Gerador de nitrogênio líquido: um guia completo para produção, técnicas e aplicações

Os geradores de nitrogênio líquido provaram ser uma revolução em diferentes indústrias em um mundo sujeito à precisão e eficiência. Eles fornecem uma solução fácil para a produção sob demanda de nitrogênio líquido usado especificamente em diferentes aplicações, desde criogenia até preservação de alimentos, a custos muito baixos.

Mas como eles funcionam? Quais vantagens eles têm e como solucionar alguns problemas comuns para garantir que funcionem continuamente? Este artigo pretende cobrir tudo o que há para saber sobre geradores de nitrogênio líquido: suas peças e componentes, soluções de solução de problemas e a variedade de indústrias nas quais essas máquinas são utilizadas para fornecer processos essenciais.

O que é um gerador de nitrogênio líquido?

Como o nitrogênio pode ser liquefeito

O método de conversão do gás nitrogênio em estado líquido através do resfriamento a uma temperatura abaixo de -196°C é denominado liquefação do nitrogênio. Isto pode ser feito com a ajuda de resfriamento criogênico e outros sistemas de alta pressão.

Tem uma aplicação industrial significativa na qual, após congelamento, armazenamento e reações químicas, as propriedades do nitrogênio líquido, ou seja, temperatura muito baixa e inércia, são essenciais. A pureza do nitrogênio, em geral, torna-se uma preocupação primordial, uma vez que as impurezas reduzem a eficiência e a eficácia do processo de liquefação.

Funções do nitrogênio nas indústrias

• In fabricação industrial, o nitrogênio é usado em soldagem, corte a laser e em certos tratamentos de metais.

• Para assistência médica, o nitrogênio líquido é usado para criopreservação de amostras biológicas, transporte de órgãos e em alguns tratamentos dermatológicos, como remoção de verrugas.

• No indústria de alimentos e bebidas, preserva os alimentos por meio do congelamento rápido, ajuda a dar textura ao sorvete e cria atmosferas inertes nas embalagens para controlar a deterioração.

Gerando Nitrogênio Líquido em Escala

Na produção de nitrogênio líquido em massa, torna-se necessária a adoção de equipamentos específicos baseados apenas nas diferentes aplicações. Os geradores industriais de nitrogênio líquido são projetados para alta produtividade, o que permite seu uso em linhas de produção comerciais.

Pelo contrário, pequenos geradores compactos são utilizados em laboratórios de pesquisa e possuem a quantidade certa necessária para experimentações científicas. Muitos fabricantes customizaram soluções de geradores que permitem às indústrias adaptá-los às suas necessidades de produção e operação.

Como funciona o processo de geração de nitrogênio líquido?

Sistemas inovadores para resfriamento de ar

O primeiro ato de liquefazer o nitrogênio é resfriar o ar atmosférico a temperaturas muito baixas. Os sistemas criogênicos resfriam o ar abaixo do ponto de ebulição do nitrogênio (-196°C).

Este estágio é geralmente seguido por um ciclo de expansão que antes esfriou drasticamente as temperaturas. O pré-resfriamento, envolvendo compressão de ar para remover o calor, inicializa esse processo. Trocadores de calor e refrigerantes eficazes são componentes cruciais para as taxas de resfriamento exigidas.

Compressão de Ar para Separação Eficiente

Após a compressão e o resfriamento, o ar é então submetido a alta pressão, o que auxilia na separação do nitrogênio de outros componentes do ar. Isto é possível graças aos compressores que devem ser energeticamente eficientes e ao mesmo tempo capazes de processar grandes volumes de ar.

A umidade e a contaminação são eliminadas do ar antes de usá-lo para produzir um fluxo de gás de alimentação limpo e seco. Essa purificação é crítica para a produção de nitrogênio líquido de qualidade.

Extração de Nitrogênio de Métodos Criogênicos

O processo de separação começa após a compressão e purificação do ar. Isto é feito principalmente através da destilação criogénica, em que o ar é tratado a temperaturas muito baixas, nas quais os seus componentes se liquefazem a temperaturas variáveis. Como o nitrogênio tem o ponto de ebulição mais baixo entre os principais componentes do ar, ele pode ser separado primeiro.

Depois disso, o nitrogênio líquido é armazenado em tanques criogênicos isolados para minimizar a transferência de calor e a contaminação até o seu uso. Este processo também pode ser aprimorado ainda mais com a adoção de tecnologias modernas, como adsorção por oscilação de pressão (PSA) e separação por membrana para aumentar a eficiência e a escalabilidade.

Principais parâmetros técnicos do gerador de nitrogênio líquido

1. Pureza do Nitrogênio
   Normalmente, as purezas do nitrogênio estavam entre 95% e 99,999%, aumentando para níveis de pureza mais elevados para determinadas aplicações, como fins médicos ou de pesquisa. A pureza é determinada pelo desempenho do processo de separação, como destilação criogênica ou PSA (Adsorção por oscilação de pressão).

2. Capacidade de produção
   A capacidade de produção refere-se à quantidade de nitrogênio líquido que um gerador pode produzir em um determinado período de tempo (geralmente em litros/dia (LPD) ou metros cúbicos/hora (Nm³/h)). Este desempenho é influenciado pelo projeto do gerador, tamanho do compressor e eficiência do processo de separação.

3. Consumo de energia O consumo de energia é um dos fatores mais importantes que afetam o preço operacional dos geradores de nitrogênio líquido. Sua medida é geralmente expressa em quilowatt (kW) por unidade de nitrogênio produzida (kWh/Nm³). Em particular, a eficiência energética também depende dos ciclos de resfriamento alcançados pelo sistema, dos trocadores de calor e do tipo de compressor.

4. Pressão Operacional
   A pressão operacional mostra a pressão sob a qual o ar entra nas etapas de compressão e processamento do sistema. Normalmente está entre 6 e 10 bar (1 bar = atmosfera). Pressões elevadas resultam em uma separação ainda mais eficiente das moléculas de nitrogênio, mas exigem uma construção mais robusta. A pressão influencia o tamanho e o design dos compressores, bem como a eficiência geral da liquefação.

5. Controle de temperatura
   O resfriamento teve que ser muito preciso durante todo o processo de liquefação para que o ar pudesse ser resfriado nas faixas necessárias para a liquefação sem contaminação ou perda de eficiência. O sistema geral também deve permanecer em temperaturas uniformes, desde a compressão do ar até o armazenamento de nitrogênio líquido.

6. Eficiência dos Compressores
   Os compressores precisam lidar com grandes quantidades de ar e devem realizar o trabalho com baixo consumo de energia. Plantas de compressores de vários estágios são normalmente usadas em vastos sistemas para aumentar a pressão e a temperatura e otimizar a liquefação. A eficiência de um compressor depende mais da sua potência em comparação com o volume de ar comprimido.

7. Tempo de ciclo
   O tempo de ciclo é definido como o tempo necessário para processar um lote inteiro de ar em nitrogênio líquido. Os tempos de ciclo são mais curtos, o que geralmente significa uma taxa de produção mais rápida, mas é necessário um sistema mais complexo para manter a eficiência e a estabilidade. É necessário um equilíbrio entre o tempo de ciclo e a energia para que um gerador seja econômico sem sacrificar o desempenho.

8. Intervalos de manutenção
   A manutenção mata o dia para todos os componentes – compressores, unidades de refrigeração e sistemas de separação – pelos quais eles funcionariam em um determinado nível. O cronograma de manutenção depende do ambiente operacional, do tamanho do sistema e da frequência de uso. A confiabilidade do desempenho durante toda a vida útil do gerador depende da redução dos tempos de inatividade e do desgaste prematuro dos componentes.

9. Níveis de ruído
   Os níveis de ruído, embora nem sempre sejam uma preocupação no mundo industrial, constituem uma especificação técnica importante, especialmente com geradores em ambientes mais sensíveis ao ruído ou conscientes do ruído. O ruído geralmente vem de compressores, válvulas de expansão e outros componentes mecânicos. A redução do ruído melhora as condições de trabalho, especialmente em instalações de investigação ou médicas onde o gerador pode estar próximo de pessoas.

10. Capacidade de armazenamento e isolamento
    O nitrogênio líquido deve ser armazenado em temperaturas extremamente baixas e os tanques de armazenamento precisam ser bem isolados para evitar a evaporação. A qualidade do isolamento e a capacidade dos tanques de armazenamento são parâmetros críticos. Os tanques de armazenamento são frequentemente projetados para conter nitrogênio líquido a uma pressão de cerca de 1 a 5 bar, garantindo armazenamento estável e transferência eficiente para aplicações conforme necessário.

Quais são as vantagens e desvantagens do gerador de nitrogênio líquido?

Vantagens dos geradores industriais de nitrogênio líquido

• Custo-benefício
  Com o gerador de azoto líquido, é possível percorrer um longo caminho para eliminar a aquisição orçamental de azoto, contando com eles apenas uma vez; então o custo real passa a ser o custo elétrico e de manutenção para operação, sendo assim um método de fornecimento mais sustentável e barato depois de um tempo.

• Produção sob demanda
  Os geradores de azoto líquido podem permitir às empresas produzir azoto no local para consumo imediato, libertando assim o fornecimento de atrasos na cadeia de abastecimento, proporcionando maior flexibilidade, especialmente para empresas onde a procura de azoto flutua.

• Nitrogênio de alta pureza
  Esses geradores avançados de nitrogênio líquido podem produzir nitrogênio puro, necessário em aplicações específicas, como pesquisa médica, criogenia e fabricação de semicondutores.

• Ecologicamente correto
  Na maioria das vezes, a economia na produção de nitrogênio no local normalmente significará menos movimentação de nitrogênio e, portanto, reduzirá as pegadas de carbono das emissões envolvidas no fornecimento e armazenamento de nitrogênio por cilindro ou fonte entregue a granel.

Desvantagens dos geradores industriais de nitrogênio líquido

• Alto investimento inicial
  Um grande gasto inicial é comprar e instalar um gerador de nitrogênio líquido. Incorpora todos os custos de equipamentos, custos de instalação, custos de infraestrutura, etc., o que pode proibir pequenas empresas ou aquelas com baixa demanda por nitrogênio.

• Requisitos de manutenção
  Será necessário atendimento constante para funcionar melhor; envolvendo a mesma frequência de serviço para compressores, sistemas de refrigeração e tanques de armazenamento; se negligenciada, esta manutenção pode levar a reparos dispendiosos e tempo de inatividade.

Quais são as principais aplicações dos geradores de nitrogênio líquido?

Criopreservação e aplicações médicas

• Armazenamento de amostras biológicas: O nitrogênio líquido é comumente usado para armazenar amostras biológicas como sangue, esperma e embriões em temperaturas ultrabaixas para preservar sua viabilidade para uso futuro.

• Preservação de órgãos: Desempenha um papel crítico na preservação de órgãos para transplante, retardando os processos metabólicos e reduzindo o risco de danos nos tecidos.

• Criocirurgia: O nitrogênio líquido é usado em procedimentos criocirúrgicos para tratar tecidos anormais ou doentes, como verrugas, lesões pré-cancerosas ou tumores, congelando-os e destruindo-os.

Indústria de Alimentos e Bebidas

• Conservação de alimentos: O nitrogênio líquido é usado para congelar alimentos rapidamente, preservando a textura, o sabor e o valor nutricional ao baixar rapidamente as temperaturas sem formar grandes cristais de gelo.

• Embalagem de alimentos: Cria uma atmosfera inerte na embalagem, evitando a oxidação e prolongando a vida útil, especialmente para produtos delicados como batatas fritas, nozes e salgadinhos.

• Sorvete de nitrogênio líquido: Alguns estabelecimentos alimentícios usam nitrogênio líquido para criar sorvete instantaneamente, proporcionando uma textura mais suave e uma experiência gastronômica única para os clientes.

Indústrias Químicas e Farmacêuticas

• Reações químicas: O nitrogênio líquido é usado para criar ambientes de baixa temperatura para reações que requerem condições criogênicas, como na produção de certos produtos químicos e farmacêuticos.

• Armazenamento farmacêutico: É usado para armazenar produtos químicos sensíveis, vacinas e medicamentos que requerem temperaturas congelantes para manter a estabilidade e a eficácia.

• Processos de secagem e congelamento: O nitrogênio líquido é empregado em processos de liofilização e pulverização, especialmente para materiais sensíveis ao calor, garantindo que os produtos mantenham sua integridade durante a produção.

Pesquisa e Desenvolvimento

• Aplicações laboratoriais: Em laboratórios, o nitrogênio líquido é usado para resfriar materiais e instrumentos, como no congelamento criogênico de amostras biológicas ou no resfriamento de materiais supercondutores.

• Teste de materiais: Ajuda no teste de materiais sob temperaturas extremas, como metais, ligas e polímeros, simulando condições criogênicas para avaliar suas propriedades e desempenho.

• Acelerando reações: Os pesquisadores usam nitrogênio líquido para acelerar certos processos químicos que requerem resfriamento rápido, como no estudo de taxas de reação ou na formação de compostos específicos.

Indústrias Metalúrgicas e Eletrônicas

• Tratamento criogênico de metais: O nitrogênio líquido é usado no tratamento criogênico de metais para melhorar a dureza, durabilidade e resistência ao desgaste, principalmente na fabricação de ferramentas, peças automotivas e componentes aeroespaciais.

• Fabricação de eletrônicos: O nitrogênio líquido é empregado na produção e testes de eletrônicos, especialmente para resfriar componentes sensíveis durante a montagem e garantir sua estabilidade e longevidade sob temperaturas extremas.

Aplicações Ambientais

• Controle de poluição: O nitrogênio líquido é usado em unidades de separação de ar para remover oxigênio do ar para criar atmosferas inertes para combustão ou para reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx) em ambientes industriais.

• Indústria de petróleo e gás: No setor de petróleo e gás, o nitrogênio líquido é usado para estimulação de poços, testes de pressão e fornecimento de uma atmosfera inerte durante certas operações de perfuração para melhorar a segurança e o desempenho.

Soluções de solução de problemas para geradores industriais de nitrogênio líquido

1. Baixa produção de nitrogênio ou nenhuma produção de nitrogênio líquido

• Examine o funcionamento do compressor de ar: Testar se um compressor de ar está funcionando perfeitamente ou não, ou seja, na medida do possível, deve-se confirmar se a produção de nitrogênio estará boa assim que o compressor deverá operar na pressão necessária. Procure vazamentos, vedações antigas ou danificadas e válvulas com mau funcionamento que comprometem o desempenho.

• Verifique a funcionalidade do sistema criogênico: Trocadores de calor criogênicos e válvulas de expansão são os contribuintes mais críticos em um processo de liquefação. Para tais componentes, deve ser garantida a sua limpeza e condições normais de funcionamento. Qualquer bloqueio ou incrustação nestes componentes pode reduzir a eficácia do sistema no resfriamento do ar e na produção de nitrogênio líquido.

• Inspecione as configurações de pressão e temperatura: Verifique se as configurações de pressão e temperatura atendem às especificações estabelecidas pelo fabricante, pois configurações erradas não permitirão a liquefação do ar.

• Procure contaminação: Se a pureza do nitrogênio for menor, isso comprometerá a produção de contaminantes como água, óleo ou partículas da alimentação de ar. Limpe ou substitua filtros, separadores de umidade e quaisquer outros sistemas de filtros sujos envolvidos no processo.

2. Baixa Pureza do Nitrogênio Líquido

• Examine o processo de separação: A pureza do nitrogênio líquido é influenciada pela eficiência da unidade de separação de ar. Se as colunas de separação de ar ou de destilação estiverem funcionando mal, elas podem não conseguir separar adequadamente o nitrogênio de outros gases. Inspecione se há problemas com as colunas de destilação criogênica ou sistemas PSA (Adsorção com oscilação de pressão).

• Inspecione filtros e materiais de adsorção: Com o tempo, os materiais de adsorção no sistema PSA ou nos filtros podem ficar saturados, reduzindo a capacidade do sistema de atingir a pureza necessária. Verifique regularmente e substitua esses materiais conforme necessário.

• Verifique se há vazamentos de gás: Vazamentos nas linhas de entrada de ar ou saída de nitrogênio podem causar impurezas no nitrogênio. Inspecione todas as tubulações, vedações e conexões quanto a vazamentos e substitua as vedações ou componentes defeituosos.

3. Consumo excessivo de energia

• Inspecione a eficiência do compressor: Um compressor com defeito pode aumentar significativamente o consumo de energia. Certifique-se de que os compressores estejam operando com eficiência ideal, com lubrificação adequada e sem desgaste mecânico. Substitua quaisquer componentes desgastados, como rolamentos ou vedações, que possam estar reduzindo a eficiência.

• Revise o isolamento do sistema: O mau isolamento nos tanques de armazenamento criogênico ou na tubulação pode levar à transferência de calor, fazendo com que o sistema utilize mais energia para manter baixas temperaturas. Certifique-se de que todos os tanques de armazenamento e tubulações estejam adequadamente isolados para minimizar a perda de energia.

• Otimize as configurações de temperatura e pressão: Certifique-se de que as pressões e temperaturas operacionais estejam ajustadas corretamente para maximizar a eficiência energética. As configurações de alta pressão podem consumir mais energia, portanto, certifique-se de que correspondam à taxa de produção de nitrogênio necessária.

4. Desligamentos ou falhas frequentes do sistema

• Monitorar superaquecimento: Verifique o sistema de refrigeração e os refrigerantes utilizados no ciclo criogênico. O superaquecimento devido à insuficiência de líquido refrigerante ou a um trocador de calor com defeito pode fazer com que o sistema desligue automaticamente para evitar danos.

• Examine as válvulas de alívio de pressão: Válvulas de alívio de pressão defeituosas podem provocar desligamentos desnecessários devido a leituras de pressão incorretas. Inspecione regularmente as válvulas em busca de sinais de danos ou desgaste e substitua-as conforme necessário.

• Verifique se há mau funcionamento do sistema de controle: Se os sistemas de controle eletrônico, sensores ou reguladores estiverem com defeito, eles poderão levar ao desligamento do sistema. Inspecione a precisão de todos os sensores e controladores e recalibre-os ou substitua-os conforme necessário.

5. Ruído ou vibração incomum

• Inspecione os rolamentos do compressor e do motor: Ruídos ou vibrações incomuns podem indicar rolamentos desgastados ou peças desalinhadas nos compressores ou motores. Inspecione e lubrifique os rolamentos regularmente e substitua-os se apresentarem sinais de desgaste.

• Verifique se há componentes soltos: Peças soltas no sistema, incluindo fixadores, bombas ou tubulações, podem causar vibração excessiva. Aperte todas as conexões e certifique-se de que todos os componentes estejam seguros.

• Examine as válvulas de expansão: Uma válvula de expansão com defeito pode causar operação irregular, produzindo vibrações ou ruídos incomuns. Inspecione a válvula quanto a bloqueios ou danos e substitua-a se necessário.

Por que escolher o Aivyter?

Como especialista líder na produção de geradores de nitrogênio líquido, a Aivyter oferece experiência e inovação incomparáveis. Somos especializados em projetar e fabricar geradores de nitrogênio líquido eficientes e de alta qualidade, feitos sob medida para atender às necessidades exclusivas de vários setores.

Qualidade e confiabilidade incomparáveis
Nossos produtos são projetados com precisão e construídos para durar, garantindo uma produção confiável de nitrogênio com tempo de inatividade mínimo. A tecnologia avançada da Aivyter garante desempenho ideal, nitrogênio de alta pureza e eficiência energética.

Abordagem Centrada no Cliente
Priorizamos a satisfação do cliente, oferecendo soluções personalizadas e suporte pós-venda excepcional. Escolha Aivyter para soluções de geração de nitrogênio líquido confiáveis, econômicas e de ponta.