Los Equipos Paquete Generadores de Nitrógeno son un tipo de sistema complejo dedicado a la extracción de Nitrógeno (N2) del aire. En este artículo vamos a explicar las tecnologías de generación de nitrógeno, y los componentes más importantes dentro del Equipo Paquete.
El aire que respiramos está compuesto aproximadamente por un 21% de Oxigeno, un 78% de Nitrógeno y un 1% de otros gases. Es especialmente importante las características físicas del aire, en términos de temperatura y humedad, factores vitales en el proceso de separación del Nitrógeno en la mezcla del aire.
En la actualidad existen dos tecnologías fundamentales para el proceso de separación del Nitrógeno:
- Membranas
- Adsorción por oscilación de presión (Pressure Swing Adsorption – PSA)
Tecnología de membrana
Los generadores de nitrógeno de membrana se basan en el uso de un núcleo de membranas lleno de finas fibras huecas de material polímero.
Es muy importante que el aire comprimido (admisión o entrada) esté limpio y seco, ya que en caso contrario producirían la obstrucción de las membranas.
El aire comprimido entra en el generador limpio y seco, y gracias a la estructura porosa de las fibras fluirá hacia el exterior de las mismas.
Este es el proceso de permeación. En este proceso el agua, oxigeno y una parte de otros gases (argón) se van hacia afuera de las fibras, quedando solamente el nitrógeno. Debido a las características físicas y químicas de estos elementos, su velocidad es diferente.
Por ejemplo, el agua penetra muy rápidamente. El oxigeno es menos veloz. Y el argón y nitrógeno son los más lentos, por lo que permanecerán en las fibras mucho más tiempo que el agua y el oxigeno, los cuales desaparecerán. La recuperación del nitrógeno a través de este sistema, es decir, su eficiencia, es entre un 40%-60% del nitrógeno contenido en el aire comprimido.
El efecto de penetración a través de las paredes de la fibra producirán una sobrepresión en el interior de la carcasa de la membrana y sus fibras tienen un proceso de obstrucción que provocan una bajada paulatina de la eficiencia. Por tanto es necesario liberar esa presión a través de aperturas en el cuerpo de la membrana para producir un escape de gases.
Por regla general, los elementos principales para un apropiado proceso de «permeación» del aire en las membranas debe contar con estos elementos: compresor de aire, separador de agua en aire, filtros de aire y elementos de carbón activo, calentador, módulos de membranas y modulo de control de salida nitrógeno.
Tecnología por adsorción de cambios de presión
El proceso de separación de gases en generadores de nitrógeno PSA (adsorción por inversión de presión, por las siglas en inglés “Pression Swing Adsorption”) se basa en la capacidad de conservar diferentes componentes de mezclas de gases y partículas a través de una material sólido, llamado adsorbente (CMS – Carbon Molecular Sieve o tamiz molecular de carbono). Existe una separación de las moléculas de nitrógeno del resto de moléculas del aire comprimido. El oxígeno y otros gases se eliminan al tiempo que se permite el paso de nitrógeno a la aplicación.
Los generadores de nitrógeno PSA están diseñados para producir nitrógeno de alta pureza mediante la regulación de la adsorción de gas y la regeneración del adsorbente mediante presiones cambiantes en dos recipientes contenedores: adsorbedor y adsorbente. Este proceso necesita una temperatura constante, cercana a la temperatura ambiente.
El proceso de adsorción por inversión en cada uno de estos adsorbedores consiste en dos etapas funcionando en intervalos de unos pocos minutos.
En la etapa de adsorción, moléculas de oxígeno, humedad y dióxido de carbono se difunden en la estructura porosa del adsorbente, mientras que a las moléculas de nitrógeno se les permite pasar a través del recipiente contenedor del adsorbedor-adsorbente y ser distribuidas en forma de nitrógeno de alta pureza para su aplicación.
La recuperación de nitrógeno del aire comprimido en sistemas PSA es aproximadamente un 50%-65% del total.
Los sistemas PSA presentan normalmente los siguientes componentes principales para su proceso: compresor de aire, secador de aire, almacenamiento de aire (buffer), depósitos de transferencia adsorción y finalmente almacenamiento de nitrógeno.
Comparativa
Tanto con la tecnología de membranas como PSA las purezas de nitrógeno conseguidas son mayores del 99%, con una máxima concentración de Oxigeno en el sistema PSA de tan solo 10 PPM (99,999% pureza N2). Normalmente el sistema de membranas es un método más económico si además la pureza del nitrógeno requerido es suficiente a un 99%. El sistema PSA requiere de una inversión mayor de ingeniería, pero es más eficiente y puro. El sistema de membrana es más tolerante al agua, ya que las membranas si se humedecen pueden reutilizarse después de su secado. El material CMS en PSA no tolera el agua. En ningún caso ninguno de los métodos es tolerante al aceite y por tanto el aire no debe tener contenido del mismo. En cuanto al mantenimiento de los sistemas, las membranas tienen una carencia de sustitución de 3-4 años en operación, mientras que al CMS tiene una vida mayor para su sustitución, normalmente 4-5 años.
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