Dos preguntas distintas sobre el mismo gas
Cuando alguien nos pide «nitrógeno de buena calidad», casi siempre está mezclando dos preguntas que tienen respuestas independientes:
- ¿Cuánto de lo que llega es nitrógeno? Eso es la pureza: la concentración del gas principal, o dicho al revés, cuánto oxígeno residual lo acompaña.
- ¿Qué más viene con él? Eso es la calidad: agua, aceite, partículas y, en aplicaciones exigentes, otras trazas como CO, CO₂ o microorganismos.
Un gas puede ser muy puro y de mala calidad, o poco puro y de calidad excelente. Separar las dos ideas evita los dos errores más caros que vemos en planta: pagar una pureza que el proceso no necesita y descuidar una calidad que sí necesita.
Pureza: una fracción molar
La pureza es la fracción molar (en la práctica, en volumen) del componente principal. En un generador PSA o de membrana el gas producto es casi solo nitrógeno, argón y oxígeno residual. El argón, también inerte, no se separa y se cuenta junto con el nitrógeno, así que la pureza se calcula a partir del oxígeno que queda:
Por eso, cuando hablamos de nitrógeno generado in situ, el dato que conviene manejar es el oxígeno residual en ppm. Los proveedores de gas envasado usan además una notación de «grados»: la primera cifra es el número de nueves y la segunda, el dígito que sigue.
| Pureza | O₂ residual | Grado | Uso típico |
|---|---|---|---|
| 95 % | 50.000 ppm | — | Inertización, prevención de incendios |
| 99 % | 10.000 ppm | 2.0 | Mínimo legal como aditivo alimentario E 941 |
| 99,5 % | 5.000 ppm | 2.5 | Bodegas, envasado |
| 99,9 % | 1.000 ppm | 3.0 | Envasado exigente, corte por láser |
| 99,99 % | 100 ppm | 4.0 | Electrónica, tratamiento térmico |
| 99,999 % | 10 ppm | 5.0 | Laboratorio, farmacia, semiconductores |
Cada nueve adicional divide por diez el oxígeno residual. Entre el 99,5 % y el 99,999 % hay un factor 500.
Ya escribimos sobre lo que cuesta cada «nueve» en energía. Aquí nos interesa la otra mitad de la especificación.
Calidad: lo que viaja con el gas
Los contaminantes de un gas industrial vienen casi siempre del aire comprimido del que se obtiene y de la red que lo distribuye. La referencia para clasificarlos es la norma ISO 8573-1:2010, pensada para aire comprimido pero que se usa de forma general para gases generados a partir de él. Define tres familias de contaminantes y asigna a cada una una clase, de 0 (la más exigente, a especificar) a 9:
| Clase | Partículas por m³ 0,1–0,5 / 0,5–1 / 1–5 µm | Agua: punto de rocío a presión | Aceite total (aerosol + líquido + vapor) |
|---|---|---|---|
| 1 | ≤ 20.000 / ≤ 400 / ≤ 10 | ≤ −70 °C | ≤ 0,01 mg/m³ |
| 2 | ≤ 400.000 / ≤ 6.000 / ≤ 100 | ≤ −40 °C | ≤ 0,1 mg/m³ |
| 3 | — / ≤ 90.000 / ≤ 1.000 | ≤ −20 °C | ≤ 1 mg/m³ |
| 4 | — / — / ≤ 10.000 | ≤ +3 °C | ≤ 5 mg/m³ |
| 5 | — / — / ≤ 100.000 | ≤ +7 °C | — |
Extracto de la ISO 8573-1:2010, tabla 1. Concentraciones referidas a 20 °C, 1 bar abs y 0 % de humedad relativa. La calidad se escribe como [partículas : agua : aceite]; por ejemplo, [1:2:1] significa clase 1 en partículas, punto de rocío −40 °C y aceite ≤ 0,01 mg/m³.
Agua: punto de rocío y ppm son la misma cosa
El agua se expresa como punto de rocío (la temperatura a la que condensaría) o como concentración en ppm. Se pasa de uno a otro con la presión de vapor de saturación del hielo o del agua, es(T), y la presión absoluta del gas:
La presión importa mucho. Un punto de rocío a presión de +3 °C a 7 bar, típico de un secador frigorífico, equivale a unas 950 ppm de agua, lo mismo que un punto de rocío de −21 °C a presión atmosférica. Cuando el gas se expande en el punto de uso, su punto de rocío baja, pero el agua que lleva sigue siendo la misma.
Dos lecturas del gráfico. La Farmacopea Europea limita el agua del nitrógeno a 67 ppm, lo que equivale a un punto de rocío atmosférico de unos −45 °C: un secador frigorífico no basta, y hace falta adsorción. Y en el otro extremo, una línea que acumula condensados no cumple ninguna clase, por pura que sea la salida del generador.
Aceite y partículas
El aceite llega como aerosol (gotas finas que arrastra el compresor lubricado) y como vapor. Los filtros coalescentes retienen el aerosol; el vapor solo lo detiene un lecho de carbón activo. Las partículas proceden del aire ambiente, del desgaste del compresor, del óxido de la red y del propio tamiz molecular, que libera algo de polvo con los años. Por eso un buen diseño termina con un filtro en el punto de uso, y no solo a la salida de la sala de compresores.
Pureza y calidad son independientes
Si cruzas las dos ideas obtienes cuatro situaciones muy distintas. Las cuatro existen en la industria, y cada una pide una instalación diferente:
El caso de la esquina inferior izquierda es el más instructivo. Para inertizar un depósito, un 97 % de nitrógeno con un punto de rocío de +3 °C es perfectamente adecuado. Pedir ahí un 99,999 % no mejora nada y multiplica el coste.
Por qué con gas comprado pagas las dos al máximo
El nitrógeno criogénico se produce por destilación del aire licuado. Por la propia física del proceso sale con una pureza muy alta (5.0 o más) y prácticamente sin agua ni aceite, porque a −196 °C todo lo demás se ha condensado antes. Es un gas excelente, pero viene en un único formato: máxima pureza y máxima calidad, al precio de la energía de licuar, del transporte y del alquiler del depósito.
La mayoría de los procesos que atendemos no necesita esa combinación. Una bodega que inertiza depósitos al 99,5 % paga con el gas licuado un factor 500 de oxígeno residual que no usa. El problema es que, después de años de suministro líquido, el 99,999 % aparece en la especificación interna como si fuera un requisito del proceso.
Con generación in situ eliges cada parámetro
En una planta propia, pureza y calidad se deciden en sitios distintos, y por eso se pueden ajustar por separado:
- La pureza la fija el generador con su consigna: tiempo de ciclo en un PSA, caudal en una membrana. Bajar del 99,9 % al 99,5 % reduce el consumo de aire comprimido de forma inmediata.
- La calidad la fija sobre todo el tratamiento del aire: filtros coalescentes, secador y, si hace falta, carbón activo. Y se puede perder después, en el depósito y en la red, si no se purgan los condensados o se usa una tubería inadecuada.
- El generador también ayuda a la calidad. El tamiz molecular de carbón (CMS) se degrada con aceite y agua líquida, así que exige aire limpio y seco a la entrada. Además retiene parte del agua y del CO₂ durante el ciclo. El resultado es que el N₂ que sale de un PSA bien alimentado suele ser más seco que el aire que entra.
Cómo escribir una especificación completa
Una especificación útil cabe en una línea, pero debe tener todos sus términos y decir dónde se cumplen. Te proponemos este formato:
- Pureza como oxígeno máximo. Es lo que mide el analizador y lo que afecta al producto.
- Calidad como clase ISO 8573-1, con la clase de agua expresada como punto de rocío a presión o a presión atmosférica, pero diciendo cuál.
- Presión y caudal en el punto de uso, con los picos y no solo la media.
- Punto de medida. Una especificación cumplida en la sala de generación y perdida en la máquina no sirve de nada.
Para verificarla hace falta un analizador de oxígeno calibrado (electroquímico o de zirconio, según el rango), un higrómetro de punto de rocío y, cuando el aceite es crítico, una medida según ISO 8573-2 y 8573-5. Lo que no se mide de forma periódica acaba derivando.
Los mínimos que marca la normativa
- Alimentación: como aditivo E 941, el nitrógeno debe tener al menos un 99 % de pureza y cumplir los límites del Reglamento (UE) n.º 231/2012. Para el gas en contacto directo con el alimento, las guías del sector (por ejemplo, el código de buenas prácticas de la asociación británica BCAS) recomiendan al menos [2:2:1].
- Farmacia: la monografía «Nitrógeno» de la Farmacopea Europea fija contenido ≥ 99,5 %, O₂ ≤ 50 ppm, CO₂ ≤ 300 ppm, CO ≤ 5 ppm y agua ≤ 67 ppm. Aquí pureza y calidad están escritas juntas, y con un generador el límite de oxígeno obliga a trabajar al 99,995 % o más.
Conclusión
Pureza y calidad son dos ejes, no uno. La pureza tiene un coste energético directo y conviene ajustarla al mínimo que el proceso tolera. La calidad depende del aire y de la red, y conviene asegurarla allí donde el gas toca el producto. Con gas comprado pagas las dos al máximo; con generación propia puedes elegir cada una con criterio, y medirlas.
¿Tu especificación de nitrógeno dice pureza y calidad, y dónde se miden? Te ayudamos a revisarla con medidas en tu planta.
Hablemos de tu caso →Referencias
- ISO 8573-1:2010. Compressed air — Part 1: Contaminants and purity classes. ISO, Ginebra.
- ISO 8573-2, -3, -4 y -5. Métodos de ensayo de aerosoles de aceite, humedad, partículas y vapor de aceite.
- Farmacopea Europea, monografía 0194 «Nitrógeno». EDQM, Consejo de Europa.
- Reglamento (UE) n.º 231/2012 de la Comisión, especificaciones de los aditivos alimentarios (E 941).
- Murphy, D. M. y Koop, T. (2005). Review of the vapour pressures of ice and supercooled water for atmospheric applications. Q. J. R. Meteorol. Soc. 131, 1539–1565.