O Guia Completo para a Produção de Azoto: Métodos e Aplicações

O que é a produção de nitrogénio? Entendendo o básico

A produção de nitrogénio é o processo de purgar o gás nitrogénio (N₂) da atmosfera terrestre para utilização em diferentes indústrias. O azoto é o elemento mais abundante na superfície terrestre, constituindo cerca de 78% da atmosfera terrestre, mas raramente é utilizado na sua forma gasosa natural. No entanto, as indústrias necessitam de azoto puro ou de compostos de azoto apenas para determinadas utilizações. Para satisfazer estas necessidades, o azoto tem de ser separado do oxigénio, do vapor de água, do dióxido de carbono e de outros gases presentes no ar, utilizando técnicas específicas.

O azoto gasoso é preparado industrialmente para utilização em processos em que é necessária uma atmosfera inerte, por exemplo, na produção química, no processamento de alimentos e no fabrico de medicamentos. O azoto é também utilizado na produção de outros compostos, como o ácido nítrico, o nitrato de sódio e o nitrato de potássio, que são vitais na agricultura, na indústria mineira e noutras indústrias.

Para saber como produzir azoto é necessário aprender diferentes métodos, como a adsorção por oscilação de pressão (PSA), a destilação criogénica e a separação por membranas. Estes métodos têm as suas próprias vantagens e são utilizados em função da pureza do azoto necessária, do custo e do volume de produção. As tecnologias de produção de azoto avançaram desde a produção de azoto à escala industrial até à produção de azoto à escala laboratorial para satisfazer as necessidades crescentes das indústrias.

Como é gerado o gás nitrogénio: Explorando os principais métodos

A produção de nitrogénio envolve a utilização de tecnologias sofisticadas para extrair nitrogénio gasoso da atmosfera. As três técnicas mais utilizadas são a adsorção por oscilação de pressão (PSA), a destilação criogénica e a separação por membranas. Estes métodos diferem em termos de nível de sofisticação, custo e tipo de azoto que geram, mas todos eles se destinam a gerar azoto de elevada pureza para utilização na indústria e no comércio.

(Adsorção por oscilação de pressão)

A adsorção por oscilação de pressão (PSA) é uma das tecnologias mais populares e eficazes para a obtenção de azoto gasoso de elevada pureza, especialmente para as empresas que necessitam de produção no local. Utiliza a capacidade do crivo molecular de carbono (CMS) para adsorver seletivamente o azoto de outros gases no ar, como o oxigénio, para separar o azoto do oxigénio e de outras impurezas no ar.

O funcionamento é o seguinte: Em primeiro lugar, o ar ambiente é comprimido através de um compressor de ar, de modo a que o ar fornecido ao sistema seja comprimido. No entanto, este ar comprimido tem de ser pré-tratado antes de chegar ao crivo molecular de carbono, através de secagem. Um dos processos mais importantes para manter o desempenho e a eficiência do sistema é o processo de secagem do ar. Se a humidade não for devidamente removida, afectará o crivo molecular de carbono, diminuirá a capacidade de adsorção e conduzirá a uma saturação precoce. Para evitar isto, são utilizados agentes de secagem como a alumina activada. Para uma secagem mais profunda, são utilizados crivos moleculares (3A, 4A ou 13X). Estes materiais podem mesmo eliminar quantidades de vapor de água até ao ponto de o ar alimentado no sistema PSA estar suficientemente seco para salvaguardar o CMS e garantir uma qualidade constante do azoto.

Após a secagem, o ar comprimido é passado através de um recipiente que contém um crivo molecular de carbono. O crivo molecular de carbono funciona como um filtro que permite que apenas o oxigénio, o dióxido de carbono e o vapor de água passem através dele devido ao seu pequeno tamanho molecular e à sua elevada capacidade de adsorção. As moléculas maiores de nitrogénio passam através da peneira e são recolhidas como produto final, enquanto os outros gases são retidos pela peneira. Nos casos em que existem outros contaminantes em grandes quantidades, por exemplo, CO₂, podem ser adicionados outros adsorventes como o crivo molecular 5A ou 13X juntamente com o CMS. Estes materiais são muito eficientes na retenção de CO₂ e vapor de água, o que permite que a Peneira Molecular de Carbono se concentre na separação do nitrogénio e melhore a eficiência do sistema, bem como a sua durabilidade.

O sistema funciona em ciclos, que incluem a adsorção e a dessorção. Na fase de adsorção, o oxigénio e outras impurezas são retidos pelo crivo molecular de carbono a alta pressão. Na fase de dessorção, a pressão é rapidamente reduzida para que o crivo molecular de carbono possa libertar os gases adsorvidos e ser regenerado. Se a dessorção não for efectuada corretamente, o crivo ficará rapidamente cheio e a eficiência diminuirá, os ciclos operacionais serão mais curtos e o sistema poderá falhar. Estas duas fases, nomeadamente a adsorção e a dessorção, são fundamentais para manter um fornecimento constante e ininterrupto de azoto.

A tecnologia PSA pode fornecer purezas de azoto até 99,999% e é adequada para aplicações de elevada pureza em eletrónica, produtos farmacêuticos e embalagens de alimentos. O PSA é mais económico e viável para a produção no local do que as técnicas criogénicas convencionais, especialmente para as indústrias que necessitam de um fornecimento contínuo de azoto de 10-5000 Nm³/h.

No entanto, é importante notar que o PSA tem algumas limitações. O sistema depende da qualidade do ar e, por conseguinte, o pré-tratamento deve ser eficaz para evitar que a humidade ou as impurezas danifiquem a peneira molecular de carbono. Além disso, os sistemas PSA não são tão eficientes como os métodos criogénicos para a produção de azoto em grande escala, pelo que são mais adequados para aplicações industriais de média e pequena dimensão.

O PSA emergiu como uma tecnologia-chave na produção de azoto devido à sua elevada eficiência, baixa manutenção e capacidade de fornecer azoto com diferentes níveis de pureza. A utilização de agentes de pré-tratamento e secagem de qualidade adequados e de adsorventes auxiliares garante que o sistema funciona de forma óptima e produz azoto de elevada pureza em diversas condições de funcionamento.

Destilação criogénica

A destilação criogénica é a técnica mais comum e mais rentável utilizada para a produção industrial de azoto, sobretudo quando é necessário um elevado grau de pureza e uma grande capacidade. Este processo envolve o arrefecimento do ar atmosférico a temperaturas muito baixas, a sua liquefação e, finalmente, o seu fracionamento por ponto de ebulição, uma vez que o azoto, o oxigénio e o árgon têm pontos de ebulição diferentes.

O processo começa com a compressão e purificação do ar. O ar da atmosfera é comprimido e depois tratado para remover contaminantes como poeiras, dióxido de carbono e vapor de água. Este passo de purificação é importante porque quaisquer contaminantes podem solidificar a temperaturas criogénicas, que normalmente rondam os -196°C (-321°F), e bloquear o processo de arrefecimento e destilação. A secagem eficaz também é crítica aqui, pois mesmo a presença de água ou CO₂ pode ser prejudicial ao equipamento e ao desempenho.

Para a secagem do ar, os adsorventes mais utilizados são as peneiras moleculares (13X) e a alumina activada. As peneiras moleculares são utilizadas na destilação criogénica porque podem adsorver seletivamente água e CO₂ a pressões parciais muito baixas melhor do que outros adsorventes. Estes zeólitos sintéticos têm uma estrutura de poros bem ordenada que adsorve seletivamente moléculas mais pequenas, como a água, conseguindo assim um nível muito elevado de controlo do ponto de orvalho. Por exemplo, as peneiras moleculares podem baixar o ponto de orvalho do ar para -100°C e são, por isso, utilizadas para eliminar a formação de gelo em sistemas criogénicos. No entanto, a alumina activada, apesar de relativamente barata e de possuir uma elevada capacidade de adsorção de água, não oferece a seletividade ou a capacidade de adsorção das peneiras moleculares na remoção de CO₂, que é crucial nos processos criogénicos.

Depois de passar pelos processos de purificação e secagem, o ar é arrefecido a temperaturas criogénicas através de permutadores de calor e ciclos de refrigeração. A estas temperaturas, o ar transforma-se num estado líquido de azoto, oxigénio e árgon. A destilação fraccionada separa então os componentes da mistura nas suas partes individuais. O ponto de ebulição do azoto é o mais baixo (-196°C), pelo que ferve primeiro e é recolhido como produto principal. O oxigénio e o árgon com pontos de ebulição mais elevados são separados nas etapas seguintes e é produzido azoto com uma pureza até 99,999%, que é utilizado na produção eletrónica e em instalações médicas.

A destilação criogénica consome energia devido à necessidade de arrefecer o gás a uma temperatura muito baixa, mas é a mais adequada para unidades de produção em grande escala que requerem um fornecimento constante de azoto superior a 5000 Nm³/h. A destilação criogénica é mais escalável do que a PSA e é capaz de produzir azoto líquido e gasoso, o que é vantajoso para uma série de utilizações industriais devido à sua fiabilidade.

Em conclusão, a destilação criogénica é um método estável e eficaz de produção de azoto, especialmente para as indústrias que necessitam de grandes quantidades de azoto com um mínimo de impurezas.

Separação por membranas

A separação por membranas é um dos métodos mais eficazes e avançados de produção de azoto, caracterizado pela sua compacidade e eficiência energética em comparação com outros métodos. Este processo utiliza membranas de polímero que são selectivas, na medida em que permitem a passagem de gases com diferentes taxas de permeação. Quando o ar comprimido é passado através dos módulos de membrana, os gases que permeiam mais rapidamente através das paredes da membrana são o oxigénio, o vapor de água e o dióxido de carbono, enquanto o azoto, que permeia lentamente, é retido e torna-se o produto principal.

A essência deste processo baseia-se na capacidade do material da membrana de ser seletivamente permeável. Os gases com pesos moleculares mais baixos ou maior difusividade, como o oxigénio e o vapor de água, passam através da membrana a uma velocidade mais rápida, enquanto o azoto é retido com um nível de pureza entre 95% e 99,5%. Embora este nível de pureza não seja tão elevado como o obtido por destilação criogénica, é adequado para muitas utilizações, por exemplo, para recipientes de armazenamento inertes, sistemas de proteção contra incêndios ou para criar ambientes gasosos protectores para o processamento de alimentos. Este método é especialmente adequado para indústrias com exigências moderadas de pureza do azoto devido à sua facilidade de utilização e aplicabilidade a qualquer escala.

O pré-tratamento do ar comprimido é muito importante para a eficácia e durabilidade dos sistemas de membranas. Qualquer forma de humidade ou impurezas, como CO₂ e vapores de óleo, pode afetar as membranas ou a sua eficiência a longo prazo. Para ultrapassar este problema, são incorporados no sistema processos de secagem e de remoção de impurezas. O processo de secagem é feito por adsorventes como a alumina activada, que é barata e normalmente utilizada para a remoção de água. Para uma maior secagem, são utilizadas peneiras moleculares (4A, 13X), porque podem baixar o ponto de orvalho para os níveis mais baixos, de modo a que a humidade não possa penetrar na membrana. O gel de sílica também é utilizado em aplicações em que tanto a taxa de adsorção como a capacidade de regeneração são importantes.

Para além da secagem, é igualmente importante remover do gás outros contaminantes, como o CO₂ e os vapores de óleo. As peneiras moleculares são muito eficientes na remoção de água e CO₂, o que as torna essenciais para a preservação do desempenho da membrana. Por outro lado, o carvão ativado é utilizado para filtrar os vapores de óleo e outros compostos orgânicos, de modo a que apenas o ar limpo entre no sistema. A aplicação de peneiras moleculares e carvão ativado forma um sistema completo de pré-tratamento. No entanto, as peneiras moleculares são mais flexíveis porque lidam tanto com a humidade como com o CO₂, e é por isso que são utilizadas em casos críticos.

Os geradores de nitrogénio de membrana são particularmente apreciados pela sua facilidade de utilização e baixo custo de operação. Não são tão extremos como os sistemas criogénicos e não requerem equipamentos de destilação de alto nível. Estes sistemas são pequenos em tamanho, facilmente escaláveis e não necessitam de muita atenção em termos de manutenção. Por exemplo, um sistema de membrana padrão pode funcionar sem interrupções e os filtros só precisam de ser mudados ocasionalmente, poupando assim tempo e dinheiro. Além disso, os sistemas de membranas são eficientes em termos energéticos e têm tempos de arranque mais curtos em comparação com a adsorção por oscilação de pressão, o que os torna ideais para aplicações que requerem uma procura flutuante ou baixa de azoto.

Para níveis moderados de pureza do azoto, a separação por membranas é mais eficiente em termos energéticos do que os sistemas de adsorção por oscilação de pressão (PSA). No entanto, os sistemas PSA são mais adequados para aplicações que exigem uma pureza de azoto mais elevada. Por outro lado, os sistemas de membrana são flexíveis e fáceis de utilizar, o que os torna adequados para indústrias que requerem sistemas simples e de manutenção económica.

Em conclusão, a separação por membranas é uma forma viável e eficiente de produzir azoto. A sua eficiência energética, tamanho compacto e pureza moderada tornam-na ideal para as indústrias que necessitam de um sistema flexível e de baixa manutenção. Os sistemas de membrana fornecem soluções de secagem fiáveis e de elevado desempenho e soluções de remoção avançadas que podem satisfazer várias exigências industriais.

Como as peneiras moleculares Jalon apoiam a produção eficiente e fiável de nitrogénio

A JALON é um fabricante mundial de peneiras moleculares e fornece peneiras de elevado desempenho para aplicações de produção de nitrogénio. Temos 112 patentes registadas e exportamo-las para 86 países e regiões, o que prova a nossa fiabilidade global e liderança em inovação. Temos as certificações ISO 9001 e ISO 14001 e os nossos produtos são da mais elevada qualidade e conformidade ambiental.

As nossas peneiras moleculares, tais como os tipos A, X e Z, oferecem as melhores caraterísticas de adsorção, que garantem a exclusão eficiente de água e CO₂ durante a geração de nitrogénio. A JALON investiu ¥14,5 milhões de RMB em I&D para melhorar o desempenho das peneiras e os nossos produtos são adequados para várias indústrias, especialmente as indústrias médica, de refinação e de processamento de gás. Confie na JALON para obter soluções de produção de nitrogénio eficientes, fiáveis e sustentáveis, adaptadas às suas necessidades.

Aplicações da produção de nitrogénio nas principais indústrias

O gás nitrogénio é um bem essencial que é utilizado em várias indústrias para diversos fins. Devido à sua inércia, facilidade de utilização e disponibilidade, é utilizado em muitos processos industriais. Segue-se uma análise específica da indústria das principais utilizações do azoto:

Indústria química

Na indústria química, o azoto é um elemento fundamental para a síntese de vários compostos vitais para a indústria química. É utilizado na produção de ácido nítrico, que é utilizado no fabrico de fertilizantes, como o nitrato de amónio, e de explosivos industriais. Além disso, os compostos azotados, como o nitrito de sódio e o nitrato de sódio, são utilizados na conservação de alimentos, na cura e em qualquer processo em que a oxidação seja indesejável. A elevada procura de adubos à base de azoto em todo o mundo confirma a importância do azoto na agricultura e na produção alimentar.

Indústria do petróleo e do gás

Na indústria do petróleo e do gás, o azoto é utilizado nas técnicas de EOR que são aplicadas no sector. Através da injeção de azoto, as empresas melhoram a recuperação do petróleo nos reservatórios, especialmente nos campos mais antigos. O azoto é também utilizado para a purga de condutas e para o teste de pressão, o que o torna seguro, uma vez que desloca o oxigénio e, por conseguinte, não há risco de combustão ou contaminação. Devido à sua inatividade, é crucial para preservar a funcionalidade operacional em condições de alta pressão.

Indústria aeroespacial

O nitrogénio é utilizado na indústria aeroespacial para encher os pneus dos aviões, uma vez que não reage com outros elementos e, por isso, não apresenta perigo de explosão a grandes altitudes. Também é utilizado como gás não reativo em sistemas de combustível para minimizar as hipóteses de combustão e aumentar a segurança durante a utilização. Estas aplicações mostram como o azoto pode ser utilizado para isolar e salvaguardar equipamento importante em ambientes agressivos.

Indústrias farmacêutica e eletrónica

O azoto é crucial na preservação de condições controladas, tanto na indústria farmacêutica como na eletrónica. No fabrico de medicamentos, o azoto é utilizado para evitar a oxidação no momento da produção e do armazenamento, para que a qualidade e a eficácia do produto não sejam comprometidas. Na eletrónica, o azoto é utilizado na soldadura por onda e em ambientes de sala limpa, onde até o mais pequeno dos contaminantes pode arruinar circuitos ou dispositivos sensíveis.

Criogenia e indústria alimentar

A congelação criogénica utiliza azoto líquido, que tem temperaturas muito baixas e é utilizado na preservação de amostras biológicas e na estabilização de outros artigos delicados. É habitualmente utilizado na indústria alimentar para congelação rápida que ajuda a preservar a frescura e a aumentar o prazo de validade dos produtos. Estas aplicações mostram como o azoto pode satisfazer as necessidades extremas de temperatura de uma aplicação.

Desafios na produção de nitrogénio e como a tecnologia os está a resolver

O azoto é utilizado em todas as indústrias, mas a sua produção coloca alguns desafios que podem afetar a sua aplicação em termos de segurança, custo e impacto ambiental global. Estes problemas, no entanto, estão a ser resolvidos por desenvolvimentos tecnológicos recentes e pela alteração da forma como o azoto é produzido.

O principal problema associado à produção de nitrogénio é o elevado custo da energia, particularmente nas técnicas mais antigas, como a destilação criogénica. Este processo envolve o arrefecimento do ar a temperaturas muito baixas, o que consome energia e tempo, para além de ser dispendioso. Para o efeito, os sistemas de separação por membranas estão entre as tecnologias modernas que são eficientes em termos energéticos. Estes sistemas utilizam membranas poliméricas de última geração que filtram os gases com base na sua permeabilidade e não requerem a utilização de temperaturas extremamente baixas. Não são ideais para aplicações que requerem uma pureza muito elevada de azoto, mas são ideais para indústrias que requerem azoto com uma pureza entre 95% e 99,5%.

Outro grande problema é a contaminação, que pode ter um grande impacto no desempenho dos sistemas PSA (Pressure Swing Adsorption). As peneiras moleculares de carbono são sensíveis a impurezas como o vapor de água, o dióxido de carbono e os vapores de óleo que podem bloquear os poros e, por conseguinte, reduzir a capacidade de adsorção e aumentar a frequência de regeneração. Isto resultou num novo e sofisticado pré-tratamento que eliminará estes contaminantes, incluindo filtros coalescentes que os capturam antes de chegarem às unidades de PSA. Além disso, as peneiras moleculares recentemente desenvolvidas com estruturas de poros melhoradas podem acomodar mais impurezas e garantir uma produção estável e contínua de azoto.

As ineficiências dos custos de transporte são também uma preocupação do sistema devido às dispendiosas entregas de azoto líquido para instalações distantes. O problema do transporte e do armazenamento do azoto líquido também contribui para as despesas, bem como para um maior impacto ecológico. Para resolver este problema, os sistemas de produção de azoto no local estão a tornar-se mais populares. Estes sistemas modulares podem ser instalados em instalações para permitir a produção de azoto no local em vez de grandes entregas, que são menos flexíveis, mais caras e demoradas. A produção no local também reduz os riscos relacionados com o manuseamento e armazenamento de grandes volumes de azoto líquido.

Por último, mas não menos importante, a sustentabilidade continua a ser um problema. Sabe-se que os métodos convencionais de produção de azoto produzem grandes quantidades de emissões de carbono. Para este fim, muitos dos sistemas modernos são desenvolvidos para serem mais amigos do ambiente. Por exemplo, os mais recentes sistemas PSA com meios de adsorção melhorados aumentam a eficiência da regeneração do azoto, minimizando assim o consumo de recursos.

Através da utilização de materiais avançados, tecnologias de pré-tratamento e produção no local, a produção de azoto está a melhorar gradualmente em termos de eficiência, custo e sustentabilidade. Estas não são apenas inovações que estão a ultrapassar as dificuldades actuais, mas são também as inovações que estão a fazer avançar a indústria para um futuro mais limpo e mais fiável.

O futuro da produção de nitrogénio: Tendências e Sustentabilidade

Devido à crescente sensibilização para a produção sustentável e a conservação de energia, a produção de azoto também está a sofrer uma mudança no seu desenvolvimento para cumprir as normas globais. O futuro da produção de azoto é definido pela utilização de energias renováveis, pela ciência dos novos materiais e pela utilização de tecnologias inteligentes.

Integração das energias renováveis

A utilização da energia solar e eólica como fontes de energia na produção de azoto é uma das tendências mais reveladoras da investigação. Estes sistemas diminuem a dependência de fontes de energia fósseis, o que torna o processo de produção de azoto muito menos intensivo em carbono. Por exemplo, verificou-se que a integração de geradores de azoto no local com energia renovável pode reduzir as emissões de gases com efeito de estufa em cerca de 30 %. Esta mudança não só contribui para a sustentabilidade, como também torna a produção de azoto mais imune à volatilidade dos custos da energia.

Novos materiais e tecnologias

Espera-se que a nova geração de materiais de adsorção transforme a indústria de produção de azoto. Estão a ser investigados novos tipos de CMS e de membranas híbridas para melhorar a pureza do azoto e, ao mesmo tempo, ser energeticamente eficientes. Por exemplo, os materiais CMS mais recentes têm melhor seletividade e as taxas de recuperação de azoto são agora superiores a 95%. As membranas híbridas polímero-inorgânicas têm elevada estabilidade e capacidade de afinação, o que as torna adequadas para várias utilizações industriais.

Implementação de tecnologias inteligentes

A robótica e a inteligência artificial estão a tornar-se os principais motores de mudança nos sistemas de produção de nitrogénio. O acompanhamento constante do desempenho do sistema, juntamente com a utilização de algoritmos de manutenção preditiva, garante a utilização eficiente da energia e o mínimo de falhas do sistema. Especificamente, os requisitos de azoto industrial de diferentes níveis de pureza e caudais variáveis podem ser satisfeitos por sistemas controlados por IA para reduzir o custo global, sendo simultaneamente respeitadores do ambiente.

Otimização da gestão de resíduos e princípios da economia circular

As futuras tecnologias de produção de azoto visam também reduzir a produção de resíduos. Por exemplo, os sistemas PSA modernos foram desenvolvidos para ciclos de adsorção quase absolutos, minimizando assim os restantes gases residuais. Alguns mercados estão a estudar a possibilidade de reutilizar/redirecionar os gases de emissão para os processos de produção, o que aumentaria a eficácia ambiental.

O caminho a seguir

No futuro, a produção de azoto centrar-se-á na poupança de energia, na racionalização dos recursos e na relação custo-benefício. As tecnologias de produção de azoto continuam a ser um dos mais importantes facilitadores dos processos industriais e continuarão a ser um motor de inovação em indústrias tão diversas como a eletrónica e a farmacêutica, a indústria alimentar e a aeroespacial. Estas inovações garantem que o azoto continua a ser um elemento fundamental nos processos industriais e contribuem para o desenvolvimento sustentável do mundo.