Nitrógeno (N₂): propiedades, aplicaciones industriales y soluciones de Air Liquide en España

¿Qué es el nitrógeno?

Identificado en la tabla periódica por el símbolo N y el número atómico 7, el nitrógeno es un gas incoloro e inodoro. Es un componente vital y dominante de la atmósfera terrestre, constituye cerca del 78 % de su volumen, lo que lo convierte en el gas más abundante en el aire que respiramos. Además, es un elemento fundamental para toda la vida biológica, siendo un componente esencial de las proteínas y los ácidos nucleicos, como el ADN.

La inercia química es la propiedad intrínseca del nitrógeno que lo vuelve significativamente menos reactivo que otros gases como el oxígeno. Esta característica es la base de su uso como gas industrial. Por esta razón, el nitrógeno se utiliza, por ejemplo, en diversas industrias para crear atmósferas inertes que evitan la oxidación en el sector alimentario y electrónico, o para la presurización y el enfriamiento en procesos criogénicos.

Es importante diferenciar entre el nitrógeno gaseoso y el líquido. El nitrógeno gaseoso (N₂) es la forma que se encuentra en la atmósfera a temperatura ambiente y se utiliza en aplicaciones como la inertización. El nitrógeno líquido (LN₂), por otro lado, es la forma criogénica con una temperatura extremadamente baja (-196 °C) y se utiliza, por ejemplo, en aplicaciones de ultracongelación y crioconservación.

Propiedades del nitrógeno

El nitrógeno, también conocido como diazoto, es un elemento químico incoloro e inodoro con propiedades físicas y químicas distintas.

Propiedades físicas

A temperatura ambiente y en condiciones normales, sus propiedades físicas esenciales son:

• Peso molecular: 28,01 g/mol
• Punto de ebullición: -195,8 °C (77,36 K)
• Punto de fusión: -210,0 °C (63,15 K)
• Densidad: 1,251 g/L a 0 °C
• Solubilidad en agua: Ligeramente soluble
• Inflamabilidad: No inflamable
• Toxicidad: No tóxico.

Estas propiedades, en particular sus puntos de ebullición y fusión extremadamente bajos, hacen que el nitrógeno líquido sea un fluido criogénico de gran importancia.

Propiedades químicas

El diazoto (N₂), la forma molecular más común, es un gas relativamente inerte en condiciones estándar. Esto se debe a la muy alta energía de su triple enlace, que lo hace no reactivo en muchos escenarios comunes. Sin embargo, en condiciones específicas como altas temperaturas, presiones significativas y en presencia de catalizadores, el nitrógeno puede volverse reactivo. Reacciona, por ejemplo, con el hidrógeno para formar amoníaco (NH₃) o con el oxígeno, especialmente a altas temperaturas (en los procesos de combustión, por ejemplo), para formar diversos óxidos de nitrógeno (NOₓ), como el NO y el NO₂. A diferencia del diazoto, sus diferentes compuestos suelen ser muy reactivos:

• Amoníaco: Una molécula muy reactiva con ácidos, agua y gases oxidantes.
• Óxidos de nitrógeno: (principalmente el óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno) gases muy reactivos que desempeñan un papel significativo en la polución atmosférica y la química de la atmósfera.
• Ácido nítrico (HNO₃): Un compuesto muy reactivo, corrosivo y un agente oxidante potente que reacciona fácilmente con bases, metales y óxidos para formar sales de nitrato.

Producción industrial del nitrógeno

Para sus amplias aplicaciones industriales, el nitrógeno se produce a gran escala a partir del aire atmosférico. Los métodos principales se basan en la separación del aire, siendo los más comunes:

• Destilación criogénica fraccionada: Es el método más común para obtener nitrógeno de alta pureza. El proceso consiste en enfriar el aire a temperaturas extremadamente bajas hasta licuarlo, y luego separar el nitrógeno del oxígeno y otros gases por destilación.
• Adsorción por cambio de presión (PSA): Es una tecnología flexible que permite la producción de nitrógeno in situ. Utiliza filtros moleculares para absorber selectivamente el oxígeno del aire comprimido, dejando pasar el nitrógeno.
• Separación por membranas: Este método utiliza membranas semipermeables que filtran el aire comprimido para separar el nitrógeno de otros gases, ofreciendo una solución eficiente para necesidades específicas de pureza.

Los niveles de pureza del nitrógeno varían según el método de producción utilizado. La destilación criogénica es capaz de alcanzar las purezas más altas, mientras que los métodos como el PSA o la separación por membranas son ideales para necesidades de pureza menos exigentes, pero con la ventaja de la producción in situ.

Air Liquide ofrece diversas soluciones para el suministro de nitrógeno que se adaptan a las necesidades del cliente. Para pequeños volúmenes, el nitrógeno se suministra como gas comprimido a 200 bar en botellas o bloques (contiene diversas botellas). Para grandes volúmenes o un suministro continuo, se opta por el suministro a granel de nitrógeno líquido en tanques criogénicos, por un generador in situ o suministrado por canalización.

Aplicaciones industriales del nitrógeno

El nitrógeno se utiliza en una amplia gama de industrias gracias a su naturaleza inerte y su versatilidad, lo que lo convierte en un gas indispensable para la seguridad, la calidad y la eficiencia de los procesos. Sus diversas funciones industriales abarcan desde la protección de productos hasta el enfriamiento de equipos.

Industria alimentaria y de bebidas

El nitrógeno se utiliza para la inertización de líquidos (vinos, aceites, leche, etc.), garantizando la seguridad de los procesos y la calidad de los productos sensibles. Es fundamental también para la conservación y el envasado de alimentos y se emplea en el envasado en atmósfera modificada (MAP), donde reduce los niveles de oxígeno dentro de los envases para prevenir la oxidación, mantener la calidad y prolongar la vida útil de los productos. En su forma líquida, se usa en procesos de congelación rápida, enfriamiento y control preciso de las temperaturas para preservar la textura, el sabor y el valor nutricional de los alimentos, y en gastronomía molecular para técnicas culinarias innovadoras.

Industria química y farmacéutica

Gracias a su inercia, el nitrógeno es ideal para la creación de atmósferas inertes que previenen la oxidación, la combustión y las reacciones indeseadas durante el almacenamiento y la síntesis de productos químicos y farmacéuticos. Como reactivo, es crucial para la producción de amoníaco (NH₃) y otros compuestos nitrogenados, que son la base para la fabricación de fertilizantes y diversos productos químicos. En el ámbito farmacéutico, ayuda a proteger las instalaciones y los productos sensibles al oxígeno y bajo su forma líquida ayuda en el enfriamiento de y en la liofilización. Además, forma parte del proceso de recuperación de compuestos orgánicos volátiles (COV), ya que asegura las frigorías necesarias para recuperar los vapores de COV mediante condensación criogénica o se emplea para regenerar adsorbentes en sistemas de adsorción con carbón activado.

Industria metalúrgica y electrónica

En la metalurgia, el nitrógeno se utiliza para la protección de aceros o aleaciones metálicas frente a la oxidación durante procesos térmicos como el tratamiento térmico, la soldadura y el corte. En la fabricación de semiconductores y componentes electrónicos, se usa para crear atmósferas puras que evitan la oxidación durante el proceso de soldadura y otros procesos delicados, garantizando la fiabilidad de los productos finales y reduciendo los defectos de producción.

Industria del petróleo y gas

El nitrógeno tiene usos variados en la industria petrolífera y del gas. Se utiliza para evitar riesgos de fuego y explosiones, así como para la inertización de tuberías. Es esencial en las operaciones de transferencia de productos entre los tanques de almacenamiento, donde sustituye el oxígeno del espacio superior de los depósitos de petróleo en refinerías o buques, para evitar reacciones químicas que puedan provocar igniciones.
Además, el nitrógeno se utiliza para la inertización de los buques que transportan gas natural licuado y para la inertización de tuberías que no están en uso, lo que ayuda a prevenir la corrosión y garantiza la integridad de la infraestructura.

Sector aeroespacial

Por su característica de inertización y su gran versatilidad, el nitrógeno tiene múltiples aplicaciones en la industria aeroespacial:

• Presurización de sistemas y componentes: Se utiliza para presurizar el tanque de combustible y el de los oxidantes de los cohetes, así como para sistemas de propulsión de naves espaciales, lo que garantiza un funcionamiento seguro y eficiente.
• Curado de composites en autoclaves: Su naturaleza inerte lo hace ideal para el curado de estructuras de fibra de carbono y otros materiales compuestos, que se utilizan para crear componentes de aeronaves y satélites cada vez más ligeros y resistentes.
• Uso en pruebas de equipos: Su capacidad criogénica permite simular las condiciones de alta y baja temperatura que los equipos experimentan en el espacio o en la alta atmósfera, garantizando su fiabilidad.
• Inflado de neumáticos: En el caso de los aviones, se utiliza para inflar los neumáticos, garantizando el valor óptimo de presión.
• Inertización de depósitos de combustible: Se inyecta nitrógeno en los depósitos de combustible de las aeronaves para desplazar el oxígeno, lo que refuerza la seguridad de los vuelos y de los pasajeros al reducir el riesgo de ignición.

Seguridad y precauciones en el manejo del nitrógeno

Aunque el nitrógeno gaseoso (N₂) no es tóxico ni inflamable, en gran concentración presenta un riesgo de asfixia significativo. Cuando se libera en espacios cerrados, desplaza el oxígeno, lo que provoca que los niveles de oxígeno sean peligrosamente bajos y pueden ser letales si no se toman medidas rápidas. El nitrógeno líquido (LN₂), debido a su temperatura extremadamente baja (-196 °C), puede causar graves quemaduras criogénicas por contacto. El manejo de estos recipientes a presión, ya sean botellas o tanques criogénicos, es también un riesgo a considerar. Un daño físico o un manejo incorrecto puede comprometer su integridad y causar una fuga de gas a alta presión, lo que crea un riesgo adicional y puede convertir el recipiente en un peligroso proyectil. Además, su contacto puede causar la fragilización de materiales no compatibles con la criogenia.

Medidas de seguridad recomendadas

Para mitigar estos riesgos, es crucial seguir protocolos de seguridad estrictos. Esto incluye asegurar:

1. Ventilación adecuada: Asegurar una ventilación suficiente en las zonas donde se utiliza o almacena nitrógeno gaseoso o líquido es vital para prevenir el desplazamiento de oxígeno y la acumulación de compuestos peligrosos.
2. Equipos de Protección Individual (EPI): Exigir el uso de EPI apropiados, incluyendo guantes criogénicos aislantes, gafas de seguridad y protectores faciales, protege contra las quemaduras criogénicas y la exposición a productos químicos.
3. Almacenamiento y manipulación seguros: Esto incluye el almacenamiento de nitrógeno líquido únicamente en contenedores criogénicos homologados y correctamente ventilados, y la sujeción de las botellas de gas comprimido para prevenir daños físicos o caídas.
4. Seguridad de los equipos: Todos los equipos utilizados con nitrógeno deben ser aptos para las presiones y temperaturas adecuadas. Un mantenimiento y unas inspecciones regulares son esenciales.
5. Vigilancia atmosférica: La implementación de monitores y alarmas de oxígeno, así como una vigilancia atmosférica continua en los espacios cerrados, proporciona alertas tempranas en caso de niveles de oxígeno peligrosamente bajos.
6. Formación completa del personal: Todo el personal que manipule nitrógeno o trabaje en entornos ricos en nitrógeno debe recibir una formación exhaustiva sobre los riesgos de asfixia, los riesgos criogénicos, los procedimientos de emergencia y los peligros específicos de los compuestos de nitrógeno reactivos.
7. Normas de transporte: El respeto de las estrictas regulaciones nacionales e internacionales que rigen el transporte de gases comprimidos y líquidos criogénicos es obligatorio para garantizar la seguridad pública y ambiental durante el tránsito.

Normativas, regulaciones y formación

En España, las normativas sobre nitrógeno se centran principalmente en la protección del medio ambiente y la gestión de la contaminación. Además, es obligatorio cumplir con las regulaciones nacionales e internacionales que rigen el transporte de gases comprimidos y líquidos criogénicos para garantizar la seguridad pública y ambiental. Para asegurar una manipulación segura, todos los colaboradores que manipulen nitrógeno deben recibir una formación completa sobre los riesgos de asfixia, los peligros criogénicos y los procedimientos de emergencia. Air Liquide ofrece un servicio de soporte para garantizar una utilización segura de sus productos, proporcionando formación a colaboradores y responsables de seguridad.

Soluciones de nitrógeno de Air Liquide

Air Liquide se posiciona como su socio estratégico, ofreciendo soluciones de gas, equipos y servicios precisamente adaptados a sus necesidades. Adaptamos el suministro de nitrógeno a sus diferentes tipos de aplicaciones, ya sea a través de botellas y bloques para pequeños volúmenes, la entrega de gas líquido en grandes volumenes, en sus plantas de producción, en forma líquida para demandas más grandes, mediante la producción de gas in situ o por canalización.
Más allá del nitrógeno industrial estándar, Air Liquide también propone soluciones de nitrógeno específicas para diversas aplicaciones y sectores industriales, tales como:

• Nitrógeno de calidad alimentaria (ALIGAL™): Utilizado para preservar la frescura y la calidad de sus alimentos de forma duradera en aplicaciones de envasado en atmósfera modificada (MAP) e inertización.
• Nitrógeno farmacéutico (PHARGALIS™): Para aplicaciones de inertización, transferencia neumática y envasado, procesos criogénicos y bioproducción.
• Nitrógeno LASAL™: Para necesidades de corte láser.
• Para sus necesidades de soldadura al arco, el nitrógeno forma parte de la composición de ciertos gases de soldadura: ARCAL™.
• Nitrógeno para el sector HVAC (Albee Cool Plus N₂ y la mezcla de nitrógeno-hidrógeno Formingas): Para refrigeración y climatización.
• Nitrógeno ALPHAGAZ™: Para aplicaciones de laboratorio, de análisis y de control de procesos.

Para responder al imperativo creciente de sostenibilidad, Air Liquide propone el nitrógeno con bajas emisiones de carbono ECO ORIGIN™, una solución innovadora para reducir la huella ambiental de sus operaciones. Producido a partir de fuentes de energías 100% renovables, el nitrógeno ECO ORIGIN™ es una solución respetuosa con el medio ambiente y que se alinea perfectamente con los objetivos de descarbonización de los sectores industriales.

Gracias a nuestra experiencia inigualable y a nuestro saber hacer, estamos en una posición ideal para acompañarle en todas las etapas de desarrollo relacionadas con sus necesidades en nitrógeno, ofreciéndole un apoyo a medida para sus sectores y aplicaciones específicas. Nuestros expertos pueden ayudarle a configurar el producto de acuerdo con sus necesidades específicas.

FAQ – Preguntas frecuentes sobre el nitrógeno industrial

¿Cuál es la diferencia entre nitrógeno líquido y gaseoso?
El nitrógeno gaseoso se encuentra a temperatura ambiente y se utiliza, por ejemplo, para la inertización. El nitrógeno líquido (LN₂) es su forma criogénica, a -196 °C, que se utiliza en aplicaciones de enfriamiento rápido y crioconservación.

¿Qué niveles de pureza se requieren para diferentes aplicaciones?
Los niveles de pureza dependen del proceso. Las aplicaciones más sensibles, como las de laboratorio o la farmacéutica, requieren niveles de pureza más altos, que se obtienen, por ejemplo, con la destilación criogénica. Para otros usos, como la inertización, se pueden emplear tecnologías de producción in situ con diferentes niveles de pureza.

¿Cómo se garantiza la seguridad en el suministro y uso del nitrógeno?
La seguridad se garantiza siguiendo protocolos rigurosos. Esto incluye una ventilación adecuada en los espacios de trabajo, el uso de Equipos de Protección Individual (EPI), un almacenamiento correcto de las botellas y la formación completa de los colaboradores sobre los riesgos de asfixia y los peligros criogénicos.

¿Qué soluciones ofrece Air Liquide para el suministro de nitrógeno?
Air Liquide ofrece un suministro adaptado a cada necesidad, incluyendo botellas y bloques para pequeños volúmenes, tanques criogénicos a granel para grandes consumos, y la producción de gas in situ (generadores) o a través de canalización para un suministro continuo.