1. Preparación antes de la compresión
Purificación de gases: Antes de comprimir el nitrógeno industrial, normalmente es necesario purificar el nitrógeno. Porque la producción industrial de nitrógeno puede contener pequeñas cantidades de impurezas como humedad, oxígeno y dióxido de carbono. Para algunos escenarios de aplicación de alta precisión, estas impurezas pueden tener efectos adversos. Por ejemplo, en la industria electrónica, la humedad y el oxígeno pueden afectar el rendimiento de los dispositivos semiconductores. Los métodos de purificación comúnmente utilizados incluyen la adsorción y la absorción química. El método de adsorción utiliza adsorbentes (como gel de sílice, tamices moleculares, etc.) para adsorber impurezas como la humedad en el nitrógeno; el principio de la absorción química es eliminar impurezas específicas a través de reacciones químicas, como la absorción de dióxido de carbono con soluciones alcalinas.
Regulación de presión: Una vez producido el nitrógeno en el equipo, su presión inicial puede ser baja y generalmente es necesario ajustarla a un rango de presión adecuado para la succión del compresor. Este proceso se puede lograr a través de una válvula reguladora o un tanque de reserva. El tanque de compensación también estabiliza el flujo de aire, evitando que los aumentos repentinos de presión dañen el compresor.
2. Principio del proceso de compresión
Compresión del compresor de pistón:
Un compresor de pistón es un tipo común de compresor que funciona comprimiendo gas a través del movimiento alternativo de un pistón en un cilindro. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, la presión en el cilindro disminuye, la válvula de admisión se abre y el nitrógeno es succionado hacia el cilindro; cuando el pistón se mueve hacia arriba, la válvula de admisión se cierra, el nitrógeno en el cilindro se comprime y la presión aumenta. Cuando la presión alcanza un determinado nivel, la válvula de escape se abre y el nitrógeno comprimido se descarga del cilindro. En este proceso, de acuerdo con la ecuación del estado de gas ideal $PV=nRT$ (donde $PV$ es la presión, $V$ es el volumen, $n$ es la masa, $R$ es la constante del gas y $T$ es la temperatura) A medida que el volumen disminuye, la presión aumenta correspondientemente. Por ejemplo, en un compresor de pistón de una sola etapa, si la presión inicial es de 1 atmósfera, después de la compresión, la presión puede aumentar a alrededor de 5-10 atmósferas, dependiendo del diseño y los parámetros de funcionamiento del compresor.
Compresión del compresor de tornillo:
El compresor de tornillo se compone principalmente de un par de tornillos hembra y hembra entrelazados. Después de que el nitrógeno ingresa al puerto de succión del compresor, a medida que los tornillos macho y hembra giran, el gas se comprime gradualmente entre los dientes de los tornillos. La rotación del tornillo hace que el gas se mueva desde el extremo de entrada al extremo de escape, reduciendo continuamente su volumen y aumentando continuamente su presión. En comparación con los compresores de pistón, el proceso de compresión de los compresores de tornillo es continuo y el flujo de gas es relativamente estable. Puede aumentar la presión del nitrógeno desde la presión atmosférica a un rango de presión más alto, por ejemplo, puede aumentar la presión del nitrógeno a 7-14 atmósferas, y tiene una alta eficiencia de compresión y es adecuado para comprimir nitrógeno con un gran caudal.
Compresión del compresor centrífugo:
Los compresores centrífugos comprimen el gas utilizando un impulsor giratorio de alta velocidad para realizar trabajo sobre el gas. Una vez que el nitrógeno ingresa al impulsor, gana energía cinética gracias a la rotación a alta velocidad del impulsor. Luego, en el difusor, la energía cinética del gas se convierte en energía de presión, lo que aumenta la presión. El compresor centrífugo se caracteriza por un gran caudal y un amplio rango de aumento de presión. Puede comprimir nitrógeno desde una presión más baja a una presión más alta, como desde la presión atmosférica a decenas o incluso cientos de atmósferas. Se utiliza comúnmente en grandes sistemas de compresión de nitrógeno en industrias químicas, de refinación de petróleo y otras. Cuando es necesario suministrar nitrógeno a alta presión a gran escala, los compresores centrífugos son una buena opción.
3. Control de temperatura durante la compresión
Durante el proceso industrial de compresión de nitrógeno, debido a la compresión del gas, según los principios de la termodinámica, su energía interna aumenta y la temperatura se eleva. Las temperaturas excesivamente altas pueden afectar el rendimiento y la seguridad del compresor y también pueden cambiar las propiedades químicas del nitrógeno. Por lo tanto, es necesario controlar la temperatura durante el proceso de compresión. Generalmente se utiliza un sistema de refrigeración para reducir la temperatura. Los métodos de refrigeración más habituales son la refrigeración por aire y por agua. El enfriamiento por aire es el proceso de disipar calor en el aire a través de un radiador y un ventilador; el enfriamiento por agua es el proceso de absorber calor mediante agua circulante. Por ejemplo, en los compresores de pistón, generalmente se instala una camisa de enfriamiento alrededor del cilindro para eliminar el calor generado durante el proceso de compresión a través del agua de enfriamiento circulante, de modo que la temperatura del nitrógeno se mantenga dentro de un rango adecuado, generalmente no superior a 150-200 °C. El límite de temperatura específico depende de los requisitos de material y diseño del compresor.
4. Compresión multietapa y refrigeración intermedia
Para obtener una mayor presión, el nitrógeno industrial generalmente adopta una compresión de múltiples etapas. La compresión multietapa significa que el nitrógeno se comprime sucesivamente en secuencia mediante múltiples compresores o compresores multietapa. Después de cada etapa de compresión, el gas se enfría intermediamente. Esto se debe a que después de la primera etapa de compresión, la temperatura del gas aumentará. Si no se enfría y entra directamente a la siguiente etapa de compresión, el consumo de energía del compresor aumentará y también puede superar el límite de temperatura del compresor. Por ejemplo, en un sistema de compresor de tres etapas, el nitrógeno se comprime primero en la primera etapa y la presión aumenta de 1 atmósfera a 3-4 atmósferas. Después de que la temperatura aumenta, se enfría hasta cerca de la temperatura inicial a través del intercooler, y luego ingresa a la segunda etapa de compresión, donde la presión aumenta aún más a 8-10 atmósferas. Después de enfriarse nuevamente, entra en la tercera etapa de compresión, aumentando finalmente la presión del nitrógeno a alrededor de 20-30 atmósferas. El intercooler puede mejorar significativamente la eficiencia del compresor, reducir el consumo de energía y garantizar la seguridad y estabilidad de todo el proceso de compresión.
5. Procesamiento y almacenamiento después de la compresión
El nitrógeno industrial comprimido debe procesarse y almacenarse posteriormente. Si el nitrógeno se utiliza en un entorno de alta presión, como una reacción de síntesis química en un reactor de alta presión, debe transportarse al lugar de uso a través de una tubería y Se debe garantizar la resistencia a la presión y la estanqueidad de la tubería. Si se utiliza para almacenamiento, el nitrógeno comprimido generalmente se almacena en tanques de alta presión. El material y el diseño del tanque de almacenamiento de alta presión deben cumplir con los estándares de seguridad y ser capaces de soportar la presión del nitrógeno. Por ejemplo, en algunas estaciones de suministro de gas industrial, el nitrógeno comprimido se almacena en cilindros de acero sin costura o en grandes tanques de almacenamiento a una presión de 15 a 20 MPa para su uso futuro. Al mismo tiempo, para garantizar la seguridad del almacenamiento, se instalarán equipos de seguridad como válvulas de seguridad y manómetros, y los tanques de almacenamiento se inspeccionarán y mantendrán periódicamente.
