С развитием науки и техники и развитием экономики сфера применения азота расширяется с каждым днем и проникает во многие отрасли промышленности и повседневную жизнь.
Азот является основным компонентом воздуха, составляя около 78% воздуха. Элементарный азот N2 при нормальных условиях представляет собой газ без цвета и запаха. Плотность газа в стандартном состоянии составляет 1,25 г/л. Температура плавления -210℃, температура кипения -196℃. Жидкий азот — это низкотемпературный хладагент (-196℃).
Сегодня мы представим несколько основных методов получения азота в стране и за рубежом.
Существует три основных метода производства азота в промышленных масштабах: производство азота с помощью криогенного разделения воздуха, производство азота с помощью адсорбции с переменным давлением и производство азота с помощью мембранного разделения.
Первое: метод производства азота с помощью криогенного разделения воздуха.
Производство азота с помощью криогенной сепарации воздуха — традиционный метод производства азота, история которого насчитывает почти несколько десятилетий. Он использует воздух в качестве сырья, сжимает и очищает его, а затем использует теплообмен для сжижения воздуха в жидкий воздух. Жидкий воздух представляет собой в основном смесь жидкого кислорода и жидкого азота. Различные точки кипения жидкого кислорода и жидкого азота используются для их разделения путем перегонки жидкого воздуха с получением азота.
Преимущества: большая добыча газа и высокая чистота получаемого азота. Производство криогенного азота позволяет производить не только азот, но и жидкий азот, который соответствует технологическим требованиям жидкого азота и может храниться в резервуарах для хранения жидкого азота. При периодической нагрузке азотом или мелком ремонте воздухоразделительного оборудования жидкий азот в резервуаре-хранилище поступает в испаритель и нагревается, а затем направляется в трубопровод азота продукта для удовлетворения потребности технологического агрегата в азоте. Рабочий цикл производства криогенного азота (имеется в виду интервал между двумя большими нагреваниями) обычно составляет более 1 года, поэтому производство криогенного азота обычно не считается резервным.
Недостатки: Производство криогенного азота может производить азот с чистотой ≥99,999%, но чистота азота ограничена нагрузкой азота, количеством тарелок, эффективностью тарелок и чистотой кислорода в жидком воздухе, а диапазон регулировки очень мал. Таким образом, для комплекта оборудования для производства криогенного азота чистота продукта в основном определена и ее неудобно регулировать. Поскольку криогенный метод осуществляется при экстремально низких температурах, перед вводом в нормальную эксплуатацию оборудование должно пройти процедуру предварительного охлаждения. Время запуска, то есть время от запуска детандера до момента достижения чистоты азота требуемой, обычно составляет не менее 12 часов; Прежде чем оборудование поступит в капитальный ремонт, оно должно пройти период времени нагрева и оттаивания, обычно 24 часа. Поэтому оборудование для производства криогенного азота не следует часто запускать и останавливать, желательно работать непрерывно в течение длительного времени.
Кроме того, криогенный процесс сложен, занимает большую площадь, требует высоких затрат на инфраструктуру, требует специальных сил по техническому обслуживанию, имеет большое количество операторов и производит газ медленно (от 18 до 24 часов). Он подходит для крупномасштабного промышленного производства азота.
Второй: метод производства азота с помощью адсорбции при переменном давлении (PSA).
Технология разделения газов при переменном давлении (PSA) является важной отраслью технологии некриогенного разделения газов. Это результат многолетних усилий людей по поиску более простого метода разделения воздуха, чем криогенный метод.
В 1970-х годах западногерманская горнодобывающая компания Essen успешно разработала углеродные молекулярные сита, открыв путь к индустриализации производства азота с помощью воздушного разделения PSA. За последние 30 лет эта технология быстро развивалась и совершенствовалась. Он стал сильным конкурентом криогенного разделения воздуха в области малого и среднего производства азота.
При производстве азота с адсорбцией при переменном давлении в качестве сырья используется воздух, а в качестве адсорбента – углеродные молекулярные сита. Он использует характеристики селективной адсорбции кислорода и азота углеродными молекулярными ситами в воздухе и использует принцип адсорбции при перепаде давления (адсорбция под давлением, десорбция при снижении давления и регенерация молекулярных сит) для разделения кислорода и азота при комнатной температуре для производства азота.
По сравнению с производством азота с помощью криогенного разделения воздуха, производство азота с помощью адсорбции с переменным давлением имеет значительные преимущества: адсорбционное разделение осуществляется при комнатной температуре, процесс прост, оборудование компактно, занимает мало места, его легко запускать и останавливать. начинается быстро, добыча газа быстрая (обычно около 30 минут), потребление энергии небольшое, эксплуатационные расходы низкие, степень автоматизации высокая, эксплуатация и обслуживание удобны, установка на салазках удобна, специального фундамента нет. требуется, чистота азота продукта может регулироваться в определенном диапазоне, а производство азота составляет ≤3000 Нм3/ч. Таким образом, производство азота с адсорбцией при переменном давлении особенно подходит для прерывистой работы.
Однако пока отечественные и зарубежные аналоги могут производить азот только чистотой 99,9% (т.е. O2≤0,1%) по технологии производства азота PSA. Некоторые компании могут производить азот с чистотой 99,99% (O2≤0,01%). Более высокая чистота возможна с точки зрения технологии производства азота PSA, но себестоимость производства слишком высока, и пользователи вряд ли ее примут. Таким образом, использование технологии производства азота PSA для производства азота высокой чистоты должно также включать устройство послестадиальной очистки.
Метод очистки азота (промышленный масштаб)
(1) Метод гидрирования и деоксигенации.
Под действием катализатора остаточный кислород в азоте реагирует с добавленным водородом с образованием воды, формула реакции: 2H2 + O2 = 2H2O. Затем вода удаляется с помощью дожимного компрессора азота высокого давления, и путем последующей сушки получается азот высокой чистоты со следующими основными компонентами: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500×. 10-6, H2O≤10,7×10-6. Стоимость производства азота составляет около 0,5 юаня/м3.
(2) Метод гидрирования и деоксигенации.
Этот метод разделен на три стадии: первая стадия - гидрирование и дезоксигенация, вторая стадия - дегидрирование и третья стадия - удаление воды. Получают азот высокой чистоты следующего состава: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5×10-6, H2 ≤ 5×10-6, H2O ≤ 10,7×10-6. Стоимость производства азота составляет около 0,6 юаня/м3.
(3) Метод деоксигенации углерода.
Под действием катализатора на углеродном носителе (при определенной температуре) остаточный кислород в обычном азоте реагирует с углеродом, выделяемым самим катализатором, с образованием CO2. Формула реакции: C + O2 = CO2. После последующей стадии удаления CO2 и H2O получается азот высокой чистоты следующего состава: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5×10-6, CO2 ≤ 5×10-6, H2O ≤ 10,7×10-6. Стоимость производства азота составляет около 0,6 юаня/м3.
Третье: Мембранное разделение и производство азота с помощью разделения воздуха.
Производство азота с помощью мембранной сепарации и разделения воздуха также является новой отраслью технологии некриогенного производства азота. Это новый метод производства азота, который быстро получил развитие за рубежом в 1980-х годах. В последние годы его продвигали и применяли в Китае.
При производстве азота с мембранным разделением в качестве сырья используется воздух. Под определенным давлением он использует различные скорости проникновения кислорода и азота в половолоконную мембрану для разделения кислорода и азота с получением азота. По сравнению с двумя вышеупомянутыми методами производства азота, он имеет более простую конструкцию оборудования, меньший объем, отсутствие переключающего клапана, более простую эксплуатацию и техническое обслуживание, более быстрое производство газа (в течение 3 минут) и более удобное расширение мощности.
Однако к половолоконным мембранам предъявляются более строгие требования к чистоте сжатого воздуха. Мембраны склонны к старению и выходу из строя, и их трудно восстановить. Новые мембраны требуют замены.
Производство азота с мембранным разделением больше подходит для малых и средних пользователей с требованиями к чистоте азота ≤98% и имеет лучшее на данный момент соотношение цены и функциональности; когда требуется, чтобы чистота азота была выше 98%, она примерно на 30% выше, чем у устройства для производства азота с адсорбцией при переменном давлении той же спецификации. Таким образом, когда азот высокой чистоты производится путем объединения устройств для производства азота с мембранным разделением и устройств для очистки азота, чистота общего азота обычно составляет 98%, что увеличивает себестоимость производства и стоимость эксплуатации устройства для очистки.
Время публикации: 24 июля 2024 г.
