L'azoto, utilizzato come gas di protezione inerte, presenta un rischio di liquefazione durante la compressione? Come evitarlo attraverso la progettazione del processo?

L'azoto è ampiamente utilizzato come gas inerte di protezione in molti processi industriali, dall'inertizzazione chimica e il confezionamento alimentare alla produzione di componenti elettronici e al trattamento termico dei metalli. Poiché l'azoto non è infiammabile e non reagisce con la maggior parte dei materiali, è spesso considerato un gas "facile" da comprimere. Tuttavia, ingegneri e operatori di impianti si pongono talvolta una domanda importante: l'azoto può effettivamente liquefarsi all'interno di un compressore durante il normale funzionamento? E se sì, quali rischi comporta e come possono una corretta progettazione del compressore e un adeguato controllo del processo prevenirlo?

Questo articolo spiega le condizioni fisiche in cui l'azoto può liquefarsi, perché ciò è pericoloso per uncompressore di azotoe quali misure progettuali e operative mantengono il processo di compressione in sicurezza nella fase gassosa.

A quale pressione e temperatura l'azoto si liquefa?

L'azoto non è un gas "permanente" nel senso più stretto del termine: può essere liquefatto se raffreddato al di sotto della sua temperatura critica e sottoposto a una pressione sufficiente. La temperatura critica dell'azoto è di circa -147 °C (-233 °F). Al di sopra di questa temperatura, nessuna pressione è in grado di liquefare l'azoto, che rimarrà allo stato di fluido o gas supercritico. Al di sotto di -147 °C, l'azoto può condensarsi in un liquido quando la pressione supera la sua pressione di vapore.

Nella compressione industriale tipica, l'azoto entra nel compressore a temperatura ambiente (spesso 20-40 °C) e viene scaricato a temperature elevate (in genere 100-150 °C). Durante tutto questo processo, la temperatura del gas è sempre ben al di sopra di -147 °C. Pertanto, in condizioni operative normali, non vi è alcun rischio di liquefazione dell'azoto all'interno di un compressore, indipendentemente da quanto aumenti la pressione.

Allora perché porre questa domanda?

La preoccupazione di solito nasce da due scenari:

1. Avviamenti a freddo o temperature ambiente molto basse: se il compressore si trova in un clima estremamente freddo (ad esempio, in condizioni artiche) e anche la fonte di azoto è molto fredda, il gas potrebbe entrare nel compressore a temperature prossime a -50 °C o inferiori. Sebbene siano ancora ben al di sopra di -147 °C, alcuni ingegneri temono effetti di raffreddamento localizzati.
2. Raffreddamento per espansione: quando un gas compresso si espande attraverso una valvola o un orifizio (ad esempio, durante una riduzione di pressione), la sua temperatura diminuisce drasticamente (effetto Joule-Thomson). Se l'azoto ad alta pressione viene improvvisamente espanso a bassa pressione, la temperatura può scendere al di sotto di -147 °C, causando la liquefazione. Questo non accadedentrola camera di compressione del compressore ma può verificarsi a valle, ad esempio, in una stazione di riduzione della pressione o in un processo criogenico.

All'interno di un compressore di azoto ben progettato, nessun rischio

Per un compressore di azoto che opera entro i parametri di progetto, la temperatura del gas non si avvicina mai al punto critico. Le temperature di scarico vengono generalmente mantenute tra 120 °C e 150 °C per motivi di sicurezza e per preservare la durata del lubrificante (nei modelli lubrificati). Anche a pressioni fino a 350 bar o superiori, l'azoto rimane un fluido o un gas supercritico, non un liquido. Pertanto, i danni meccanici dovuti all'impatto con il liquido (blocco idraulico) o alla condensazione interna non rappresentano un problema nel normale utilizzo di compressori di azoto.

Quando la liquefazione può diventare un problema? E come evitarla?

Sebbene la liquefazione all'interno del compressore non rappresenti un rischio concreto, esistono due situazioni di processo in cui potrebbe formarsi azoto liquido nel sistema di compressione, e queste richiedono un'attenta progettazione:

1. Raffreddamento interstadio con temperature del refrigerante molto basse
Se il compressore è dotato di intercooler che utilizzano un refrigerante o acqua refrigerata per raffreddare il gas tra gli stadi, è possibile che l'azoto si raffreddi eccessivamente. Se la temperatura del gas dopo l'intercooler scende al di sotto del punto di rugiada di un'eventuale umidità (se presente), sussiste il rischio di condensazione dell'acqua. Tuttavia, per l'azoto puro e secco, l'intercooler dovrebbe raffreddare il gas al di sotto di -147 °C per provocarne la liquefazione, cosa che non si verifica mai nella pratica industriale.

• Precauzioni: utilizzare aria ambiente o normale acqua di raffreddamento (non fluidi criogenici) per il raffreddamento intermedio. Impostare le portate del refrigerante in modo da mantenere le temperature del gas in uscita ben al di sopra di 0 °C (o al di sopra di -147 °C, che è automaticamente vero).

2. Espansione ad alta pressione a valle
Se l'azoto compresso viene immagazzinato ad alta pressione e poi espanso a una pressione molto inferiore attraverso una valvola (ad esempio, in una stazione di riempimento di bombole di gas o in un impianto di riduzione della pressione), il calo di temperatura può causare il congelamento dell'umidità o addirittura la liquefazione dell'azoto se il calo di pressione è estremo e la temperatura iniziale è molto bassa.

• Prevenzione: Preriscaldare l'azoto prima dell'espansione o utilizzare più stadi di espansione con riscaldamento intermedio. Installare un separatore vapore-liquido a valle se sussiste il rischio di trascinamento di liquido.

Perché la corretta selezione del compressore e la progettazione del processo sono importanti

Un sistema di compressione dell'azoto ben progettato dovrebbe:

• Mantenere le temperature del gas al di sopra del punto critico (operazione che avviene automaticamente in condizioni ambientali).
• Utilizzare un sistema di raffreddamento che non raffreddi eccessivamente il gas (ad esempio, intercooler di dimensioni adeguate con controllo della temperatura).
• Includere dispositivi di sicurezza che spengano il compressore se le temperature di scarico diventano troppo basse (improbabile) o troppo alte.
• Per installazioni con temperature ambiente molto basse, si consiglia di valutare il preriscaldamento del gas in ingresso o il riscaldamento della sala compressori per mantenere le temperature di aspirazione al di sopra di -20 °C.

Il vantaggio di Xuzhou Huayan: compressori di azoto personalizzati per un funzionamento affidabile e senza liquefazione.

Presso Xuzhou Huayan Gas Equipment Co., Ltd.Da oltre 40 anni progettiamo e produciamo compressori di azoto. I nostri ingegneri sanno che un gas "semplice" come l'azoto richiede comunque un'attenta progettazione per evitare problemi rari ma possibili, come il raffreddamento eccessivo, la condensazione dell'umidità o una riduzione di pressione impropria.

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Conclusione

A tutti gli effetti pratici in ambito industriale, l'azoto non si liquefa all'interno di un compressore di azoto progettato correttamente, poiché la temperatura del gas è sempre ben al di sopra della sua temperatura critica di -147 °C. I rischi reali risiedono nell'espansione a valle o nell'uso improprio dei refrigeranti criogenici, rischi che possono essere eliminati grazie a una corretta progettazione del processo. Scegliendo un compressore di azoto ben progettato da un produttore esperto e seguendo le corrette procedure operative, è possibile godere di una compressione di azoto sicura, affidabile e senza liquefazione per decenni.

Se state progettando un nuovo sistema di compressione dell'azoto o avete dubbi sui rischi di liquefazione nel vostro impianto attuale, rivolgetevi agli ingegneri che da oltre 40 anni si occupano di risolvere queste problematiche.

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