Cómo funciona un compresor de nitrógeno: generadores de nitrógeno y sus procesos

Fundamentos de la generación de nitrógeno

La generación de nitrógeno es el proceso de obtener nitrógeno gaseoso del aire presente en las instalaciones. El aire atmosférico contiene una proporción elevada de nitrógeno, alrededor del 78%. El proceso consiste en separar las moléculas de nitrógeno de otros gases, principalmente oxígeno, y de otros elementos traza. Estos incluyen oxígeno y ciertos gases traza presentes en el aire. Para generar nitrógeno se emplean dos categorías principales de técnicas:

Ambas técnicas proporcionan nitrógeno suficiente y económico para diversos usos en industrias como la farmacéutica, la electrónica y el envasado de alimentos. Para elegir el método adecuado se consideran factores como el nivel de pureza esperado, los modos de flujo y la eficiencia del proceso.

¿Qué es la generación de nitrógeno?

La generación de nitrógeno consiste en obtener nitrógeno gaseoso del aire atmosférico mediante procesos de separación eficientes. Se sabe que el aire normal o atmosférico contiene aproximadamente un 78% de nitrógeno, además de oxígeno y otros gases en menor proporción, por lo que la fuente de suministro es abundante. Actualmente, el nitrógeno se genera principalmente mediante adsorción por oscilación de presión o tecnologías de separación por membrana.

El primer método, conocido como adsorción por oscilación de presión, aplica la adsorción selectiva del oxígeno y otros gases en materiales adsorbentes, como tamices moleculares de carbono, para producir una corriente rica en nitrógeno con una pureza de hasta el 95%. El otro método es complementario y utiliza la permeabilidad selectiva de las membranas para separar del nitrógeno los componentes de menor masa molecular y los gases «más pesados», como el oxígeno, presentes en una mezcla. Ambos sistemas permiten producir nitrógeno dentro de un rango de pureza definido; en concreto, pueden generar nitrógeno con una pureza superior al 99.99%.

La generación de nitrógeno se ha vuelto esencial en numerosas industrias, como la química, la farmacéutica, la alimentaria, la electrónica y la de tratamiento, entre otras. Ofrece ventajas competitivas en costos, proporciona una alternativa más segura que el uso de cilindros de nitrógeno y ayuda a las empresas a reducir el nitrógeno asociado a la producción. La calidad y confiabilidad de los sistemas de nitrógeno disponibles en el mercado son las principales razones por las que se integran ampliamente en las instalaciones industriales, donde permiten suministrar nitrógeno gaseoso con las especificaciones requeridas.

Importancia del nitrógeno gaseoso en la industria

El nitrógeno gaseoso tiene numerosas aplicaciones en distintas industrias, cada una con necesidades diferentes. Una característica relevante es su baja reactividad con otros componentes, por lo que se utiliza cuando es necesario controlar la inversión o evitar la oxidación. Por ejemplo, en el envasado de alimentos se introduce nitrógeno gaseoso en un espacio cerrado. Este desplaza el aire y reduce su contenido de oxígeno. El nitrógeno gaseoso se utiliza cada vez más porque algunos gases comunes se pierden y generan costos.

El nitrógeno también es indispensable en la fabricación de productos farmacéuticos, por ejemplo, durante las operaciones de vaciado y limpieza; esto ayuda a proteger sustancias valiosas de la humedad y los efectos dañinos del oxígeno. Según diversos estudios, las empresas que utilizan nitrógeno gaseoso obtienen importantes beneficios operativos, como una mayor eficiencia de los procesos y el cumplimiento de las normas de calidad. Además, las mejoras en los equipos de generación de nitrógeno han permitido producirlo en las propias instalaciones, lo que reduce costos, disminuye la dependencia del suministro externo y beneficia al medioambiente. Estas aplicaciones destacan aún más la importancia del nitrógeno gaseoso para la innovación y las operaciones de las industrias actuales.

Panorama de los sistemas de generación de nitrógeno

Tipos de compresores de nitrógeno

Por esta razón, se utilizan compresores de nitrógeno para aumentar la capacidad de suministro de nitrógeno gaseoso y realizar determinados procesos industriales. Hay varios tipos de compresores de nitrógeno, entre ellos:

Cada tipo de compresor tiene ventajas específicas y se utiliza según los requisitos de presión, caudal y aplicación.

Compresor de nitrógeno PSA

Los compresores de aire para nitrógeno PSA están diseñados específicamente para producir nitrógeno del aire mediante un proceso de separación. También comprimen el aire. Estos compresores trabajan con adsorbentes, en especial tamices moleculares de carbono, que capturan el oxígeno y otras impurezas cuando se comprime el aire y permiten recuperar una corriente con alto contenido de nitrógeno. Los sistemas PSA no funcionan de manera continua: operan por ciclos que alternan entre adsorción y desorción para posibilitar la producción de nitrógeno.

Los compresores de nitrógeno PSA más recientes ofrecen varias ventajas: eficiencia energética, larga vida útil y, sobre todo, producción de nitrógeno con una pureza superior al 99.9%, según lo requiera la actividad industrial. Los incentivos orientados a las aplicaciones, en el marco de análisis económicos de costos, facilitan la adopción de sistemas PSA en industrias como la alimentaria, la química y la electrónica. Además, la estructura compacta y modular de los compresores PSA, incluidos los compresores de nitrógeno, permite utilizarlos en operaciones de cualquier tamaño. Al elegir un compresor de nitrógeno PSA para una aplicación industrial, se deben evaluar parámetros como el caudal de entalpía, la presión de operación y la eficiencia de adsorción del equipo ofrecido por los proveedores.

Compresor de nitrógeno por membrana

El desarrollo de los compresores de nitrógeno por membrana ha permitido adoptar materiales poliméricos avanzados que separan el nitrógeno del aire comprimido con gran eficiencia y garantizan la confiabilidad del equipo en numerosos procesos técnicos de importancia económica. La tecnología de membrana utiliza butanol u otras membranas para separar el oxígeno, el agua y otros gases más móviles de la corriente de nitrógeno, según su composición fraccionaria o a nivel molecular. Estas unidades suelen ofrecer una larga vida útil, bajo consumo de energía y bajos costos de servicio, por lo que son adecuadas para aplicaciones que requieren un suministro continuo de nitrógeno gaseoso, como el envasado de alimentos, la inertización en procesos químicos y las operaciones de petróleo y gas en condiciones anormales.

La pureza del nitrógeno suministrado por los compresores de nitrógeno por membrana es uno de los parámetros clave y puede variar entre 95% – 99.9%. También se pueden ajustar las presiones de operación y los caudales para satisfacer las necesidades específicas de cada industria. La modularidad permite ampliar los sistemas de membrana desde instalaciones pequeñas hasta plantas a escala completa sin complicaciones. Esta escalabilidad integrada permite conectar módulos en línea y obtener una ventaja competitiva. Además, la ausencia de piezas móviles en los módulos de membrana reduce las necesidades de mantenimiento mecánico.

Análisis comparativo de los sistemas PSA y de membrana

Funcionamiento de un compresor de nitrógeno

Un compresor de nitrógeno toma nitrógeno gaseoso, lo comprime y lo entrega a los niveles de presión requeridos para distintos usos industriales. El proceso de compresión casi siempre consta de varias etapas para garantizar la eficiencia y mantener la composición del gas. Al principio, el compresor recibe nitrógeno a presión atmosférica. Luego, el gas pasa por varias cámaras hasta llegar a la última etapa de compresión. El nitrógeno comprimido se descarga para su uso o, si no se necesita de inmediato, se presuriza y almacena. El sistema de entrada, las etapas de compresión, los equipos de enfriamiento y el controlador de descarga forman parte del compresor y permiten que funcione con eficiencia y confiabilidad.

Cómo funcionan los compresores de nitrógeno

Los compresores que utilizan nitrógeno se emplean en diversos entornos y están diseñados para garantizar una alta eficiencia y seguridad en todo momento. El proceso de compresión comienza cuando se aspira aire atmosférico o nitrógeno de la fuente y se filtran las impurezas para que el gas entre limpio al sistema. Una vez dentro, el nitrógeno pasa por una serie de etapas de compresión que utilizan pistones de alta calidad, tornillos o componentes centrífugos, y cada etapa proporciona un nivel de presión distinto. Durante el funcionamiento, los grandes motores generan calor mecánico y de otro tipo. El calor puede ser tan intenso que incluso puede degradar la calidad del medio comprimido debido a la expansión térmica.

Los compresores de nitrógeno actuales también incorporan sistemas de control avanzados para regular parámetros como la presión de entrada, la temperatura y el caudal de aire. Estos sistemas permiten optimizar el funcionamiento y responder a los cambios en la capacidad requerida o en las características del sistema. Al diseñar y construir estos equipos, es fundamental incluir mecanismos de alivio de presión y carcasas con cierre automático para protegerlos de la presión excesiva. Este enfoque integral permite que los compresores de nitrógeno mantengan un rendimiento estable, cumplan los exigentes requisitos de la industria y alcancen los objetivos de ahorro de energía.

Separación por membrana en la generación de nitrógeno

La separación por membrana se ha adoptado ampliamente en las plantas de producción de nitrógeno por la sencillez del equipo, su larga vida útil y su eficiencia energética. El proceso utiliza un polímero específico, el alcohol polivinílico, que facilita el paso del nitrógeno del aire previamente comprimido. Se basa en la permeación por difusión: el oxígeno, el vapor y otros gases atraviesan el material de la membrana con mayor facilidad que el nitrógeno, lo que permite obtener una concentración alta de nitrógeno puro.

El uso de membranas de última generación también ha permitido alcanzar purezas de nitrógeno considerablemente altas, de hasta 99.9%, según la aplicación. Las unidades de membrana son pequeñas y prácticas; además, se fabrican previamente, lo que facilita su uso en sectores con condiciones estrictas o requisitos de nitrógeno variables. Tampoco requieren grandes recursos para operar ni utilizan productos químicos en el proceso, lo que reduce los gastos generales y la huella ambiental de la planta.

Las membranas tienen numerosas aplicaciones, como la producción de envases herméticos para alimentos, la fabricación de dispositivos electrónicos y la extracción de petróleo y gas. El nitrógeno es necesario para ciertas tendencias de la industria que requieren un suministro continuo y producción en las propias instalaciones; reducir su tratamiento puede impedir que estas operaciones tengan éxito. Esto, a su vez, puede generar recursos para la investigación, y el apoyo a estas aplicaciones ha impulsado la evolución de la tecnología de membrana.

Aplicaciones de la generación de nitrógeno en las instalaciones

El nitrógeno producido en las propias instalaciones también se utiliza ampliamente en muchos sectores, ya que es confiable, económico y beneficioso para el medioambiente. Entre sus principales usos se encuentran:

• Alimentos y bebidas

  El nitrógeno se emplea habitualmente en el envasado en atmósfera modificada (MAP) de alimentos para conservar su frescura y calidad al evitar la oxidación y el crecimiento microbiano. También es fundamental para limpiar e inertizar tanques, recipientes y tuberías.

• Productos farmacéuticos

  El nitrógeno es muy útil para envasar productos sensibles y mantener su esterilidad, sus propiedades o su nivel de energía. También se utiliza en la criopreservación y en ciertos sistemas de gases médicos.

• Electrónica

  El nitrógeno se utiliza en la fabricación y el diseño de semiconductores para crear una atmósfera que reduzca la oxidación durante los procesos de soldadura y ensamblaje, lo que aumenta la producción.

• Petróleo y gas

  En las industrias del petróleo y el gas, el nitrógeno se utiliza para la estimulación de pozos, las pruebas de presión y la purga de tuberías, con el fin de aumentar la eficiencia y la seguridad operativas generales.

La producción en las propias instalaciones ofrece beneficios como una menor dependencia de los suministros del extranjero y costos de transporte más bajos, lo que permite operaciones más flexibles y respetuosas con el medioambiente.

Usos industriales del nitrógeno gaseoso

La versatilidad del nitrógeno gaseoso va más allá de las aplicaciones tradicionales, a medida que las industrias siguen innovando e incorporando tecnologías avanzadas. Por ejemplo:

• Fabricación farmacéutica: Una de las principales áreas de aplicación es la fabricación farmacéutica, donde el nitrógeno se utiliza tanto en la producción como en el envasado de medicamentos para crear una atmósfera inerte que evite la oxidación y el crecimiento de microorganismos, y así garantizar la calidad y eficacia de los productos farmacéuticos.
• Industria de alimentos y bebidas: La industria de procesamiento de alimentos necesita nitrógeno como gas protector (tecnología MAP), que puede prolongar la vida útil de los productos sensibles al oxígeno y propensos a deteriorarse rápidamente. También se utiliza en ingeniería criogénica: en este caso, el nitrógeno enfría el contenido a bajas temperaturas durante el almacenamiento.
• Fabricación aditiva (impresión 3D): El nitrógeno también resulta muy útil. Es ideal para imprimir en 3D con polvos metálicos, aunque deben tenerse presentes los riesgos de explosión. Suprime eficazmente la oxidación al crear un entorno con poco oxígeno y es muy útil en los sectores aeroespacial y automotriz, donde se combinan procesos de mecanizado avanzados.

En la industria han surgido nuevos métodos para generar nitrógeno puro que han eliminado este problema. Un ejemplo son las plantas de producción de nitrógeno en sitio mediante adsorción por cambio de presión (PSA). Además, reducen la dependencia de fuentes externas de nitrógeno y contribuyen a los objetivos de reducción de emisiones de carbono y de costos al evitar transportes innecesarios.

Beneficios de los generadores de nitrógeno en sitio

Un ejemplo destacado de las ventajas de los generadores de nitrógeno en sitio es la eficiencia que aportan y la protección que ofrecen en distintos sectores. Una de las ventajas más evidentes de una planta de nitrógeno es que permite reducir los costos de transporte, que suelen ser recurrentes cuando el nitrógeno se suministra desde fuentes externas. Además, ofrece una fuente de nitrógeno continua y estable, sin tiempos de inactividad causados por problemas de transporte.

Otra ventaja importante es la posibilidad de producir gas con distintos niveles de pureza, adaptados a las especificaciones de una o varias aplicaciones especializadas, como el envasado de alimentos, la fabricación de equipos electrónicos o el procesamiento de piezas metálicas, que por diversos motivos requieren nitrógeno. Los generadores de nitrógeno modernos basados en PSA y tecnología de membrana ofrecen un buen rendimiento y suelen consumir poca energía gracias a conceptos de diseño innovadores que reducen los requerimientos de potencia sin comprometer los altos estándares. Además, acercar la producción al punto de uso ayuda a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por el transporte y favorece el cumplimiento de las políticas y los objetivos de sostenibilidad y requisitos regulatorios de la empresa.

Casos de aplicación eficaz del nitrógeno

Consejos de mantenimiento y solución de problemas

Prácticas de mantenimiento periódico para compresores de nitrógeno

Una de las principales consideraciones para el mantenimiento de los compresores de nitrógeno es conservar adecuadamente su capacidad de compresión para mantener la máquina en buen estado, alcanzar la máxima eficiencia de operación y prolongar al máximo la vida útil del equipo. En primer lugar, deben inspeccionarse todos los sistemas mecánicos, incluidas las válvulas, los sellos y los pistones, entre otros, para detectar señales de desgaste, daños o irregularidades que puedan causar defectos o fallas del sistema. La lubricación también es importante: debe realizarse a intervalos regulares y según las recomendaciones del fabricante, utilizando los lubricantes adecuados para reducir al máximo la fricción y el riesgo de daños térmicos en las piezas móviles.

Además de lo anterior, la limpieza periódica de los filtros de aire y de los componentes de enfriamiento ayuda a evitar que la suciedad entre en el sistema y permite que el compresor funcione dentro del rango térmico óptimo. Con tecnologías avanzadas, como la medición de vibraciones y la termografía, es posible identificar componentes problemáticos antes de que fallen. El cumplimiento estricto del programa de mantenimiento del fabricante y la aplicación de métodos de mantenimiento predictivo permiten prolongar la vida útil del equipo y reducir los tiempos de inactividad asociados con fallas.

Cómo mejorar la eficiencia de los sistemas de generación de nitrógeno

Las mejoras en la eficiencia de los sistemas de nitrógeno dependen directamente, en esencia, de un diseño adecuado y de mejoras en la operación. La aplicación amplia de la tecnología de adsorción por cambio de presión (PSA), junto con métodos de control óptimos, es uno de los principales pasos en este sentido. El proceso PSA permite disponer de nitrógeno con la pureza deseada y contribuye a ahorrar energía. También conviene instalar sondas de oxígeno, transductores de presión diferencial y otros instrumentos útiles capaces de medir parámetros relevantes en tiempo real, para supervisar el sistema con mayor frecuencia y detalle y reducir aún más el consumo de energía.

Además, para mejorar el rendimiento de estos sistemas es necesario abordar las ineficiencias de los compresores de aire. El consumo de aire comprimido y, por lo tanto, el consumo de energía pueden variar según la carga gracias al uso de compresores con accionamiento de velocidad variable (VSD). Es necesario programar tareas periódicas de servicio, como el cambio de filtros y módulos de membrana, para eliminar contaminantes o reducir las obstrucciones del caudal y mantener la eficiencia del sistema.

Además, el estudio determinó que las investigaciones de casos industriales aportaron fundamentos científicos para minimizar las distancias de las tuberías en el diseño de las plantas, evitar las caídas de presión y mejorar las instalaciones en cuanto al consumo de energía. También es posible aumentar la eficiencia de los sistemas de generación de nitrógeno, incrementar su capacidad de producción y reducir los riesgos operativos, los costos de operación y el deterioro causado por la actividad humana.

Fuentes de referencia

Preguntas frecuentes

Preguntas y respuestas técnicas