El tamiz molecular de carbono, abreviado normalmente como CMS, es el componente que realiza la separación efectiva del nitrógeno y el aire comprimido dentro de un generador de nitrógeno PSA. Si está evaluando la producción de nitrógeno in situ, conocer cómo trabaja el tamiz facilita mucho la valoración de la pureza, el coste de explotación y la fiabilidad a largo plazo antes de decidirse por un sistema. Este artículo explica qué es un tamiz molecular de carbono, cómo produce nitrógeno y cómo se sitúa frente a los demás procedimientos de separación del mercado.
¿Qué es un tamiz molecular de carbono (CMS)?
Un tamiz molecular de carbono es un adsorbente de carbono muy poroso y fabricado a medida, cuya estructura de poros está controlada a escala molecular. Su función es separar gases por el tamaño de las moléculas. El aire está compuesto aproximadamente por un 78 por ciento de nitrógeno y un 21 por ciento de oxígeno, además de pequeñas cantidades de argón, dióxido de carbono y vapor de agua. Las moléculas de oxígeno miden unos 3,46 ángstroms y las de nitrógeno unos 3,64 ángstroms. El tamiz aprovecha justamente esa pequeña diferencia: los poros están calibrados de forma tan estrecha que las moléculas de oxígeno, más pequeñas, entran y quedan retenidas, mientras que las de nitrógeno, mayores, pasan de largo. Esa única propiedad es la que hace posible la generación de nitrógeno in situ.
Un tamiz molecular de carbono no debe confundirse con los tamices moleculares de zeolita que se emplean para producir oxígeno o para secar. Ambas familias comparten el nombre de «tamiz molecular», pero un CMS está construido específicamente para retener el oxígeno y entregar nitrógeno como gas producto.
Cómo trabaja el CMS en un generador de nitrógeno PSA
PSA son las siglas de pressure swing adsorption, es decir, adsorción por oscilación de presión, y el nombre describe el ciclo. Un generador de nitrógeno PSA emplea dos recipientes llenos de tamiz molecular de carbono. Aire comprimido limpio y seco entra a presión en el primer recipiente, donde el oxígeno, el dióxido de carbono y la humedad residual se adsorben en el CMS, mientras que el nitrógeno atraviesa el lecho y se acumula en un depósito pulmón.
Cuando el tamiz de ese recipiente se acerca a la saturación, el generador conmuta al segundo recipiente y sigue produciendo nitrógeno sin interrupción. El primer recipiente se regenera a continuación despresurizándolo: al bajar la presión, el oxígeno retenido se desorbe y se evacua a la atmósfera, de modo que el tamiz queda listo para el siguiente ciclo. Un generador típico alterna entre ambos recipientes cada 60 segundos aproximadamente, por lo que el nitrógeno fluye de forma continua. Como el tamiz se regenera mediante presión y no mediante calor, no se consume en funcionamiento normal.
CMS, membrana o criogenia: cuándo el CMS es la opción correcta
Existen tres procedimientos establecidos para producir nitrógeno, y el adecuado depende de la pureza y el volumen que se necesiten.
- La separación por membrana hace pasar aire comprimido por fibras huecas que el oxígeno y el agua atraviesan más rápido que el nitrógeno. Es compacta y sencilla, pero suele quedar limitada a purezas más bajas, de hasta un 99,5 por ciento aproximadamente.
- La separación criogénica enfría el aire hasta que sus componentes se licuan y se separan por destilación. Alcanza purezas muy altas en volúmenes muy grandes, pero exige una inversión elevada y solo resulta rentable a escala industrial.
- El PSA con CMS se sitúa entre ambas. Alcanza purezas de hasta el 99,999 por ciento con los caudales que necesitan in situ la mayoría de las plantas de producción, sin más recursos que aire comprimido y electricidad.
Para los muchos usuarios industriales que necesitan nitrógeno de alta pureza a demanda sin atarse a un contrato de suministro de gas, un generador PSA con CMS suele ser la solución práctica.
Tamices moleculares 3A/4A/5A frente al CMS
Al documentarse sobre tamices aparecen con frecuencia las calidades 3A, 4A y 5A, de modo que conviene situarlas junto al CMS. Esas cifras designan tamices moleculares de zeolita e indican la abertura nominal de poro en ángstroms:
- 3A adsorbe agua de forma selectiva y se emplea allí donde solo debe retirarse humedad, por ejemplo en el secado de alcoholes.
- 4A se ocupa del secado general de gases y líquidos y retiene además moléculas pequeñas como el dióxido de carbono.
- 5A adsorbe moléculas mayores, entre ellas algunos hidrocarburos, además del agua.
Estas calidades tienen que ver con el secado y la adsorción general. La producción de nitrógeno es otra tarea, y de ella se encarga el tamiz molecular de carbono, diseñado en torno a la diferencia de tamaño entre oxígeno y nitrógeno y no en torno al agua. En un generador de nitrógeno, el CMS es el adsorbente de trabajo, mientras que las calidades de secado pueden ir instaladas aguas arriba para protegerlo.
Pureza, vida útil y regeneración del CMS
La calidad del tamiz molecular de carbono marca el techo de lo que un generador puede entregar. Un CMS bien fabricado, con una estructura de poros estrecha y uniforme, admite purezas de nitrógeno de hasta el 99,999 por ciento y mantiene ese rendimiento a lo largo de cientos de miles de ciclos de presión.
Su vida útil depende sobre todo de lo que le llega. El arrastre de aceite, el agua líquida y el polvo procedentes de un aire comprimido mal filtrado recubren u obstruyen los poros y acortan la vida del tamiz, por lo que el tratamiento previo del aire cuenta tanto como el propio tamiz. Con aire de entrada limpio y seco, un lecho de CMS se mantiene productivo durante muchos años y exige poco mantenimiento en comparación con una planta criogénica.
Coste y eficiencia: qué supone el CMS para los costes de explotación
El coste de explotación de un generador con CMS es esencialmente el coste del aire comprimido que consume, y este depende de la pureza que se especifique. A mayor pureza, más oxígeno tiene que rechazar el tamiz, lo que exige más aire por unidad de nitrógeno y, por tanto, más electricidad. Fijar la pureza que el proceso realmente necesita, en lugar de la máxima disponible, es la mayor palanca sobre el coste de explotación.
Frente al nitrógeno suministrado en botellas o como líquido a granel, la producción in situ elimina los cargos periódicos de gas, los portes y los alquileres, y acaba con el riesgo de quedarse sin suministro entre dos entregas. El resultado económico exacto depende de su pureza, su perfil de consumo y el precio actual del gas, así que el paso siguiente razonable es un cálculo basado en la aplicación y no una regla general.
Aplicaciones
Los generadores de nitrógeno con CMS se emplean allí donde se necesita in situ una atmósfera limpia, seca e inerte:
- Electrónica y semiconductores, para inertización y soldadura, por ejemplo en procesos de refusión y de ola.
- Envasado de alimentos, para el envasado en atmósfera modificada (MAP) que prolonga la vida útil.
- Industria farmacéutica, para la inertización y para mantener los procesos secos e inertes.
- Industria química, para inertizar y purgar con el fin de desplazar el oxígeno.
- Mecanizado de metales y corte por láser, donde el nitrógeno produce cantos de corte limpios y sin óxido.
En todos los casos los factores decisivos son los mismos: la pureza que exige la aplicación y el caudal que consume, y ambos remiten al tamiz molecular de carbono situado en el corazón del generador.
Como fabricante de instalaciones PSA completas, Berg GaseTech ajusta el tamiz, el diseño de los recipientes y el control a su pureza objetivo y a su caudal. Puede ver toda la gama NITROBERG® en nuestra página de generadores de nitrógeno PSA o pedir a nuestros ingenieros un dimensionamiento basado en su aplicación.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el CMS en una planta de nitrógeno?
En una planta o un generador de nitrógeno, CMS son las siglas de tamiz molecular de carbono (carbon molecular sieve). Es el adsorbente de carbono poroso alojado en los recipientes del generador que realiza la separación efectiva de los gases. Bajo presión, el tamiz retiene las moléculas de oxígeno del aire comprimido, más pequeñas, mientras que las moléculas de nitrógeno, mayores, pasan y se convierten en el gas producto. El tamiz se regenera después bajando la presión, con lo que el oxígeno queda liberado. Todo lo demás en la planta, desde el compresor hasta el depósito pulmón, existe para alimentar y proteger el tamiz molecular de carbono, y por eso su calidad determina en gran medida la pureza y la fiabilidad del nitrógeno que se obtiene.
¿Qué es un generador de nitrógeno?
Un generador de nitrógeno es un sistema que produce nitrógeno in situ a partir de aire comprimido corriente, de modo que deja de depender de botellas suministradas o de nitrógeno líquido. El tipo industrial más habitual es el generador de nitrógeno PSA, que separa el nitrógeno del aire mediante un tamiz molecular de carbono. Aspira aire comprimido limpio, retira el oxígeno por adsorción y entrega un suministro continuo de nitrógeno con la pureza que se haya fijado. Como los únicos recursos necesarios son aire comprimido y electricidad, un generador pone el nitrógeno a disposición a demanda con un coste previsible y elimina la logística de las entregas de gas.
¿Cuánto aire comprimido necesita un generador de nitrógeno?
Un generador de nitrógeno PSA necesita aire comprimido limpio, seco y exento de aceite, y consume varias unidades de aire por cada unidad de nitrógeno que produce. La proporción exacta depende de la pureza requerida: cuanto mayor es la pureza del nitrógeno, más oxígeno tiene que rechazar el tamiz, de modo que la demanda de aire sube con fuerza hacia el extremo superior del rango de pureza. Por eso el compresor y el tratamiento del aire deben dimensionarse junto con el generador. El planteamiento fiable es un cálculo basado en la aplicación que ajuste entre sí el suministro de aire, la pureza y el caudal, y que nuestros ingenieros elaboran para su proceso concreto.