Geração de nitrogênio industrial: um guia completo!

O nitrogênio industrial é um gás inerte, inodoro e incolor – propriedades únicas, que garantem a segurança e a qualidade de diversos processos nos mais variados setores da indústria.

No geral, para abastecerem sua linha de produção, as empresas costumam adquiri-los na forma líquida, em tanque criogênico, ou acondicionados em cilindros. Nesses casos, as companhias de gás fornecem matéria-prima e alugam a estrutura de reservatórios.

Esses métodos de obtenção, no entanto, tornam o preço do metro cúbico dos gases extremamente alto e exigem um grande esforço logístico. 

Mas é possível reduzir esse custo por volta de 90% com a geração on-site, ou seja, produzindo nitrogênio industrial dentro da sua própria planta.

Basicamente, funciona da seguinte maneira: um compressor conduz o ar comprimido a um gerador de nitrogênio. No gerador, as moléculas são separadas conforme a necessidade e o gás final é utilizado na produção (veremos os detalhes desse sistema mais adiante).

Assim, é possível tornar o negócio totalmente independente das companhias de gás, conquistando uma série de benefícios.

Por meio da geração on-site, direto na sua fábrica, o custo operacional mais significativo é a energia elétrica e consumíveis do sistema como filtros, por exemplo. É o fim do alto gasto com cilindros e da vulnerabilidade à variação de preços do mercado, que se orienta pela inflação (IGP-M).

A expectativa média de redução de custos é de 90%, com um retorno sobre o investimento de 10 meses, mas vale destacar que alguns clientes Atlas Copco alcançaram uma economia de 97%, e o retorno sobre o investimento foi de apenas 4 meses.

A geração de nitrogênio on-site dispensa o processamento de pedidos de compra, recarga, entrega e armazenamento do gás. Além de eliminar os gastos com transportes, evita a emissão de gases poluentes, o que contribui diretamente para a redução da pegada de carbono da empresa.

O gerador opera 24 horas por dia, 7 dias por semana, eliminando o risco potencial de parada de produção por falta de abastecimento de nitrogênio. Já com cilindros, não há garantias: ao mudar de um rack vazio para outro cheio, haverá uma interrupção no fornecimento, e nem todo processo de produção permite esse tipo de parada. 

As garrafas de nitrogênio industrial são sempre reutilizadas, o que faz com que detritos e água condensada estejam sempre por ali, em forma de resíduos. A única exceção é se você optar por um cilindro com “qualidade de laboratório”, cujo valor é altíssimo.

Por essa razão, a pureza do gás não pode ser garantida para pressões de garrafa abaixo de 30 bar. Já o gerador de nitrogênio on-site Atlas Copco vem com módulo eletrônico que corrige automaticamente a pureza do gás, caso ela se desvie do especificado.

Os geradores de nitrogênio on-site foram desenvolvidos com tecnologia de ponta, que resulta em baixíssima manutenção. Além disso, permitem utilizar apenas a quantidade necessária de nitrogênio para cada aplicação, evitando desperdícios.

Agora que você entendeu as vantagens da geração de nitrogênio industrial on-site, vamos analisar os problemas envolvidos nos demais métodos de fornecimento do gás.

Esse processo é muito simples: você pede ao seu fornecedor a quantidade de nitrogênio pretendida para a sua aplicação e ele a entrega em cilindros grandes e pesados. 

O N2, gerado por uma planta de nitrogênio criogênico, é convertido em gás e engarrafado sob alta pressão (300 bar). Esses cilindros são colocados em um rack e transportados até o destino em caminhões. Após o uso, os cilindros vazios são coletados pela companhia de gás.

Se o consumo de nitrogênio for relativamente baixo, é uma solução aparentemente simples. Mas, em geral, apresenta as seguintes desvantagens:

• Com o gás representando apenas 10% do peso total do cilindro, você paga principalmente pelo transporte de ferro.

• Além disso, quando a pressão da garrafa atinge a pressão do seu processo, ela não poderá mais ser usada. Qualquer gás que tenha sobrado – geralmente, em torno de 10% do conteúdo – retorna para o fornecedor sem reembolso.

• E vale destacar: normalmente, um rack está esperando a coleta por fornecedor, outro está em uso e o outro cheio é estocado. Você paga por três racks para utilizar apenas um.

• Os cilindros envolvem um perigo de tombamento durante o manuseio. Se a válvula se romper, ocorre o efeito torpedo, com liberação do gás em alta pressão (até 300 bar).

Uma segunda opção é instalar um tanque de armazenamento de nitrogênio líquido no seu site e abastecê-lo periodicamente por meio de uma companhia de gás. Esses tanques podem ser alugados por meio de uma companhia de gás ou comprados.

Um evaporador transforma o nitrogênio líquido em nitrogênio utilizável na forma gasosa. Assim como o nitrogênio em cilindros, ele é transportado pela companhia em caminhões. Neste caso, no entanto, o nitrogênio é transportado em um grande caminhão-tanque com isolamento térmico.

Por isso, além do tanque, é necessária uma fundação especial que possa resistir a temperaturas extremas de frio em caso de vazamentos. Mesmo assim, o evaporador (que transforma o líquido em gás) pode congelar quando o consumo for maior do que o nominal ou quando o ambiente estiver muito frio.

Na maioria dos casos, os tanques criogênicos são mais econômicos do que o nitrogênio em cilindros, mas o processo de aquisição costuma ser mais complicado e burocrático. Isso sem contar as limitações de segurança, pois as baixíssimas temperaturas podem ocasionar problemas de saúde caso haja contato do tanque com a pele.

Além disso, o isolamento do tanque nunca é perfeito, causando perdas de gás por evaporação. Quando nenhum gás é consumido (nos finais de semana ou período noturno, por exemplo), as perdas podem chegar a mais de 1% do volume restante do tanque por dia.

O ar atmosférico é composto por 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases. É possível tratar esse ar com um gerador que isola as moléculas de nitrogênio para aplicações específicas. Assim, pode-se produzir o gás na própria unidade industrial, on-site, dispensando o fornecimento por terceiros.

O processo funciona da seguinte maneira: a partir do volume de nitrogênio demandado, um sistema de ar comprimido é devidamente dimensionado e alinhado a um gerador que separa as moléculas, conduzindo o nitrogênio gasoso puro para o devido reservatório.

Nesse sistema, o custo operacional mais significativo é a energia elétrica consumida pelo sistema de ar comprimido, além de outros consumíveis como filtros.

Para determinar a tecnologia ideal para a sua aplicação, o primeiro passo é levantar suas necessidades de vazão, pressão e pureza de gás. A partir desses dados, é só analisar qual solução responde de forma mais adequada à sua aplicação: tecnologia de membrana semipermeável ou tecnologia PSA.

A tecnologia PSA (Pressure Swing Adsorption) utiliza peneiras moleculares de carbono que absorvem as moléculas de oxigênio. É indicada para indústrias que demandam maior nível de pureza do nitrogênio industrial, como o setor de alimentos e bebidas ou moldagem de plásticos.

Esse tipo de gerador de nitrogênio tem duas torres conectadas que trabalham juntas para produzir um fluxo contínuo de gás. Oferece os mais altos níveis de pureza do nitrogênio, podendo chegar a até 99,999% para fluxos de até 1.100 Nm³/h.

O ar comprimido deve ser limpo e seco antes de entrar no gerador de nitrogênio, pois isso afeta positivamente a qualidade do nitrogênio e também impede que o equipamento seja danificado pela umidade. Além disso, a temperatura e a pressão de entrada devem ser controladas para manter a pressão entre 4 e 13 bar.

Para tratar o ar adequadamente, deve haver um secador entre o compressor e o gerador. Se o ar de entrada for gerado por um compressor lubrificado a óleo, será necessário também instalar um filtro de carbono coalescente para eliminar todas as impurezas antes de o ar comprimido chegar ao gerador.

A maioria dos geradores PSA possui sensores de pressão, temperatura e ponto de orvalho de pressão instalados, funcionando como um sistema à prova de falhas, impedindo a entrada de ar contaminado no sistema PSA, o que danificaria seus componentes.

01. Compressor lubrificado “Pack”

02. Secador de refrigeração FX 

03. Filtro fino DD

04. Filtro extrafino PD

05. Torre de carvão QDT

06. Filtro extrafino PD

07. Reservatório de ar comprimido

08. Gerador de Nitrogênio NGP/NGP+

09. Reservatório de Nitrogênio

10. Filtro extrafino PD (N2)

11. Válvula agulha/retenção

12. Separador água/óleo para ISO 14.000 (opcional)

Os geradores de nitrogênio de membrana são baseados em um princípio de funcionamento simples: a membrana semipermeável é constituída de fibras de alta densidade e filtra o nitrogênio com alto índice de pureza e secagem. Proporciona vazões de até 500 Nm³/h.

É muito importante que o ar de entrada esteja limpo e seco antes de entrar na membrana. Se este não for o caso, as fibras rasas rapidamente entupirão. Para evitar que isto ocorra, um tratamento do ar de alimentação adequado deve ser instalado. Em alguns casos, os filtros necessários já serão incorporados ao próprio gerador.

01. Compressor lubrificado “Pack”

02. Secador de refrigeração FX

03. Reservatório de ar comprimido

04. Gerador de Nitrogênio NGM (DD/PD/QDT/PD incluso)

05. Reservatório de Nitrogênio

06. Filtro extrafino PD (N2)

07. Separador água/óleo para ISO 14.000 (opcional)

Os geradores PSA são mais eficientes e resultam em custos operacionais mais baixos, mas também existem algumas vantagens notáveis em usar um gerador de membrana.

A primeira é o princípio de funcionamento mais simples, o que afeta os custos de manutenção e resulta em uma menor área ocupada da instalação. A partida deles também é mais rápida e são muito mais silenciosos que os geradores PSA.

Esta última vantagem torna o gerador de nitrogênio de membrana mais adequado para locais em que há muita gente trabalhando. 

Por isso, ao selecionar o tipo certo de gerador, é prudente olhar para a aplicação na qual ele será usado, considerando todas as vantagens e desvantagens, para então fazer a escolha.  

E como você já sabe, se precisar, conte com a ajuda dos nossos especialistas nessa tarefa!

• Clique aqui para conferir nossa tabela comparativa para geradores de nitrogênio PSA e de membrana

O gás de nitrogênio criogênico tem um nível de pureza fixo e muito elevado – até mesmo exagerado para determinadas aplicações. Isso significa que você pode estar pagando por um atributo que não precisa. Já a pureza do nitrogênio dos geradores pode ser ajustada para corresponder às suas preferências.

Os geradores de nitrogênio e oxigênio Atlas Copco foram otimizados para as necessidades de uma ampla linha de indústrias e aplicações:

• Indústria alimentícia

• Pintura industrial 

• Indústria de óleo e gás (sem risco de ignição e explosão na interação com gases inflamáveis)

• Moldagem por injeção assistida a gás (GAIM)

• Corte a laser

• Soldagem de componentes eletrônicos

• Aplicações químicas e farmacêuticas

• Setor automotivo

• Tratamento térmico de metais

Acesse a calculadora e informe:

• Seu consumo mensal de nitrogênio;

• O preço que você paga pelo metro cúbico de nitrogênio hoje;

• O valor no Kwh de energia elétrica que você paga na sua empresa hoje.

Depois, veja a mágica acontecer!

Você saberá o quão rápido se paga o investimento em um gerador de nitrogênio na sua operação.