Cómo funciona un generador de nitrógeno industrial: PSA frente a tecnología de separación de membranas

A medida que un generador de nitrógeno industrial in situ se convierte en el enfoque estándar para abordar el suministro del gas en diversas aplicaciones industriales, con frecuencia surgen preguntas sobre cómo funcionan y cuáles son las ventajas de los diferentes diseños disponibles en el mercado. Los responsables de planta necesitan información para considerar la tecnología mas adecuada, aquí la tienes.

En la industria, hay dos tipos principales tecnologías de generadores de nitrógeno actualmente disponibles: generador de nitrógeno por separadores de membrana y generador de nitrógeno por adsorción por cambio de presión (PSA).

A continuación, se detallan algunas consultas que surgen a la hora de entender sobre un generador de nitrógeno industrial, cómo funcionan y las características principales de los tipos de generadores mencionados anteriormente.

¿Cómo funcionan los generadores de membrana de separación y los PSA?

Si bien ambos tipos de generadores producen gas nitrógeno de alta pureza a partir de aire comprimido, lo hacen de dos formas claramente diferentes, lo que tiene un gran efecto en la forma en que se diseñan y mantienen.

El aire comprimido, un elemento clave en todos estos procesos, debe tener un tratamiento adecuado como el que mantenimiento de sistemas de aire comprimido que por ejemplo reciben empresas de alimentación.

• Generador de nitrógeno por separador de membranas: es el corazón de un generador de nitrógeno industrial que utiliza la técnica de separación de membranas, que consta de miles de fibras huecas por las que pasa el aire comprimido. Las paredes de cada fibra son permeables a las moléculas de gas, pero algunos gases pueden atravesarlas más fácilmente que otros.

Estos gases ‘rápidos’, incluidos el oxígeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua, atraviesan las paredes de las fibras y se expulsan a la atmósfera. El gas ‘lento’, nitrógeno, atraviesa la pared de la fibra mucho más lentamente, produciendo una corriente de nitrógeno de alta pureza en la salida de la membrana. No hay partes móviles en el separador de membrana, simplemente controlando la presión y el caudal de aire comprimido a través de la membrana se obtiene una producción de nitrógeno de alta pureza.

• Generador de nitrógeno por adsorción por cambio de presión (PSA): un generador de nitrógeno industrial PSA utilizan material de tamiz molecular de carbono (CMS) para eliminar el oxígeno de la fuente de aire comprimido. El material CMS consta de carbono poroso con un tamaño de poro finamente controlado. A medida que el aire comprimido pasa sobre el material, las moléculas de oxígeno se adsorben en los poros, mientras que las moléculas de nitrógeno más grandes pueden pasar al gas de escape. Eventualmente, el CMS se saturará con moléculas de oxígeno y ya no se producirá la separación de gases.

Por esta razón, los generadores de PSA siempre se diseñan con dos o más columnas de adsorción. Una columna separa activamente el gas, mientras que la otra se regenera pasando nitrógeno de alta pureza a través de ella para eliminar el oxígeno y agotarlo como gas residual. El generador cambia entre las dos columnas aproximadamente cada 60 segundos.

La necesidad de cambiar entre las dos columnas de adsorción da como resultado la necesidad de múltiples válvulas de control automatizadas, lo que aumenta en gran medida los puntos potenciales de falla en la unidad. Además, normalmente se requiere un tanque de almacenamiento intermedio de nitrógeno para garantizar una presión y un caudal constantes durante el cambio entre las dos columnas de adsorción.

¿Necesito un secador de aire o alguna otra filtración especial en mi suministro de aire?

• Generador de nitrógeno por membranas: cada generador de nitrógeno industrial incluye filtración en línea para eliminar partículas, agua líquida y el transporte de hidrocarburos de la corriente de aire antes de ingresar al separador de membrana. Los separadores de membrana están diseñados para filtrar el vapor de agua, eliminando la necesidad de un secador refrigerado o desecante aguas arriba de la unidad.
• Generador de nitrógeno por adsorción: las unidades por adsorción también suelen incluir filtración en línea de partículas y transportan hidrocarburos en su línea de aire de origen para proteger el material CMS. Sin embargo, a diferencia del separador de membrana, el material CMS en las unidades de PSA puede verse afectado negativamente por el agua / vapor de agua en la fuente de gas. El vapor de agua también sería adsorbido por el material CMS, reduciendo la eficiencia del proceso de separación y resultando en nitrógeno de menor pureza.

Además, si hay arrastre de agua o si se produce condensación en los tanques de adsorción, el material CMS puede dañarse. El agua líquida puede provocar la canalización del material CMS, lo que da como resultado un flujo de aire inadecuado a través del lecho y una producción reducida. En algunos casos, el CMS puede sufrir daños irreparables y necesitar un reemplazo completo. Por esta razón, los generadores de PSA siempre requerirán un secador de aire refrigerado en la corriente de gas de entrada, lo que resultará en otro punto potencial de falla y un mayor consumo eléctrico.

¿Existen diferencias en el tamaño / peso / huella de los métodos de generación de nitrógeno?

• Generador de nitrógeno por membranas: la técnica de separación de membranas requiere pocas partes móviles. Además, en la actualidad, este método de llenado y purga hace inertes los sistemas de rociadores contra incendios, eliminando la necesidad de un tanque de almacenamiento / amortiguación de nitrógeno, reduciendo aún más la huella del equipo y proporcionando ahorros significativos y costos de instalación de materiales y mano de obra.
• Generador de nitrógeno por adsorción: los controles, las válvulas, los lechos de adsorción, el secador refrigerado y el tanque intermedio de nitrógeno adicionales que requiere el enfoque de PSA dan como resultado un equipo significativamente más pesado y voluminoso. Esto resulta en mayores costos de instalación y mayores requisitos de espacio en el punto de instalación.

¿Cuál es la vida útil esperada de un generador de nitrógeno industrial y cuál es el costo de reparación resultante?

• Generador de nitrógeno por membranas: Como cualquier otro producto vendido, existen varios fabricantes de separadores de membrana de nitrógeno. Algunos producen un generador de nitrógeno industrial de alta calidad y otros producen una opción de valor. La tecnología de separación por membrana de nitrógeno se inventó en la década de 1970 y ha continuado mejorando. Actualmente, los separadores de membrana están diseñados para una expectativa de vida de veinte (20) años con un ciclo de trabajo del 100% (en la industria de protección contra incendios, se utiliza el separador de membrana con un ciclo de trabajo de no más del 10%). El costo de reemplazar un separador de membrana es como máximo el 25% del costo del generador de nitrógeno industrial. Además, la mano de obra involucrada en el reemplazo de un separador de membrana de nitrógeno en el campo es mínima y puede ser realizada en una hora por un instalador de rociadores contra incendios para que la unidad vuelva a funcionar y el sistema de protección contra incendios vuelva a funcionar.
• Generador de nitrógeno por adsorción: la mayoría de los fabricantes de PSA informan que el material CMS tiene una vida útil típica comparable a la de los separadores de membrana si se realiza el mantenimiento y la filtración de aire adecuados. Por eso es clave saber cómo obtener el máximo de la planificación del mantenimiento industrial. Sin embargo, lo que no está claro es si el reemplazo del CMS puede ser realizado por personal en el sitio, o si requiere que un representante del fabricante realice el reemplazo. El trabajo implicaría el desmontaje de las dos columnas de adsorción, la eliminación del material CMS antiguo y un nuevo embalaje de las columnas según las especificaciones originales con material CMS nuevo. Luego, las columnas reempaquetadas deberían probarse para garantizar que se esté produciendo una separación de gas adecuada.

Este es un ejercicio intensivo en mano de obra que debe realizarse mientras la unidad está fuera de servicio, lo que resulta en la pérdida de gas en los sistemas de rociadores contra incendios secos y de preacción. Además del material CMS, la complejidad adicional de los generadores de PSA agrega puntos adicionales de falla al equipo, tanto en el equipo de control como en las válvulas automatizadas que cambian el flujo entre las dos columnas de adsorción. Cualquier falla en estos componentes provocaría que el sistema salga de servicio.

¿Existe una diferencia en la tasa de producción o la pureza de producción entre los dos tipos de generadores de nitrógeno?

Los separadores de membrana de nitrógeno normalmente pueden producir nitrógeno con una pureza de hasta el 99,5%, mientras que los generadores de nitrógeno PSA pueden alcanzar una pureza de hasta el 99,9995%. Siendo realistas, la diferencia de pureza potencial entre los dos no tiene importancia en la industria de los rociadores contra incendios, donde el 98% de pureza de nitrógeno se ha convertido en el estándar de la industria para el control de la corrosión.

Al igual que los compresores de aire, los generadores de nitrógeno industrial vienen en una amplia variedad de modelos con diferentes tasas de producción de nitrógeno

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