Мембранный способ получения азота

1.3.2. Производство азота из воздуха

Для практического использования, будь то в лабораториях или на крупных промышленных предприятиях, азот получают тремя основными способами, все которые основаны на разложении атмосферного воздуха: 1) методом криогенного разложения воздуха, 2) с помощью короткоцикловой безнагревной адсорбции, и 3) методом мебранной диффузии.

Криогенное разложение воздуха

Криогенный способ воздухоразложения был изобретен германским ученым Карлом фон Линде более 100 лет назад (кстати отметим, что имя фон Линде и в наше время носит компания Linde Gas — один из крупнейших мировых подрядчиков по поставке газов промышленным предприятиям). Этот способ сводится к фракционной перегонке сжиженного атмосферного воздуха, и основан на различии в температурах кипения (испарения) его составных частей: азота, кислорода, аргона и других газов. Вратце, процесс заключается в следующем: вначале, атмосферный воздух сжимается до высокого давления. После сжатия, из сжатого воздуха удаляются твердые примеси, влага, а также двуокись углерода (углекислый газ CO₂). Очищенный сжатый воздух подвергается обратному расширению, в результате чего охлаждается до степени сжижения составляющих его газов. После этого, полученная жидкость постепенно испаряется, и по мере испарения из нее пофракционно извлекаются азот (температура кипения -196°C), кислород (температура кипения -183°C), аргон и другие редкие газы.

Способ экономически оправдан только при значительной потребности в азоте. Обычно, криогенные азотные установки используются крупными предприятиями химической и металлургической промышленности: первые получают азот для дальнейшего его связывания с водородом процессом Хабера с получением аммиака NH₃, который затем или используется в качестве удобрения непосредственно, или конвертируется в нитрат аммиака и также используется в качестве удобрения, или используется в качестве прекурсора при синтезе других химических соединений.

Для предприятий же металлургической промышленности азот вообще часто является отходом производства: при разложении воздуха, металлургические предприятия стремятся получить, в первую очередь, кислород, который требуется для плавки стали из железной руды — а азот обычно выпускается в атмосферу и частично продается.

Криогенные установки дороги как при покупке, так и затем в обслуживании, технически сложны, имеют значительные габариты (подходят обычно только для размещения на улице), но позволяют получать азот очень высокой чистоты (порядка 99,999% и даже выше) и в очень больших количествах.

Получение азота адсорбцией кислорода

Адсорбционный способ выделения азота из воздуха основан на различиях в размере молекул основных составных частей воздуха: азота и кислорода. Адсорбционная установка по получению азота состоит из емкостей-адсорберов (обычно парных, иногда имеющихся в большем четном количестве), заполненных адсорбентом — углеродными молекулярными ситами, или сокращенно CMS, от английского «Carbon Molecular Sieve». Эти молекулярные сита выглядят обычно как зерна или продолговатые цилиндрики черного цвета, диаметром 1. 3 миллиметра:

Углеродные молекулярные сита

CMS, используемые в адсорбционных установках для получения азота, имеют значительный объем пор, причем поры эти имеют входной размер порядка 3 ангстрем (=0,3 нм). Молекулы кислорода, имеющие кинетический диаметр примерно 2,9 Å, проникают в поры и задерживаются ими; молекулы азота с кинетическим диаметром 3,1 Å беспрепятственно проходят через слой адсорбента. Конечно, на практике, часть молекул кислорода проходит через адсорбент, не задерживаясь в нем; наоборот, часть молекул азота попадает в поры большего, чем расчетный 3,0 Å, размера и задерживается в них. Тем не менее, на выходе адсорбера получается газовая смесь, более или менее обогащенная азотом (отметим, что попутно CMS частично извлекают из сжатого воздуха и содержащуюся в нем парообразную влагу — и хотя для обеспечения более долгого срока службы молекулярных сит желательно подавать на вход адсорбционного генератора азота уже осушенный сжатый воздух, произведенный азот будет также и дополнительно осушен).

Так как адсорбент, углеродные молекулярные сита, имеет ограниченную емкость пор и, соответственно, ограниченную удерживающую способность, довольно быстро (в практических реализациях адсорбционных азотных генераторов, через 40. 200 секунд) наступает необходимость провести его регенерацию, то есть восстановить его удерживающую способность. Для этого, давление в адсорбере резко сбрасывается в атмосферу, что вызывает выход ранее задержанных молекул кислорода из пор CMS. Для более полного восстановления CMS, после сброса давления в адсорбер подается часть вырабатываемого в это время в другом адсорбере азота, который продувается через подлежащий регенерации адсорбер под давлением чуть выше атмосферного, «вымывая» из его пор все еще остающиеся в нем после сброса давления молекулы кислорода. Полученная газовая смесь, представляющая собой воздух с несколько повышенным содержанием кислорода, выбрасывается в атмосферу. После завершения регенерации, азот в течение еще некоторого времени продолжает поступать в адсорбер, но уже при закрытом сбросном клапане, в результате чего давление в адсорбере поднимается до уровня, присутствующего в системе. (Как вариант, например, показанный на схеме выше, конструкция установки может предусматривать проведение регенерации и последующего выравнивания давления не подачей азота непосредственно из одного адсорбера в другой, а из промежуточного азотного накопителя, для чего в конструкцию азотного генератора вводятся дополнительные клапаны).

Адсорберы в адсорбционной установке периодически (в соответствии с расчетной частотой регенерации) меняются ролями: рабочий адсорбер переходит в режим регенерации, а прошедший регенерацию становится рабочим. Адсорбционный метод получения азота также называют методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦБА): короткоцикловой — из-за частой смены ролей адсорберов, безнагревной — так как регенерация CMS проводится без какого-либо нагрева продуваемого через них азота.

Схема устройства азотной установки, работающей по принципу КЦБА

Адсорбционные генераторы азота относительно недороги как в плане капитальных вложений, так и в обслуживании, компактны, просты конструктивно и в обслуживании. Адсорбционные установки способны вырабатывать азот в небольших и средних количествах, и также, как и криогенные линии, позволяют при необходимости получать азот высокой чистоты — до 99,999% и выше. Однако, в отличие от криогенных установок, на которых получение азота низкой чистоты никогда не рентабельно, с помощью адсорбционных генераторов азота можно, если не нужна самая высокая чистота, получать и азот пониженной чистоты — 99,99%. 99,9%. 99% и так далее вплоть да «грязного» азота с чистотой 95% — при этом, азотная установка адсорбционного типа, отрегулированная на производство азота меньшей чистоты, будет иметь бóльшую производительность, чем та же установка, но отрегулированная на выработку более высокоочищенного газа; соответственно меняются и значения потребления установкой сжатого воздуха. Широкий диапазон производительности и возможной чистоты получаемого азота определяет и разнообразие применений адсорбционных генераторов азота — лабораторные модели встречаются в научных учреждениях и в лабораториях предприятий, а большие агрегаты снабжают азотом крупные производства пищевой, электронной, нефтедобывающей, маслоэкстракционной и других отраслей промышленности.

Получение азота способом мембранного разделения воздуха

Все основные и реально могущие быть использованы для практических целей способы получения азота основаны на разложении атмосферного воздуха. Выше мы кратко описали принцип работы адсорбционных установок по получению азота. Кроме них, существуют мембранные установки, в основе которых стоят т.н. мембранные модули воздухоразделения, представляющие собой емкости, обычно цилиндрической формы, внутри которых параллельно размещено множество волокон-«макаронин» из специальных полимерных материалов — полиимида, полисульфона, полифенилоксида. Сжатый воздух подается на вход мембранного модуля, откуда равномерно распределяется между всеми отдельными волокнами, поступая на их внутреннюю сторону. Стенки волокон представляют собой мембраны с ассиметричным расположением пор, через которые преференциально, то есть быстрее и легче всего, на внешнюю сторону волокон диффудируют молекулы воды H₂O, водорода H₂ и гелия He. Со средней скоростью через стенки проникают молекулы кислорода, а также углекислого газа CO₂. Наоборот, преимущественно на внутренней стороне мембран остаются, из обычно содержащихся в воздухе веществ, молекулы азота, а также аргона и угарного газа CO. Как и в случае с адсорбционными азотными установками, в процессе производства азота мембранным способом он также доосушается.

Мембраны чрезвычайно чувствительны к наличию загрязнений, особенно к попаданию на них компрессорного масла. Мембранные модули большинства (но не всех) производителей нуждаются также, для эффективной работы, в специальном подогревании поступающего на их вход сжатого воздуха. Тем не менее, мембранные установки для получения азота, в целом, обычно все же несколько проще по конструкции, чем работающие по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции: например, КЦБА-установке требуется как минимум 2 впускных клапана (обычно, с электромагнитным приводом) для запуска сжатого воздуха в один или другой адсорбер, 2 аналогичных клапана для сброса давления из тех же адсорберов и, когда это предусмотрено конструкцией, еще 2 или более клапанов для перепускания азота из промежуточного накопителя обратно в адсорберы для проведения их регенерационной продувки и последующего выравнивания давления. Все эти клапаны у мембранного генератора азота отсутствуют.

К сожалению, сам принцип устройства мембранных установок для производства азота и сами свойства существующих в наше время материалов изготовления мембран не позволяют получение азота высокой чистоты. На практике, существующие промышленно изготавливаемые мембранные азотные генераторы ограничены «потолком» примерно в 99,5%.

Источник

Получение азота в промышленности

Все способы получения азота в промышленности основаны на разделении атмосферного воздуха, который является самым доступным сырьем и содержит около 75% целевого продукта. Другие методы отличаются высокими удельными затратами и используются преимущественно в исследовательских лабораториях. В промышленности азот получают как для собственных нужд, так и для продажи. С воздухоразделительных установок готовый газ поступает непосредственно к потребителям или закачивается в баллоны для хранения и транспортировки.

Производство азота в промышленности ведется по трем технологиям:

Генераторы
и модульные
азотные станции

Криогенное производство

Способ заключается в пофракционном испарении сжиженного воздуха и основан на разнице температур кипения его компонентов. Процесс протекает несколько этапов:

• Воздух сжимается в компрессорной установке с одновременным отбором тепла, выделяющегося при компримировании.
• Перед тем как получить азот, из сжиженного воздуха удаляют воду и углекислоту, которые становятся твердыми и выпадают в осадок.
• После снижения давления смесь начинает кипеть, а ее температура падает до -196 °C. Происходит последовательное испарение азота, кислорода и благородных газов.

Криогенное получение азота в промышленности оправдано при значительном расходе, а также при высоких требованиях к его составу. Чистота конечного продукта достигает 99,9999%. Энергоемкое и габаритное оборудование отличается высокой сложностью, требует профессиональной подготовки обслуживающего и технологического персонала.

Мембранное отделение азота

Чтобы понять, как добывают азот в промышленности методом мембранного разделения, нужно разобраться в структуре используемых для этого модулей. Они представляют собой цилиндры, в которых размещены ориентированные вдоль стенок волокна — макаронины. Сжатый воздух подается на торцы полимерных трубок, которые пропускают молекулы азота. Другие вещества удаляются через стенки волокон. Модули имеют низкую фильтрующую способность, поэтому вторичный продукт — это обогащенный кислородом воздух.

Недостатком такого способа считается чувствительность мембран к загрязнениям. Перед тем как получить азот, сжатый воздух очищают от конденсата и масла. Максимальная чистота целевого продукта составляет 95% и падает с повышением производительности установки.

Источник

Получение азота

Воздух представляет собой уникальное сочетание различных газообразных веществ. Азот в общем его объеме занимает более 78 процентов. Этот газ имеет широкое применение в самых разных областях жизнедеятельности человека.

Промышленное использование азота

В химической промышленности данный газ позволяет создать инертную среду, которая предотвращает соединение реагирующих веществ с кислородом. Азоту отводят очень важную роль при перевозке различных химических продуктов. Также его используют в качестве безопасного рабочего агента при проведении аварийных работ на нефтепроводах. Без применения азота сложно поддерживать давление внутри пластов при добыче полезных ископаемых, а это приводит к уменьшению объемов добычи сырья.

Не менее важна роль газа и в металлургии. Азоту отводится роль «защитника» черных и цветных металлов во время проведения процедуры отжига. В фармацевтике сложно произвести защиту емкостей, хранить сырье и транспортировать лекарственные средства без использования этого газообразного вещества. Применение азота в электронике позволяет избежать развития окислительных процессов во время изготовления полупроводниковых приборов, снятия изоляции с электрических кабелей. Поэтому в наше время так актуальна и востребована технология добычи азота «on-site» – непосредственно на территории заказчика.

Тем не менее, трудности сопровождали процесс разделения воздуха достаточно долго. Основной преградой была неспособность азота вступать в химическую реакцию с другими элементами. Вначале был придуман способ, при котором происходило связывание кислорода. В этом случае азот переходил в газообразное состояние. Однако данный метод отличался дороговизной и малой эффективностью. Поэтому широкое применение такой технологии выделения азота для промышленности было признано нецелесообразным.

Трудности получения газа

Сегодня в качестве вспомогательного вещества азоту отдается предпочтение в разных отраслях:

• газ используют в металлургии и машиностроении;
• основанная на азоте система охлаждения электродов применяется в стекольной промышленности;
• для продувки газ используют в энергетике и космонавтике;
• благодаря азоту удается долго сохранить образцы крови и биопрепаратов в медицине;
• широко востребована инертная среда в сельском хозяйстве (консервирующие системы на азоте позволяют хранить корма и разные виды зерновых).

Чтобы выделить азот в лаборатории, как один из вариантов, воздух предварительно следует перевести в жидкое состояние. Как и любой другой газ, он характеризуется критической температурой и давлением. При снижении температурных показателей до определенного уровня азот переходит в жидкое состояние. Разные лаборатории длительное время в результате экспериментов на азоте искали методы его эффективной добычи. При этом если не контролировать рост температуры, производство чистого азота будет невозможным.

Ученые продолжали искать методы, позволяющие разделить воздух на составляющие и выделить азот. При низких температурах воздух представляет собой совокупность жидкостей, которые имеют различные точки кипения. Если выпаривать его медленно, появляется возможность отделить нужное вещество от другого газа (например, кислорода). Это происходит благодаря его меньшей летучести, чем азота. После осуществления однократного выпаривания требуемый газ все еще недостаточно чист, поскольку может содержать примесь в виде аргона. Поэтому в настоящее время наша компания применяет различные установки для эффективного производства азота чистотой до 99,9995%.

Чтобы обеспечить наиболее быстрое выделение газа, мы используем методики, которые многократно подтвердили свою эффективность. Для производства азота в промышленных масштабах применяются следующие технологии:

• мембранная;
• получение азота при помощи КЦА;
• криогенная.

Мембранный метод получения газа

Широкое распространение технология получила в 70-х годах прошлого столетия. В то время мембранный метод стал настоящим прорывом в области отделения азота от других составляющих при получении его из атмосферного воздуха. До сегодняшнего дня данная технология разделения воздуха активно совершенствуется.

Мембранный метод отделения азота широко распространен из-за своей надежности. В установках отсутствуют движущиеся части, что при соблюдении условий эксплуатации обеспечивает мноо лет стабильной работы. Технология востребована в отраслях промышленности, где имеются большие объемы потребления азота. Но такие установки экономически менее выгодны, если стоит задача получить газ чистотой более 99,9% (в таком случае целесообразнее использовать КЦА технологии). Основной составляющей оборудования для производства азота является мембрана (полимерное волокно, намотанное на катушку). Вследствие разных парциальных давлений на внешней и внутренней поверхности мембраны происходит отделение газа.

В процессе отделения азота воздух проходит фильтрацию, затем он сжимается до требуемого давления и проходит через мембранный модуль. Молекулы кислорода, СО2, Н2О выводятся через другой выходной патрубок. Установки позволяют получить азот чистотой до 99,5%. Оборудование работает в широком диапазоне температур – от -40°С до +60°С. Наши специалисты готовы выполнить шеф-монтаж, пуско-наладку и последующее гарантийное обслуживание высокопроизводительных комплексов для выделения азота. Мы работаем «под ключ» во всех регионах России, странах СНГ и Европы.

Криогенная технология производства чистого азота

Подаваемый воздух нагнетается компрессором, затем попадает в воздушный фильтр, где происходит его очистка от частиц пыли. После он поступает во влагоотделитель, далее – в водяной холодильник, который охлаждает воздух и забирает тепло, что необходимо для добычи азота.

После этого происходит расширение и охлаждение воздуха. В жидком состоянии его отправляют в ректификационную колонну. При постепенном выпаривании воздуха в первую очередь уходит азот, а оставшаяся жидкость все больше насыщается кислородом. Повторяя процедуру многократно, в итоге получают кислород в жидком состоянии, азот и аргон требуемой чистоты. Потом разделенные составляющие помещаются в специальные контейнеры. Далее они направляются непосредственно на место производства технологического процесса либо поступают на склад.

Такой способ выделения азота имеет свои преимущества и недостатки. Прежде всего, преимуществом является возможность получить газ высокой чистоты в жидком состоянии. К недостаткам данной технологии относятся такие как, большие размеры криогенных установок, невозможность быстрого пуска/остановки системы, необходимость присутствия персона и пр.

Метод короткоцикловой адсорбции

Разделение воздуха с целью добычи азота криогенным способом является достаточно дорогой и устаревшей технологией. Причины: сложность пуска, большие габариты установок, необходимость профессионального обслуживания. Поэтому данный метод не оправдан для многих производств, для которых требуется азот. А вот метод адсорбции, который предусматривает также выделение водорода, кислорода, метана, этилена и других компонентов, получил большое распространение. Получение азота таким способом имеет ряд преимуществ:

• Возможность быстрого включения и выключения оборудования.
• Установки для отделения азота настраиваются в зависимости от нужд заказчика. Оператор может изменить режим функционирования устройства, частоту или производительность.
• Режим работы установки для получения азота регулируется автоматически.
• Для удобства оборудование может оснащаться дистанционным управлением.
• В плане энергоэффективности затраты довольно низкие по сравнению с криогенным методом.
• Установки, позволяющие получить азот, достаточно просто устроены, поэтому их обслуживание не требует значительных денежных трат.
• Приемлемая цена оборудования.

Что касается самого процесса получения азота, он имеет высокие показатели эффективности. Сначала подаваемый воздух попадает в один из двух попеременно работающих адсорберов, где поддерживается определенное давление и температура. Во время процесса адсорбент поглощает кислород (стадия поглощения), т.е. происходит улавливание адсорбентом кислорода с получением продуктового азота. На стадии регенерации поглощенный компонент выделяется из адсорбента. Такие процессы характеризуются повторяющимися короткими циклами. Чистота азота при данном способе разделения воздуха достигает 99,9995%.

Наиболее эффективное оборудование для газоразделения

Если ваше предприятие заинтересовано в постоянном производстве такого газа, как азот, рекомендуем воспользоваться услугами крупных и надежных поставщиков соответствующего оборудования. Но выбрать оптимальный вариант в условиях современного рынка бывает достаточно трудно. Поэтому в первую очередь обратите внимание на компании с большим опытом работы, имеющие свои уникальные разработки в области выделения азота.

Сотрудники НПК «Грасис» всегда основываются на индивидуальном подходе к запросам заказчика. Наша научно-производственная компания уже более 10 лет успешно занимается разработкой и производством воздухо- и газоразделительного оборудования для получения азота, удерживая лидирующие позиции на рынке СНГ. Наши установки изготавливаются с использованием современных нанотехнологий. Мы предлагаем своим клиентам наиболее эффективные методики производства азота.

Компания реализует оборудование высокого качества для разделения воздуха по наиболее распространенным и эффективным технологиям: адсорбционная и мембранная. Материалы, используемые для изготовления установок по выделению азота, отличаются высоким качеством и долговечностью. За каждым клиентом закрепляется персональный менеджер, который будет ответственно следить за всеми этапами сотрудничества.

НПК «Грасис» работает с проверенными поставщиками оборудования и комплектующих. В первую очередь компания заботится о высоком качестве установок для получения азота и уровне сервиса. Для клиентов предусмотрено большое количество услуг, которые связаны не только с поставкой и монтажом, но и с наладкой, ремонтом и сопровождением оборудования для выделения азота.

К преимуществам сотрудничества следует отнести возможность модернизации ранее поставленного оборудования. Также по желанию заказчика на предприятии возможно провести обучение, которое эффективно подготовит ваших сотрудников к эксплуатации приобретенного оборудования для производства азота.

Стоимость наших установок средняя на рынке, поскольку мы используем качественные комплектующие. Наше оборудование отличается высоким качеством и позволяет получать азот нужной Вам степени чистоты.

Благодаря слаженной деятельности команды профессионалов работы по производству, поставке, монтажу и наладке оборудования для получения азота проходят в сжатые сроки. Уникальной особенностью компании является наличие патентов на изобретения и полезные модели. Оборудование успешно протестировано в различных комплексах, где требуется азот. Использование качественных комплектующих гарантирует долговечность оборудования и его эффективность. Заказывайте наши системы по получению азота, которые позволяют добиться необходимого Вам в технологическом процессе конечного продукта.

Специалисты НПК «Грасис» готовы приступить к выполнению комплексного проекта «под ключ», который будет включать в себя разработку, производство, поставку, монтаж и пуск современного воздухо- и газоразделительного оборудования для получения азота.

Обращайтесь в НПК «Грасис», если вы заинтересованы в современных инновационных решениях!

Источник