Эффективные методы удаления азота из воздуха

Введение: Значение азота в промышленности

Такова сила азота - основного ресурса в различных отраслях промышленности благодаря его инертности. Производственный сектор в значительной степени зависит от него, и это касается различных областей, таких как сельское хозяйство, фармацевтика и другие. Промышленность, которая знает, как эффективно удалять азот из воздуха, способна генерировать чистый азотный газ. Производство аммиака, химические процессы, упаковка пищевых продуктов и фармацевтика - вот некоторые из областей, где требуется чистый азот.

Большинство контролируемых сред, используемых в различных производственных условиях, невозможно реализовать без чистого азота, полученного из атмосферного воздуха. Изолирование азота подразумевает не только его отделение от других газов, но и разделение кислорода, углекислого газа и водяного пара. Такое разделение обеспечивает соблюдение высочайших стандартов качества и безопасности во всех сферах промышленного использования. В последнее время способы удаления азота из воздуха значительно усовершенствовались в связи с возросшими промышленными потребностями. В этой статье мы постараемся раскрыть основные методы, используемые при извлечении азота, чтобы вы могли принять обоснованное решение, исходя из ваших конкретных требований.

Обзор методов извлечения азота

Уже давно фракционная дистилляция и другие традиционные методы извлечения азота являются наиболее распространенными и высокоэффективными для получения высокочистого азота. Фракционирование состоит из нескольких этапов: сначала атмосферный воздух охлаждается до сжижения. Затем в дистилляционной колонне этот жидкий воздух осторожно нагревают, после чего газы разделяются по температурам кипения. Азот, который кипит при -195,8°C, испаряется быстрее, чем кислород, который кипит при -183°C. Такое детальное регулирование температуры позволяет эффективно выделять азот.

Несмотря на высокую эффективность, фракционная дистилляция обладает заметными недостатками. Этот процесс в значительной степени зависит от электроэнергии, поскольку для поддержания чрезвычайно низких температур, необходимых для сжижения воздуха, требуется много электроэнергии, что приводит к высоким эксплуатационным расходам. Кроме того, установка и обслуживание установок фракционной дистилляции сложны и дороги, поэтому они малодоступны для небольших предприятий.

Энергоэффективность и экономичность - основные преимущества, полученные благодаря последним достижениям в области технологий. В некоторых случаях системы PSA требуют меньшего потребления энергии, поскольку их можно устанавливать на месте, что позволяет экономить на логистических расходах, а также быть гибкими Мембранные системы упростились еще больше, так что они не требуют особого обслуживания, а их масштабирование не составляет труда. Таким образом, хотя эти методы и не достигают сверхвысокой чистоты, достижимой при фракционной дистилляции, многие промышленные приложения получают преимущества, что делает их подходящими вариантами для предприятий, которые хотят оптимизировать свои операции по производству азота

Криогенная дистилляция

Объяснение процесса

Этот передовой процесс фракционной дистилляции - криогенная дистилляция, которую часто называют золотым стандартом разделения газов. В ходе этой процедуры атмосферный воздух охлаждается до температуры -196°C и в итоге сжижается. Затем жидкий воздух осторожно нагревают, чтобы он постепенно достиг точки кипения, что приводит к резким изменениям, поскольку азот, кислород, фосфор и другие инертные газы, такие как аргон, продолжают отделяться. Однако весь этот метод во многом зависит от разницы в точках кипения азота (-195,8°C) и кислорода (-183°C). Высокой степени чистоты можно добиться, если сначала извлечь жидкий азот, а затем очистить его от примесей.

Следует отметить, что криогенная дистилляция позволяет получать азот высокой чистоты, причем чистота 99,999% иногда бывает доступной, что делает ее особенно полезной в тех отраслях, где чистота газа является священной. Кроме того, эта стратегия может быть применена для повышения эффективности производства других газов, таких как кислород и аргон, которые могут стать ценными продуктами этой технологии. Было проведено множество исследований, направленных на повышение эффективности этого процесса. Однако этот метод потребляет больше энергии, чем любой другой, требует сложного оборудования и длительного технического обслуживания, что значительно повышает стоимость операций. Кроме того, первоначальный капитал, необходимый для создания установки криогенной дистилляции, может быть очень высоким, что в некоторых случаях делает этот метод нецелесообразным для малого бизнеса. Кроме того, они легко ржавеют и изнашиваются, что сокращает срок службы и эффективность таких устройств.

Промышленное применение

Криогенная дистилляция используется преимущественно в отраслях, где требуется сверхчистый азот. Это основной метод получения азота для полупроводниковой промышленности, медицинских газов и специальных химикатов. Азот высокой чистоты необходим в этих областях для предотвращения загрязнения и обеспечения качества и безопасности продукции. По сути, этот метод лучше всего подходит для крупномасштабных производств, которые могут оправдать высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Адсорбция с поворотом давления (PSA)

Принцип работы

Адсорбция под давлением (PSA) - один из методов удаления азота из воздуха, который предполагает использование цеолитовых молекулярных сит или активированного угля. Молекулярные сита цеолитов представляют собой алюмосиликатные кристаллы с равномерными порами. Эти материалы обладают способностью к избирательной адсорбции, поэтому идеально подходят для выделения азота. Перед прохождением через слой адсорбента, состоящий в основном из цеолита, атмосферный воздух сначала сжимается. Молекулы азота избирательно адсорбируются молекулярным ситом благодаря их меньшему кинетическому диаметру, позволяя кислороду и другим более крупным молекулам проходить через него. Когда адсорбент насыщается азотом, при снижении давления происходит высвобождение адсорбированного азота в виде высокочистого продуктового газа. Системы PSA работают циклично, несколько слоев адсорбента работают поочередно, чтобы поддерживать непрерывное производство газообразного азота. Для стабильного выхода азота и эффективной работы системы необходимо эффективное управление циклом и точный контроль колебаний давления.

Подходящие области применения

Основным преимуществом систем PSA является относительно низкое энергопотребление по сравнению с криогенной дистилляцией. Кроме того, они могут быть установлены на месте, что снижает логистические расходы, связанные с транспортировкой чистого азота. Компактность PSA-установок делает их идеальным решением для небольших помещений. Кроме того, системы PSA позволяют получать азот умеренной и высокой чистоты, который не требует больших затрат для отраслей промышленности, нуждающихся в таком газе; среди них - применение в пищевой упаковке, где он используется для вытеснения кислорода с целью увеличения срока хранения, и в металлообработке, где он выступает в качестве покровного газа.

Промышленные предприятия, заинтересованные в сверхчистом азоте, не будут рассматривать системы PSA, поскольку чистота азота может составлять от 95% до 99,9%. Однако эти уровни чистоты достаточны для некоторых рынков, таких как металлообработка и упаковка пищевых продуктов.

Jalon: Надежный поставщик молекулярных сит для разделения азота PSA

Компания Jalon является ведущим производителем первоклассных молекулярных сит, цеолитов и активированного глинозема, которые незаменимы для разделения азота в PSA. В частности, они производят обогащенные кислородом молекулярные сита, относящиеся к серии JLOX-500 и обладающие превосходными адсорбционными свойствами азота, а также селективностью между азотом и кислородом. Таким образом, они стали жизненно важными компонентами для эффективного и стабильного разделения азота в установках генераторов кислорода PSA.

Мембранная генерация азота

Как это работает

Еще один современный метод удаления азота из воздуха - мембранная генерация азота. В этом процессе сжатый воздух проходит через полимерную мембрану с микроскопическими отверстиями. Кислород, углекислый газ, водяной пар и другие газы не проходят через нее, а азот проникает внутрь, в результате чего образуется непрерывный поток газообразного азота. Эффективность метода может быть легко увеличена путем распараллеливания нескольких мембран. Чистотой азота можно манипулировать, изменяя давление и скорость потока воздуха через мембранную систему.

Преимущества и недостатки

Самым важным преимуществом мембранных генераторов азота является их простота и адаптируемость. Они потребляют меньше энергии, имеют меньше движущихся частей и требуют меньше внимания по сравнению с другими методами. Кроме того, они легко настраиваются под различные требования к чистоте азота, что делает их очень адаптируемыми устройствами. Мембранная генерация азота лучше всего подходит для тех случаев, когда требуется умеренный уровень чистоты азота, например, в системах пожаротушения на коммерческих кухнях, на шиномонтажных станциях в автомобильных мастерских или даже в некоторых отраслях пищевой промышленности, где низкие эксплуатационные расходы являются ключевым фактором.

Однако мембранные системы обычно обеспечивают уровень чистоты в пределах 90% - 99%, что может не удовлетворять определенным требованиям к высокой чистоте. Кроме того, со временем ухудшаются эксплуатационные характеристики, что требует периодической замены модулей, из которых состоят эти системы.

Сравнение методов извлечения

Уровни чистоты

Уровень чистоты получаемого азота является решающим фактором при выборе метода экстракции. Криогенная дистилляция имеет самый высокий достижимый уровень чистоты, часто превышающий 99,999%, что делает ее предпочтительной для высокоточных применений, таких как производство полупроводников и медицинское применение. В отличие от них, системы PSA достигают более низких, но значительных уровней чистоты в пределах 95-99,9%, которые полезны во многих отраслях промышленности. С другой стороны, мембранные системы обеспечивают чистоту азота в диапазоне от 90% до 99%, являясь наиболее подходящими для таких применений, где максимальная чистота не является обязательной.

Эффективность затрат

Методы различаются по своей экономической эффективности. Мембранные системы, как правило, являются наименее затратными в эксплуатации благодаря своей простоте и низкому уровню энергопотребления. Системы PSA обеспечивают баланс между стоимостью и чистотой, что делает их подходящими для многих промышленных применений. Однако криогенная дистилляция всегда связана с самыми высокими затратами, поскольку требует много энергии и сложных инструментов, которые стоят очень дорого.

Требования к обслуживанию

Существуют значительные расхождения и в требованиях к техническому обслуживанию. Мембранные системы имеют меньше/больше движущихся частей, чем другие, поэтому они, как правило, проще/сложнее в обслуживании, что приводит к снижению/повышению сложности эксплуатации соответственно, по сравнению с другими методами, такими как адсорбция на твердых материалах, используемых в системе PSA (замена адсорбента). Обслуживание криогенной дистилляции требует больше усилий из-за ее сложного характера, предполагающего использование специализированного оборудования, способного выдерживать экстремально низкие температуры.

Преимущества использования генераторов азота

Использование генераторов азота может привести к существенной экономии. Производство азота на месте устраняет необходимость в покупке, транспортировке и хранении баллонов с азотом или жидкого азота, что может быть дорогостоящим и сложным с точки зрения логистики. Это особенно актуально для отраслей с высокими потребностями в азоте, где экономия может быть значительной с течением времени.

Генераторы азота на объекте гарантируют непрерывную подачу азота, что исключает остановку производственного процесса из-за сбоев в цепи поставок. Кроме того, они занимают значительно меньше места, чем большие резервуары или стеллажи для баллонов, что позволяет предприятиям эффективно использовать площадь помещений для других важных видов деятельности.

Использование генераторов азота позволяет снизить воздействие на окружающую среду, связанное с производством и транспортировкой азота. Кроме того, предприятия, генерирующие собственный азот, могут избежать выбросов углекислого газа при транспортировке жидкого азота или газовых баллонов высокого давления на большие расстояния. Кроме того, современные генераторы азота разработаны с учетом требований энергоэффективности, что еще больше снижает их общее воздействие на окружающую среду.

Выбор правильного генератора азота для вашего бизнеса

При выборе генератора азота необходимо учитывать некоторые моменты, такие как требования к чистоте, бюджетные ограничения и объем производства. Чаще всего используются системы PSA, которые подходят для различных промышленных применений, поскольку обеспечивают хороший баланс между стоимостью и степенью чистоты фиксации азота. Тем не менее, если для производства требуется азот сверхвысокой чистоты, то криогенная дистилляция может быть предпочтительнее, хотя она и дороже. С другой стороны, системы на основе мембран идеально подходят для тех случаев, когда чистота не является ограничительной, а эксплуатационные расходы должны быть низкими. Обширные исследования показали, что, хотя существуют простые способы получения азота, такой революционно новый метод, как криогенная дистилляция, является наиболее предпочтительным для получения азота высокой чистоты, несмотря на более высокую стоимость.

Заключение

Извлечение азота из атмосферы является жизненно важным для многих промышленных процессов и зависит от конкретных потребностей, таких как экономическая эффективность, уровень чистоты и техническое обслуживание. Эти знания позволяют компаниям выбирать генератор азота с учетом своих особых потребностей, обеспечивая тем самым надежное, экономичное и экологичное снабжение азотом своих объектов. Применяя такой подход, промышленные предприятия смогут оптимизировать свои производственные процессы, повысить качество продукции, а также сократить эксплуатационные расходы.