Generador de nitrógeno líquido: una guía completa de producción, técnicas y aplicaciones

Los generadores de nitrógeno líquido han demostrado ser una revolución en diferentes industrias en un mundo sujeto a la precisión y la eficiencia. Proporcionan una solución sencilla para la producción bajo demanda de nitrógeno líquido utilizado específicamente en diferentes aplicaciones que van desde la criogenia hasta la conservación de alimentos a costos muy bajos.

¿Pero cómo funcionan? ¿Qué ventajas tienen y cómo se solucionan algunos problemas comunes para garantizar que funcionen continuamente? Este artículo está destinado a cubrir todo lo que hay que saber sobre los generadores de nitrógeno líquido: sus piezas y componentes, soluciones de resolución de problemas y la variedad de industrias en las que se confía en estas máquinas para proporcionar procesos esenciales.

¿Qué es un generador de nitrógeno líquido?

Cómo se puede licuar el nitrógeno

El método de convertir el gas nitrógeno en estado líquido enfriándolo a una temperatura inferior a -196 °C se denomina licuefacción de nitrógeno. Esto se puede hacer con la ayuda de enfriamiento criogénico y otros sistemas de alta presión.

Tiene una importante aplicación industrial en la que, tras la congelación, el almacenamiento y las reacciones químicas, las propiedades del nitrógeno líquido, es decir, muy baja temperatura e inercia, son esenciales. La pureza del nitrógeno, en general, se convierte en una preocupación principal ya que las impurezas reducen la eficiencia y eficacia del proceso de licuefacción.

Funciones del nitrógeno en las industrias

• In fabricación industrial, el nitrógeno se utiliza en soldadura, corte por láser y en determinados tratamientos de metales.

• Para cuidado de la salud, el nitrógeno líquido se utiliza para la criopreservación de muestras biológicas, el transporte de órganos y en algunos tratamientos dermatológicos como la eliminación de verrugas.

• En el industria de alimentos y bebidas, conserva los alimentos mediante congelación instantánea, ayuda a darle textura al helado y crea atmósferas inertes en los envases para controlar el deterioro.

Generación de nitrógeno líquido a escala

A la hora de producir nitrógeno líquido en masa, se hace necesaria la adopción de equipos específicos basados ​​exclusivamente en las diferentes aplicaciones. Los generadores industriales de nitrógeno líquido están diseñados para una alta productividad, lo que permite su uso en líneas de producción comerciales.

Por el contrario, en los laboratorios de investigación se utilizan generadores pequeños y compactos que tienen la cantidad justa de energía necesaria para los experimentos científicos. Muchos fabricantes tienen soluciones de generadores personalizadas que permiten a las industrias adaptarlos a sus requisitos de producción y operación.

¿Cómo funciona el proceso de generación de nitrógeno líquido?

Sistemas novedosos para enfriar aire

El primer acto de licuar el nitrógeno es enfriar el aire atmosférico a temperaturas muy bajas. Los sistemas criogénicos enfrían el aire por debajo del punto de ebullición del nitrógeno (-196°C).

Esta etapa suele ir seguida de un ciclo de expansión que antes ha enfriado drásticamente las temperaturas. El preenfriamiento, que implica la compresión de aire para eliminar el calor, inicializa este proceso. Los intercambiadores de calor y los refrigerantes eficaces son componentes cruciales para las velocidades de enfriamiento requeridas.

Compresión de aire para una separación eficiente

Después de la compresión y el enfriamiento, el aire se somete a alta presión, lo que ayuda a separar el nitrógeno de otros componentes del aire. Esto es posible gracias a los compresores que deberían ser energéticamente eficientes y al mismo tiempo capaces de procesar grandes volúmenes de aire.

La humedad y la contaminación se eliminan del aire antes de usarlo para producir una corriente de gas de alimentación limpia y seca. Esta purificación es fundamental para producir nitrógeno líquido de calidad.

Extracción de nitrógeno a partir de métodos criogénicos.

El proceso de separación comienza después de haber comprimido y purificado el aire. Esto se hace principalmente mediante destilación criogénica, mediante la cual el aire se trata a temperaturas muy bajas, a las que sus componentes se licuan a diferentes temperaturas. Como el nitrógeno tiene el punto de ebullición más bajo entre los principales componentes del aire, se puede separar primero.

Posteriormente, el nitrógeno líquido se almacena en tanques criogénicos aislados para minimizar la transferencia de calor y la contaminación hasta su uso. Este proceso también se puede mejorar aún más mediante la adopción de tecnologías modernas como la adsorción por cambio de presión (PSA) y la separación por membrana para mejorar la eficiencia y la escalabilidad.

Parámetros técnicos clave del generador de nitrógeno líquido

1. Pureza del nitrógeno
   Normalmente, las purezas del nitrógeno estaban entre el 95% y el 99,999%, aumentando a niveles de pureza más altos para determinadas aplicaciones, como fines médicos o de investigación. La pureza está determinada por el desempeño del proceso de separación, como la destilación criogénica o PSA (Adsorción por cambio de presión).

2. Capacidad de producción
   La capacidad de producción se refiere a la cantidad de nitrógeno líquido que un generador puede producir en un período de tiempo determinado (a menudo en litros/día (LPD) o metros cúbicos/hora (Nm³/h)). Este rendimiento está influenciado por el diseño del generador, el tamaño del compresor y la eficiencia del proceso de separación.

3. Consumo de energía El consumo de energía es uno de los factores más importantes que afectan el precio operativo de los generadores de nitrógeno líquido. Su medida generalmente se expresa en kilovatios (kW) por unidad de nitrógeno producido (kWh/Nm³). En particular, la eficiencia energética también depende de los ciclos de enfriamiento logrados por el sistema, los intercambiadores de calor y el tipo de compresor.

4. Presión de funcionamiento
   La presión de operación muestra la presión bajo la cual el aire ingresa a los pasos de compresión y procesamiento del sistema. Normalmente está entre 6 y 10 bar (1 bar = atmósfera). Las presiones elevadas dan como resultado una separación aún más eficiente de las moléculas de nitrógeno, pero requieren una construcción más resistente. La presión influye en el tamaño y el diseño de los compresores, así como en la eficiencia general de la licuefacción.

5. Control de temperatura
   El enfriamiento tenía que ser muy preciso durante todo el proceso de licuefacción para que el aire pudiera enfriarse en los rangos necesarios para la licuefacción sin contaminación ni pérdida de eficiencia. Todo el sistema también debe permanecer a temperaturas uniformes, desde la compresión del aire hasta el almacenamiento de nitrógeno líquido.

6. Eficiencia de los compresores
   Los compresores tienen que manejar grandes cantidades de aire y deben realizar el trabajo con un bajo consumo de energía. Las plantas de compresores multietapa se utilizan normalmente en sistemas vastos para aumentar la presión y la temperatura y optimizar la licuefacción. La eficiencia de un compresor depende más de su potencia de entrada que del volumen de aire comprimido.

7. Tiempo de ciclo
   El tiempo de ciclo se define como el tiempo necesario para procesar un lote completo de aire en nitrógeno líquido. Los tiempos de ciclo son más cortos, lo que normalmente significa una tasa de producción más rápida, pero se necesita un sistema más complejo para mantener la eficiencia y la estabilidad. Se necesita un equilibrio entre el tiempo del ciclo y la energía para que un generador sea rentable sin sacrificar el rendimiento.

8. Intervalos de mantenimiento
   El mantenimiento acaba con el día de todos los componentes (compresores, unidades de refrigeración y sistemas de separación) que funcionarían a un nivel determinado. El programa de mantenimiento depende del entorno operativo, el tamaño del sistema y la frecuencia de uso. La fiabilidad del rendimiento durante toda la vida útil del generador depende de la reducción de los tiempos de inactividad y del desgaste prematuro de los componentes.

9. Niveles de ruido
   Los niveles de ruido, aunque no siempre son una preocupación en el mundo industrial, constituyen una especificación técnica importante, especialmente con generadores en entornos más sensibles al ruido o conscientes del ruido. El ruido generalmente proviene de compresores, válvulas de expansión y otros componentes mecánicos. La reducción del ruido mejora las condiciones de trabajo, especialmente en instalaciones médicas o de investigación donde el generador puede estar cerca de las personas.

10. Capacidad de almacenamiento y aislamiento
    El nitrógeno líquido debe almacenarse a temperaturas extremadamente bajas y los tanques de almacenamiento deben estar bien aislados para evitar la evaporación. La calidad del aislamiento y la capacidad de los tanques de almacenamiento son parámetros críticos. Los tanques de almacenamiento suelen estar diseñados para contener nitrógeno líquido a una presión de aproximadamente 1 a 5 bar, lo que garantiza un almacenamiento estable y una transferencia eficiente a las aplicaciones según sea necesario.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas del generador de nitrógeno líquido?

Ventajas de los generadores industriales de nitrógeno líquido

• Rentabilidad
  Con el generador de nitrógeno líquido se puede avanzar mucho para acabar con el abastecimiento presupuestario de nitrógeno, contando con él sólo por una vez; entonces el costo real pasa a ser costo eléctrico y de mantenimiento para la operación, siendo así un método de suministro más sustentable y económico al cabo de un tiempo.

• Producción bajo demanda
  Los generadores de nitrógeno líquido pueden hacer posible que las empresas produzcan nitrógeno in situ para consumo inmediato, liberando así el suministro de retrasos a través de la cadena de suministro, ofreciendo una mayor flexibilidad, especialmente para las empresas donde la demanda de nitrógeno fluctúa.

• Nitrógeno de alta pureza
  Esos generadores avanzados de nitrógeno líquido pueden producir nitrógeno puro, necesario en aplicaciones específicas como la investigación médica, la criogenia y la fabricación de semiconductores.

• Respetuoso con el medio ambiente
  La mayoría de las veces, una producción económica de nitrógeno en el sitio generalmente significará menos nitrógeno en movimiento y, por lo tanto, reducirá la huella de carbono de las emisiones involucradas en la entrega y el almacenamiento de nitrógeno por cilindro o a granel.

Desventajas de los generadores industriales de nitrógeno líquido

• Alta inversión inicial
  Un gran desembolso inicial es comprar e instalar un generador de nitrógeno líquido. Incorpora todos los costos de equipos, costos de instalación, costos de infraestructura, etc., que pueden prohibir a las empresas pequeñas o con baja demanda de nitrógeno.

• Requisitos de mantenimiento
  Necesitará asistencia constante para funcionar mejor; involucrando la misma frecuencia de servicio para compresores, sistemas de enfriamiento y tanques de almacenamiento; Si se descuida, este mantenimiento puede provocar costosas reparaciones y tiempo de inactividad.

¿Cuáles son las aplicaciones clave de los generadores de nitrógeno líquido?

Criopreservación y aplicaciones médicas

• Almacenamiento de muestras biológicas: El nitrógeno líquido se usa comúnmente para almacenar muestras biológicas como sangre, esperma y embriones a temperaturas ultrabajas para preservar su viabilidad para uso futuro.

• Preservación de órganos: Desempeña un papel fundamental en la preservación de órganos para trasplantes al ralentizar los procesos metabólicos y reducir el riesgo de daño tisular.

• Criocirugía: El nitrógeno líquido se utiliza en procedimientos criocirugía para tratar tejidos anormales o enfermos, como verrugas, lesiones precancerosas o tumores, congelándolos y destruyéndolos.

Industria de alimentos y bebidas

• Conservación de alimentos: El nitrógeno líquido se utiliza para congelar alimentos instantáneamente, preservando la textura, el sabor y el valor nutricional al reducir rápidamente las temperaturas sin formar grandes cristales de hielo.

• Envases de alimentos: Crea una atmósfera inerte en el embalaje, evitando la oxidación y prolongando la vida útil, especialmente para productos delicados como patatas fritas, frutos secos y snacks.

• Helado de nitrógeno líquido: Algunos establecimientos de comida utilizan nitrógeno líquido para crear helado al instante, proporcionando una textura más suave y una experiencia gastronómica única para los clientes.

Industrias química y farmacéutica

• Reacciones químicas: El nitrógeno líquido se utiliza para crear entornos de baja temperatura para reacciones que requieren condiciones criogénicas, como en la producción de ciertos productos químicos y farmacéuticos.

• Almacenamiento farmacéutico: Se utiliza para almacenar productos químicos, vacunas y medicamentos sensibles que requieren temperaturas bajo cero para mantener la estabilidad y la eficacia.

• Procesos de secado y congelación: El nitrógeno líquido se emplea en procesos de liofilización y pulverización, especialmente para materiales sensibles al calor, lo que garantiza que los productos conserven su integridad durante la producción.

Investigación y desarrollo

• Aplicaciones de laboratorio: En los laboratorios, el nitrógeno líquido se utiliza para enfriar materiales e instrumentos, como en la congelación criogénica de muestras biológicas o para enfriar materiales superconductores.

• Pruebas de materiales: Ayuda a probar materiales bajo temperaturas extremas, como metales, aleaciones y polímeros, simulando condiciones criogénicas para evaluar sus propiedades y rendimiento.

• Reacciones aceleradas: Los investigadores utilizan nitrógeno líquido para acelerar ciertos procesos químicos que requieren un enfriamiento rápido, como en el estudio de las velocidades de reacción o la formación de compuestos específicos.

Industrias metalúrgicas y electrónicas

• Tratamiento criogénico de metales: El nitrógeno líquido se utiliza en el tratamiento criogénico de metales para mejorar la dureza, la durabilidad y la resistencia al desgaste, particularmente en la fabricación de herramientas, piezas de automóviles y componentes aeroespaciales.

• Fabricación de productos electrónicos: El nitrógeno líquido se emplea en la producción y prueba de productos electrónicos, especialmente para enfriar componentes sensibles durante el ensamblaje y garantizar su estabilidad y longevidad bajo temperaturas extremas.

Aplicaciones ambientales

• Control de la contaminación: El nitrógeno líquido se utiliza en unidades de separación de aire para eliminar el oxígeno del aire y crear atmósferas inertes para la combustión o para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) en entornos industriales.

• Industria del petróleo y el gas: En el sector del petróleo y el gas, el nitrógeno líquido se utiliza para estimular pozos, realizar pruebas de presión y proporcionar una atmósfera inerte durante determinadas operaciones de perforación para mejorar la seguridad y el rendimiento.

Soluciones de resolución de problemas para generadores industriales de nitrógeno líquido

1. Baja producción de nitrógeno o ninguna producción de nitrógeno líquido

• Examine el funcionamiento del compresor de aire: Comprobar si un compresor de aire funciona perfectamente o no, es decir, en la medida de lo posible, hay que confirmar si la producción de nitrógeno será buena tan pronto como el compresor funcione a la presión requerida. Busque fugas, sellos viejos o dañados y válvulas que funcionen mal y que comprometan el rendimiento.

• Verifique la funcionalidad del sistema criogénico: Los intercambiadores de calor criogénicos y las válvulas de expansión son los contribuyentes más críticos en un proceso de licuefacción. Para tales componentes, se debe garantizar su limpieza y condiciones normales de funcionamiento. Cualquier bloqueo o suciedad en estos componentes puede reducir la eficacia del sistema para enfriar el aire y producir nitrógeno líquido.

• Inspeccione las configuraciones de presión y temperatura: Verifique que los ajustes de presión y temperatura cumplan con las especificaciones establecidas por el fabricante porque los ajustes incorrectos no permitirán que el aire se licue.

• Busque contaminación: Si la pureza del nitrógeno es menor, comprometerá la producción de contaminantes como agua, aceite o partículas del aire alimentado. Limpie o reemplace filtros, separadores de humedad y cualquier otro sistema de filtrado sucio involucrado en el proceso.

2. Baja pureza del nitrógeno líquido

• Examinar el proceso de separación: La pureza del nitrógeno líquido está influenciada por la eficiencia de la unidad de separación de aire. Si las columnas de separación de aire o destilación no funcionan correctamente, es posible que no separen adecuadamente el nitrógeno de otros gases. Inspeccione si hay problemas con las columnas de destilación criogénica o los sistemas PSA (adsorción por cambio de presión).

• Inspeccionar filtros y materiales de adsorción: Con el tiempo, los materiales de adsorción en el sistema PSA o en los filtros pueden saturarse, reduciendo la capacidad del sistema para lograr la pureza requerida. Revise y reemplace periódicamente estos materiales según sea necesario.

• Verifique si hay fugas de gas: Las fugas en las líneas de entrada de aire o de salida de nitrógeno pueden provocar impurezas en el nitrógeno. Inspeccione todas las tuberías, sellos y conexiones en busca de fugas y reemplace los sellos o componentes defectuosos.

3. Consumo excesivo de energía

• Inspeccionar la eficiencia del compresor: Un compresor que funciona mal puede aumentar significativamente el consumo de energía. Asegúrese de que los compresores funcionen con una eficiencia óptima, con una lubricación adecuada y sin desgaste mecánico. Reemplace cualquier componente desgastado, como cojinetes o sellos, que puedan estar reduciendo la eficiencia.

• Revisión del aislamiento del sistema: Un aislamiento deficiente en los tanques o tuberías de almacenamiento criogénico puede provocar una transferencia de calor, lo que hace que el sistema utilice más energía para mantener bajas temperaturas. Asegúrese de que todos los tanques y tuberías de almacenamiento estén adecuadamente aislados para minimizar la pérdida de energía.

• Optimice los ajustes de temperatura y presión: Asegúrese de que las presiones y temperaturas de funcionamiento se ajusten correctamente para maximizar la eficiencia energética. Los ajustes de alta presión pueden consumir más energía, así que asegúrese de que coincidan con la tasa de producción de nitrógeno requerida.

4. Fallos o apagados frecuentes del sistema

• Monitor de sobrecalentamiento: Verifique el sistema de enfriamiento y los refrigerantes utilizados en el ciclo criogénico. El sobrecalentamiento debido a una cantidad insuficiente de refrigerante o un mal funcionamiento del intercambiador de calor puede hacer que el sistema se apague automáticamente para evitar daños.

• Examinar las válvulas de alivio de presión: Las válvulas de alivio de presión defectuosas pueden provocar paradas innecesarias debido a lecturas de presión incorrectas. Inspeccione periódicamente las válvulas en busca de signos de daño o desgaste y reemplácelas según sea necesario.

• Verifique si hay fallas en el sistema de control: Si los sistemas de control electrónico, sensores o reguladores no funcionan correctamente, pueden provocar paradas del sistema. Inspeccione todos los sensores y controladores para verificar su precisión y recalibre o reemplácelos según sea necesario.

5. Ruido o vibración inusuales

• Inspeccionar los cojinetes del compresor y del motor: Los ruidos o vibraciones inusuales pueden indicar cojinetes desgastados o piezas desalineadas en los compresores o motores. Inspeccione y lubrique los cojinetes con regularidad y reemplácelos si muestran signos de desgaste.

• Verifique si hay componentes sueltos: Las piezas sueltas del sistema, incluidos sujetadores, bombas o tuberías, pueden provocar una vibración excesiva. Apriete todas las conexiones y asegúrese de que todos los componentes estén seguros.

• Examinar las válvulas de expansión: Una válvula de expansión que no funciona correctamente puede provocar un funcionamiento irregular, produciendo vibraciones o ruidos inusuales. Inspeccione la válvula en busca de obstrucciones o daños y reemplácela si es necesario.

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