Dos maneras de separar el aire sin enfriarlo
Para producir nitrógeno en planta hay dos tecnologías que trabajan a temperatura ambiente: la adsorción por cambio de presión (PSA) y las membranas de fibra hueca. A veces se presenta la membrana como «la tecnología nueva». No lo es: las membranas de separación de gases se usan industrialmente desde los años ochenta, y el PSA de nitrógeno con tamiz de carbón tiene una historia parecida. Las dos están maduras. La pregunta útil no es cuál es más moderna, sino cuál encaja con tu pureza, tu caudal y tu forma de operar.
En este artículo explicamos cómo funciona cada una, con la física justa para entender sus límites, y comparamos los números que importan: aire consumido, energía, mantenimiento y sensibilidad a las condiciones de trabajo.
Cómo funciona una membrana
Un módulo de membrana es un haz de decenas o cientos de miles de fibras huecas de polímero (polisulfona, poliimida u óxido de polifenileno), del grosor de un cabello, dentro de una carcasa. El aire comprimido entra por el interior de las fibras. Algunos gases atraviesan la pared más deprisa que otros y salen por la carcasa; el resto sigue por el interior y sale por el otro extremo.
No son agujeros: es disolución y difusión
La pared de la fibra no es un colador con poros del tamaño de una molécula. Es un polímero denso en el que cada gas primero se disuelve y luego difunde. La permeabilidad de un gas es el producto de su solubilidad en el polímero por su difusividad dentro de él:
El caudal que atraviesa la pared por unidad de superficie depende de esa permeabilidad, del espesor de la capa selectiva l y de la diferencia de presiones parciales entre el interior (alta presión, fracción xi) y la carcasa (baja presión, fracción yi):
El agua, el CO₂ y el oxígeno permean bastante más rápido que el nitrógeno y el argón. La relación entre las permeabilidades del oxígeno y del nitrógeno es la selectividad de la membrana:
Esa selectividad tiene un techo. Robeson mostró que, para todos los polímeros conocidos, ganar selectividad cuesta permeabilidad y viceversa. De ahí salen las dos características de una membrana: separa con facilidad las primeras décimas de oxígeno y le cuesta cada vez más acercarse al 100 %. Cuanto más tiempo pasa el aire dentro de la fibra (menos caudal), más oxígeno escapa y más pura sale la corriente de nitrógeno, pero menos cantidad.
Un balance que puedes hacer tú mismo
Llamamos factor de aire f a los Nm³ de aire comprimido necesarios por Nm³ de nitrógeno. El oxígeno que no sale con el producto tiene que salir por el permeado, así que un balance de oxígeno da su composición:
Para un 98 % de N₂ (xO₂ = 0,02) y un factor de aire de 3,1, el permeado sale con yO₂ ≈ 0,30. Es aire enriquecido al 30 % de oxígeno y cargado de humedad, que se ventea. De esos números sale también la recuperación, la parte del nitrógeno del aire que acaba en el producto:
La temperatura: el parámetro que la ficha no siempre explica
La permeabilidad crece con la temperatura, y la selectividad baja un poco. Por eso los generadores de membrana calientan el aire antes del módulo, normalmente a una consigna fija de unos 40–50 °C, y entregan el caudal nominal solo a esa temperatura. Un módulo que trabaja más frío produce bastante menos a la misma pureza. Si comparas ofertas, pregunta a qué temperatura de entrada está dado el caudal.
Cómo funciona un PSA, en breve
Un generador PSA de nitrógeno tiene dos columnas llenas de tamiz molecular de carbón (CMS). La separación es cinética: la molécula de O₂ (diámetro cinético 3,46 Å) entra en los microporos del carbón mucho más deprisa que la de N₂ (3,64 Å), del orden de treinta veces más rápido. Mientras una columna produce a presión, la otra se despresuriza y suelta el oxígeno retenido. Las columnas se alternan cada minuto, más o menos. Lo explicamos con detalle en la guía técnica de PSA.
La pureza se ajusta con el tiempo de ciclo y el caudal. Con un buen tamiz se llega de forma estándar al 99,999 %.
Aire consumido y energía
El factor de aire decide la energía, porque casi toda la electricidad de una planta de nitrógeno se la lleva el compresor:
| Pureza N₂ | Factor de aire PSA | Factor de aire membrana | kWh/Nm³ PSA | kWh/Nm³ membrana | Diferencia |
|---|---|---|---|---|---|
| 95 % | 1,9 | 2,1 | 0,21 | 0,23 | +11 % |
| 97 % | 2,2 | 2,7 | 0,24 | 0,30 | +23 % |
| 98 % | 2,4 | 3,1 | 0,26 | 0,34 | +29 % |
| 99 % | 2,6 | 4,2 | 0,29 | 0,46 | +62 % |
| 99,5 % | 3,0 | 5,4 | 0,33 | 0,59 | +80 % |
Valores orientativos, a 20–25 °C de entrada en PSA y a la temperatura de consigna en membrana. A partir del 99,5 % la membrana deja de tener sentido energético y casi ningún fabricante la ofrece.
La lectura es clara. Hasta un 95–96 % las dos tecnologías consumen parecido. A partir del 98 % la diferencia empieza a pesar en la factura, y al 99 % la membrana gasta del orden de un 60 % más de energía por Nm³. La misma física explica que, al subir la pureza del 95 % al 99 %, la capacidad de un mismo equipo caiga del orden de un 60 % en membrana y de un 45 % en PSA.
Un ejemplo con números
Una planta necesita 40 Nm³/h de N₂ al 98 % durante 4.000 horas al año, con la electricidad a 0,12 €/kWh. La diferencia de energía es 0,34 − 0,26 = 0,08 kWh/Nm³; en un año, 160.000 Nm³ × 0,08 = 12.800 kWh, unos 1.500 €. Además, la membrana necesita un compresor un 30 % mayor. Si el mismo caudal se pide al 99 %, la diferencia anual se acerca a 3.300 €.
Mantenimiento, sensibilidad y vida útil
Donde más se diferencian las dos tecnologías es en lo que pasa con los años:
- Membrana: sin piezas móviles, pero delicada con el aire. No hay válvulas que conmuten ni ciclos, así que el mantenimiento ordinario se limita a filtros y calentador. A cambio, el polímero es muy sensible al aceite (aerosol y vapor) y al agua líquida: se plastifica, pierde permeabilidad y no se recupera. Un fallo del tratamiento de aire puede acabar con el módulo, y sustituirlo cuesta, en las ofertas que manejamos, entre el 60 % y el 80 % de un equipo nuevo.
- Membrana: envejecimiento lento. Incluso con aire impecable, el polímero se compacta y su rendimiento baja poco a poco: para mantener la pureza hay que reducir el caudal.
- PSA: mantenimiento previsible. Las piezas que trabajan son las válvulas de proceso, los silenciadores y los filtros. Las válvulas de calidad se dimensionan para unos 4 millones de maniobras, lo que con ciclos habituales supone unas 40.000 horas, más de 9 años a 12 horas diarias. Una revisión completa suele costar del orden del 15–20 % de un equipo nuevo.
- PSA: el tamiz dura si el aire es bueno. El CMS también se degrada con aceite y agua líquida, pero con un tratamiento correcto trabaja muchos años sin sustituirse.
- Temperatura. El PSA rinde mejor con aire a 20–25 °C y pierde capacidad si la sala se calienta. La membrana necesita su calentador y pierde caudal si no llega a la consigna. En los dos casos, la ventilación de la sala forma parte del diseño.
Comparativa resumida
| Criterio | PSA (CMS) | Membrana |
|---|---|---|
| Rango de pureza práctico | 95 – 99,999 % | 95 – 99,5 % |
| Eficiencia por encima del 98 % | Mejor | Peor, y empeora deprisa |
| Piezas móviles | Válvulas de proceso | Ninguna |
| Arranque | Minutos hasta pureza estable | Casi inmediato tras calentar |
| Ruido y pulsaciones | Venteo cíclico, necesita pulmón | Silencioso y continuo |
| Peso y volumen | Mayor (columnas y depósitos) | Compacto, apto para equipos móviles |
| Sensibilidad a aceite y agua | Alta (CMS) | Muy alta (polímero) |
| Coste de la reparación principal | ≈ 15–20 % de un equipo nuevo | ≈ 60–80 % (cambio de módulo) |
| Evolución con los años | Estable con buen mantenimiento | Pérdida gradual de caudal |
Las cifras de coste son órdenes de magnitud habituales en el mercado y varían con el fabricante y el tamaño.
¿Cuándo elegir cada una?
La membrana tiene sentido cuando la pureza necesaria está entre el 95 % y el 98 %, el caudal es pequeño o mediano y pesan la sencillez, el espacio o la movilidad: inertización de depósitos y tuberías, prevención de incendios, inflado de neumáticos, equipos móviles, plataformas o funcionamiento intermitente con arranques frecuentes.
El PSA es la opción habitual en cuanto la pureza pasa del 98–99 % o el equipo trabaja muchas horas, que es lo que ocurre en bodegas, envasado de alimentos, corte por láser, electrónica y tratamiento térmico. En la gran mayoría de las bodegas en las que hemos trabajado, el PSA es la elección correcta por energía y por mantenimiento.
En los dos casos, la calidad del aire de entrada no es negociable. Filtración coalescente, secado y, para la membrana, carbón activo, dimensionados para el peor día del verano. La mayoría de las averías caras que vemos en generadores de nitrógeno, de una tecnología o de la otra, empiezan por ahí. Lo explicamos en el artículo sobre pureza y calidad del gas.
Conclusión
Membrana y PSA son dos tecnologías maduras con física distinta. La membrana es sencilla, compacta y silenciosa, y brilla a purezas moderadas. El PSA es más eficiente en cuanto se aprieta la pureza y su mantenimiento es más barato a largo plazo. Para elegir hacen falta cuatro datos de tu proceso: pureza en el punto de uso, perfil de caudal, horas de funcionamiento y precio de tu electricidad. Con ellos, la decisión se calcula.
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Hablemos de tu proyecto →Referencias
- Baker, R. W. (2012). Membrane Technology and Applications, 3.ª ed. Wiley.
- Baker, R. W. (2002). Future directions of membrane gas separation technology. Ind. Eng. Chem. Res. 41, 1393–1411.
- Robeson, L. M. (2008). The upper bound revisited. J. Membr. Sci. 320, 390–400.
- Ruthven, D. M., Farooq, S. y Knaebel, K. S. (1994). Pressure Swing Adsorption. VCH.
- ISO 8573-1:2010. Compressed air — Part 1: Contaminants and purity classes.