La Industria del Nitrógeno

Introducción

El nitrógeno uno de los gases más importantes y abundantes en la Tierra; constituye el 78% del volumen del aire atmosférico. Fue descubierto en 1772 por el científico Daniel Rutherford. El nitrógeno es esencial para la vida, pues forma parte del ADN, así como de determinadas proteínas. En la naturaleza se conoce el llamado “ciclo del nitrógeno”, transportándose desde el aire a los organismos animales y vegetales, y adsorbiéndose en el suelo; este nitrógeno es devuelto a la atmósfera por medio del agua y algunos microorganismos. El nitrógeno es un gas no tóxico, no inflamable, incoloro, insípido e inodoro. Es algo más ligero que el aire, con una densidad de relativa de 0,967. Es considerado un gas no peligroso, sin embargo, una atmósfera rica en nitrógeno es altamente peligrosa; al no poder ser percibido por los sentidos y puesto que la ausencia de oxígeno impide la reacción natural del cuerpo a “buscar aire limpio”, una persona podría morir en cuestión de minutos en una atmósfera con más de un 80,5% de nitrógeno. Propiedades Propiedades físicas del Nitrógreno Fase gas Densidad (0 °C, 101.325 kPa) 1.251 g/L Densidad líquido (p.e.) 0.808 g·cm−3 Punto de fusión

63.15 K, -210.00°C, -346.00 °F

Punto de ebullición

77.36 K, -195.79 °C, -320.33 °F

Punto triple

63.1526 K (-210°C), 12.53 kPa

Punto crítico

126.19 K, 3.3978 MPa

Entalpía de fusión Entalpía de vaporización

(N2) 0.72 kJ·mol−1 (N2) 5.56 kJ·mol−1

Tabla Tabla 1: Propiedade Propiedade s físicas d el nitrógeno. nitrógeno.

Obtención de nitrógeno para uso industrial

Cada año son extraídas aproximadamente 50 millones de toneladas de nitrógeno. El mayo ma yorr co cons nsum umid idor or de nitró nitróge geno no es la indu industr stria ia de dell am amon onia iaco co,, de la qu que e de deri riva va la producción de fertilizantes. Grandes cantidades de gas son también t ambién usadas en la industria de la electrónica, que usa el nitrógeno como para crear un medio de trabajo adecuado para ciertas producciones. También son utilizadas grandes cantidades de nitrógeno en varios procesos de la industria del acero. El nit nitróg rógeno eno es usa usado do com comoo refrige refrigeran rante, te, tan tanto to para para la con congel gelaci ación ón de product productos os alimen alimentici ticios os com comoo para para su transpo transporte rte y dis distrib tribució ución. n. El nit nitróg rógeno eno líq líquid uido o tam tambié bién n es utilizado por la industria petrolera, para crear en las explotaciones la presión necesaria para el ascenso del crudo. La materia prima más barata donde es posible encontrar nitrógeno es el aire, pero la estabilidad química del nitrógeno dificultaba su uso. Esto planteó la búsqueda de métodos eficientes para la obtención del nitrógeno. La demanda de un gas de alta pureza obliga a obtener el nitrógeno principalmente a partir del aire licuado, proceso que se explicará más adelante.

Procedimientos Industriales

En primer lugar cabe destacar la producción más habitual de nitrógeno a pequeña escala. Lejos de ser un proceso industrial, es el proceso común de obtención de nitrógeno en el laboratorio; se prepara tratando una solución acuosa de cloruro amónico con nitrito sódico. NH4Cl (aq) + NaNO2(aq) → N2(g) + NaCl(aq) + 2 H2O (l)

Las pequeñas impurezas que también se forman en esta reacción (NO y HNO 3) son eliminadas haciendo pasar el gas resultante a través de una disolución de dicromato potásico en ácido sulfúrico. Otras reacciones que dan nitrógeno a nivel de laboratorio incl incluy uyen en

la de desco scomp mpos osici ición ón té térmi rmica ca de so solu lucio cione ness de nitr nitrito ito de am amon onio io (NH (NH 4NO2),

oxidación de amonio mediante óxido de cobre o agua de bromo. Tamb Tambié ién n es po posi sible ble ob obte tene nerr un nitró nitróge geno no de pu pure reza za co consi nside dera rabl ble e me medi dian ante te la descomposición térmica de la azida de sodio o bario. 2 NaN3→ 2 Na + 3 N 2

Adsorción por cambio de presión, PSA

La producción de nitrógeno vía PSA (pressure swing adsorption) se basa en el principio

de que el nitrógeno y el oxígeno tienen diferentes tasas de adsorción en un tamiz molecular de carbón (CMS). Este tamiz es la base porosa de carbón remanente tras la pirolisis del precursor polimérico. Debido a su alta porosidad, es capaz de retener las moléculas del nitrógeno. El uso del proceso PSA se ha visto incrementado durante los últimos tiempos, principalmente debido a su simplicidad y bajos costes de operación, y a que es posible la obtención de un nitrógeno de alta pureza (97% - 99,999%). Se adapta especialmente a los ambientes extremos (temperaturas elevadas, humedad, polvo, altura, etc.) donde demuestra una gran resistencia. El proceso es el siguiente: el aire ambiente comprimido, atraviesa un filtro que elimina el aceite y las impurezas antes de ser almacenado en un depósito hermético. A partir de ese momento, el aire comprimido pasa por un secador y finalmente llega al generador donde es dividido en nitrógeno y oxígeno por medio de un ciclo adsorción-desadsorción. El

proceso

original

que

primero

incorporó

los

pasos

necesarios

(presurización/adsorción, despresurización/desadsorción y purga) es el ciclo Skartstrom, el cual requiere dos lechos de adsorción.

Ilustración 1: Proceso de separación del nitrógeno por adsorción, PSA

Existen variantes del proceso PSA muy usadas también en pulgar rojo abajola


Análisis

5/40

industria; algunas de ellas son: -

Proceso KURASEP (Kuraray Separation)

-

Proceso MOL-nitrogen (Molecular Sieve Pressure Swing Adsorption)

-

Proceso NitroGEN (Nitrogen Generator)

Separación por membrana

El proceso de separación por membrana consiste esencialmente en dos operaciones unitarias, presurización y separación. Estos procesos son llevados a cabo usando un compresor rotativo con inyección de acetite y separadores de membrana dispuestos en paralelo. El funcionamiento de la membrana está basado en la tasa de permeabilidad de cada gas y componente. Productos como el oxígeno (más vapor de agua y dióxido de carbono) son “gases rápidos”, pasando más fácilmente a través de la membrana; los gases más “lentos” como es el caso del nitrógeno y el argón presentes en el aire permanecen en la corriente de salida. La ventaja de la separación por membrana es el bajo coste y la facilidad del proceso. El principal inconveniente de este proceso es que la pureza conseguida es inferior a la que se puede obtener con otros procesos como el PSA, siendo mayor la pureza a caudales más bajos.

6/40

Análisis de la entidad


Ilustración 2: Distribución del flujo en el interior del módulo de separación.

Descripción del procedimiento de mayor producción

El procedimiento industrial más empleado para la obtención de nitrógeno es la destilación fraccionada del aire licuado. Dicho proceso fue ideado en 1895 por Carl von Linde, basándose en los trabajos de James Prescott Joule y William Thomson (lord Kelvin); a partir de este proceso consiguió separar oxígeno y nitrógeno con una pureza muy cercana al 100%. Después de la Segunda Guerra Mundial, las nuevas tecnologías trajeron importantes mejoras en el proceso de separación de aire para producir nitrógeno, consiguiendo una

Ilustración 3: Composición del aire

reducción de los costes del proceso a la vez que se alcanzaba una pureza prácticamente del 100%. En el proceso se distinguen 3 etapas muy diferenciadas: lavado del aire, licuefacción del aire, y destilación fraccionada del líquido.

Lavado del aire atmosférico Esta primera parte del proceso persigue la limpieza del aire, apartando de la corriente todas las sustancias contaminantes presentes, así como eliminando el vapor de agua y dióxido de carbono que siempre se encuentran presentes en el aire atmosférico.


Análisis

7/40

Para este fin, se toma el aire de la atmósfera, se comprime (a unas 6,5 atm), y se enfría hasta unos 12ºC aproximadamente. Una vez comprimido y enfriado, se hace pasar por la torre de lavado, que contiene entre, otras sustancias, sosa y potasa caústica, que absorben el dióxido de carbono, formando carbonatos sólidos. Para asegurar la ausencia de sustancias extrañas, también se puede hacer pasar la corriente por un tamiz molecular que contenga zeolitas, y se eliminen cualquier tipo de impureza. Licuefacción del aire Un gas solo puede ser transformado en líquido en unas condiciones de presión y temperatura por debajo de su punto crítico. El punto crítico del aire es -140.7 oC (132.5 K) y 37.7 bar. Puesto que temperaturas inferiores a la del punto crítico no se pueden conseguir mediante un enfriamiento por intercambiador, ya que no es practicable el uso de ningún refrigerante que aporte dichas temperaturas, es necesario recurrir al efecto Joule-Thomson, de enfriamiento por expansión. El proceso utilizado recibe el nombre de sistema Linde-Hampson, y está formado por un compresor, un intercambiador de calor, una válvula de expansión y un depósito para el gas licuado. EL gas de aporte entra al sistema a través del compresor, donde se produce una compresión isotérmica; tras el compresor, el gas pasa por un intercambiador de calor, donde se enfría y. Mediante este proceso descrito se consiguen temperaturas cercanas a los -170 oC. A la salida del intercambiador, el gas se expande hasta la presión ambiente, enfriándose por efecto Joule-Thomson y, seguidamente, pasa a la cámara de licuación, donde la fracción de gas que no se ha licuado se envía de nuevo al intercambiador, captando calor de la corriente que se dirige a la expansión, y regresando a la corriente de aporte.

8/40



Ilustración 4: Ciclo Linde-Hampson

La expansión se puede realizar de dos maneras: sin producción de trabajo exterior (expansión isoentálpica) o con producción de trabajo exterior (expansión isentrópica). El ciclo más empleado es el que incluye la expansión isentrópica, proceso que se conoce por el nombre de su creador, Georges Claude. Esta expansión se realiza mediante un sistema cilindro émbolo; con esto se consigue que el salto térmico sea mayor, y además nos encontramos con un trabajo que se puede utilizar en otras líneas del proceso.

Ilustración 5: Ciclo Claude

Con el tiempo se han ido introduciendo mejoras en el ciclo de licuación del aire, como son la pre-refrigeración y el doble ciclo de expansión. La pre-refrigeración tiene por objeto situar al aire comprimido a 230 a 235 K. Esta nueva refrigeración es complementaria a la que se obtiene con los propios gases fríos del proceso y se realiza de una forma económica haciendo que el aire circule por un serpentín bañado con amoníaco líquido, con lo que se alcanzan fácilmente los – 40 º C. Con esto se consigue que el rendimiento de la licuación se eleve un 40% aproximadamente. El doble ciclo de expansión se adoptó después de un análisis de la relación existente entre frío producido y trabajo consumido en la compresión. En la práctica esta mejora se


Análisis

9/40

traduce en comprimir a 200 atm, enfriar y expandir a 20 atm. La fracción gaseosa, después de pasar por los cambiadores y calentarse a temperatura ambiente, se vuelve a comprimir a 200 atm. La fracción líquida se expande a 1 atm y proporciona, por un lado, líquido a más baja temperatura, que se retira o destila, y por otro, gas en equilibrio que pasa a los cambiadores y se comprime de nuevo a 200 atm. Aunque en principio parece más conveniente el trabajo en un ciclo Claude, ya que se recupera parte de la energía y porque es mayor el rendimiento de licuación, la realidad es que no es siempre fácil la ejecución práctica de esta expansión, ya que si se aprovecha totalmente el efecto llega a aparecer aire líquido en el expansor, lo que produce dificultades mecánicas y pérdidas energéticas. Por otra parte, se presentan problemas de lubricación en el cilindro expansor, dadas las bajas temperaturas que debe soportar. La expansión isoentálpica no presenta estos problemas. Para aprovechar las características de cada uno de los sistemas Heylandt propuso trabajar en un sistema mixto Linde – Claude. La corriente de aire comprimido, después de refrigerada, se divide en dos corrientes, una se expande isentrópicamente y la otra isoentálpicamente. La expansión isentrópica se realiza a una temperatura no demasiado baja, con el fin de que no se produzca licuación en el cilindro de expansión. La expansión isoentálpica produce líquido, mientras que la otra aporta frío. Destilación del aire licuado El método ideado por Carl von Linde para la producción de oxígeno fue un sistema de rectificación de una sola columna. Pocos años más tarde él mismo estableció las bases de la separación del aire licuado mediante el desarrollo de un sistema de doble columna. Hoy en día es posible obtener oxígeno y nitrógeno simultáneamente, ambos de una pureza, en la práctica, total

La separación del aire en sus componentes se va a basar en la diferencia de temperaturas de ebullición de los mismos. De esta forma, tenemos que el nitrógeno entra en ebullición a los 78K, mientras que el oxígeno lo hace a 90 K. De todo esto se deduce que si introducimos la corriente en una columna de destilación, podremos obtener nitrógeno por la cabeza, y oxígeno en el fondo. La columna de destilación doble tiene la siguiente forma, incluyendo un intercambiador de calor:

10/40



Ilustración 7: Vista ampliada del intercambiador. Ilustración 6: Columna de rectificación Linde

La parte inferior trabaja a unas 5 atm, mientras que la superior lo hace aproximadamente a presión atmosférica, lo que permite que el reflujo ascienda a la segunda etapa de destilación. El aire enfriado alcanza una temperatura de unos 150 K, entrando así en la parte inferior de la columna, en donde se enfría más al pasar por el serpentín sumergido en el líquido que llena el calderín (35 %-40 % de oxígeno) que está a unos 105 K (temperatura de ebullición del líquido). Después de esta refrigeración el aire se expansiona hasta 5 atm, introduciéndose en la columna inferior. El líquido que baja al fondo de la columna inferior, rico en oxígeno, se expansiona a 1 atm, inyectándose en la columna superior. El vapor saturado que asciende por la columna inferior se incorpora al intercambiador de calor (5 atm), condensando gracias al calor que aporta al líquido de la columna superior. El N 2 condensado en el intercambiador refluye, en parte, en la propia columna inferior, y el resto se expande y se envía a la cabeza de la torre, de donde escapa a la temperatura de saturación (78 K y 1 atm) la fracción vapor, y fluye hacia abajo la parte líquida . Al igual que hemos visto antes, Claude propone un proceso análogo al de Linde, con la salvedad de que utiliza una expansión isentrópica. A la columna, llegan dos corrientes de aire (A), una de ellas es la resultante de la expansión isentrópica hasta unas 5 atm (gas), procediendo de un expansor de turbina o de cilindro-émbolo; la otra debe su enfriamiento a una expansión isoentálpica inmediata en una válvula, también a 5 atm (líquido). La mezcla líquido – vapor se separa en la base de la columna, enriqueciéndose en oxígeno la parte líquida, que va al fondo mientras que


Análisis

11/40

la parte vapor asciende por los conductos verticales (B). Estos conductos están sumergidos en oxígeno prácticamente puro, por lo que el gas cederá calor y condensará parcialmente. La fracción que no condense ascenderá por la columna, bañándose con el oxígeno expandido en cabeza de columna, al igual que en el sistema Linde. Con el paso del tiempo se han ido introduciendo mejoras con el fin de perder la mínima energía posible en las expansiones, pero el proceso sigue las mismas bases descritas, bien por el método Linde o con la variante de Claude. También es posible colocar una pequeña torre de fraccionamiento, si se quiere aprovechar el Argón, ya que tiene un punto

Ilustración 8: Columna de rectificación Claude

de ebullición intermedio entre nitrógeno y oxígeno. Como visión global del proceso se muestra el siguiente diagrama de flujo, en el que se pueden ver perfectamente todas las etapas de los procesos de limpieza de aire, licuación y separación de componentes.

12/40



Ilustración 9: Proceso completo de destilación del aire.


Análisis

13/40

Pureza y tipología de usos en función de la pureza

El nitrógeno se encuentra presente en gran número de procesos industriales; es usado para crear atmósferas inertes en la industria química y en la electrónica. En la industria química

tiene especial relevancia su uso para la producción de amoniaco, ácido nítrico y

urea; de estos productos deriva la fabricación de fertilizantes y materiales explosivos. En la prod uc ción de m et ale s primarios, el nitrógeno es utilizado ampliamente en la industria del acero, donde se usa en procesos como el calentamiento, agitación e inertización del metal; por ejemplo, para controlar la presencia de oxígeno y otros gases en la producción. Otra de las funciones del nitrógeno es evitar la formación de vacío en los pozos de extracción de gas y petróleo . También es usado en el proceso de refino del crudo. En la industria alimentaria se utiliza para la refrigeración de alimentos, y también en la industria alimentaria animal. En el campo médico el nitrógeno se usa para congelar o conservar muestras y material biológico. En resumen, los procesos que requieren uso de nitrógeno se pueden listar como sigue: 

Industria química



Extracción de gas y crudo



Electrónica



Producción primaria de metales



Refino de petróleo



Industria alimentaria



Industria del cristal



Gomas y plásticos

Para la inmensa mayoría de los campos, la pureza de nitrógeno requerida es 99.999%. Un nitrógeno con una pureza de entre el 90% y 99% puede ser utilizado en la inertización, para prevenir explosiones en determinados espacios (por ejemplo, aparellaje de alta tensión); este nitrógeno es denominado de baja pureza, y es también utilizado para inflado

14/40



de neumáticos, en la industria del petróleo y gas, así como en aplicaciones marítimas (como la conservación de alimentos o la prevención de explosiones e incendios en barcos metaneros). El nitrógeno de alta pureza es requerido principalmente en envasado y almacenamiento de alimentos, electrónica, máquinas de control numérico, purga y producción de metales y plásticos. El nitrógeno de alta pureza que contenga entre un 5% y 10% de hidrógeno, es ampliamente utilizado para establecer una atmósfera protectora en el recocido de aceros al carbón.


Análisis

15/40

Manipulación del nitrógeno líquido

Formas de distribución y envases

El nitrógeno líquido se distribuye desde la planta en la que es licuado por uno de los ciclos explicados anteriormente, hasta los diversos consumidores, mediante camiones con cisternas criogénicas. Estas cisternas, de sección circular, están compuestas de dos tanques, uno de tamaño ligeramente inferior al otro; el espacio entre las paredes de ambos tanques se rellena un aislante térmico (es muy usada la perlita, 75 % sílice) y se hace vacío, ya que el vacío evita la entrada de calor por convección. Las paredes de la cisterna (también las del tanque interior) son de acero inoxidable o al carbono; deben tener superficies reflectantes, para evitar la entrada de calor por radiación; además lleva un calorifugado de PUR o lana mineral, cubierto todo por láminas plásticas o metálicas. En el interior de la cisterna, el nitrógeno se mantiene líquido en un 95 %, aproximadamente.

Ilustración 10: Cisterna rota, con calorifugado.

Puesto que el nitrógeno líquido es considerado mercancía peligrosa, su transporte queda regulado por el Ac uerdo Europ eo sobre el Tran sport e Internacional de Mercancía s Peligrosas por Carretera

(ADR).

Estos camiones cisterna llevan el nitrógeno líquido hasta los tanques de almacenamiento que el consumidor deberá tener instalados; también puede utilizarse el camión cisterna para llenar en destino unos termos criogénicos llamados dewars, de tamaño muy inferior, y que poseen la ventaja de poder transportarse. Los tanques criogénicos y los dewars tienen la misma estructura que las cisternas. Los tanques quedan instalados con un sistema de elevación y mantenimiento de la presión del tanque. También, tanto los tanques como los termos dewars disponen generalmente de un economizador para el gas saliente, en el caso de que se vaya a utilizar como gas. Estos tanques mantienen el nitrógeno a una presión ligeramente superior a la atmosférica (3-4 atm); en el caso de que el nitrógeno se requiera en estado líquido, el dewar deberá estar a presión atmosférica, y, si se trata de un tanque, esté tendrá una tubería de salida

directa a proceso. También existe la opción de suministrar el nitrógeno líquido embotellado como gas a alta presión, unas 200 atm. Una botella se compone de la caperuza o sombrerete, la válvula o grifo y el cuerpo. En su diseño y construcción, las botellas se someten a una serie de pruebas y ensayos que garantizan su seguridad. La fabricación e identificación de las botellas de almacenamiento de nitrógeno líquido, tanto las dewars como las botellas a presión, viene regulada por la ITC MIE-AP7 referente a Botellas y Botellon es para Ga s e s Co mprimidos, Licuado s y Disu elto s a Pre sión . Con la entrada en vigor del Real decreto 2060/2008, la norma UNE-EN 1089-3 reemplaza a la ITC AP7 en lo relativo a colores de botellas de Gas. La fase de transición durará hasta Agosto de 2014. Durante este período, los dos sistemas de identificación por colores convivirán Los componentes y etiquetado de todas las botellas de gas son: 1. El grifo o llave , compuesto por el volante de cierre y apertura del grifo, la rosca de cierre, la rosca de fijación a la botella y la boca del grifo. 2. El collarín o tulipa, sirve para proteger al grifo de un eventual golpe. Jamás deben ser desmontadas. Algunas botellas se entregan también con una caperuza. 3. La ojiva, al igual que el cuerpo aparecen pintadas en las botellas a presión, de manera que se pueda conocer cuál es el gas contenido. Además en ellas aparecen las marcas identificativas de las botellas. 4. Una franja en la que podemos encontrar entre otras, además del color en el caso de que no se pinte toda la botella, las marcas del fabricante, nombre del gas con todas sus letras (nitrógeno), número de fabricación, capacidad de agua (en litros), presión de prueba 2

o

2

hidrostática en kg/cm (mes y año), peso en vacío y presión de carga a 15 en kg/cm . En esta zona también puede aparecer una etiqueta con indicaciones claras sobre el peligro del producto y consejos de seguridad. 5. Los colores del cuerpo identifican el contenido de la botella según propiedades.

18/40



Rojo fuego

Infamable

Acetileno, H 2

Azul claro

Oxidante

Oxígeno

Amarillo Zinc

Tóxico o Corrosivo

Cl, F

Verde amarillento

Inerte

Nitrógeno

Tabla 2: Código de colores según el tipo de gas.

Como se puede ver, nuestra botella (o dewar) de nitrógeno líquido deberá ir señalada en su totalidad de verde. Si el nitrógeno es para uso medicinal, la norma fija el negro como color indicativo.

Ilustración 11: Esquema de la distribución y recepción de nitrógeno líquido en un hospital.

Riesgos y su prevención

El nitrógeno líquido presenta varios problemas y riesgos, asociados principalmente por su baja temperatura y por su capacidad de desplazar el oxígeno en el aire, una vez evaporado. o

A presión atmosférica, el nitrógeno líquido se encuentra a -196 C, por lo que si se trabaja con este gas en estado líquido hay que tener especial cuidado. Los riesgos más reseñables son: •

Quemaduras por frío o congelación por contacto directo con nitrógeno líquido. El


Análisis

19/40

nitrógeno se encuentra a una temperatura de -196º cuando está en ebullición a la presión de una atmósfera. Estas quemaduras también se pueden producir por contacto con equipos, canalizaciones, etc., en los que es corriente que se forme hielo, si bien en la superficie puede tener una temperatura próxima a 0 ºC a medida que se profundiza, esta temperatura desciende notablemente. Si por alguna circunstancia se desprende la capa superficial y se produce el contacto directo de alguna parte del cuerpo con la capa al descubierto, las quemaduras que se producen son graves. •

Asfixia en altas concentraciones por desplazamiento del aire. En caso de derrame, la sustancia se evapora rápidamente formando una nube con insuficiencia de oxígeno, que puede causar asfixia rápida. La vaporización de un litro de nitrógeno liquido, a 15 ºC y 1 atmósfera, produce 691 litros de gas nitrógeno. Otros síntomas que puede causar son vértigos, salivación, náuseas y vómitos.

•

Lesiones pulmonares al respirar gas muy frío procedente de la vaporización del gas licuado.

•

Fragilización de materiales, dando lugar a la aparición de grietas en chapas, estructuras, etc., con el peligro de rotura o desmoronamiento.

En el caso de que se produzca algún accidente con nitrógeno líquido, las medidas a tomar recomendadas son Inhalación: -

Llamar al 112.

-

Los síntomas de asfixia pueden incluir vértigos, dolor de cabeza, náuseas, pérdida de coordinación y la pérdida de consciencia o movilidad. La víctima puede no haberse dado cuenta de que se asfixia. Retirar a la victima a una zona no contaminada llevando colocado un equipo de respiración autónoma.

-

Mantener a la victima caliente y en reposo.

-

Aplicarle la respiración artificial, si es preciso.

Contacto con la piel y los ojos: -

20/40

Lavar los ojos inmediatamente, al menos durante 15 min. Levantar los párpados



para mejorar el lavado. Obtener asistencia médica. -

En caso de congelación rociar con agua abundante, a temperatura ambiente, la parte afectada al menos durante 15 minutos. Aplicar un vendaje estéril. Obtener asistencia médica.

Para evitar estos accidentes, es imprescindible tomar medidas preventivas cuando se trabaje con nitrógeno líquido: Proteger los ojos frente a salpicaduras del líquido mediante pantalla facial o gafas cerradas. Proteger las manos del contacto con el frío mediante guantes reforzados aislantes e impermeables. Debe protegerse hasta el antebrazo. Los guantes no deben estar desgastados, para evitar que el líquido entre dentro y queme la piel. Cuando esto ocurra deberán ser reemplazados por unos nuevos. Para proteger el cuerpo de las salpicaduras del líquido se deberán usar camisas de manga larga y pantalones largos sin dobladillo. Hay que evitar ropa, joyas y otras cosas que puedan retener el líquido criogénico en contacto con el cuerpo (bolsillos abiertos o lugares donde puede quedar retenido fácilmente el líquido). El almacenamiento y manipulación de gases a presión y licuados (nitrógeno líquido, en dewar o botella a alta presión) queda regulado por la ITC MIE-APQ-5 de Almacenamiento y Utilización de Botellas y Botellones de Ga s es Co mprimidos, Licuado s y Disu elto s a Presión.

Transporte Las botellas deben utilizarse y transportarse tal y cómo son suministradas. Nunca se debe eliminarse ninguno de los elementos de protección. En cuanto a su transporte, éste debe realizarse siempre con la llave cerrada y la caperuza puesta. Las botellas nunca deben transportarse asiéndolas por la caperuza, arrastrándolas o haciéndolas rodar. Para su transporte correcto hay que utilizar carretillas en las que las botellas se colocan en posición vertical y sujetas con cinchas. No obstante, para pequeños desplazamientos, por ejemplo para conectar la botella a una línea, se las podrá mover haciéndolas girar sobre su base. Una vez en su lugar, las botellas deben almacenarse sobre suelos planos, en posición


Análisis

21/40

vertical (nunca tumbadas) y fijándolas a la pared por medio de una cadena. Con estas medidas se pretende evitar uno de los accidentes más comunes en el manejo de botellas de gases comprimidos, la caída de la botella y el consecuente aplastamiento de personas o cosas, y lo que aún resulta más grave, la rotura de la llave y el escape incontrolado del gas, con lo que además de provocar una atmósfera peligrosa, la botella podría salir proyectada a gran velocidad arrasando a su paso todos los obstáculos que encontrase. Ubicación Lo recomendable, es colocar las botellas en casetas de gases exteriores y distribuir desde aquí los gases a los distintos procesos. En la instrucción técnica MIE-APQ-5 se describe como deben ser estos almacenamientos en función del volumen y de las características de los gases. Estos almacenes deben reunir entre otras, las siguientes condiciones: •

Lugares ventilados y alejados de sótanos o recintos subterráneos donde, en caso de escape, puedan acumularse los gases de densidad mayor que el aire.

•

Alejadas de los lugares de paso, tanto de personas como vehículos.

•

Las botellas de inflamables deben estar separadas de las botellas del resto de gases por una distancia mínima de 6 metros, o bien separadas por un muro de resistencia al fuego adecuada (RF-30).

•

Si es necesario instalación eléctrica, esta será antideflagrante.

•

Riesgos del área señalizados (inflamable, tóxico, prohibición de fumar…)

•

La temperatura del almacén no debe exceder de 50ºC.

•

Equipo de lucha contra incendio adecuado.

•

Suministro permanente de agua en cantidad suficiente para poder enfriar las botellas y recipientes en caso de verse sometidas al calor de un incendio.

•

Dentro de la caseta, cada botella se colocará en posición vertical, sujeta con una cadena y debajo de un cartel con el nombre del gas.

•

22/40

En el local no se podrán tener reactivos, grasas o aceites.



•

Se colocarán a la vista las instrucciones de manejo de cada gas, los riesgos más importantes y las actuaciones a realizar en caso de accidente.

•

No se almacenaran botellas que presenten cualquier tipo de deterioro. En este caso se avisara al suministrador para su retirada inmediata.

Utilización Las botellas deben ser manejadas solo por personas experimentadas y previamente informadas. En los lugares de utilización deben encontrarse siempre a mano las instrucciones de uso y mantenimiento así como las de emergencia. Para hacer uso del gas contenido en la botella es necesario acoplar a esta un manorreductor. El manorreductor reduce la presión de salida del gas de la botella hasta la presión de uso. Puesta en servicio del gas Para conectar la botella al circuito debemos seguir cuidadosamente las siguientes instrucciones: 1) Asegurarnos que el grifo, de la botella está cerrado. 2) Comprobar que también están cerradas todas las válvulas de los manorreductores. 3) Aproximar la botella al lugar de conexión y fijarla a la pared con ayuda de una cadena. 4) Alinear el racor del manorreductor con la boca del grifo. No se debe intentar nunca forzar las conexiones que no ajustan bien, ni utilizar piezas intermedias. Nunca se debe engrasar válvulas, reguladores, etc. Los aceites y grasas en combinación con ciertos gases como el oxígeno, protóxido de nitrógeno etc. podría dar lugar a una violenta explosión.


Análisis

23/40

Inertización por nitrógeno Usos del nitrógeno por su característica de “gas inerte”

Introducción:

En este apartado, se introduce la dicotomía del nitrógeno como gas inerte y como elemento capaz de formar enlaces con otros elementos. Además, se explican de manera rápida pero clara las aplicaciones del nitrógeno para inertización de sistemas y el uso de nitrógeno en sistemas que priman su característica de gas inerte. ¿Que es la inertización?

La inertización se obtiene mediante el uso de un gas inerte, como el nitrógeno, el dióxido de carbono o algún gas noble,para formar una capa protectora, evitando la reacción de los productos La inertización, en terminología científica, significa: “no predispuesto para reaccionar con otros elementos; formando compuestos no químicos o cualquier otra cosa que sea quimicamente no reactivo. Es decir, se llama inertización a todo uso de un gas inerte para crear una atmósfera protectora que elimine el contacto con el aire con un producto, o aísle a este de cualquier elemento con el que exista un potencial de reacción química. Es inmediato observar la gran cantidad de usos que se pueden obtener de esta técnica, sobre todo en industrias alimentarias, farmacéuticas y en prevención de combustiones y explosiones. ¿Es realmente inerte el nitrógeno?¿Por que se puede utilizar para inertización?

Los gases inertes por excelencia son los gases nobles. Dado que el nitrógeno no es un gas noble, cabe preguntarse cuales son las características que lo hacen inerte, y bajo que circunstancias lo es. En una primera respuesta, se puede decir que el nitrógeno no es tan inerte como otros elementos como el xenón o el argón. Considerar inerte al nitrógeno depende de la perspectiva que se adopte. El nitrógeno puede producir reacciones con otros elementos, 1

pero estas reacciones ocurren en condiciones realmente extremas . Generalmente, los enlaces covalentes dobles y triples no son demasiado estables, debido al pobre solapamiento de los orbitales p que los forman. Pero en el caso del nitrógeno, y dada su alta electronegatividad, la molécula de N2 es capaz de estabilizar muy bien estos electrones, lo que hace que sea muy fuerte el enlace resultante. Otro argumento utilizado generalmente a favor de la naturaleza inerte del nitrógeno es 1

Un ejemplo típico de reacción del nitrógeno es el proceso Haber-Bosch para obtención del amoniaco. Se pueden consultar las condiciones de dicha reacción en http://en.wikipedia.org/wiki/Haber-Bosch_process

que la atmósfera está constituida por cerca de un 78% de este elemento, por lo que se puede deducir que si el nitrógeno no fuera lo suficientemente inerte hubiera reaccionado para formar alguna otra sustancia. De hecho, las reacciones con la atmósfera tales como la combustión se deben a la presencia de oxígeno en una proporción del 21%, no habiéndose observado reacciones con el nitrógeno de la atmósfera en condiciones normales.

Procesos que necesitan inertización.

Las características inertes del nitrógeno son utilizadas en numerosas industrias y en numerosos procesos, de los cuales se destacan los siguientes. Prevención de combustión y explosión. Combustión y explosión. ¿Que son?

Una explosión es una reacción de combustión muy rápida. Por tanto, para que se produzca una explosión, es necesario un combustible, una fuente de ignición y oxigeno. Esta terna de componentes es conocida como el triágulo del fuego. Al realizar ensayos de combustión con mezclas decrecientes en contenido de oxígeno,se llega a un momento en que no se propaga la llama. Se dice entonces Ilustración 12: Representación gráfica el triángulo del fuego

que se ha llegado a la concentración mínima de oxígeno, la cual se puede por tanto definir como el porcentaje mínimo

de oxígeno en la mezcla considerada, capaz de propagar la llama. De lo anterior se infiere que una medida de prevención de explosiones se puede conseguir con una disminución de la concentración de oxígeno, cualquiera que sea la concentración del combustible Como prevenir explosiones con la inertización con nitrógeno.

Cuando se almacenan productos inflamables, aparece un riesgo de explosión cuando se encuentran tres elementos: •

26/40

Vapores, líquidos o polvos combustibles


Inertización por nitrógeno

•

Presencia de oxigeno del aire (comburente)

•

Fuente de ignición (calor, electricidad estática...)

La inyección de Nitrógeno en la atmósfera que rodea al producto o en el espacio de cabeza del depósito, reemplazando el aire y disminuyendo la concentración de oxígeno, evita los riesgos de explosión. Se definen los siguientes límites para que un tanque pueda considerarse inerte: LFL(lower flammability limit): Límite bajo de imflamabilidad, representado por el porcentaje mínimo de aire/combustible necesario para que se produzca la combustión. UPL(upper flammability limit): Límite superior de imflamabilidad, representado por el porcentaje máximo de combustible/aire necesario para que se produzca la combustión. Actualmente, la inertización de los tanques de combustible se realizan inyectando nitrógeno hasta conseguir que el LFL y el UPL estén en unos niveles aceptables. Aplicaciones prácticas.

Tanques de fuel.

La

inertización

de

tanques

de

combustible se ha venido utilizando durante mucho tiempo en aviones de combate. Los motivos

por

los

que

no

se

aplica

normalmente en transporte militar o civil son

puramente

consideraciones

económicas y de peso.

Ilustración 13: Modelo estadístico de las vidas salvadas por año en aviones con tanques de nitrógeno inertizados.

Ilustración 14: Cadena de supervivencia en un accidente de avión sin inertización por nitrógeno del tanque de combustible.


Análisis

Ilustración 15: Cadena de supervivencia en un accidente de avión con inertización por nitrógeno del tanque de combustible.

27/40

Actualmente, y como mediada adoptada tras la explosión de varios aviones tipo boeing 747 y 737 que realizaban recorridos de larga distancia, se utilizan sistemas de inertización por nitrógeno en los tanques de combustible que mantienen el porcentaje de oxígeno por debajo del 12%, mientras que en los aviones de combate se mantiene por debajo del 9%. Sin entrar en detalle, algunos documentos promocionados por el gobierno de los E.E.U.U. fijan el beneficio de estos sistemas en aviones de vuelo comercial en 6 vidas al año. Reacciones y reactores químicos.

La industria química también nos proporciona un claro ejemplo de aplicación de la inertización por nitrógeno. En esta industria, antes de proceder a cualquier reparación, las tuberías son purgadas con nitrógeno a fin de eliminar o reducir riesgos potenciales de explosión. También se utiliza en la protección preventiva contra incendios de almacenes, disminuyendo el porcentaje de oxígeno por debajo del 17% en volumen por inyección de nitrógeno. Con esta técnica se previene de incendios en almacenes de congelados. Los Ilustración 16: Purgado a contracorriente

almacenes de productos químicos pueden protegerse de la misma manera, pero con porcentajes menores de oxígeno.

Prevención de la oxidación. Usos en la industria alimentaria.

Muchos aceites y grasas, sobre todo aquellos de origen vegetal, son propensos a perder calidad a causa de la auto-oxidación, polimerización y descomposición de la grasa, al entrar en contacto con el aire y la humedad. El almacenaje de estos productos con un gas inerte protege contra la pérdida de calidad y contra la oxidación y alarga la vida del producto. Como prevenirla con la inertización con nitrógeno.

Al igual que en el caso de la prevención de incendios, se trata de conseguir una atmósfera con el mínimo contenido de oxígeno. Durante el llenado de recipientes, hemos de conseguir que no entre oxígeno en el contenedor. En estos casos, se utiliza un purgado a contracorriente para evitar la entrada de oxígeno y así conseguir mantener una atmósfera inerte.

28/40



Uso en la industria farmaceútica.

Los ingredientes farmacéuticos activos (API - Active Pharmaceutical Ingredients) y las industrias farmacéuticas usan el Nitrógeno comúnmente como gas inerte para el acondicionado, transporte y almacenamiento de productos farmacéuticos. La inertización se utiliza para mejorar la calidad de los productos, mediante la reducción de vapor de agua, del contenido de oxígeno y evitando reacciones no deseadas. También es usado para aumentar la seguridad, por medio de la inhibición de la combustión o la prevención de incendios o explosiones.

Otros usos del nitrógeno donde se prima su característica de gas inerte . Llenado de neumáticos con N2.

Circular con la presión adecuada en los neumáticos y evitar la corrosión tanto de estos como de las llantas es un tema de especial impacto en la seguridad y economía de los vehículos. Habitualmente se utiliza aire procedente del ambiente para el llenado de los neumáticos. Pero el aire está lejos de ser una solución libre de fallos: Es un gas húmedo, por lo que el agua en suspensión que contiene afecta a los neumáticos y también a la llantas, variando la presión considerablemente cuando aumenta la temperatura (evaporación de agua) y perdiendo presión cuando no se hace uso de ellos por determinado espacio de tiempo (condensación). Pero, además, por su naturaleza, si se expusiera a temperaturas extremas o cambios bruscos, podríamos obtener otros daños que afectarían de forma directa al material con el que se fabricó la goma, cuarteándolo en unas ocasiones y reblandeciéndolo en otras. La solución que se encontró a este escenario fue la utilización de nitrógeno en lugar de aire. El nitrógeno para llenado de neumáticos viene usándose durante años en diferentes sectores (Aviación Civil y Militar, Industria Aeroespacial, Formula 1.. ) . Las características del nitrógeno de ser un gas seco, inerte y no inflamable hacen que la sustitución del aire comprimido por nitrógeno proporcione a los conductores beneficios económicos, mejora en la seguridad y mayor respeto por el medio ambiente incrementando la vida útil del neumático: •

Los neumáticos permanecen a la presión adecuada durante más tiempo, ya que


Análisis

29/40

el nitrógeno se difunde a través del neumático a una velocidad 3 veces inferior a la del aire. •

Al eliminar el oxígeno y la humedad del interior, se previene la corrosión de la

llanta, y se incrementa su duración. •

La ausencia de oxígeno da lugar a una menor degradación de los compuestos

del caucho, ahorrando combustible: •

El nitrógeno reduce el calentamiento del neumático

•

No se incrementa la resistencia al rodaje Transporte neumático y a presión con N 2.

Trasvase por presión:

En la operación de transferencia de producto por presión, el nitrógeno es utilizado como protector y propulsor en un sistema cerrado de transporte. Es un método práctico para transferir sustancias entre dos contenedores sin necesidad de bombeo. De esta manera, se reducen los costos de energía eléctrica a la vez que se protege la sustancia trasvasada. Transporte neumático:

El nitrógeno gaseoso presurizado puede ser utilizado para el transporte de polvos potencialmente explosivos de un sitio a otro

Sparging.

El sparging es un excelente método para retirar oxígeno de un líquido. El nitrógeno es inyectado en la corriente de líquido en forma de pequeñas burbujas, las cuales remueven el oxígeno. Inyección de plásticos.

En el proceso de inyección asistido con gases, se introduce nitrógeno en los moldes garantizando la perfecta distribución de la materia prima. Adicionalmente, se logra homogeneidad de la espesura del plástico y una menor cantidad de piezas descartadas, lo que representa economía de materia prima y un producto final mejor acabado, a la vez que reduce los tiempos por ciclo y sus costos.

30/40



El nitrógeno líquido. Procesos en los que se utiliza el nitrógeno para enfriamiento.

Introducción

En las páginas siguientes, se introducirán los usos principales del nitrógeno para enfriamiento en la industria. Se comienza con una breve descripción del nitrógeno líquido, para después proceder a enumerar sus usos industriales. Finalmente, se expondrán los riesgos, principalmente para la salud de las personas, que se asumen al trabajar con este elemento. ¿Cuan frío es el nitrógeno líquido?

Considerando una presión atmosférica normal, el nitrógeno puede existir de forma líquida a temperaturas entre 63 K (-210 ºC) y 77,2 K (-195,8 ºC). Por debajo de los 63 K, el nitrógeno se congela y pasa a estado sólido. Por encima de los 77,2 K , el nitrógeno hierve y pasa a estado gaseoso.

Principales usos del nitrógeno líquido.

Usos médicos.

El nitrógeno líquido es ampliamente utilizado en medicina y en la industria farmaceútica, tanto en los laboratorios como en uso directo como tratamiento. Uso en crioterapia.

La crioterapia es la terapia basada en el empleo de bajas temperaturas. En este tipo de tratamientos, el nitrógeno líquido es usado para eliminar lesiones de la piel malignas, tales como verrugas o pequeños tumores que pueden causar carcinomas. Células a baja temperatura. Criobiología. Criogénia.

Uno de los aspectos del nitrógeno más explotados en el campo de la biología es su utilización para el estudio de muchos organismos que son capaces de sobrevivir a la congelación por debajo de la temperatura de congelación del agua. Las aplicaciones prácticas de esta técnica son la preservación de muestras biológicas, como el esperma y la sangre, durante prolongados periodos de tiempo. Además, los embriones humanos son capaces de resistir, bajo criogénia, hasta 10 años en condiciones controladas de laboratorio. Usos industriales.

Los usos del nitrógeno líquido en la industria resultan innumerables, puesto que el LN

se puede utilizar en cualquier aplicación donde se necesite una fuente muy fría. A continuación se muestran algunos usos industriales y comerciales. Almacenamiento de nitrógeno para tanques inertizados y de prevención de explosiones.

Como se estudió en el apartado anterior, el nitrógeno es utilizado para la inertización de tanques de combustible y almacenes como medida de prevención de explosiones. Una característica del LIN que todavía no se ha mencionado es la relación de expansión del nitrógeno de líquido a gas. Esta es de 1: 694. Este hecho hace que el nitrógeno líquido sea utilizado como fuente de nitrógeno gaseoso para inertización, ahorrando el volumen que supondría almacenarlo en estado gaseoso. Usos como refrigerante.

Dada la temperatura que alcanza el LN2, unida a su naturaleza inerte, es ampliamente utilizado como refrigerante para: Refrigeración de superconductores.

Existen numerosos materiales que presenta la característica de ser sunperconductores a temperaturas cercanas a la de ebullición del nitrógeno. Esto hace que el nitrógeno líquido sea utilizado como refrigerante para estos materiales. Otro de los elementos utilizados habitualmente es el helio líquido, pero el LN presenta la ventaja de ser más económico y de necesitar un equipo de menor volumen. Esta carácterística se emplea, por ejemplo, para la construción de RMN o equipos de imagen por resonancia magnética.

Ilustración 17: Estructura de un generador eólico con superconductores refrigerados por nitrógeno

Refrigeración de ordenadores.

El nitrógeno líquido.

Análisis

33/40

Otro uso de refrigeración se encuentra en los sistemas de refrigeración de CPU's utilizados bien por particulares o bien en supercomputadoras como el sistema que se utilizaba en la antigua ETA-10. Refrigeración de hormigón.

La necesidad de no sobrepasar ciertos límites de temperatura en la fabricación de hormigón, principalmente durante los meses más calurosos, provoca el interés de controlar esta temperatura durante estos periodos, mediante fluidos frigoríficos como el Nitrógeno líquido, aprovechando las ventajas de su naturaleza inerte y de su alta potencia frigorífica. La inyección de nitrógeno se puede realizar en los camiones hormigoneras o en las mezcladoras. Existen soluciones comerciales para esta aplicación, tales como la que ofrece la empresa AirLiquide. Congelación de suelos con nitrógeno.

La apertura de un pozo o una galería puede presentar una ejecución difícil o incluso imposible si el terreno donde se ha de realizar carece de la estabilidad necesaria. En estas situaciones, una solución de gran interés es la congelación del terreno, especialmente cuando se trata de zonas pantanosas. Dicha congelación se realiza con Nitrógeno Líquido, gracias a su carácter criogénico y facilidad de uso.← Congelación del suelo utilizando nitrógeno líquido. *Usos en la industria alimentaria Congelación y transporte de alimentos.

En la industria de la alimentación se encuentran, en muchas ocasiones, con la necesidad de congelar los alimentos para su almacenamiento o para su transporte. Además, los alimentos deben congelarse tan cuidadosamente como sea posible para que al descongelarse permanezcan frescos y apetitosos cuando se sirvan. Un requisito previo para ello es la "congelación rápida“. El agua contenida en las células debe congelarse muy rápidamente para asegurar la formación de cristales de hielo muy pequeños que no dañen la estructura de la célula.

34/40



Empresas como Messer ofrecen soluciones comerciales para la ultracongelación de alimentos con nitrógeno y CO2 líquidos. Preparación de alimentos.

Un uso que se ha puesto de moda con el tiempo es utilizar nitrógeno líquido para preparar alimentos mediante frío, logrando cocinar alimentos que permanecen sólidos en su superficie estando líquido el interior. Con esta técnica también se puede conseguir helar el alcohol para hacer helados y sorbetes con alto porcentaje de este. Como veremos más adelante, esta técnica puede resultar peligrosa si no se pone el suficiente cuidado.


Análisis

35/40

Consideraciones y conclusiones. Estadísticas de producción y uso en sectores.

A lo largo de los apartados anteriores, se ha visto como el nitrógeno es ampliamente utilizado en muchos campos de la industria. Su producción y crecimientoen los últimos años ha estado íntimamente ligado al crecimiento industrial y del consumo global. Sin embargo, la crisis financiera global que se atraviesa en esta época, unida a la recesión económica experimentada por algunos estados ha pospuesto la apertura de varias plantas de producción y ha supuesto la cancelación de otras muchas. Aunque hay previsión de aumento de la producción en los próximos dos años en unos 15 millones de toneladas, se espera que cerca del 51% sea consumido por el sur o el este de Asia. Al contrario, en América del Norte y en la Unión Europea se prevé un estancamiento en su demanda de nitrógeno. Alrededor del 13% del incremento previsto se espera que sea consumido por África y el oeste de Asia(Irán, Qatar y Arabia Saudí), y el 5 % en Oceanía. En todo el mundo, alrededor de 65 nuevas plantas se encuentran ahora mismo en alguna fase de su implantación, de las cuales unas 23 estarían ubicadas en China. El mejor indicador del consumo mundial de nitrógeno es la producción del amoniaco, ya que es, con diferencia, la industria que más nitrógeno demanda. Del NH 3 deriva una gran

Ilustración 18: Distribución del consumo mundial de amoniaco por sectores.

variedad de productos secundarios de utilización en la industria química, agrícola …Para hacerse una idea, tan solo en el año 2008 se llegarón a consumir 153 millones de toneladas de amoniaco. Un reparto de este uso se puede observar en el siguiente gráfico:

Como se ha dicho, el mayor consumidor de nitrógeno es la industria del amoniaco, de la cual emana otra gran industria dependiente del amoniaco, y por tanto del nitrógeno, que es la de los fertilizantes. A continuación se muestra la previsión del incremento en el consumo de fertilizantes y amoniaco a nivel mundial en el periodo 2010 - 2014:

Ilustración 19: Participación por paises en el incremento del consumo de fertilizantes nitrogenados (2010 - 2014).

Ilustración 20: Participación por paises en el incremento del suministro de nitrógeno (2010 -2014).

38/40


Consideraciones y conclusiones.

Bibliografía. Libros, artículos y referencias web utilizadas

La Industria del Nitrógeno

Recommend Documents