Como funciona um gerador de nitrogénio? Um guia completo

O que é um gerador de nitrogénio? Uma visão geral

Nos processos industriais, o azoto é um gás útil e inerte que é utilizado em muitas aplicações, incluindo a conservação de alimentos, a segurança em instalações químicas, etc. No passado, o nitrogénio era adquirido através da encomenda em tanques criogénicos ou cilindros que eram enviados para fazer o trabalho pesado. No entanto, o gerador de azoto alterou a forma como a empresa moderna obtém este elemento-chave.

Como sabemos, o ar atmosférico é composto por cerca de 78% moléculas de azoto, 21% moléculas de oxigénio e outros gases como o dióxido de carbono. É separado do ar ambiente pelo gerador de azoto, que funciona como uma substituição dos métodos de abastecimento tradicionais e é mais contínuo, barato e fiável. Esta unidade é adaptada para carregar requisitos específicos de fluxo e pureza, actuando assim como uma unidade de produção dedicada. Esta disponibilidade a pedido reduz os problemas logísticos e os problemas da cadeia de abastecimento que possam surgir, permitindo às empresas gerir o seu abastecimento de azoto.

Tipos de geradores de azoto

Estes geradores atingem o mesmo resultado final - um fornecimento ininterrupto de azoto - mas utilizam métodos diferentes, cada um com as suas próprias vantagens e utilizações adequadas. Os dois tipos dominantes que constituem o grosso industrial são:

Gerador de nitrogénio de membrana

Um gerador de azoto de membrana utiliza uma membrana de azoto para extrair o azoto de outros elementos presentes no ar comprimido. Esta tecnologia utiliza um princípio de funcionamento chamado permeabilidade selectiva que funciona com base na separação de moléculas maiores de moléculas mais pequenas. As moléculas de oxigénio e os vapores de água podem permear através das membranas e as moléculas de azoto são retidas devido ao seu tamanho maior. Este método de separação produz fluxos de gás enriquecidos com azoto de 95% a 99% que consistem em impurezas insignificantes.

Os geradores de nitrogénio de membrana são vantajosos devido à sua facilidade e simplicidade de funcionamento. Estes geradores têm componentes móveis reduzidos, o que os torna mais resistentes à vibração, à corrosão e ao desgaste. Estes geradores são também ideais para utilização em sistemas de aspersão contra incêndios, algumas aplicações industriais e mesmo algumas áreas da indústria farmacêutica que requerem uma pureza moderada de azoto.

A eficiência de um sistema de geração de nitrogénio por membrana depende da qualidade do fluxo de ar comprimido, do tamanho dos poros e do caudal. Este método não envolve processos complexos de separação de oxigénio em fases de adsorção, razão pela qual pode ser utilizado em aplicações que necessitem de um fornecimento ininterrupto de azoto sem grandes requisitos de manutenção.

Adsorção por oscilação de pressão (PSA)

Um gerador de gás que utiliza um sistema de adsorção por oscilação de pressão (PSA) é um novo e sofisticado gerador de azoto com uma maior precisão quando comparado com as anteriores concepções de geradores de azoto. Na sua essência, o PSA utiliza uma peneira molecular para filtrar o azoto de outros gases, principalmente o oxigénio, no ar comprimido. Este processo envolve a utilização de ciclos de pressão para capturar o oxigénio e deixar passar o azoto.

O processo PSA é um processo cíclico e utiliza geralmente dois recipientes de adsorção cheios de material de peneira molecular. No primeiro recipiente, passa ar comprimido a alta pressão, onde o crivo molecular adsorve oxigénio, vapor de água e dióxido de carbono, sendo recolhido o azoto com uma pureza de 99,9% ou superior. Quando a peneira molecular no primeiro recipiente está cheia, o sistema muda para o segundo recipiente que contém peneira molecular fresca que foi regenerada. Ao mesmo tempo, o primeiro recipiente despressuriza e os gases retidos são libertados e o crivo molecular fica pronto para o ciclo seguinte. Ao alternar continuamente entre os recipientes, o azoto é fornecido sem quaisquer pausas.

Os geradores de azoto PSA são especialmente adequados para aplicações em que é necessária uma elevada pureza do azoto, por exemplo, cromatografia gasosa, produtos farmacêuticos e proteção contra incêndios. Embora o custo dos sistemas PSA seja ligeiramente superior ao dos sistemas baseados em membranas, o primeiro é preferido pela sua capacidade de produzir azoto com uma pureza muito elevada, superior a 99,999% (normalmente entre 99,5% e 99,999%).

O último grau de pureza do azoto produzido pelo sistema PSA depende da qualidade e do tipo de peneira molecular utilizada. Jalon é um fabricante profissional de adsorventes de crivo molecular com mais de 20 anos de experiência e um foco na qualidade. Com 112 patentes, a Jalon é especializada na investigação e produção de peneiras moleculares avançadas que oferecem uma elevada resistência à compressão, uma elevada densidade aparente e um desempenho de adsorção excecional. Isto garante que as nossas peneiras moleculares proporcionam um fornecimento constante e fiável de azoto para várias aplicações.

Componentes principais de um gerador de nitrogénio

Como funciona um gerador de nitrogénio? Processo passo a passo

Embora os procedimentos possam diferir ligeiramente em função do tipo de gerador de azoto (membrana ou PSA), o processo é o mesmo: retirar o ar do ambiente e separar o azoto do mesmo para fornecer o azoto com a pureza e o caudal desejados para várias indústrias. Vejamos agora, passo a passo, o seguinte:

Etapa 1: Compressão de ar

O processo começa com um compressor de ar que aspira o ar do ambiente circundante e o comprime até uma determinada pressão. A pressão necessária depende do tipo de gerador e do nível de pureza exigido, situando-se normalmente entre 5 e 10 bar para a maioria dos sistemas PSA. Por outro lado, os sistemas de membrana funcionam a pressões relativamente baixas, normalmente entre 4 e 7 bar.

Etapa 2: Pré-tratamento do ar

O ar que vai ser separado é primeiro pré-tratado para eliminar quaisquer materiais indesejados que possam estar presentes. Isto implica a filtragem do ar para eliminar poeiras, partículas e óleo e, em seguida, a utilização de um secador de ar para eliminar a humidade. De todos os factores que afectam o desempenho do PSA e da separação por membrana, a humidade é um problema fundamental e um dos mais difíceis de gerir.

Etapa 3: Processo de separação de gás

Num gerador de nitrogénio de membrana, o ar comprimido é conduzido através de sistemas de membrana onde as moléculas de oxigénio, o vapor de água e outras impurezas são separadas do nitrogénio.

Num gerador de azoto PSA, ocorre o processo de adsorção do oxigénio na fase de adsorção, em que o oxigénio é seletivamente adsorvido pelo crivo molecular enquanto as moléculas de azoto o atravessam.

Etapa 4: Armazenamento de azoto (opcional)

Nos casos em que o azoto é necessário de forma contínua, o azoto gerado é armazenado em depósitos. Este armazenamento ajuda a manter um caudal constante, mesmo que haja um aumento temporário do caudal.

Etapa 5: Pós-tratamento com azoto (opcional)

Em alguns casos, o azoto pode ser sujeito a um tratamento final, que pode envolver uma purificação adicional para remover quaisquer impurezas residuais, de modo a atingir um determinado nível de pureza para aplicações específicas.

Vantagens da utilização de um gerador de nitrogénio em relação aos métodos de fornecimento tradicionais

Há muitas vantagens em utilizar um gerador de azoto no local em relação a outros métodos de fornecimento de azoto, tais como garrafas ou entregas de azoto líquido. As vantagens mais importantes podem ser atribuídas à redução de custos, maior fiabilidade e maior segurança.

Poupança de custos e eficiência

A principal vantagem que pode ser obtida com a utilização de um gerador de nitrogénio é o facto de o seu funcionamento ser relativamente mais barato. Ao contrário das garrafas de nitrogénio, cuja manutenção é dispendiosa devido às taxas de entrega, ao aluguer das garrafas e a outros custos administrativos, um gerador de nitrogénio fornece nitrogénio conforme necessário. Isto elimina esses custos recorrentes, o que, a longo prazo, se traduz em poupanças de custos. Para as indústrias que utilizam azoto em grandes quantidades, o custo de possuir um gerador será recuperado a longo prazo, uma vez que é mais barato do que ter de encomendar azoto a granel ou alugar garrafas.

Fiabilidade e comodidade

Um gerador de azoto no local garante um fornecimento constante e estável de azoto, livre dos perigos de ter de depender de terceiros. As empresas não têm de se preocupar com o stock de garrafas, a entrega ou a falta de azoto em algum momento do processo. Isto significa que existe um fornecimento constante de azoto sempre que é necessário, fazendo com que as operações decorram de forma suave e eficiente.

Segurança e simplicidade operacional

As garrafas de nitrogénio apresentam certos riscos, tais como fugas de nitrogénio, riscos de pressão e armazenamento e ventilação adequados. Estes riscos são, no entanto, eliminados com a utilização de um gerador de azoto, uma vez que o azoto é gerado dentro da instalação, pelo que não é necessário manusear garrafas de alta pressão. Isto resulta numa redução do número de acidentes que são susceptíveis de ocorrer durante o transporte e manuseamento das garrafas.

Controlo de pureza

Os geradores de azoto permitem ao utilizador gerar azoto com o nível de pureza necessário para a aplicação. Ao contrário de outros métodos que podem proporcionar menos controlo, a produção no local garante que o azoto tem a pureza certa para melhorar o desempenho e a qualidade.

Benefícios ambientais

A produção de azoto no local tem também uma série de vantagens ambientais. Isto porque as empresas não têm de transportar garrafas de azoto ou azoto líquido, o que ajuda a reduzir a pegada de carbono. Além disso, a produção no local provoca um menor desperdício de azoto, sobretudo quando comparado com o azoto líquido, que sofre perdas por evaporação durante o armazenamento e a utilização.

Estes benefícios de custo, fiabilidade, segurança e vantagens ambientais tornam os geradores de nitrogénio adequados para as indústrias que necessitam de um fornecimento constante e de alta qualidade de nitrogénio.

Aplicações comuns dos geradores de azoto em várias indústrias

Os geradores de azoto tornaram-se indispensáveis em vários domínios devido à conveniência de dispor de um fornecimento constante de azoto de elevada pureza. Seguem-se algumas das utilizações dos geradores de azoto:

Indústria farmacêutica

O gás nitrogénio é utilizado na indústria farmacêutica de várias formas, como na embalagem de medicamentos, no armazenamento de medicamentos e em utilizações laboratoriais. O azoto de elevada pureza ajuda a evitar a oxidação do produto, o teor de humidade e o crescimento microbiano, aumentando assim a estabilidade e a segurança do produto.

Indústria de proteção contra incêndios

Na indústria de proteção contra incêndios, o gás nitrogénio é utilizado para ajudar a reduzir os efeitos da corrosão nos sistemas de aspersão contra incêndios. Isto porque, quando o ar rico em oxigénio é substituído por moléculas de azoto nos tubos de aspersão, as probabilidades de corrosão são muito reduzidas, aumentando assim a vida útil do sistema.

Indústria alimentar e de bebidas

Na embalagem de alimentos, o gás nitrogénio é utilizado para criar um ambiente que reduz a taxa de oxidação e as actividades microbianas, aumentando assim o prazo de validade dos alimentos. No passado, eram utilizadas garrafas de azoto, mas os actuais sistemas de geradores de azoto por membrana são mais baratos e fornecem azoto num fluxo contínuo para as linhas de embalagem.

Eletrónica e fabrico

Algumas das indústrias que utilizam azoto incluem o fabrico de produtos electrónicos, o corte a laser e a cromatografia gasosa, em que o azoto é utilizado para minimizar a contaminação e a oxidação. Um sistema gerador de azoto fornece uma temperatura consistente de azoto e o caudal de azoto é também controlado, o que melhora o processo de produção.

Indústria do petróleo e do gás

Os geradores de azoto PSA são utilizados na indústria do petróleo e do gás para garantir que os tanques de armazenamento e as condutas são enchidos com um gás inerte. Isto porque, quando o oxigénio é substituído por azoto puro, as hipóteses de combustão e oxidação são muito reduzidas.

Selecionar o gerador certo para as suas necessidades

A seleção do gerador de azoto adequado é crucial para o bom funcionamento, a relação custo-eficácia e a produção de azoto necessária para o processo. Segue-se um guia que pode ser seguido para facilitar a seleção:

Compreender as opções tecnológicas

Em primeiro lugar, é necessário distinguir entre dois tipos principais de produção de azoto - PSA e membrana. Os geradores PSA são particularmente adequados para a produção de azoto de elevada pureza (superior a 99,9%), utilizando peneira molecular para a separação. São mais adequados para utilização quando é necessário manter um elevado grau de pureza do fluido a processar, mas consomem mais energia devido à necessidade de os regenerar periodicamente. Os sistemas de membrana são mais eficientes em termos energéticos e menos complexos, pelo que são adequados para aplicações em que não é necessária uma pureza elevada (até 99,5%).

Conheça os seus requisitos de pureza

Em segundo lugar, identificar o nível de pureza necessário. Em indústrias como a farmacêutica ou a dos semicondutores, são frequentemente necessários níveis de pureza superiores a 99,9% e é aqui que os geradores de azoto PSA são úteis. Por outro lado, aplicações como a embalagem de alimentos podem necessitar apenas de azoto com uma pureza de até 99,5%, o que é adequado para os geradores de azoto de membrana.

Calcular as necessidades de caudal

Em segundo lugar, avalie a sua utilização de azoto em termos de caudal, que é normalmente expresso em litros por minuto (LPM) ou metros cúbicos por hora (Nm³/h). As suas necessidades actuais e futuras também devem ser tidas em consideração. Os sistemas PSA são ideais para aplicações que requerem uma elevada pureza do gás e caudais elevados, enquanto os sistemas de membrana são ideais para caudais baixos e estáveis.

Considerar a instalação e o funcionamento Ambiente

Os geradores de membrana são compactos e, por isso, ocupam menos espaço do que os sistemas PSA, que necessitam de espaço para os recipientes de adsorção. Além disso, verifique a qualidade do ar comprimido utilizado nas suas instalações e a temperatura do ambiente, uma vez que afectam o sistema.

Eficiência energética e crescimento futuro

A energia é também um fator de custo importante na operação, por isso procure modelos que sejam mais amigos da energia. Os sistemas PSA são geralmente mais intensivos em termos de energia devido ao processo de regeneração, enquanto os sistemas de membrana são processos contínuos com menores requisitos de energia. Além disso, é aconselhável selecionar um gerador com capacidade suficiente para crescimento futuro ou optar por um sistema modular.

Custo total de propriedade

Para além do custo inicial, pense nos custos de utilização do produto em termos de consumo de energia, manutenção e substituição de peças como os filtros. Selecione fabricantes que tenham uma boa reputação por fornecerem equipamento de qualidade e um bom serviço de apoio ao cliente após a venda.

Assim, ao considerar estes factores, pode selecionar o gerador de nitrogénio que se adequa aos requisitos da sua operação em termos de desempenho e custo.

Manutenção para um desempenho ótimo do gerador de azoto

A manutenção é crucial para manter o seu gerador de nitrogénio fiável, eficiente e duradouro. A manutenção reduz as hipóteses de ter de gastar muito dinheiro em reparações, evita a interrupção das operações e garante uma produção constante de azoto para aplicações importantes.

Regular Filtro Substituição

Os filtros são muito importantes para a proteção do seu gerador de nitrogénio. Eliminam o vapor de água, o pó e o óleo do ar comprimido, proporcionando assim um fornecimento de azoto de elevada pureza. Estes filtros ficam obstruídos com o tempo, o que pode levar à redução da eficiência do sistema e das peças internas. Recomenda-se a substituição dos pré-filtros e pós-filtros com a frequência indicada pelo fabricante para garantir que o sistema funciona eficientemente e que o azoto é de elevada pureza.

Regeneração de crivo molecular (Sistemas PSA)

Nos geradores de azoto PSA, são utilizadas peneiras moleculares no processo de separação do azoto do oxigénio. Estes crivos têm de ser regenerados de tempos a tempos, de modo a restaurar a sua capacidade de adsorção. Se a regeneração não for feita corretamente, é provável que a pureza do azoto desça abaixo do valor recomendado de 99,9%. É importante assegurar que os ciclos de regeneração são realizados corretamente, de modo a manter uma produção constante de azoto.

Monitorização da pressão e dos caudais

A pressão e os caudais devem ser mantidos constantes para garantir que o azoto é produzido à taxa correta. Assegurar que o compressor de ar, os sistemas PSA e as unidades de membrana são frequentemente calibrados para evitar alterações de pressão que possam dificultar a separação dos gases. A manutenção do sistema dentro destas gamas reduz a probabilidade de falha e garante que o azoto tem a qualidade correta.

Resolver as fugas e a vibração

Pequenas fugas ou vibrações excessivas podem causar um enorme problema ao gerador, uma vez que este consumirá mais energia e produzirá menos azoto. Verifique se existem sinais de fugas, especialmente em torno de juntas, válvulas e tubos, e repare-os o mais rapidamente possível. A vibração é prejudicial ao sistema e aos seus componentes, pelo que a sua minimização é benéfica para a longevidade do sistema.

Manter o Compressor de ar e Secador

O compressor de ar e o secador de ar são dois componentes importantes no processo de produção de azoto. O compressor deve ser mantido de acordo com as recomendações do fabricante, que incluem a mudança de óleo e a substituição do filtro. Além disso, verifique o secador de ar, uma vez que o ar húmido afecta tanto o PSA como os sistemas de membrana. No caso dos secadores do tipo dessecante, cumpra sempre o calendário de regeneração ou substituição recomendado para evitar a acumulação de humidade.

Estas práticas ajudá-lo-ão a tirar o máximo partido do seu gerador de azoto em termos de desempenho, durabilidade e custo do fornecimento de azoto às suas operações.

Conclusão

Em resumo, os geradores de nitrogénio são mais vantajosos do que os métodos de fornecimento como o nitrogénio líquido, e estes incluem: custo, fiabilidade e segurança. Assim, é crucial compreender os dois principais tipos de geradores, PSA e de membrana, que podem ser escolhidos em função da pureza do azoto, do caudal e do consumo de energia desejados pela empresa. Uma manutenção adequada pode ajudar a garantir que o sistema está a funcionar de forma óptima, fornecendo azoto de elevada pureza e, ao mesmo tempo, reduzindo a frequência das paragens e os custos de funcionamento do sistema.

Quanto ao futuro, espera-se que a indústria de produção de azoto continue a desenvolver-se em termos de tecnologia e desempenho. Espera-se que os novos desenvolvimentos em materiais de membrana e as peneiras moleculares para sistemas PSA aumentem a pureza do azoto e diminuam o consumo de energia. Além disso, a crescente automação e a integração da IoT podem trazer um controlo mais preciso, a monitorização das condições e a gestão da energia. À medida que as indústrias se concentram mais na sustentabilidade, os geradores de azoto também mudarão de uma forma que ajudará a reduzir o impacto no ambiente, oferecendo simultaneamente uma fonte fiável de azoto a pedido.

Por outras palavras, os geradores de azoto são um investimento a longo prazo que não só ajuda a facilitar o trabalho como também contribui para os objectivos ambientais e de custos.

FAQS

P: O caudal e a pureza do azoto podem ser ajustados conforme necessário?

A: Muitos geradores de azoto permitem aos utilizadores ajustar o caudal e a pureza do azoto para satisfazer diferentes requisitos de aplicação.

P: Os geradores de nitrogénio podem funcionar em ambientes extremos?

A: A maioria dos geradores de azoto pode funcionar em vários ambientes industriais, mas temperaturas extremas, humidade ou contaminação podem afetar o seu desempenho. Em tais condições, podem ser necessárias concepções especiais ou medidas de proteção adicionais.

P: A produção de azoto no local é amiga do ambiente?

A: Sim, a produção no local reduz as emissões dos transportes, minimiza a perda de azoto e pode ser integrada com fontes de energia renováveis para uma produção mais ecológica.