Técnicas eficazes para remover o azoto do ar

Introdução: Importância do azoto na indústria

Tal é o poder do azoto, um recurso fundamental em várias indústrias devido à sua inércia. O sector da indústria transformadora depende fortemente do azoto, o que abrange vários domínios, como a agricultura, a indústria farmacêutica, entre outros. As indústrias que sabem como remover eficazmente o azoto do ar são capazes de gerar azoto gasoso puro. A produção de amoníaco, os processos químicos, a embalagem de alimentos e os produtos farmacêuticos são algumas das aplicações em que este azoto puro é necessário.

A maior parte dos ambientes controlados utilizados em diferentes locais de fabrico não poderiam ser realizados sem azoto puro retirado do ar atmosférico. O isolamento do azoto não envolve apenas o seu isolamento de outros gases, mas inclui também a divisão do oxigénio, do dióxido de carbono e do vapor de água, entre outros. Esta separação garante o cumprimento dos mais elevados padrões de qualidade e segurança em todas as utilizações industriais. No passado recente, as formas de remover o azoto do ar melhoraram significativamente devido ao aumento da procura industrial. Este artigo procura desvendar os métodos críticos utilizados na extração de azoto, de modo a permitir-lhe tomar decisões informadas com base nas suas necessidades específicas.

Visão geral dos métodos de extração de azoto

Já há muito tempo que a destilação fraccionada e outros métodos tradicionais de extração de azoto são os mais utilizados e altamente eficazes para produzir azoto de elevada pureza. O fracionamento é complicado, tendo várias etapas: em primeiro lugar, o ar atmosférico é arrefecido até se liquefazer. Numa coluna de destilação, este ar líquido é então suavemente aquecido, após o que os gases se separam com base nos seus pontos de ebulição. O azoto, que ferve a -195,8°C, evapora-se mais rapidamente do que o oxigénio, que ferve a -183°C. Esta regulação detalhada da temperatura permite um isolamento eficaz do azoto.

A destilação fraccionada apresenta desvantagens notáveis, apesar da sua elevada eficácia. Este processo depende em grande medida da eletricidade, uma vez que requer muita energia eléctrica para manter as temperaturas extremamente baixas necessárias para a liquefação do ar, o que resulta em custos operacionais elevados. Além disso, a instalação e a manutenção de instalações de destilação fraccionada são complexas e dispendiosas, pelo que são menos acessíveis às pequenas empresas.

A eficiência energética e a relação custo-eficácia são as principais vantagens obtidas com os recentes avanços tecnológicos. Por vezes, os sistemas PSA requerem um menor consumo de energia, uma vez que podem ser instalados no local, poupando assim custos logísticos e sendo flexíveis Os sistemas de membrana simplificaram-se ainda mais, de modo a necessitarem de muito pouca manutenção, ao mesmo tempo que a sua expansão é fácil. Assim, com estas técnicas, embora não se atinja a pureza ultra-alta que é possível obter através da destilação fraccionada, muitas aplicações industriais beneficiam, tornando-as opções adequadas para as empresas que pretendem otimizar as suas operações de produção de azoto

Destilação criogénica

Explicação do processo

Este processo avançado de destilação fraccionada é a destilação criogénica, que é frequentemente referida como o padrão de ouro para a separação de gases. Neste procedimento, o ar atmosférico arrefece até atingir -196°C e acaba por se liquefazer. O ar líquido é então cuidadosamente aquecido para que atinja gradualmente o seu ponto de ebulição, o que leva a uma mudança dramática, uma vez que o azoto, o oxigénio, o fósforo e outros gases inertes, como o árgon, continuam a separar-se. No entanto, todo este método depende muito da diferença de pontos de ebulição entre o azoto (-195,8°C) e o oxigénio (-183°C). É possível obter elevados níveis de pureza extraindo primeiro o azoto líquido antes de o purificar para remover as impurezas.

Note-se que a destilação criogénica permite obter uma produção elevada de azoto puro, com uma pureza de 99,999% por vezes acessível, o que a torna útil sobretudo nas indústrias em que a pureza dos gases é sacrossanta. Além disso, esta estratégia também pode ser aplicada para melhorar o fabrico eficaz de outros gases, como o oxigénio e o árgon, que poderiam servir como produtos valiosos desta técnica. Foram efectuados numerosos estudos com o objetivo de melhorar a eficácia deste processo. No entanto, este método consome mais energia do que qualquer outra alternativa, mas requer maquinaria complicada e uma manutenção extensiva que aumenta significativamente os custos de funcionamento. Mais uma vez, o capital inicial necessário para a instalação de uma unidade de destilação criogénica pode ser muito elevado, tornando esta abordagem impraticável para as pequenas empresas em certos casos. Do mesmo modo, os equipamentos são facilmente corroídos e desgastados, o que reduz o seu tempo de vida útil e a sua eficácia.

Aplicações industriais

A destilação criogénica é predominantemente utilizada em indústrias que requerem azoto ultra-puro. É o método de referência para a produção de azoto para a indústria de semicondutores, gases de qualidade médica e produtos químicos especializados. O azoto de alta pureza é essencial nestes campos para evitar a contaminação e garantir a qualidade e segurança do produto. Essencialmente, esta técnica é mais adequada para operações em grande escala que possam justificar os elevados custos operacionais e de capital.

Adsorção por oscilação de pressão (PSA)

Princípio de funcionamento

A adsorção por oscilação de pressão (PSA) é um método utilizado para eliminar o azoto do ar e envolve a utilização de peneiras moleculares de zeólito ou de carvão ativado. As peneiras moleculares de zeólito são cristais de aluminossilicato com poros uniformes. Estes materiais possuem capacidades de adsorção selectiva, sendo assim perfeitos para isolar o azoto. O ar atmosférico é comprimido em primeiro lugar antes de passar através de qualquer leito adsorvente, que é maioritariamente constituído por zeólito. As moléculas de azoto são seletivamente adsorvidas pela peneira molecular devido ao seu menor diâmetro cinético, deixando passar o oxigénio e outras moléculas maiores. Quando o adsorvente fica saturado com azoto, os passos de redução da pressão provocam a libertação do azoto que foi adsorvido como gás de produto de elevada pureza. Os sistemas PSA funcionam de forma cíclica, com vários leitos de adsorvente a funcionar alternadamente, de modo a manter uma produção contínua de azoto gasoso. Para uma produção consistente de azoto e um funcionamento eficiente do sistema, tem de haver uma gestão eficaz do ciclo e um controlo preciso das oscilações de pressão.

Aplicações adequadas

A principal vantagem dos sistemas PSA é o seu consumo de energia relativamente baixo em comparação com a destilação criogénica. Além disso, podem ser instalados no local, o que reduz os encargos logísticos associados ao transporte de azoto puro. A compacidade das unidades de PSA torna-as ideais para pequenas áreas. Além disso, os sistemas PSA oferecem um serviço de nitrogénio de pureza moderada a elevada que é sensível ao custo para as indústrias que necessitam desse gás; entre estas incluem-se as aplicações em embalagens de alimentos, onde é utilizado para deslocar o oxigénio para prolongar o prazo de validade, e o processamento de metais, onde funciona como gás de cobertura.

As indústrias interessadas em azoto ultrapuro não considerariam os sistemas PSA, uma vez que o azoto só pode ter uma pureza de 95% até 99,9%. No entanto, estes níveis de pureza são suficientes para alguns mercados, como o processamento de metais e a embalagem de alimentos.

Jalon: Um fornecedor de confiança de peneiras moleculares para a separação de nitrogénio PSA

A Jalon é um fabricante líder de peneiras moleculares, zeólitos e alumina activada de primeira classe, que são indispensáveis para a separação de azoto em PSA. Em particular, fabricam peneiras moleculares enriquecidas com oxigénio que pertencem à série JLOX-500 e possuem excelentes propriedades de adsorção de azoto, bem como seletividade entre o azoto e o oxigénio. Assim, estes tornaram-se componentes vitais para uma separação de azoto eficiente e consistente nas instalações de geração de oxigénio PSA.

Geração de nitrogénio por membrana

Como funciona

Outro método recente de remoção de azoto do ar é através da geração de azoto por membrana. Neste processo, o ar comprimido passa através de uma membrana de polímero com aberturas microscópicas. O oxigénio, o dióxido de carbono, o vapor de água e quaisquer outros gases não são autorizados a passar enquanto o azoto permeia, resultando num fluxo contínuo de azoto gasoso. A eficiência do método pode ser facilmente aumentada através da colocação em paralelo de várias membranas. A pureza do azoto pode ser manipulada alterando a pressão e a taxa de fluxo de ar através do sistema de membranas.

Vantagens e desvantagens

A vantagem mais importante dos geradores de azoto de membrana é a sua simplicidade e adaptabilidade. Utilizam menos energia, têm menos peças móveis e requerem menos atenção em comparação com outros métodos. Além disso, também podem ser ajustados muito facilmente para corresponder a diferentes requisitos de pureza do gás nitrogénio, o que os torna dispositivos altamente adaptáveis. A Geração de Azoto por Membranas é mais adequada quando são necessários níveis moderados de pureza de Azoto, tais como em sistemas de supressão de incêndios em cozinhas comerciais ou estações de enchimento de pneus utilizadas em oficinas de automóveis ou mesmo em algumas indústrias de embalagem de alimentos onde os baixos custos de manutenção são fundamentais.

No entanto, os sistemas de membrana atingem normalmente níveis de pureza que variam entre 90% - 99%, o que pode não satisfazer determinadas aplicações de elevada pureza. Além disso, o tempo provoca a deterioração do desempenho, o que exige a substituição periódica dos módulos que constituem estes sistemas.

Comparação de métodos de extração

Níveis de pureza

Os níveis de pureza do azoto produzido são um fator crucial para a seleção de um método de extração. A destilação criogénica tem os níveis de pureza mais elevados que se podem atingir, ultrapassando frequentemente os 99,999%, o que a torna preferível para aplicações de elevada precisão, como as do fabrico de semicondutores e as aplicações médicas. Em contrapartida, os sistemas PSA atingem níveis de pureza mais baixos mas significativos, entre 95-99,9%, que são úteis em muitas indústrias. Por outro lado, os sistemas de membrana fornecem purezas de azoto entre 90% e 99%, sendo mais adequados para aplicações em que não é obrigatória a pureza mais elevada possível.

Eficiência de custos

Os métodos variam em termos da sua relação custo-eficácia. Os sistemas de membranas são geralmente os menos dispendiosos de operar devido à sua simplicidade e às baixas taxas de consumo de energia. Os sistemas PSA atingem um equilíbrio entre custo e pureza, tornando-os adequados para muitas aplicações industriais. No entanto, a destilação criogénica está sempre associada aos custos mais elevados, uma vez que requer muita energia e ferramentas complexas que são muito dispendiosas.

Requisitos de manutenção

Existem também grandes discrepâncias entre os requisitos de manutenção. Os sistemas de membranas têm menos/mais peças móveis do que outros, pelo que a sua manutenção tende a ser mais fácil/mais complicada, o que leva a uma diminuição/aumento da complexidade operacional, respetivamente, em comparação com outros métodos, como a adsorção em materiais sólidos utilizados no sistema PSA (substituição do adsorvente). A manutenção da destilação criogénica exige mais esforços devido à sua natureza complexa, que envolve equipamento especializado capaz de suportar temperaturas extremamente baixas.

Vantagens da utilização de geradores de azoto

A utilização de geradores de azoto pode conduzir a poupanças substanciais. A produção de azoto no local elimina a necessidade de comprar, transportar e armazenar garrafas de azoto ou azoto líquido, o que pode ser dispendioso e difícil em termos de logística. Isto é especialmente relevante para as indústrias com elevadas necessidades de azoto, onde os ganhos de custos podem ser significativos ao longo do tempo.

Os geradores de azoto no local garantem o fornecimento contínuo de azoto, pelo que não há interrupção do processo de produção devido a falhas na cadeia de abastecimento. Além disso, são amigos do espaço, uma vez que ocupam consideravelmente menos espaço do que o exigido por grandes tanques de armazenamento ou prateleiras de garrafas, permitindo que as empresas utilizem a sua área útil de forma eficaz noutras actividades essenciais

A utilização de geradores de azoto ajuda a reduzir os impactos ambientais relacionados com o fabrico e o transporte de azoto. Além disso, as empresas que geram o seu próprio azoto podem evitar as emissões de carbono resultantes do transporte a longa distância de nitrogénio líquido ou de cilindros de gás de alta pressão. Além disso, os geradores de azoto modernos são concebidos tendo em conta a suficiência energética, reduzindo assim ainda mais o seu impacto global no ambiente.

Escolher o gerador de nitrogénio certo para a sua empresa

Para a sua operação, é necessário ter em conta alguns aspectos ao escolher um gerador de azoto, tais como os requisitos específicos de pureza, as restrições orçamentais e o volume de produção. Os sistemas PSA mais utilizados são apropriados para uma variedade de aplicações industriais porque oferecem um bom equilíbrio entre o custo e o nível de pureza em termos de fixação de azoto. No entanto, se as operações de uma empresa exigirem azoto de pureza ultra elevada, a destilação criogénica pode ser preferível, apesar de ser mais cara. Por outro lado, os sistemas baseados em membranas seriam ideais quando as purezas não são restritivas e os custos de manutenção devem ser mantidos baixos. A investigação aprofundada demonstrou que, embora existam formas simples de obter a produção de nitrogénio, um novo método revolucionário como a destilação criogénica destaca-se pelas necessidades de elevada pureza, apesar dos custos mais elevados.

Conclusão

A extração de azoto da atmosfera é vital para muitos processos industriais e depende de necessidades específicas como a relação custo-eficácia, os níveis de pureza e a manutenção. Este conhecimento permite que as empresas escolham um gerador de azoto com base nas suas necessidades especiais, assegurando assim que dispõem de um fornecimento de azoto fiável, económico e ecológico para as suas instalações. Ao adotar esta abordagem, as indústrias estarão em condições de otimizar os seus processos de fabrico, melhorar a qualidade dos produtos e reduzir os custos operacionais.