O nitrogênio desempenha um papel importante no processamento químico sempre que é necessário controlar a concentração de oxigênio. Ele pode ser utilizado para inertização de tanques, criação de atmosferas protetoras, purga de tubulações, determinadas operações de transferência e outros processos que envolvem materiais sensíveis ao oxigênio ou potencialmente inflamáveis.
Para plantas químicas com demanda regular de nitrogênio, os geradores de nitrogênio para aplicações na indústria química oferecem uma alternativa de produção no local à dependência exclusiva de cilindros ou do fornecimento de nitrogênio líquido a granel.
No entanto, o sistema de nitrogênio correto deve ser selecionado de acordo com os requisitos do processo, em vez de simplesmente escolher a maior pureza disponível.
Para uma visão mais ampla desse setor, consulte as soluções da Lingyu para fabricação e processamento químico.
Por que o nitrogênio é utilizado na indústria química
O nitrogênio é amplamente utilizado porque não sustenta a combustão e é relativamente pouco reativo em muitas condições industriais normais.
Ao reduzir a quantidade de oxigênio presente em tanques, recipientes, tubulações ou áreas de processo, o nitrogênio pode ajudar a criar uma atmosfera controlada quando exigido pelo processo.
A necessidade exata de nitrogênio depende do material manipulado, da concentração máxima de oxigênio permitida, da pressão operacional, da temperatura, da sequência do processo e dos procedimentos de segurança da planta.
Portanto, o nitrogênio deve ser considerado parte do projeto geral de segurança do processo, e não um método isolado para evitar todas as reações perigosas.
Aplicações comuns do nitrogênio em plantas químicas
As plantas químicas podem utilizar o nitrogênio de diversas maneiras.
Inertização de tanques
O nitrogênio pode ser introduzido em tanques ou recipientes para reduzir a concentração de oxigênio antes ou durante determinadas operações de processo.
Isso é especialmente relevante quando a especificação do processo exige uma atmosfera com teor de oxigênio controlado.
Atmosfera protetora em tanques
Uma atmosfera protetora de nitrogênio pode ser mantida acima da superfície do líquido em recipientes de armazenamento.
O objetivo geralmente é reduzir o contato entre o material armazenado e o ar atmosférico, ajudando a controlar a oxidação ou outras reações indesejadas, quando apropriado.
Purga de tubulações e equipamentos
O nitrogênio pode ser utilizado para deslocar o ar ou gases de processo de tubulações e equipamentos durante procedimentos de partida, parada, troca de produto ou manutenção.
A vazão necessária de nitrogênio e o volume total de purga dependem do volume do equipamento, da composição inicial do gás, da condição desejada e do método de purga.
Transferência por pressão
Em projetos de processo adequados, o nitrogênio pode ser utilizado para fornecer pressão de gás na transferência de líquidos sem introduzir ar atmosférico no sistema.
A adequação dessa abordagem depende do produto químico manipulado, do projeto do equipamento, da pressão permitida e dos procedimentos operacionais da planta.
O que é um gerador de nitrogênio no local para processamento químico?
Um gerador de nitrogênio no local separa o nitrogênio do ar comprimido e fornece o gás produzido ao sistema de distribuição de nitrogênio da planta.
A documentação do catálogo da Lingyu apresenta a geração de nitrogênio por Adsorção por Variação de Pressão (Pressure Swing Adsorption — PSA).
O sistema PSA utiliza duas torres de adsorção preenchidas com peneira molecular de carbono (Carbon Molecular Sieve — CMS). O oxigênio é adsorvido preferencialmente da corrente de ar comprimido, enquanto o nitrogênio passa pelo sistema como gás produzido. As duas torres alternam entre adsorção e regeneração sob controle automático por PLC, permitindo a produção contínua de nitrogênio.
Para consultar os equipamentos disponíveis, veja a linha de geradores industriais de nitrogênio.
O sistema completo de geração de nitrogênio
Uma instalação de nitrogênio para uma planta química envolve mais do que apenas o gerador PSA.
Um sistema completo pode incluir:
- Compressor de ar
- Reservatório de ar
- Secador de ar comprimido
- Filtragem
- Gerador de nitrogênio PSA
- Tanque pulmão de nitrogênio
- Analisador de nitrogênio/oxigênio
- Equipamento de controle de pressão
- Gerenciamento de gás fora da especificação
- Tubulação de distribuição de nitrogênio da planta
A configuração apresentada no catálogo da Lingyu inclui compressor de ar, reservatório, secador por refrigeração, tanques pulmão, analisador de nitrogênio/oxigênio, equipamento de redução de pressão, saída para nitrogênio fora da especificação e controles finais de fornecimento.
Essa visão do sistema como um todo é especialmente importante em aplicações químicas, nas quais a qualidade e a continuidade do gás podem afetar as condições dos processos a jusante.
Qual deve ser a pureza do nitrogênio para o processamento químico?
Não existe um único nível de pureza de nitrogênio adequado para todas as plantas químicas.
O catálogo PSA da Lingyu especifica pureza de nitrogênio de aproximadamente 95% a 99,999%, e suas tabelas de produtos incluem configurações como 99%, 99,5%, 99,9% e 99,99%.
A especificação correta deve ser baseada principalmente no nível de oxigênio residual permitido pelo processo, e não em um percentual de pureza aplicado a toda a indústria.
Entre os fatores importantes estão:
- Características do produto químico
- Concentração máxima de oxigênio permitida
- Sensibilidade à oxidação
- Objetivo da inertização ou da atmosfera protetora
- Pressão do processo
- Vazão de nitrogênio
- Ponto de orvalho necessário
- Procedimentos operacionais da planta
Especificar uma pureza desnecessariamente elevada também pode influenciar a produção de nitrogênio e o consumo de ar comprimido.
Quando é necessário um nível muito baixo de oxigênio residual
Alguns processos químicos especializados podem exigir níveis de oxigênio residual muito inferiores aos de um fornecimento padrão de nitrogênio.
O catálogo da Lingyu inclui um sistema de purificação por desoxigenação à base de carbono, desenvolvido para purificar ainda mais o nitrogênio PSA com aproximadamente 99,9% de pureza, elevando-o para ≥99,999%. Os dados técnicos indicam teor de oxigênio ≤10 ppm, CO₂ ≤5 ppm e ponto de orvalho do nitrogênio à pressão atmosférica ≤−60 °C; a descrição do princípio de funcionamento também informa que a reação de desoxigenação pode reduzir o oxigênio residual para ≤5 ppm antes da purificação adicional.
Essa etapa adicional de purificação deve ser considerada somente quando o processo realmente exigir níveis muito baixos de oxigênio residual.
Ela não deve ser considerada necessária para todas as aplicações químicas.
Vazão e demanda de pico
O dimensionamento do gerador de nitrogênio deve considerar tanto o consumo contínuo quanto a demanda de pico de curto prazo.
Uma planta pode precisar de nitrogênio simultaneamente para criação de atmosferas protetoras em tanques, inertização de recipientes, purga de tubulações ou operações em lote. Esses eventos de pico podem exigir uma quantidade de nitrogênio substancialmente maior do que a demanda normal em regime estável da instalação.
As informações importantes para o dimensionamento incluem:
- Número e volume dos recipientes
- Demanda contínua para atmosfera protetora
- Volume de purga
- Tempo de purga necessário
- Usuários simultâneos de nitrogênio
- Frequência dos lotes
- Expansão futura da produção
- Capacidade de reserva necessária
O armazenamento intermediário pode ajudar a estabilizar o fornecimento quando a demanda varia significativamente.
Requisitos de pressão
A pressão necessária do nitrogênio deve ser definida no ponto final de uso.
As especificações PSA padrão da Lingyu indicam pressão de entrada do ar comprimido de 0,5–0,8 MPa.
Essa especificação refere-se à alimentação de ar comprimido do gerador PSA e não deve ser confundida com a pressão de nitrogênio exigida por um tanque de armazenamento, tubulação, reator ou operação de transferência.
Quando um processo a jusante exige uma pressão diferente, pode ser necessário incorporar ao sistema completo equipamentos adequados de controle de pressão, armazenamento ou aumento de pressão.
Qualidade do ar comprimido e pré-tratamento
O gerador PSA depende de ar comprimido adequadamente tratado.
Umidade, óleo e partículas podem afetar filtros, válvulas pneumáticas, CMS, analisadores e a confiabilidade geral do sistema. A secagem e a filtragem devem, portanto, ser consideradas parte do projeto de geração de nitrogênio.
Quando apropriado, um filtro de precisão para ar comprimido pode ser incorporado ao sistema de tratamento a montante.
As especificações operacionais padrão do sistema PSA da Lingyu incluem temperatura do ar de entrada ≤40 °C e ponto de orvalho do nitrogênio ≤−40 °C nas condições operacionais especificadas.
Monitoramento da pureza do nitrogênio e proteção contra gás fora da especificação
No processamento químico, manter a qualidade especificada do gás pode ser tão importante quanto produzir o próprio nitrogênio.
O sistema PSA da Lingyu oferece monitoramento on-line da pureza e da vazão do nitrogênio. A tela sensível ao toque pode exibir pressão, pureza, vazão e status operacional.
Se a pureza do nitrogênio cair abaixo do valor especificado, o sistema ativa um alarme. Se a condição persistir durante o período predefinido, o sistema pode desligar automaticamente como medida de proteção.
Isso oferece uma forma prática de identificar nitrogênio fora da especificação antes que ele seja fornecido continuamente aos processos a jusante.
Confiabilidade e redundância
Alguns processos químicos não toleram uma interrupção inesperada do fornecimento de nitrogênio.
Para essas aplicações, o projeto deve avaliar não apenas a capacidade do gerador, mas também a disponibilidade necessária de todo o sistema.
Dependendo dos requisitos da planta, isso pode envolver:
- Armazenamento intermediário de nitrogênio
- Capacidade de geração de reserva
- Fonte de nitrogênio de backup
- Componentes críticos redundantes
- Lógica de alarme e desligamento
- Planejamento de manutenção preventiva
O nível necessário de redundância deve ser definido com base nas consequências da perda do fornecimento de nitrogênio para o processo.
Requisitos de instalação em áreas classificadas
Se um sistema de geração de nitrogênio for instalado dentro de uma área classificada como perigosa, a proteção elétrica necessária, a instrumentação, a construção dos equipamentos, o método de instalação e a certificação específica do projeto devem ser definidos durante a engenharia.
O nível necessário de proteção contra explosões e as certificações aplicáveis ao projeto devem ser confirmados antes da seleção do equipamento.
Segurança e integração ao processo
Um gerador de nitrogênio pode dar suporte às estratégias de controle de oxigênio, mas sua instalação não torna automaticamente um processo químico seguro ou em conformidade.
O projeto completo pode precisar considerar análise de oxigênio, ventilação, proteção contra pressão, detecção de gases, intertravamentos, procedimentos de emergência e requisitos de segurança de processo específicos da instalação.
O nitrogênio também apresenta risco de asfixia porque pode deslocar o oxigênio respirável.
Consumo de energia e custo operacional
A geração de nitrogênio no local pode reduzir a dependência do fornecimento externo de gás, mas o resultado financeiro depende das condições operacionais.
Entre os fatores de custo importantes estão:
- Consumo anual de nitrogênio
- Pureza necessária
- Consumo de ar comprimido
- Eficiência do compressor
- Preço da eletricidade
- Horas de operação
- Manutenção do secador e dos filtros
- Manutenção da CMS e do analisador
- Armazenamento intermediário
- Requisitos de fornecimento de nitrogênio de backup
O catálogo PSA da Lingyu informa que seu processo otimizado de equalização de pressão desigual pode reduzir indiretamente o consumo geral de energia em aproximadamente 5% dentro do projeto do fabricante.
Para avaliar a geração no local em comparação com o nitrogênio fornecido externamente, consulte o guia de custos e ROI de geradores de nitrogênio.
O que definir antes de solicitar um gerador de nitrogênio
Antes de selecionar equipamentos para uma instalação química, defina primeiro os requisitos do processo:
- Pureza desejada do nitrogênio ou nível máximo de oxigênio residual
- Vazão média e de pico de nitrogênio
- Pressão necessária no ponto de uso
- Ponto de orvalho necessário
- Volume dos tanques e recipientes
- Tempo de purga
- Condições existentes do ar comprimido
- Ambiente de instalação
- Classificação de área perigosa, quando aplicável
- Redundância necessária
- Cronograma de produção e expansão futura
Essas informações permitem dimensionar o tratamento do ar comprimido, o gerador PSA, o armazenamento intermediário, os controles e o sistema de distribuição a jusante como uma solução completa.
Conclusão
Os geradores de nitrogênio para aplicações na indústria química podem fornecer uma fonte de nitrogênio no local para inertização, criação de atmosferas protetoras, purga e outros processos que exigem condições controladas de oxigênio.
O melhor sistema não é necessariamente aquele que oferece a maior pureza de nitrogênio.
Pureza, oxigênio residual, vazão, pressão, ponto de orvalho, qualidade do ar comprimido, monitoramento, redundância, ambiente de instalação e requisitos de segurança da planta devem ser considerados em conjunto.
Para a seleção de equipamentos específicos para cada projeto, a Lingyu pode avaliar as condições necessárias de nitrogênio e a configuração do sistema com base no processo químico real e nos requisitos da instalação.
