Полное руководство по производству азота: Методы и применение

Что такое производство азота? Понимание основ

Производство азота - это процесс извлечения азота (N₂) из земной атмосферы для использования в различных отраслях промышленности. Азот - самый распространенный элемент на поверхности Земли, составляющий около 78% земной атмосферы, но редко используется в своей естественной газообразной форме. Однако промышленные предприятия нуждаются в чистом азоте или его соединениях только для определенных целей. Чтобы удовлетворить эти потребности, азот необходимо отделить от кислорода, водяного пара, углекислого газа и других газов, присутствующих в воздухе, с помощью специальных технологий.

Газообразный азот получают в промышленных масштабах для использования в процессах, где требуется инертная атмосфера, например, в химическом производстве, пищевой промышленности и производстве лекарств. Азот также используется для производства других соединений, таких как азотная кислота, нитрат натрия и нитрат калия, которые необходимы в сельском хозяйстве, горнодобывающей промышленности и других отраслях.

Чтобы узнать, как получить азот, необходимо изучить различные методы, такие как адсорбция под давлением (PSA), криогенная дистилляция и мембранное разделение. Эти методы имеют свои преимущества и используются в зависимости от требуемой чистоты азота, стоимости и объема производства. Технологии получения азота продвинулись от производства азота в промышленных масштабах до производства азота в лабораторных масштабах, чтобы удовлетворить растущие потребности промышленности.

Как получают газ азот: Изучение основных методов

Получение азота подразумевает использование сложных технологий для извлечения газообразного азота из атмосферы. Три наиболее используемых метода - это адсорбция под давлением (PSA), криогенная дистилляция и мембранное разделение. Эти методы различаются по уровню сложности, стоимости и типу получаемого азота, но все они предназначены для получения азота высокой чистоты для использования в промышленности и торговле.

(Адсорбция с поворотом давления)

Адсорбция под давлением (PSA) - одна из самых популярных и эффективных технологий получения газообразного азота высокой чистоты, особенно для предприятий, где требуется генерация на месте. Для отделения азота от кислорода и других примесей в воздухе используется способность углеродного молекулярного сита (CMS) избирательно адсорбировать азот из других газов, содержащихся в воздухе, например кислорода.

Вот как это работает: Сначала окружающий воздух сжимается с помощью воздушного компрессора, чтобы воздух, подаваемый в систему, был сжатым. Однако перед тем как попасть на углеродное молекулярное сито, этот сжатый воздух должен пройти предварительную обработку, которая заключается в его осушении. Одним из наиболее важных процессов, обеспечивающих поддержание производительности и эффективности системы, является процесс осушения воздуха. Если влага не будет удалена должным образом, это повлияет на молекулярное сито, снизит способность к адсорбции и приведет к раннему насыщению. Чтобы избежать этого, используются сушильные агенты, например, активированный глинозем. Если требуется более глубокая сушка, используются молекулярные сита (3A, 4A или 13X). Эти материалы могут даже отделить количество водяного пара до такой степени, чтобы воздух, подаваемый в систему PSA, был достаточно сухим для защиты CMS и обеспечения постоянного качества азота.

Сжатый воздух после осушения проходит через сосуд, содержащий углеродное молекулярное сито. Углеродное молекулярное сито работает как фильтр, пропускающий через себя только кислород, углекислый газ и водяной пар благодаря их небольшому размеру молекул и высокой адсорбционной способности. Более крупные молекулы азота проходят через сито и собираются в качестве конечного продукта, в то время как другие газы задерживаются ситом. В тех случаях, когда в больших количествах присутствуют другие загрязняющие вещества, например CO₂, вместе с CMS можно добавить другие адсорбенты, например молекулярное сито 5A или 13X. Эти материалы очень эффективно задерживают CO₂ и водяной пар, что позволяет углеродному молекулярному ситу сосредоточиться на разделении азота и повысить эффективность системы, а также ее долговечность.

Система работает по циклам, включающим адсорбцию и десорбцию. В фазе адсорбции кислород и другие примеси задерживаются углеродным молекулярным ситом под высоким давлением. На этапе десорбции давление быстро снижается, чтобы углеродное молекулярное сито могло высвободить адсорбированные газы и регенерироваться. Если десорбция не выполняется должным образом, сито вскоре заполнится, эффективность снизится, рабочие циклы сократятся, и система может выйти из строя. Эти две фазы, а именно адсорбция и десорбция, имеют решающее значение для поддержания постоянной и бесперебойной подачи азота.

Технология PSA позволяет получать азот чистотой до 99,999% и подходит для применения в электронике, фармацевтике и упаковке пищевых продуктов. Технология PSA более экономична и применима для производства на месте, чем традиционные криогенные технологии, особенно в тех отраслях, где требуется непрерывная подача азота со скоростью 10-5000 Нм³/ч.

Однако важно отметить, что PSA имеет некоторые ограничения. Система зависит от качества воздуха, поэтому предварительная обработка должна быть эффективной, чтобы предотвратить повреждение углеродного молекулярного сита влагой или примесями. Кроме того, системы PSA не так эффективны, как криогенные методы для крупномасштабного производства азота, поэтому они больше подходят для средних и малых промышленных применений.

Система PSA стала одной из ключевых технологий производства азота благодаря своей высокой эффективности, низкому уровню технического обслуживания и возможности получения азота различной степени чистоты. Использование соответствующей предварительной обработки, качественных сушильных агентов и вспомогательных адсорбентов гарантирует оптимальную работу системы и получение азота высокой чистоты в различных условиях эксплуатации.

Криогенная дистилляция

Криогенная дистилляция - наиболее распространенный и экономически эффективный метод промышленного производства азота, особенно если требуется высокая чистота и большая производительность. Этот процесс включает в себя охлаждение атмосферного воздуха до очень низких температур, его сжижение и фракционирование по температуре кипения, поскольку азот, кислород и аргон имеют разные температуры кипения.

Процесс начинается со сжатия и очистки воздуха. Воздух из атмосферы сжимается, а затем обрабатывается для удаления загрязняющих веществ, таких как пыль, углекислый газ и водяной пар. Этот этап очистки важен, поскольку любые загрязнения могут затвердеть при криогенных температурах, которые обычно составляют около -196°C (-321°F), и заблокировать процесс охлаждения и дистилляции. Эффективная сушка также имеет решающее значение, поскольку даже присутствие воды или CO₂ может негативно сказаться на оборудовании и его работе.

Для осушки воздуха чаще всего используются молекулярные сита (13X) и активированный глинозем. Молекулярные сита используются в криогенной дистилляции, поскольку они могут избирательно адсорбировать воду и CO₂ при очень низких парциальных давлениях лучше, чем другие адсорбенты. Эти синтетические цеолиты имеют хорошо упорядоченную структуру пор, которая избирательно адсорбирует более мелкие молекулы, такие как вода, что позволяет достичь очень высокого уровня контроля точки росы. Например, молекулярные сита могут снижать точку росы воздуха до -100°C и поэтому используются для устранения образования льда в криогенных системах. Однако активированный глинозем, хотя и является относительно дешевым и обладает высокой адсорбционной способностью по отношению к воде, не обладает селективностью и адсорбционной способностью молекулярных сит по удалению CO₂, что имеет решающее значение в криогенных процессах.

После прохождения процессов очистки и осушения воздух охлаждается до криогенных температур с помощью теплообменников и холодильных циклов. При этих температурах воздух переходит в жидкое состояние, состоящее из азота, кислорода и аргона. Затем с помощью фракционной дистилляции компоненты смеси разделяются на отдельные части. Температура кипения азота самая низкая (-196°C), он кипит первым и собирается в качестве основного продукта. Кислород и аргон с более высокими температурами кипения отделяются на следующих этапах, и получается азот с чистотой до 99,999%, который используется в производстве электроники и в медицинских учреждениях.

Криогенная дистилляция требует больших затрат энергии из-за необходимости охлаждения газа до очень низкой температуры, но она наиболее подходит для крупномасштабных производств, где требуется постоянная подача азота в объеме более 5000 Нм³/ч. Криогенная дистилляция более масштабируема, чем PSA, и способна производить как жидкий, так и газообразный азот, что выгодно для различных промышленных применений благодаря ее надежности.

В заключение следует отметить, что криогенная дистилляция - это стабильный и эффективный метод получения азота, особенно для отраслей, где требуется большое количество азота с минимальным количеством примесей.

Мембранное разделение

Мембранное разделение - один из наиболее эффективных и передовых методов получения азота, отличающийся компактностью и энергоэффективностью по сравнению с другими методами. В этом процессе используются полимерные мембраны, которые селективно пропускают газы с разной скоростью просачивания. Когда сжатый воздух пропускается через мембранные модули, газы, которые быстрее проникают через стенки мембраны, - кислород, водяной пар и углекислый газ, а азот, который проникает медленно, задерживается и становится основным продуктом.

Суть этого процесса основана на способности мембранного материала к избирательной проницаемости. Газы с меньшим молекулярным весом или большей диффузионной способностью, такие как кислород и водяной пар, проходят через мембрану с большей скоростью, а азот остается с уровнем чистоты от 95% до 99,5%. Хотя этот уровень чистоты не так высок, как при криогенной дистилляции, он достаточен для многих применений, например, для инертных емкостей, противопожарных систем или для создания защитной газовой среды при обработке пищевых продуктов. Этот метод особенно подходит для производств с умеренными требованиями к чистоте азота благодаря простоте использования и возможности применения в любых масштабах.

Предварительная обработка сжатого воздуха очень важна для эффективности и долговечности мембранных систем. Любая форма влаги или примесей, таких как CO₂ и пары масла, может повлиять на мембраны или их эффективность в долгосрочной перспективе. Чтобы преодолеть это, в систему включаются процессы сушки и удаления примесей. Процесс сушки осуществляется с помощью адсорбентов, таких как активированный глинозем, который является дешевым и широко используется для удаления воды. Для дальнейшей сушки используются молекулярные сита (4A, 13X), поскольку они способны понизить точку росы до самых низких значений, чтобы влага не могла проникнуть через мембрану. Силикагель также используется в тех случаях, когда важны как скорость адсорбции, так и способность к регенерации.

Помимо осушки, не менее важно удалять из газа другие загрязнения, такие как CO₂ и пары масла. Молекулярные сита очень эффективны в удалении как воды, так и CO₂, что делает их незаменимыми для сохранения работоспособности мембран. С другой стороны, активированный уголь используется для фильтрации паров масла и других органических соединений, чтобы в систему попадал только чистый воздух. Применение молекулярных сит и активированного угля образует полную систему предварительной очистки. Однако молекулярные сита более универсальны, поскольку они справляются и с влагой, и с CO₂, поэтому их используют в критических случаях.

Мембранные генераторы азота особенно ценятся за простоту использования и низкую стоимость эксплуатации. Они не такие экстремальные, как криогенные системы, и не требуют дистилляционного оборудования высокого стандарта. Эти системы имеют небольшие размеры, легко масштабируются и не требуют особого внимания в плане обслуживания. Например, стандартная мембранная система может работать без перерыва, а фильтры нужно менять лишь время от времени, что позволяет экономить время и деньги. Кроме того, мембранные системы энергоэффективны и имеют более короткое время запуска по сравнению с адсорбцией с колебаниями давления, что делает их идеальными для применений, требующих колебаний или низкого спроса на азот.

При умеренной степени чистоты азота мембранное разделение является более энергоэффективным, чем системы адсорбции в режиме качания давления (PSA). Однако системы PSA больше подходят для применений, требующих более высокой чистоты азота. С другой стороны, мембранные системы гибкие и простые в использовании, что делает их подходящими для отраслей, где требуются простые системы, дешевые в обслуживании.

В заключение следует отметить, что мембранное разделение является жизнеспособным и эффективным способом получения азота. Энергоэффективность, компактные размеры и умеренная чистота делают его идеальным для отраслей промышленности, где требуется гибкая и не требующая обслуживания система. Мембранные системы обеспечивают надежную и высокопроизводительную сушку и передовые решения по удалению, которые могут удовлетворить различные промышленные требования.

Молекулярные сита Jalon способствуют эффективному и надежному производству азота

Компания JALON является мировым производителем молекулярных сит и предлагает высокоэффективные сита для производства азота. Мы имеем 112 зарегистрированных патентов и экспортируем продукцию в 86 стран и регионов, что подтверждает нашу глобальную надежность и лидерство в инновациях. Мы сертифицированы по стандартам ISO 9001 и ISO 14001, и наша продукция отличается высочайшим качеством и соответствием экологическим нормам.

Наши молекулярные сита, такие как типы A, X и Z, обладают наилучшими адсорбционными характеристиками, которые гарантируют эффективное исключение воды и CO₂ при производстве азота. Компания JALON инвестировала 14,5 миллионов юаней в исследования и разработки для улучшения характеристик сит, и наша продукция подходит для различных отраслей промышленности, особенно для медицины, нефтепереработки и газопереработки. Доверьте JALON эффективные, надежные и устойчивые решения по производству азота, отвечающие вашим потребностям.

Применение азота в основных отраслях промышленности

Газообразный азот - это незаменимый товар, который используется в различных отраслях промышленности для различных целей. Благодаря своей инертности, простоте использования и доступности он применяется во многих промышленных процессах. Ниже представлены основные области применения азота в зависимости от отрасли:

Химическая промышленность

В химической промышленности азот является важнейшим элементом для синтеза различных соединений, имеющих жизненно важное значение для химической промышленности. Он используется в производстве азотной кислоты, которая применяется при изготовлении удобрений, таких как аммиачная селитра, и промышленных взрывчатых веществ. Кроме того, азотные соединения, такие как нитрит натрия и нитрат натрия, используются при консервировании продуктов питания, отверждении и в любых процессах, где нежелательно окисление. Высокий спрос на азотные удобрения во всем мире подтверждает важность азота в сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.

Нефтегазовая промышленность

В нефтегазовой промышленности азот используется в методах повышения нефтеотдачи пластов, применяемых в этом секторе. Закачивая азот, компании повышают степень извлечения нефти из пластов, особенно на старых месторождениях. Азот также используется для продувки и опрессовки трубопроводов, что делает его безопасным, поскольку он вытесняет кислород, а значит, нет риска возгорания или загрязнения. Благодаря своей неактивности он имеет решающее значение для сохранения работоспособности в условиях высокого давления.

Аэрокосмическая промышленность

Азот используется в аэрокосмической промышленности для накачивания шин самолетов, поскольку он не вступает в реакцию с другими элементами и поэтому не представляет опасности взрыва на больших высотах. Он также используется в качестве нереактивного газа в топливных системах, чтобы свести к минимуму вероятность возгорания и повысить безопасность использования. Эти области применения показывают, как азот может использоваться для изоляции и защиты важного оборудования в суровых условиях.

Фармацевтическая и электронная промышленность

Азот играет важнейшую роль в сохранении контролируемых условий как в фармацевтической, так и в электронной промышленности. При производстве лекарств азот используется для предотвращения окисления во время производства и хранения, чтобы не нарушить качество и эффективность продукта. В электронике азот используется для пайки волной и в чистых помещениях, где даже малейшие загрязнения могут испортить чувствительные схемы или устройства.

Криогенная техника и пищевая промышленность

В криогенной заморозке используется жидкий азот с очень низкими температурами, который применяется для сохранения биологических образцов и стабилизации других хрупких продуктов. Он широко используется в пищевой промышленности для флэш-замораживания, которое помогает сохранить свежесть и увеличить срок хранения продуктов. Эти области применения показывают, как азот может удовлетворять экстремальным температурным требованиям.

Проблемы в производстве азота и пути их решения с помощью технологий

Азот используется во всех отраслях промышленности, однако его производство сопряжено с определенными трудностями, которые могут повлиять на его применение с точки зрения безопасности, стоимости и общего воздействия на окружающую среду. Однако эти проблемы решаются благодаря последним технологическим разработкам и изменению способа получения азота.

Основная проблема, связанная с производством азота, - высокие энергозатраты, особенно при использовании старых методов, таких как криогенная дистилляция. Этот процесс предполагает охлаждение воздуха до очень низких температур, что требует больших затрат энергии и времени, а также является дорогостоящим. В связи с этим к современным энергоэффективным технологиям относятся системы мембранного разделения. В этих системах используются современные полимерные мембраны, которые фильтруют газы в зависимости от их проницаемости и не требуют использования экстремально низких температур. Они не подходят для применения в тех случаях, когда требуется очень высокая чистота азота, но идеально подходят для отраслей, где требуется азот с чистотой от 95% до 99,5%.

Еще одна серьезная проблема - загрязнение, которое может существенно повлиять на производительность систем PSA (Pressure Swing Adsorption). Углеродные молекулярные сита чувствительны к загрязнениям, таким как водяной пар, углекислый газ и пары масла, которые могут блокировать поры и, следовательно, снижать адсорбционную способность и увеличивать частоту регенерации. Это привело к появлению новых сложных методов предварительной обработки, позволяющих устранить эти загрязнения, включая коалесцирующие фильтры, которые улавливают их до попадания в блоки PSA. Кроме того, недавно разработанные молекулярные сита с улучшенной структурой пор могут удерживать большее количество примесей и гарантировать стабильное и непрерывное производство азота.

Неэффективность транспортных расходов также является проблемой системы из-за дорогостоящей доставки жидкого азота на удаленные объекты. Проблема транспортировки и хранения жидкого азота также приводит к увеличению расходов и негативному воздействию на окружающую среду. Для решения этой проблемы все большую популярность приобретают системы генерации азота на месте. Такие модульные системы могут быть установлены на объектах, чтобы обеспечить производство азота на месте вместо крупных поставок, которые менее гибкие, более дорогие и требуют много времени. Производство на месте также снижает опасность, связанную с обращением и хранением больших объемов жидкого азота.

И наконец, не менее важной проблемой остается экологичность. Известно, что традиционные методы производства азота приводят к большим выбросам углекислого газа. В связи с этим многие современные системы разрабатываются с учетом экологических требований. Например, новейшие системы PSA с улучшенной адсорбционной средой повышают эффективность регенерации азота, что позволяет минимизировать потребление ресурсов.

Благодаря использованию передовых материалов, технологий предварительной обработки и производства на месте, производство азота постепенно улучшается с точки зрения эффективности, стоимости и экологичности. Это не только инновации, которые преодолевают текущие трудности, но и инновации, которые двигают отрасль к более чистому и надежному будущему.

Будущее производства азота: Тенденции и устойчивость

В связи с ростом осведомленности об устойчивом производстве и энергосбережении производство азота также претерпевает изменения в своем развитии, чтобы соответствовать мировым стандартам. Будущее производства азота определяется использованием возобновляемых источников энергии, новых материаловедческих разработок и применением интеллектуальных технологий.

Интеграция возобновляемых источников энергии

Использование солнечной и ветровой энергии в качестве источника энергии при производстве азота - одна из наиболее показательных тенденций, отмеченных в исследованиях. Такие системы снижают зависимость от ископаемых источников энергии, что делает процесс производства азота менее углеродоемким. Например, было установлено, что интеграция генераторов азота на месте с возобновляемыми источниками энергии может сократить выбросы парниковых газов примерно на 30 %. Такой переход не только способствует устойчивому развитию, но и делает производство азота более невосприимчивым к колебаниям стоимости энергии.

Новые материалы и технологии

Ожидается, что адсорбционные материалы нового поколения изменят индустрию производства азота. В настоящее время ведутся исследования новых типов CMS и гибридных мембран для повышения чистоты азота при одновременной энергоэффективности. Например, новые материалы CMS обладают лучшей селективностью, а степень извлечения азота уже превышает 95%. Полимерно-неорганические гибридные мембраны обладают высокой стабильностью и настраиваемостью, что делает их пригодными для различных промышленных применений.

Внедрение интеллектуальных технологий

Робототехника и искусственный интеллект становятся ключевыми факторами изменений в системах производства азота. Постоянное отслеживание производительности системы наряду с использованием алгоритмов прогнозируемого обслуживания гарантирует эффективное использование энергии и минимальное количество отказов системы. В частности, потребности в промышленном азоте разной степени чистоты и разной скорости потока могут быть удовлетворены системами, управляемыми искусственным интеллектом, что позволяет снизить общие затраты и при этом не наносит вреда окружающей среде.

Оптимизация управления отходами и принципы циркулярной экономики

Будущие технологии производства азота также направлены на сокращение количества отходов. Например, современные системы PSA разработаны с учетом циклов адсорбции, близких к абсолютным, что позволяет свести к минимуму количество остающихся отходящих газов. Некоторые рынки рассматривают возможность повторного использования/перенаправления отходящих газов обратно в производственные процессы, что повысит экологическую эффективность.

Путь вперед

В будущем производство азота будет ориентировано на энергосбережение, рационализацию использования ресурсов и баланс затрат и выгод. Технологии производства азота остаются одним из важнейших факторов, способствующих развитию промышленных процессов, и будут оставаться движущей силой инноваций в таких различных отраслях, как электроника и фармацевтика, пищевая промышленность и аэрокосмическая отрасль. Эти инновации гарантируют, что азот останется основополагающим элементом промышленных процессов и внесет вклад в устойчивое развитие мира.