Técnicas eficaces para eliminar el nitrógeno del aire

Introducción: Importancia del nitrógeno en la industria

Tal es el poder del nitrógeno, un recurso fundamental en diversas industrias por su inercia. El sector manufacturero depende en gran medida de él, y esto afecta a diversos campos como la agricultura o la industria farmacéutica, entre otros. Las industrias que saben extraer eficazmente el nitrógeno del aire son capaces de generar gas nitrógeno puro. La producción de amoníaco, los procesos químicos, el envasado de alimentos y los productos farmacéuticos son algunas de las aplicaciones en las que se requiere este nitrógeno puro.

La mayoría de los entornos controlados utilizados en diferentes entornos de fabricación no podrían realizarse sin nitrógeno puro extraído del aire atmosférico. Aislar el nitrógeno no sólo implica aislarlo de otros gases, sino que también incluye dividir el oxígeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua, entre otros. Esta separación garantiza el cumplimiento de las normas más estrictas de calidad y seguridad en todos los usos industriales. En los últimos tiempos, las formas de eliminar el nitrógeno del aire han mejorado notablemente debido al aumento de la demanda industrial. Este artículo trata de desentrañar los métodos fundamentales utilizados en la extracción de nitrógeno para que pueda tomar decisiones informadas en función de sus necesidades específicas.

Métodos de extracción de nitrógeno

Hace mucho tiempo que la destilación fraccionada y otros métodos tradicionales de extracción de nitrógeno son los más utilizados y los más eficaces para producir nitrógeno de gran pureza. El fraccionamiento es complicado y consta de varios pasos: en primer lugar, el aire atmosférico se enfría hasta que se licua. A continuación, en una columna de destilación, este aire líquido se calienta suavemente, tras lo cual los gases se separan en función de sus puntos de ebullición. El nitrógeno, que hierve a -195,8°C, se evapora más rápidamente que el oxígeno, que hierve a -183°C. Esta regulación detallada de la temperatura permite aislar eficazmente el nitrógeno.

La destilación fraccionada posee desventajas notables a pesar de su gran eficacia. Este proceso depende en gran medida de la electricidad, ya que requiere mucha energía eléctrica para mantener las temperaturas extremadamente bajas necesarias para la licuefacción del aire, lo que se traduce en elevados costes operativos. Además, la instalación y el mantenimiento de las plantas de destilación fraccionada son complejos y caros, por lo que resultan menos asequibles para las pequeñas empresas.

La eficiencia energética y la rentabilidad son las principales ventajas de los recientes avances tecnológicos. A veces, los sistemas PSA requieren un menor consumo de energía porque pueden instalarse in situ, lo que ahorra costes logísticos, además de ser flexibles Los sistemas de membrana se han simplificado aún más, por lo que necesitan muy poco mantenimiento y su ampliación es sencilla Con estas técnicas, por tanto, aunque no alcanzan la pureza ultraelevada que se consigue con la destilación fraccionada, se benefician muchas aplicaciones industriales, lo que las convierte en opciones adecuadas para las empresas que desean optimizar sus operaciones de producción de nitrógeno.

Destilación criogénica

Explicación del proceso

Este proceso avanzado de destilación fraccionada es la destilación criogénica, a la que a menudo se hace referencia como el patrón oro para la separación de gases. En este procedimiento, el aire atmosférico se enfría hasta alcanzar los -196°C y acaba licuándose. A continuación, el aire líquido se calienta cuidadosamente para que alcance gradualmente su punto de ebullición, lo que provoca un cambio drástico a medida que el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y otros gases inertes como el argón continúan separándose. Sin embargo, todo este método depende en gran medida de la diferencia de puntos de ebullición entre el nitrógeno (-195,8°C) y el oxígeno (-183°C). Se pueden alcanzar altos niveles de pureza extrayendo primero el nitrógeno líquido antes de purificarlo más para eliminar las impurezas.

Cabe señalar que la destilación criogénica puede lograr una elevada producción de nitrógeno puro con una pureza del 99,999% a veces accesible, lo que la hace útil especialmente en industrias en las que la pureza del gas es sacrosanta. Además, esta estrategia también puede aplicarse para mejorar la fabricación eficaz de otros gases como el oxígeno y el argón, que podrían servir como productos valiosos de esta técnica. Se han realizado numerosos estudios para mejorar la eficacia de este proceso. Sin embargo, este método consume más energía que cualquier otra alternativa, pero requiere una maquinaria complicada y un mantenimiento exhaustivo que elevan considerablemente los costes de las operaciones. Una vez más, el capital inicial necesario para montar una planta de destilación criogénica puede ser muy elevado, lo que hace que este método resulte poco práctico para las pequeñas empresas en determinados casos. Asimismo, se corroen y desgastan con facilidad, lo que reduce la vida útil y la eficacia de estos dispositivos.

Aplicaciones industriales

La destilación criogénica se utiliza principalmente en industrias que requieren nitrógeno ultrapuro. Es el método más utilizado para producir nitrógeno para la industria de semiconductores, gases de uso médico y productos químicos especializados. El nitrógeno de gran pureza es esencial en estos campos para evitar la contaminación y garantizar la calidad y seguridad del producto. En esencia, esta técnica es la más adecuada para operaciones a gran escala que puedan justificar los elevados costes de capital y operativos.

Adsorción por cambio de presión (PSA)

Principio de funcionamiento

La adsorción por cambio de presión (PSA) es un método que se utiliza para eliminar el nitrógeno del aire, e implica el uso de tamices moleculares de zeolita o carbón activado. Los tamices moleculares de zeolita son cristales de aluminosilicato que tienen poros uniformes. Estos materiales poseen capacidades de adsorción selectiva, por lo que son perfectos para aislar el nitrógeno. El aire atmosférico se comprime en primer lugar antes de pasar por cualquier lecho adsorbente, que en su mayoría está compuesto por zeolita. Las moléculas de nitrógeno son adsorbidas selectivamente por el tamiz molecular debido a su menor diámetro cinético, mientras que dejan pasar el oxígeno y otras moléculas de mayor tamaño. Cuando el adsorbente se satura de nitrógeno, los pasos de reducción de presión provocan la liberación del nitrógeno adsorbido en forma de gas producto de alta pureza. Los sistemas PSA funcionan de forma cíclica con varios lechos adsorbentes que operan alternativamente para mantener una producción continua de nitrógeno gaseoso. Para obtener una producción constante de nitrógeno y un funcionamiento eficaz del sistema, debe haber una gestión eficaz del ciclo y un control preciso de las oscilaciones de presión.

Aplicaciones adecuadas

La principal ventaja de los sistemas PSA es su consumo de energía relativamente bajo en comparación con la destilación criogénica. Además, pueden instalarse in situ, lo que reduce los gastos logísticos asociados al transporte de nitrógeno puro. La compacidad de las unidades PSA las hace ideales para espacios reducidos. Además, los sistemas PSA ofrecen un servicio de nitrógeno de pureza moderada a alta que es rentable para las industrias que requieren este gas; entre ellas se incluyen las aplicaciones de envasado de alimentos, donde se utiliza para desplazar el oxígeno y prolongar la vida útil, y el procesamiento de metales, donde funciona como gas de recubrimiento.

Las industrias interesadas en nitrógeno ultrapuro no considerarían los sistemas PSA, ya que el nitrógeno sólo puede tener una pureza de 95% hasta 99,9%. Sin embargo, estos niveles de pureza son suficientes para algunos mercados como el procesamiento de metales y el envasado de alimentos.

Jalon: Un proveedor de confianza de tamices moleculares para la separación de nitrógeno PSA

Jalon es un fabricante líder de tamices moleculares, zeolitas y alúmina activada de primera clase, indispensables para la separación de nitrógeno en PSA. En particular, fabrican tamices moleculares enriquecidos con oxígeno que pertenecen a la serie JLOX-500 y poseen magníficas propiedades de adsorción de nitrógeno, así como selectividad entre nitrógeno y oxígeno. De este modo, se han convertido en componentes vitales para una separación eficaz y constante del nitrógeno en las plantas generadoras de oxígeno PSA.

Generación de nitrógeno por membrana

Cómo funciona

Otro método reciente para eliminar el nitrógeno del aire es la generación de nitrógeno por membrana. En este proceso, el aire comprimido pasa a través de una membrana de polímero con aberturas microscópicas. El oxígeno, el dióxido de carbono, el vapor de agua y cualquier otro gas no pueden atravesarla, mientras que el nitrógeno se filtra, lo que da lugar a un flujo continuo de nitrógeno gaseoso. La eficacia del método puede aumentarse fácilmente colocando varias membranas en paralelo. La pureza del nitrógeno puede manipularse modificando la presión y el caudal de aire a través del sistema de membranas.

Ventajas y desventajas

La ventaja más importante de los generadores de nitrógeno de membrana es su sencillez y adaptabilidad. Utilizan menos energía, tienen menos piezas móviles y requieren menos atención que otros métodos. Además, pueden ajustarse muy fácilmente a los distintos requisitos de pureza del nitrógeno gaseoso, lo que los convierte en dispositivos muy adaptables. La generación de nitrógeno por membrana es la más adecuada cuando se requieren niveles moderados de pureza del nitrógeno, como en los sistemas de extinción de incendios de las cocinas comerciales o en las estaciones de llenado de neumáticos utilizadas en los talleres de automóviles, o incluso en algunas industrias de envasado de alimentos en las que los bajos costes de mantenimiento son fundamentales.

Sin embargo, los sistemas de membrana suelen alcanzar niveles de pureza que oscilan entre 90% y 99%, lo que puede no satisfacer determinadas aplicaciones de gran pureza. Además, el paso del tiempo provoca un deterioro de las prestaciones que obliga a sustituir periódicamente los módulos que componen estos sistemas.

Comparación de los métodos de extracción

Niveles de pureza

Los niveles de pureza del nitrógeno producido son un factor crucial para la selección de un método de extracción. La destilación criogénica tiene los mayores niveles de pureza alcanzables, superando a menudo el 99,999%, lo que la hace preferible para aplicaciones de alta precisión como las de fabricación de semiconductores y campos de aplicación médica. Por el contrario, los sistemas PSA alcanzan niveles de pureza inferiores pero significativos, que oscilan entre 95-99,9%, útiles en muchas industrias. Por otro lado, los sistemas de membrana dan purezas de nitrógeno entre 90% y 99%, siendo los más apropiados para aplicaciones de este tipo en las que no es obligatoria la máxima pureza posible.

Eficiencia de costes

Los métodos varían en cuanto a su rentabilidad. Los sistemas de membrana suelen ser los menos costosos de utilizar debido a su sencillez y a su bajo consumo de energía. Los sistemas PSA logran un equilibrio entre coste y pureza, lo que los hace adecuados para muchas aplicaciones industriales. Sin embargo, la destilación criogénica siempre se asocia a los costes más elevados, ya que requiere mucha energía y herramientas intrincadas que son muy costosas.

Requisitos de mantenimiento

También existen grandes discrepancias entre los requisitos de mantenimiento. Los sistemas de membrana tienen menos/más piezas móviles que otros, por lo que tienden a ser más fáciles/más complicados de mantener, lo que conlleva una menor/mayor complejidad operativa, respectivamente, en comparación con otros métodos como la adsorción en materiales sólidos utilizados en el sistema PSA (sustitución de adsorbentes). El mantenimiento de la destilación criogénica requiere más esfuerzos debido a su naturaleza compleja, que implica equipos especializados capaces de soportar temperaturas extremadamente bajas.

Ventajas del uso de generadores de nitrógeno

Emplear generadores de nitrógeno puede suponer un ahorro sustancial. La producción de nitrógeno in situ elimina la necesidad de comprar, transportar y almacenar cilindros de nitrógeno o nitrógeno líquido, lo que puede resultar caro y difícil desde el punto de vista logístico. Esto es especialmente relevante para las industrias que tienen grandes necesidades de nitrógeno, donde las ganancias de costes pueden ser significativas con el tiempo.

Los generadores de nitrógeno in situ garantizan un suministro continuo de nitrógeno, por lo que no se interrumpe el proceso de producción por fallos en la cadena de suministro. Además, no ocupan mucho espacio, ya que suelen ocupar mucho menos que los grandes tanques de almacenamiento o las estanterías para botellas, lo que permite a las empresas utilizar su superficie de forma eficaz en otras actividades esenciales.

El uso de generadores de nitrógeno ayuda a reducir el impacto medioambiental relacionado con la fabricación y el transporte de nitrógeno. Además, las empresas que generan su propio nitrógeno evitan las emisiones de carbono derivadas del transporte a larga distancia de nitrógeno líquido o cilindros de gas a alta presión. Además, los generadores de nitrógeno modernos se diseñan teniendo en cuenta la suficiencia energética, lo que reduce aún más su impacto global en el medio ambiente.

Cómo elegir el generador de nitrógeno adecuado para su empresa

Para su operación, es necesario tener en cuenta algunos aspectos a la hora de elegir un generador de nitrógeno, como los requisitos específicos de pureza, las limitaciones presupuestarias y el volumen de producción. Los sistemas PSA más utilizados son apropiados para diversas aplicaciones industriales porque ofrecen un buen equilibrio entre coste y nivel de pureza en términos de fijación de nitrógeno. No obstante, si las operaciones requieren nitrógeno de pureza ultra alta, puede ser preferible la destilación criogénica, aunque sea más cara. Por otro lado, los sistemas basados en membranas serían ideales cuando las purezas no son restrictivas y los costes de mantenimiento deben mantenerse bajos. Una amplia investigación ha demostrado que, si bien existen formas sencillas de lograr la producción de nitrógeno, un método nuevo y revolucionario como la destilación criogénica destaca para las necesidades de alta pureza a pesar de los costes más elevados.

Conclusión

La extracción de nitrógeno de la atmósfera es vital para muchos procesos industriales y depende de necesidades específicas como la rentabilidad, los niveles de pureza y el mantenimiento. Este conocimiento permite a las empresas elegir un generador de nitrógeno en función de sus necesidades especiales, garantizando así un suministro de nitrógeno fiable, asequible y respetuoso con el medio ambiente para sus instalaciones. Adoptando este enfoque, las industrias estarán en condiciones de optimizar sus procesos de fabricación, mejorar la calidad del producto y reducir los costes operativos.