás de Fornalha, Metais
- Atmosferas controladas
- Processos térmicos
Com simplicidade e limpeza como pontos de venda, os geradores de nitrogênio de membrana suportam aplicações de demanda mais leve a média sob metas de pureza moderada, como testes de componentes aeroespaciais, uso de tinta automotiva e pneus na faixa 95-98%, inertização de transporte ou armazenamento de consumíveis e suprimentos de gás de forno para usuários da indústria metalúrgica.
Indústrias e aplicações ideais para nitrogênio PSA
Produção de Gás Industrial
- Fornecimento central de gás
- Distribuição em massa
Processamento Químico
- Gás de cobertura inerte
- Transporte de reagentes/produtos
Petróleo e gás
- Recuperação de óleo aprimorada
- Pigging de pipeline
Fabricação de Eletrônicos
- Atmosferas de transporte
- Ambientes de armazenamento
Processamento Farmacêutico
- Transferência sem oxigênio
- Purga/gás geral
Alcançar níveis de pureza 99%+ de forma confiável em altos volumes sustentados torna os sistemas PSA adequados para funções de fornecimento de nitrogênio em larga escala, incluindo produção e distribuição centralizada de gás industrial, geração de nitrogênio líquido, setores químicos e farmacêuticos com limites rígidos de impurezas e atividades de alto volume de petróleo/gás.
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Com mecanismos de separação física, amplos fatores de desempenho e diversas aplicações de pesagem, selecionar soluções de nitrogênio ideais no local que correspondam aos seus objetivos pode ser uma tarefa árdua.
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