Los elevados costes de la energía están provocando que muchas industrias busquen alternativas de autogeneración energética. Como ya ha ocurrido con la energía eléctrica, las empresas están empezando a generar su propio nitrógeno.
Cómo producir tu propio nitrógeno - mundocompresor
El nitrógeno, junto con el aire comprimido, son dos de los gases más utilizados en la industria. El aire comprimido como fuente de energía es la base del funcionamiento de mucha maquinaria industrial y como materia prima se utiliza, entre otras aplicaciones, para producir nitrógeno.
Lo habitual en la industria de producción o manufacturera es disponer de una planta de aire comprimido adecuada a cada proceso de fabricación. Utilizando como base esa capacidad de producción de aire comprimido se puede usar una parte de ésta para la autogeneración de nitrógeno.
El aire atmosférico aspirado por los compresores está compuesto en un alto porcentaje (78%) por nitrógeno. Este nitrógeno se puede extraer del aire comprimido mediante equipos que separan este gas de la corriente de aire comprimido, canalizándolo de forma independiente para su uso dentro de cada proceso industrial.
Además del nitrógeno, el aire atmosférico tiene un 21% de oxígeno y un 1% de otros gases como el argón, neón, helio, metano, criptón, hidrógeno…
En esta mezcla de gases que forman la atmósfera también hay otros cuya concentración es variable, siendo el más importante el vapor de agua. El agua en forma de vapor es un gas que afectará continuamente a la producción de aire comprimido y por lo tanto a la obtención de nitrógeno, debido a su gran capacidad para condensarse. Bastará subir la presión o reducir la temperatura del aire atmosférico para que en el proceso donde se utilice aparezca agua condensada.
La autogeneración de nitrógeno no es una moda sino una posibilidad real de conseguir un gas vital en muchos procesos industriales. Como cualquier sistema tiene sus ventajas e inconvenientes. Las principales razones por las que muchas industrias han decidido cambiar a este proceso de autogeneración son varias:
Reducción de los costes operativos de producción.
Control del gasto.
Estabilidad en el suministro, al no depender de la logística en las recargas.
Control del proceso.
Menor riesgo al no tener que manipular cilindros de alta presión.
Antes de iniciar un cambio a la autogeneración de nitrógeno es conveniente analizar estas razones para ver cómo encajan dentro de cada industria.
Hoy en día es muy sencillo autogenerar el nitrógeno necesario con la instalación de un equipo generador, que se puede comprar o alquilar, y que permitirá mantener una línea de producción constante en cada fábrica, adaptándolo a la pureza, caudal y presión que requiera cada proceso.
Existen dos sistemas de autogeneración:
Generadores PSA.
Generadores de membrana.
¿Qué sistema de autogeneración de nitrógeno se debe elegir?
Para resolver esta pregunta, lo primero que hay que definir es la pureza, caudal y presión del nitrógeno que se necesita usar.
Pureza
Esta es la característica más importante del nitrógeno que se va a utilizar en cada proceso. Conviene estudiar con detalle y definir claramente este aspecto.
Habitualmente, en la industria se utilizan diferentes grados de pureza que suelen variar entre el 97% y el 99,999%. Cambiar un 0,1% en la calidad del nitrógeno podría suponer adquirir un equipo más caro y con un consumo energético muy superior, por lo que definir correctamente este valor es importante para seleccionar el equipo más eficiente para cada proceso.
En realidad, los generadores tienen un consumo energético muy reducido (solo algunos watios), pero el aire comprimido necesario para conseguir el caudal de nitrógeno requerido podría ser muy elevado. A continuación, se expone un ejemplo aproximado con el objetivo de ver la diferencia:
Caudal de aire comprimido necesario para conseguir 10 Nm3/h de nitrógeno
para una pureza del 99% 25 Nm3/h
para una pureza del 99,9% 37 Nm3/h
para una pureza del 99,99% 48 Nm3/h
para una pureza del 99,999% 61 Nm3/h
Estos datos solo son orientativos porque cada fabricante o tecnología pueden tener variaciones debido a la eficiencia de cada equipo y a otras consideraciones técnicas. Pero sí demuestran que según se aumenta el grado de pureza del nitrógeno, para un caudal constante, será necesario más aire comprimido. En resumen, se necesitará un compresor de más potencia y por lo tanto un consumo energético mayor.
Caudal
La definición del caudal la dará el proceso para el que se necesita el nitrógeno. Su cálculo se basa en los mismos principios que habría que usar para el cálculo del caudal de un proceso de aire comprimido. En este enlace se puede ver un artículo relacionado 4 consejos para calcular el caudal de un compresor.
Presión
Al igual que el caudal, la presión requerida para el nitrógeno está definida por el proceso industrial para el que sea necesario.
A la hora de considerar la presión es importante saber que la presión de salida de los generadores está por debajo de la presión de entrada del aire comprimido al generador. Estos valores, en el caso de algunas aplicaciones para envasado de productos alimentarios, por ejemplo, podrían ser suficientes o incluso elevados, pero para otros procesos como el corte por láser son significativamente inferiores.
Si la presión de salida del generador es muy elevada se puede resolver con la instalación de un manorreductor en el generador o en el punto de consumo.
Para aquellas aplicaciones donde se necesita una presión superior, como el corte por láser, será necesario la instalación de un compresor booster, que eleve la presión del nitrógeno a los valores requeridos.
Una vez definidos pureza, caudal y presión, hay que analizar qué equipo puede producir el nitrógeno necesario con un proceso económico y energéticamente eficiente. Para ello hay que conocer cómo funcionan y cuáles son las ventajas de las diferentes tecnologías disponibles.
¿Qué es una PSA (Pressure Swing Adsorption)?
Existen varios sistemas para producir nitrógeno. Uno de ellos es mediante el uso de generadores de nitrógeno tipo PSA. Estos equipos utilizan la tecnología de adsorción por cambio de presión para conseguir aislar el nitrógeno que luego se usará en el proceso industrial correspondiente.
Cada fabricante de generadores ha desarrollado su propio equipo y sistema de funcionamiento, pero todos se basan en el mismo principio por el cual el gas es separado en el interior de dos tanques presurizados y llenos de un tamiz molecular, que para el caso de la obtención de nitrógeno es carbón activo.
Cuando se hace circular la corriente de aire comprimido a través de este tamiz y se presuriza el depósito donde se encuentra, el oxígeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua que contenía el citado aire comprimido son absorbidos en mayor o menor porcentaje dejando libre el nitrógeno que seguirá su camino hasta el exterior del generador. Este porcentaje está definido por el valor de pureza del nitrógeno, determinado previamente, y que será la base junto al caudal y la presión de aire comprimido para la selección del modelo de generador adecuado al proceso.
Cada generador consta de dos torres. En una de ellas se realiza el proceso de adsorción y por lo tanto la obtención del nitrógeno gas. Al mismo tiempo, en la otra se realiza un proceso de regeneración mediante el cual el tamiz de carbón es liberado del oxígeno, dióxido de carbono y vapor que absorbió durante el proceso de adsorción anterior.
Las dos torres trabajan en paralelo en un proceso automático donde una de ellas está produciendo nitrógeno y la otra se está regenerando. El cambio de torres está programado por el fabricante en un proceso continuo donde solo se interrumpe en caso de que exista algún problema de funcionamiento que el equipo tenga contemplado en su sistema de control.
¿Qué es un generador de nitrógeno de membrana?
Otro de los equipos que pueden usarse en la producción de nitrógeno es el generador de membrana. Al igual que en el equipo anterior, los generadores de membrana están diseñados para separar el nitrógeno de la corriente de aire comprimido que procede del compresor.
En estos equipos se utilizan haces compactos de membranas de fibra hueca a través de los cuales se pasa el aire comprimido.
Su funcionamiento está basado en el principio de permeación selectiva, por el cual cada clase de gas tiene una capacidad diferente para atravesar una membrana, es decir, la pared de las fibras. De todos los gases que forman parte de la corriente de aire comprimido, el oxígeno es el que tiene una capacidad mayor para atravesar la membrana y por lo tanto es el primero en desaparecer de la corriente de aire. Otros, como el vapor de agua, son más lentos, pero también terminan por desaparecer del flujo.
El nitrógeno por el contrario tiene una capacidad inferior lo que le permite viajar por el interior de la membrana durante más tiempo y ser recogido a la salida para ser canalizado hasta su uso en el proceso productivo.
Durante todo este proceso también se pierde una parte de nitrógeno por lo que los grados de pureza de este sistema no son muy elevados.
¿Qué tecnología usar para producir nitrógeno, PSA o Membrana?
Ambas tecnologías son perfectamente válidas para la producción de nitrógeno gas. La diferencia entre una u otra se define principalmente por el grado de pureza al que es capaz de llegar y el caudal producido.
La siguiente tabla muestra algunas de sus principales características:
En ningún caso compararemos el precio de una tecnología sobre la otra porque entendemos que lo que debe primar a la hora de elegir un sistema u otro no es el coste de compra, sino el grado de eficiencia / pureza que se necesita para el proceso. Por muy barato que sea un sistema, si no llega al grado de pureza necesario no será válido en ningún caso.
¿Qué calidad de aire comprimido requieren los generadores de nitrógeno, PSA o Membrana?
Este es un aspecto muy importante que considerar en una instalación de autogeneración de nitrógeno. Recomendamos consultar al fabricante de cada generador para que indiquen el nivel de calidad de aire comprimido requerido para su equipo. Como mínimo hay considerar los siguientes valores:
Aire comprimido limpio de polvo y partículas. Como orientación debería tener una calidad clase 1 según ISO 8573-1.
Aire comprimido seco. El agua es perjudicial para los equipos así que se recomienda instalar como mínimo un secador frigorífico con un punto de rocío de +3ºC garantizado. Como mínimo debería asegurarse una calidad clase 4 según ISO 8573-1.
Aire comprimido exento de aceite o como mínimo debería estar asegurada una calidad clase 1 según ISO 8573-1.
El generador es un equipo muy valioso y en general con un bajo mantenimiento por lo que resulta mucho más económico mantener una calidad de aire comprimido adecuada que pagar una reparación del equipo.
¿Qué es el nitrógeno?
El nitrógeno es un gas inodoro, incoloro e insípido. Junto con el oxígeno representan la mayor concentración de gases en la atmósfera.
Dentro de la tabla periódica el nitrógeno tiene como símbolo la “N” y su número atómico es el 7.
Valencia 1,2, +3,-3,4,5
Número atómico 7
Estado de oxidación -3
Masa atómica 14,0067 g/mol
Densidad 1,2506 g/ml
Punto de ebullición -195,79 ºC
Punto de fusión -218,8 ºC
Una de las ventajas del nitrógeno es que sus átomos tienen una unión muy fuerte y lo convierten en un gas muy estable e inerte en condiciones normales, que apenas interfiere en reacciones químicas. Tampoco es un buen conductor de la electricidad ni del calor.
Habitualmente, el nitrógeno se representa como un gas diatómico por lo que es más conocido con el símbolo “N2”.
Aunque sea un gas inerte, el nitrógeno es de vital importancia en el ciclo de vida de nuestro planeta. Es un componente de aminoácidos, proteínas y ácidos nucleicos. Es posible que el nitrógeno, junto al hidrógeno, sean los gases básicos para la industria del futuro.
Miércoles, 24 de abril de 2024 
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