¿Cómo funciona un generador de nitrógeno? Guía completa

¿Qué es un generador de nitrógeno? Una visión general

En los procesos industriales, el nitrógeno es un gas útil e inerte que se utiliza en muchas aplicaciones, como la conservación de alimentos, la seguridad en plantas químicas, etc. En el pasado, el nitrógeno se adquiría pidiéndolo en tanques criogénicos o cilindros que se enviaban a hacer el trabajo pesado. Sin embargo, el generador de nitrógeno ha cambiado la forma en que las empresas modernas obtienen este elemento clave.

Como sabemos, el aire atmosférico está compuesto por unas 78% moléculas de nitrógeno, 21% moléculas de oxígeno y otros gases como el dióxido de carbono. Se separa del aire ambiente mediante el generador de nitrógeno, que funciona como sustituto de los métodos tradicionales de suministro y es más continuo, barato y fiable. Esta unidad se adapta para cargar requisitos específicos de caudal y pureza, actuando así como una unidad de producción dedicada. Esta disponibilidad bajo demanda reduce los problemas logísticos y de cadena de suministro que puedan surgir, lo que permite a las empresas gestionar su suministro de nitrógeno.

Tipos de generadores de nitrógeno

Estos generadores consiguen el mismo resultado final -un suministro ininterrumpido de nitrógeno-, pero utilizan métodos diferentes, cada uno con sus propias ventajas y usos apropiados. Los dos tipos dominantes que componen el grueso industrial son:

Generador de nitrógeno de membrana

Un generador de nitrógeno de membrana utiliza una membrana de nitrógeno para extraer el nitrógeno de otros elementos que se encuentran en el aire comprimido. Esta tecnología emplea un principio operativo denominado permeabilidad selectiva que funciona sobre la base de separar las moléculas más grandes de las más pequeñas. Las moléculas de oxígeno y los vapores de agua pueden atravesar las membranas, y las moléculas de nitrógeno quedan retenidas debido a su mayor tamaño. Este método de separación produce flujos de gas enriquecidos con nitrógeno de 95% a 99% que contienen impurezas insignificantes.

Los generadores de nitrógeno de membrana son ventajosos por su comodidad y sencillez de funcionamiento. Estos generadores tienen menos componentes móviles, lo que los hace más resistentes a las vibraciones, la corrosión y el desgaste. Estos generadores también son ideales para su uso en sistemas de rociadores contra incendios, algunas aplicaciones industriales e incluso algunas áreas de la industria farmacéutica que requieren una pureza moderada del nitrógeno.

La eficacia de un sistema de generación de nitrógeno por membrana depende de la calidad de la corriente de aire comprimido, del tamaño de los poros y del caudal. En este método no intervienen complejos procesos de separación de oxígeno en etapas de adsorción, por lo que puede utilizarse en aplicaciones que necesitan un suministro ininterrumpido de nitrógeno sin grandes requisitos de mantenimiento.

Adsorción por cambio de presión (PSA)

Un generador de gas que utiliza un sistema de adsorción por cambio de presión (PSA) es un nuevo y sofisticado generador de nitrógeno con una mayor precisión en comparación con los diseños anteriores de generadores de nitrógeno. En esencia, la PSA emplea un tamiz molecular para filtrar el nitrógeno de otros gases, principalmente el oxígeno, en el aire comprimido. Este proceso implica el uso de ciclos de presión para capturar el oxígeno y dejar pasar el nitrógeno.

El proceso PSA es un proceso cíclico y generalmente emplea dos recipientes de adsorción llenos de material de tamiz molecular. En el primer recipiente, se hace pasar aire comprimido a alta presión, donde el tamiz molecular adsorbe oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono y se recoge el nitrógeno con una pureza de 99,9% o superior. Cuando el tamiz molecular del primer recipiente está lleno, el sistema pasa al segundo recipiente, que contiene tamiz molecular fresco que ha sido regenerado. Al mismo tiempo, el primer recipiente se despresuriza, los gases atrapados se liberan y el tamiz molecular queda listo para el siguiente ciclo. Al cambiar continuamente de un recipiente a otro, el nitrógeno se suministra sin pausas.

Los generadores de nitrógeno PSA son especialmente adecuados para aplicaciones en las que se necesita una gran pureza del nitrógeno, por ejemplo, cromatografía de gases, productos farmacéuticos y protección contra incendios. Aunque el coste de los sistemas PSA es ligeramente superior al de los sistemas basados en membranas, se prefieren los primeros por su capacidad de producir nitrógeno con una pureza muy elevada, superior a 99,999% (que suele oscilar entre 99,5% y 99,999%).

El último grado de pureza del nitrógeno producido por el sistema PSA depende de la calidad y del tipo de tamiz molecular utilizado. Jalon es un fabricante profesional de adsorbentes de tamiz molecular con más de 20 años de experiencia y un enfoque centrado en la calidad. Con 112 patentes, Jalon se especializa en la investigación y producción de tamices moleculares avanzados que ofrecen una alta resistencia a la compresión, una alta densidad aparente y un rendimiento de adsorción excepcional. Esto garantiza que nuestros tamices moleculares proporcionen un suministro constante y fiable de nitrógeno para diversas aplicaciones.

Componentes clave de un generador de nitrógeno

Componente	Descripción
Compresor de aire	El componente más importante, responsable de comprimir el aire ambiental a la presión necesaria para la separación del nitrógeno. El tamaño y el tipo de compresor determinan la eficiencia y la potencia del generador.
Prefiltros	La primera etapa de filtración que elimina partículas grandes, polvo y aerosoles de aceite del aire comprimido. Esto protege los componentes aguas abajo y garantiza la calidad del nitrógeno.
Secador de aire	Elimina el vapor de agua del aire comprimido mediante secadores refrigerados o desecantes. Esto protege el material adsorbente en los sistemas PSA y mejora la eficiencia del sistema de membrana.
Unidad de separación	La unidad central para la generación de nitrógeno, que puede ser un generador de nitrógeno de membrana o un generador de nitrógeno PSA que utiliza un tamiz molecular para la adsorción.
Sistema de control	La unidad de control central que gestiona la presión, los caudales y el cambio de recipiente de adsorción en los sistemas PSA. También puede incluir funciones de automatización avanzadas.
Tanque de almacenamiento de nitrógeno	Un componente opcional pero esencial que almacena el nitrógeno producido, garantizando un suministro constante a pesar de las variaciones de uso.
Postfiltros	Etapa final de filtración que elimina cualquier resto de partículas finas o impurezas, garantizando que el nitrógeno cumpla las normas de calidad exigidas.

¿Cómo funciona un generador de nitrógeno? Proceso paso a paso

Aunque los procedimientos pueden diferir ligeramente en función del tipo de generador de nitrógeno (de membrana o PSA), el proceso es el mismo: tomar el aire del ambiente y separar el nitrógeno del mismo para proporcionar el nitrógeno con la pureza y el caudal deseados para diversas industrias. Veamos ahora paso a paso lo siguiente:

Paso 1: Compresión del aire

El proceso comienza con un compresor de aire que aspira aire del entorno y lo comprime a una presión determinada. La presión necesaria depende del tipo de generador y del nivel de pureza requerido, y suele oscilar entre 5 y 10 bares para la mayoría de los sistemas PSA. En cambio, los sistemas de membrana funcionan a presiones relativamente bajas, que suelen oscilar entre 4 y 7 bares.

Paso 2: Pretratamiento del aire

El aire que se va a separar se somete primero a un tratamiento previo para eliminar cualquier material no deseado que pueda haber. Esto implica filtrar el aire para eliminar el polvo, las partículas y el aceite y, a continuación, utilizar un secador de aire para eliminar la humedad. De todos los factores que afectan al rendimiento de la separación mediante PSA y membranas, la humedad es un problema clave y uno de los más difíciles de gestionar.

Paso 3: Proceso de separación de gases

En un generador de nitrógeno de membrana, el aire comprimido se conduce a través de sistemas de membrana donde las moléculas de oxígeno, el vapor de agua y otras impurezas se separan del nitrógeno.

En un generador de nitrógeno PSA, tiene lugar el proceso de oxígeno en fase de adsorción, en el que el oxígeno es adsorbido selectivamente por el tamiz molecular mientras las moléculas de nitrógeno lo atraviesan.

Paso 4: Almacenamiento de nitrógeno (opcional)

En los casos en los que se necesita nitrógeno de forma continua, el nitrógeno generado se almacena en depósitos. Este almacenamiento ayuda a mantener un caudal constante aunque se produzca un aumento temporal del mismo.

Paso 5: Postratamiento con nitrógeno (opcional)

En algunos casos, el nitrógeno puede someterse a un tratamiento final, que puede implicar una purificación adicional para eliminar cualquier impureza residual con el fin de alcanzar un determinado nivel de pureza para aplicaciones específicas.

Ventajas del uso de un generador de nitrógeno frente a los métodos de suministro tradicionales

El uso de un generador de nitrógeno in situ tiene muchas ventajas sobre otros métodos de suministro de nitrógeno, como las bombonas o el suministro de nitrógeno líquido. Las ventajas más importantes pueden atribuirse a la reducción de costes, el aumento de la fiabilidad y el incremento de la seguridad.

Ahorro de costes y eficiencia

La mayor ventaja que puede derivarse del uso de un generador de nitrógeno es el hecho de que su funcionamiento es relativamente más barato. A diferencia de los cilindros de nitrógeno, cuyo mantenimiento es costoso debido a los gastos de entrega, alquiler de cilindros y otros costes administrativos, un generador de nitrógeno suministra nitrógeno cuando es necesario. De este modo, se eliminan estos costes recurrentes, lo que a largo plazo se traduce en un ahorro de costes. Para las industrias que utilizan nitrógeno en grandes cantidades, el coste de poseer un generador se recuperará a largo plazo, ya que es más barato que tener que pedir nitrógeno a granel o alquilar bombonas.

Fiabilidad y comodidad

Un generador de nitrógeno in situ garantiza un suministro constante y estable de nitrógeno, libre de los peligros de tener que depender de terceros. Las empresas no tienen que preocuparse por el stock de cilindros, la entrega o la falta de nitrógeno en algún momento del proceso. Esto significa que hay un suministro constante de nitrógeno siempre que se necesita, lo que hace que las operaciones funcionen sin problemas y con eficacia.

Seguridad y simplicidad operativa

Las bombonas de nitrógeno plantean ciertos riesgos, como fugas de nitrógeno, riesgos de presión y almacenamiento y ventilación adecuados. Sin embargo, estos riesgos se eliminan utilizando un generador de nitrógeno, ya que el nitrógeno se genera dentro de la instalación, por lo que no es necesario manipular cilindros de alta presión. Esto reduce el número de accidentes que pueden producirse durante el transporte y la manipulación de las botellas.

Control de pureza

Los generadores de nitrógeno permiten al usuario generar nitrógeno con el nivel de pureza necesario para la aplicación. A diferencia de otros métodos que pueden ofrecer menos control, la generación in situ garantiza que el nitrógeno tenga la pureza adecuada para mejorar el rendimiento y la calidad.

Beneficios medioambientales

La generación de nitrógeno in situ también tiene una serie de ventajas medioambientales. Las empresas no tienen que transportar cilindros de nitrógeno ni nitrógeno líquido, lo que contribuye a reducir la huella de carbono. Además, la generación in situ supone un menor desperdicio de nitrógeno, sobre todo si se compara con el nitrógeno líquido, que sufre pérdidas por evaporación durante su almacenamiento y uso.

Estas ventajas de coste, fiabilidad, seguridad y respeto al medio ambiente hacen que los generadores de nitrógeno sean idóneos para las industrias que necesitan un suministro de nitrógeno constante y de alta calidad.

Aplicaciones comunes de los generadores de nitrógeno en diversas industrias

Los generadores de nitrógeno se han vuelto indispensables en diversos campos debido a la conveniencia de disponer de un suministro constante de nitrógeno de alta pureza. A continuación se enumeran algunos de los usos de los generadores de nitrógeno:

Industria farmacéutica

El gas nitrógeno se utiliza en la industria farmacéutica de diversas formas, como en el envasado de medicamentos, el almacenamiento de fármacos y en usos de laboratorio. El nitrógeno de alta pureza ayuda a evitar la oxidación del producto, el contenido de humedad y el crecimiento microbiano, mejorando así la estabilidad y seguridad del producto.

Industria de protección contra incendios

En la industria de la protección contra incendios, el gas nitrógeno se utiliza para ayudar a reducir los efectos de la corrosión en los sistemas de rociadores contra incendios. Esto se debe a que cuando el aire rico en oxígeno se sustituye por moléculas de nitrógeno en las tuberías de los aspersores, las posibilidades de corrosión se reducen en gran medida, aumentando así la vida útil del sistema.

Industria alimentaria

En el envasado de alimentos, el gas nitrógeno se utiliza para crear un entorno que reduzca la tasa de oxidación y las actividades microbianas, aumentando así la vida útil de los alimentos. Antes se utilizaban bombonas de nitrógeno, pero los actuales sistemas generadores de nitrógeno por membrana son más baratos y suministran nitrógeno en flujo continuo a las líneas de envasado.

Electrónica y fabricación

Algunas de las industrias que utilizan nitrógeno son la fabricación de productos electrónicos, el corte por láser y la cromatografía de gases, donde el nitrógeno se utiliza para minimizar la contaminación y la oxidación. Un sistema generador de nitrógeno proporciona una temperatura constante de nitrógeno y también se controla el caudal de nitrógeno, lo que mejora el proceso de producción.

Industria del petróleo y el gas

Los generadores de nitrógeno PSA se utilizan en la industria del petróleo y el gas para garantizar que los tanques de almacenamiento y las tuberías se llenan con un gas inerte. Esto se debe a que cuando el oxígeno se sustituye por nitrógeno puro, las posibilidades de combustión y oxidación se minimizan en gran medida.

Selección del generador adecuado a sus necesidades

Seleccionar el generador de nitrógeno adecuado es crucial para el buen funcionamiento, la rentabilidad y la producción de nitrógeno necesaria para el proceso. A continuación se ofrece una guía que puede seguirse para facilitar la selección:

Comprender las opciones tecnológicas

En primer lugar, es necesario distinguir entre dos tipos principales de generación de nitrógeno: PSA y de membrana. Los generadores PSA son especialmente adecuados para generar nitrógeno de alta pureza (superior a 99,9%) empleando tamiz molecular para la separación. Son los más adecuados cuando es necesario mantener una alta pureza del fluido que se procesa, pero consumen más energía debido a la necesidad de regenerarlos periódicamente. Los sistemas de membrana son más eficientes energéticamente y menos complejos, por lo que son adecuados para aplicaciones en las que no se requiere una gran pureza (hasta 99,5%).

Conozca sus requisitos de pureza

En segundo lugar, hay que identificar el nivel de pureza necesario. En industrias como la farmacéutica o la de semiconductores, a menudo se requieren niveles de pureza superiores a 99,9% y aquí es donde resultan útiles los generadores de nitrógeno PSA. Por otro lado, es posible que aplicaciones como el envasado de alimentos sólo necesiten nitrógeno con una pureza de hasta 99,5%, lo que resulta muy adecuado para los generadores de nitrógeno de membrana.

Calcule sus necesidades de caudal

En segundo lugar, evalúe su consumo de nitrógeno en términos de caudal, que normalmente se expresa en litros por minuto (LPM) o metros cúbicos por hora (Nm³/h). También deben tenerse en cuenta sus necesidades actuales y futuras. Los sistemas PSA son ideales para aplicaciones que requieren una gran pureza del gas y caudales elevados, mientras que los sistemas de membrana son ideales para caudales bajos y estables.

Considere la instalación y el funcionamiento Medio ambiente

Los generadores de membrana tienen un tamaño compacto, por lo que ocupan menos espacio que los sistemas PSA, que requieren espacio para los recipientes de adsorción. Además, compruebe la calidad del aire comprimido utilizado en sus instalaciones y la temperatura del entorno, ya que afectan al sistema.

Eficiencia energética y crecimiento futuro

La energía también es un factor de coste importante en el funcionamiento, por lo que hay que buscar modelos que sean más respetuosos con el medio ambiente. Los sistemas PSA suelen consumir más energía debido al proceso de regeneración, mientras que los sistemas de membrana son procesos continuos que requieren menos energía. Además, es aconsejable elegir un generador con capacidad suficiente para crecer en el futuro o decantarse por un sistema modular.

Coste total de propiedad

Aparte del coste inicial, piense en los costes de uso del producto en términos de consumo de energía, mantenimiento y sustitución de piezas como los filtros. Selecciona fabricantes que tengan buena reputación por ofrecer equipos de calidad y un buen servicio de atención al cliente tras la venta.

Por lo tanto, teniendo en cuenta estos factores, puede seleccionar el generador de nitrógeno que se adapte a las necesidades de su operación en términos de rendimiento y coste.

Mantenimiento para un rendimiento óptimo del generador de nitrógeno

El mantenimiento es crucial para que su generador de nitrógeno siga siendo fiable, eficiente y duradero. El mantenimiento reduce las posibilidades de tener que gastar mucho dinero en reparaciones, evita la interrupción de las operaciones y garantiza una producción constante de nitrógeno para aplicaciones importantes.

Regular Filtro Sustitución

Los filtros son muy importantes para la protección de su generador de nitrógeno. Eliminan el vapor de agua, el polvo y el aceite del aire comprimido, proporcionando así un suministro de nitrógeno de alta pureza. Estos filtros se obstruyen con el tiempo, lo que puede reducir la eficacia del sistema y de las piezas internas. Se recomienda cambiar los prefiltros y postfiltros con la frecuencia indicada por el fabricante para garantizar que el sistema funcione con eficacia y que el nitrógeno sea de alta pureza.

Regeneración de tamices moleculares (sistemas PSA)

En los generadores de nitrógeno PSA, se utilizan tamices moleculares en el proceso de separación del nitrógeno del oxígeno. Estos tamices deben regenerarse de vez en cuando para restaurar su capacidad de adsorción. Si la regeneración no se realiza correctamente, es probable que la pureza del nitrógeno descienda por debajo del 99,9% recomendado. Es importante asegurarse de que los ciclos de regeneración se realizan correctamente para mantener una producción constante de nitrógeno.

Control de la presión y el caudal

La presión y los caudales deben mantenerse constantes para garantizar que el nitrógeno se produce a la velocidad adecuada. Asegúrese de que el compresor de aire, los sistemas PSA y las unidades de membrana se calibran con frecuencia para evitar cambios de presión que puedan dificultar la separación de gases. Mantener el sistema dentro de estos márgenes reduce la probabilidad de fallos y garantiza que el nitrógeno sea de la calidad adecuada.

Fugas y vibraciones

Pequeñas fugas o vibraciones excesivas pueden causar un gran problema al generador, ya que consumirá más energía y producirá menos nitrógeno. Compruebe si hay signos de fugas, especialmente alrededor de juntas, válvulas y tuberías, y repárelos lo antes posible. La vibración es perjudicial para el sistema y sus componentes, por lo que minimizarla es beneficioso para la longevidad del sistema.

Mantener el Compresor de aire y Secadora

El compresor y el secador de aire son dos componentes importantes en el proceso de generación de nitrógeno. El compresor debe mantenerse según las recomendaciones del fabricante, que incluyen el cambio de aceite y la sustitución del filtro. Compruebe también el secador de aire, ya que el aire húmedo afecta tanto al sistema PSA como al de membranas. En el caso de los secadores de tipo desecante, siga siempre el programa de regeneración o sustitución recomendado para evitar la acumulación de humedad.

Estas prácticas le ayudarán a sacar el máximo partido de su generador de nitrógeno en términos de rendimiento, durabilidad y coste del suministro de nitrógeno a sus operaciones.

Conclusión

En resumen, los generadores de nitrógeno presentan más ventajas que los métodos de suministro como el nitrógeno líquido, entre las que se incluyen: coste, fiabilidad y seguridad. Por lo tanto, es fundamental conocer los dos tipos principales de generadores, PSA y de membrana, que pueden elegirse en función de la pureza del nitrógeno, el caudal y el consumo de energía deseados por la empresa. Un mantenimiento adecuado puede ayudar a garantizar que el sistema funcione de forma óptima, suministrando nitrógeno de alta pureza y, al mismo tiempo, reduciendo la frecuencia de las paradas y los costes de funcionamiento del sistema.

En cuanto al futuro, se espera que la industria de generación de nitrógeno experimente un mayor desarrollo en términos de tecnología y rendimiento. Se espera que los nuevos avances en materiales de membrana y tamices moleculares para sistemas PSA aumenten la pureza del nitrógeno y reduzcan el consumo de energía. Además, la creciente automatización y la integración de IoT pueden traer un control más preciso, monitoreo de condiciones y gestión de energía. A medida que las industrias se centran más en la sostenibilidad, los generadores de nitrógeno también cambiarán de una manera que ayudará a reducir el impacto sobre el medio ambiente al tiempo que ofrece una fuente fiable de nitrógeno bajo demanda.

En otras palabras, los generadores de nitrógeno son una inversión a largo plazo que no sólo facilita el trabajo, sino que también contribuye a los objetivos medioambientales y de costes.

FAQS

P: ¿Se puede ajustar el caudal y la pureza del nitrógeno según las necesidades?

A: Muchos generadores de nitrógeno permiten a los usuarios ajustar el caudal y la pureza del nitrógeno para satisfacer los distintos requisitos de las aplicaciones.

P: ¿Pueden funcionar los generadores de nitrógeno en entornos extremos?

A: La mayoría de los generadores de nitrógeno pueden funcionar en diversos entornos industriales, pero las temperaturas extremas, la humedad o la contaminación pueden afectar a su rendimiento. En tales condiciones pueden ser necesarios diseños especiales o medidas de protección adicionales.

P: ¿La generación de nitrógeno in situ es respetuosa con el medio ambiente?

A: Sí, la generación in situ reduce las emisiones del transporte, minimiza la pérdida de nitrógeno y puede integrarse con fuentes de energía renovables para una producción más ecológica.