Промышленный способ получения азота это

Получение азота в промышленности

Азот, как инертный газ, получил широкое применение в различных областях промышленности от небольшого производства до наукоемких высокотехнологичных процессов.

Достаточно часто возникает вопрос использовать собственное оборудование по производству азота, закупать газообразный в баллонах или газификация жидкого азота, первым этапам разберемся в способах получения данного инертного газа.

Азот не выкачивают из недр земли или мирового океана, его добывают непосредственно из окружающей атмосферы в которой его содержание примерно 78%. Если быть ещё точнее то большинство способов получения Азота направлены на уменьшение количества кислорода в газовой смести которую представляет из себя атмосферный воздух.

Способы получения Азота:

1 — Мембранный
2 — Адсорбционный
3 — Криогненный

Мембранный способ получения азота

Мембранный способ получения азота наиболее молодой но при этом очень популярный. Чистота получаемого азота от 90% до 99,5% (фактически до 99,9%). Мембранная технология позволяет получать азот с давлением до 24 бар без применения бустерного компрессора. Мембраны не бояться перепадов температур, попадание масла вызывает уменьшение производительности но не ведет к деградации как это происходит с адсорбентом. Благодаря тому мембраны не бояться тряски и ударов их применяют на спец транспорте — самоходных азотных компрессорных станциях, в блочно-модульных станциях и в стационарных установках во всех отраслях промышленности где требуется чистота азота до 99,5%.

Принцип получения азота основан на разнице парциальных давлении внутри и снаружи мембраны, при прохождении воздуха через мембрану молекулы азота и кислорода на разной скорости проникают через тело мембраны, благодаря чему на выходе мы имеем азот заданной чистоты.

Из недостатков мембранной технологии можно отметить более низкую концентрацию азота по сравнению с криогенной и адсорбционной технологиями, а также необходимость подогрева воздуха подаваемого на мембраны до рабочей температуры.

При подборе азотной станции для предприятия, выбор способа получения основывается на следующих данных: требуем объем азота, его чистота, рабочее давление.

Получение азота методом адсорбции

Адсорбционный способ получения азота позволяет получать азот не только от 1м3 в час до 10 000нм3/час (и более) но и регулировать чистоту получаемого азота в пределах от 95% до 99,9999%.

Полностью данная технология называется Безнагревная Коротко Цикловая Адсорбция основанная на способности «молекулярного сита» (специальные пористы гранулы) задерживать в себе молекулы кислорода и воды.

Компактные размеры и высокая чистота азота главные преимущества адсорбционной технологии получения азота. Адсорбционный способ получения азота востребован в пищевой, фармацевтической и радиоэлектронной промышленности.

Из недостатков данной технологии можно выделить боязнь масла в входящем потоке сжатого воздуха, ограничение по температурному режиму (работа только в помещении с искусственным климатом). Стационарная установка — нельзя устанавливать на транспорте, при тряске и ударах адсорбент будет разрушаться, что повлечет цепную реакцию, разрушения гранул и выдув адсорбента вместе с продуктовым азотом в пневмосеть. Невысокое давление азота, как правило не выше 10 бар.

Криогенный способ получения азота

Криогенный способ позволяет получать азот высокой чистоты, причем не только в газообразном виде но и в жидком. Газообразный азот закачивают для хранения в ресиверы непосредственно на месте производства или подают по трубопроводу к потребителю.

Жидкий азот возможно перевозить на авто и ЖД транспорте в специальных утепленных резервуарах, используют для заморозки различных веществ как в медицине, пищевом производстве так и других отраслях. При необходимости жидкий азот газифицируют на месте эксплуатации при помощи атмосферных газификаторов.

В случаях когда требуется высокое давление применяются криогенные насосы которые нагнетают жидкий азот под высоким давлением например в газовую или нефтяную скважину где он газифицируется создавая инертную среду, по факту вытесняя или разбавляя собой воздух и/или иные газы. Чистота получаемого азота до 99,9999%.

Ещё несколько лет назад криогенный способ получения Азота был основным применяемым способом , но постепенно его потеснили новые технологии, более компактные и более универсальные.

Недостатками данной технологии является то, что для установки криогенной станции требуется массивное оборудование которое может располагаться только стационарно в цеху, производительность криогенной станции как правило измеряется тысячами кубометров азота в час.

Данная технология востребована на крупных предприятиях, таких как Нефтеперерабатывающие заводы.

Источник

Промышленный способ получения азота это

Азот — неметаллический элемент Va группы периодической таблицы Д.И. Менделеева. Составляет 78% воздуха. Входит в состав белков, являющихся важной частью живых организмов.

Температура кипения азота составляет -195,8 °C. Однако быстрого замораживания объектов, которое часто демонстрируют в кинофильмах, не происходит. Даже для заморозки растения нужно продолжительное время, это связано с низкой теплоемкостью азота.

Общая характеристика элементов Va группы

От N к Bi (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Азот, фосфор и мышьяк являются неметаллами, сурьма — полуметалл, висмут — металл.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 3 :

• N — 2s 2 2p 3
• P — 3s 2 3p 3
• As — 4s 2 4p 3
• Sb — 5s 2 5p 3
• Bi — 6s 2 6p 3

Основное и возбужденное состояние азота

При возбуждении атома фосфора электроны на s-подуровне распариваются и переходят на p-подуровень. Однако с азотом ситуация иная. Поскольку азот находится во втором периоде, то 3ий уровень у него отсутствует, а значит распаривание электронов на s-подуровне невозможно — возбужденное состояние у азота отсутствует.

Сравнивая возможности перемещения электронов у азота и фосфора, разница становится очевидна.

Природные соединения

В природе азот встречается в виде следующих соединений:

• Воздух — во вдыхаемом нами воздухе содержится 78% азота
• Азот входит в состав нуклеиновых кислот, белков
• KNO₃ — индийская селитра, калиевая селитра
• NaNO₃ — чилийская селитра, натриевая селитра
• NH₄NO₃ — аммиачная селитра (искусственный продукт, в природе не встречается)

Селитры являются распространенными азотными удобрениями, которые обеспечивают быстрый рост и развитие растений, повышают урожайность. Однако, следует строго соблюдать правила их применения, чтобы не превысить допустимые концентрации.

В промышленности азот получают путем сжижения воздуха. В дальнейшем путем испарения из сжиженного воздуха получают азот.

Применяют и метод мембранного разделения, при котором через специальный фильтр из сжатого воздуха удаляют кислород.

В лаборатории методы не столь экзотичны. Чаще всего получают азот разложением нитрита аммония

Также азот можно получить путем восстановления азотной кислоты активными металлами.

Азот восхищает — он принимает все возможные для себя степени окисления от -3 до +5.

Молекула азота отличается большой прочностью из-за наличия тройной связи. Вследствие этого многие реакции эндотермичны: даже горение азота в кислороде сопровождается поглощением тепла, а не выделением, как обычно бывает при горении.

Без нагревания азот взаимодействует только с литием. При нагревании реагирует и с другими металлами.

Реакция с неметаллами

Важное практическое значение имеет синтез аммиака, который применяется в дальнейшим при изготовлении удобрений, красителей, лекарств.

Аммиак

Бесцветный газ с резким едким запахом, раздражающим слизистые оболочки. Раствор концентрацией 10% аммиака применяется в медицинских целях, называется нашатырным спиртом.

В промышленности аммиак получают прямым взаимодействием азота и водорода.

В лабораторных условиях сильными щелочами действуют на соли аммония.

Аммиак проявляет основные свойства, окрашивает лакмусовую бумажку в синий цвет.

Реакция с водой

Образует нестойкое соединение — гидроксид аммония, слабое основание. Оно сразу же распадается на воду и аммиак.

Как основание аммиак способен реагировать с кислотами с образованием солей.

NH₃ + HCl → NH₄Cl (хлорид аммония)

Поскольку азот в аммиаке находится в минимальной степени окисления -3 и способен только ее повышать, то аммиак проявляет выраженные восстановительные свойства. Его используют для восстановления металлов из их оксидов.

Горение аммиака без катализатора приводит к образованию азота в молекулярном виде. Окисление в присутствии катализатора сопровождается выделением NO.

Соли аммония

Помните, что по правилам общей химии, если по итогам реакции выпадает осадок, выделяется газ или образуется вода — реакция идет.

Реакции с кислотами

Реакции с щелочами

В реакциях с щелочами образуется гидроксид аммония — NH₄OH. Нестойкое основание, которое легко распадается на воду и аммиак.

Реакции с солями

В воде ион аммония подвергается гидролизу с образованием нестойкого гидроксида аммония.

Оксид азота I — N₂O

Закись азота, веселящий газ — N₂O — обладает опьяняющим эффектом. Несолеобразующий оксид. При н.у. является бесцветным газом с приятным сладковатым запахом и привкусом. В медицине применяется в больших концентрациях для ингаляционного наркоза.

Получают N₂O разложением нитрата аммония при нагревании:

Оксид азота I разлагается на азот и кислород:

Оксид азота II — NO

Окись азота — NO. Несолеобразующий оксид. При н.у. бесцветный газ, на воздухе быстро окисляется до оксида азота IV.

В промышленных масштабах оксид азота II получают при каталитическом окислении аммиака.

В лабораторных условиях — в ходе реакции малоактивных металлов с разбавленной азотной кислотой.

На воздухе быстро окисляется с образованием бурого газа — оксида азота IV — NO₂.

Оксид азота III — N₂O₃

При н.у. жидкость синего цвета, в газообразной форме бесцветен. Высокотоксичный, приводит к тяжелым ожогам кожи.

Получают N₂O₃ в две стадии: сначала реакцией оксида мышьяка III с азотной кислотой (две реакции, в которых образуется смесь оксидов азота), затем охлаждением полученной смеси газов до температуры — 36 °C.

При охлаждении газов образуется оксид азота III.

Является кислотным оксидом. соответствует азотистой кислоте — HNO₂, соли которой называются нитриты (NO₂ — ). Реагирует с водой, основаниями.

Оксид азота IV — NO₂

Бурый газ, имеет острый запах. Ядовит.

В лабораторных условиях данный оксид получают в ходе реакции меди с концентрированной азотной кислотой. Также NO₂ выделяется при разложении нитратов.

Проявляет высокую химическую активность, кислотный оксид.

Как окислитель NO₂ ведет себя в реакциях с фосфором, углеродом и серой, которые сгорают в нем.

Окисляет SO₂ в SO₃ — на этой реакции основана одна из стадий получения серной кислоты.

Реакции с водой и щелочами

Оксид азота IV соответствует сразу двум кислотам — азотистой HNO₂ и азотной HNO₃. Реакции с водой и щелочами протекают по одной схеме.

Если растворение в воде оксида проводить в избытке кислорода, образуется азотная кислота.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Получение азота

Технический азот в жидком и газообразном состоянии получают из атмосферного воздуха. Вещество является достаточно распространенным химическим элементом. Атмосфера Земли на 75% состоит из азота, однако в чистом виде для дыхания он непригоден. Тем не менее в организме человека протекают сотни процессов, на скорость и качество которых влияет это вещество. Например, азот входит в состав гемоглобина, аминокислот и белков. К тому же он содержится в клетках растений и животных.

В молекуле газа находятся два атома, соединенных очень прочно. Чтобы азот вошел в состав химического соединения, эту связь необходимо разорвать либо ослабить, а это достаточно трудно. Значительно проще происходит обратный процесс выхода азота из различных соединений. Реакция горения всегда протекает с образованием свободного газа.

Богатый источник азота – чилийская селитра (нитрит натрия). В начале XIX века из нее получали удобрения и порох. Со временем запасы полезного ископаемого уменьшались, а потребности в нитратах только увеличивались. В начале XX века был получен азот из атмосферного воздуха и связан в аммиак. Для этого пришлось применить высокую температуру, давление и ввести в реакцию катализаторы. С тех пор вопрос о получении азота получил новое решение, так как атмосфера является его неисчерпаемым источником.

Благодаря инертным и другим свойствам этот газ нашел применение в:

• разработке угольных пластов;
• бурении скважин;
• упаковке продуктов;
• пожаротушении;
• высокотемпературной обработке металлов и т. д.

Физические характеристики вещества

В нормальных условиях (при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С) вещество представляет собой газ без запаха и цвета, который плохо растворяется в воде. Он не вступает в реакции с другими элементами за исключением лития. При нагревании азот приобретает способность к диссоциации на атомы и создает различные химические соединения. Наиболее востребована его реакция с водородом, в результате которой получается аммиак, используемый для изготовления удобрений, хладагента, синтетических волокон и пр. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, к тому же он препятствует гниению и окислению. Вещество нетоксично, поэтому не оказывает опасного влияния на окружающую среду. Но при длительном вдыхании вызывает кислородную недостаточность и удушье.

При охлаждении до -195,8°С азот превращается в жидкость, напоминающую по внешнему виду обычную воду. Температура кипения данного вещества несколько ниже, чем у кислорода. Поэтому при нагревании жидкого воздуха азот начинает испаряться первым. Данное свойство лежит в основе современного принципа производства химического продукта. Многократное повторение сжижения и вскипания дает возможность получить азот и кислород в нужной концентрации. Данный процесс получил название ректификации.

Если азот в жидком состоянии, объем которого составляет 1 литр, нагревать до +20°С, он будет испаряться и образует 700 литров газа. Поэтому вещество хранят в специальных емкостях открытого типа с вакуумной изоляцией либо в криогенных сосудах под давлением.

Последующее охлаждение азота до -209,86°С переводит его в твердое агрегатное состояние. Получаются большие белоснежные кристаллы. При последующем контакте с воздухом снегоподобная масса поглощает кислород и плавится.

Промышленное производство

В настоящее время в основном используют три технологии для получения инертного азота, основанные на разделении атмосферного воздуха:

Разделяющие криогенные установки функционируют по принципу сжижения воздуха. Сначала он сжимается компрессором, затем проходит через теплообменники и расширяется в детандере. В результате охлажденный воздух становится жидкостью. За счет разной температуры кипения кислорода и азота происходит их разделение. Процесс многократно повторяется на специальных ректификационных тарелках. Завершается он получением чистейшего кислорода, аргона и азота. Данный способ наиболее эффективен для крупных предприятий по причине значительных габаритов системы, сложности ее пуска и обслуживания. Достоинство метода состоит в том, что можно получить азот наивысшей чистоты, как жидкий, так и газообразный, в любых количествах. При этом расход энергии на изготовление 1 л вещества составляет 0,4-1,6 кВт/ч (в зависимости от технологической схемы установки).

Мембранная технология разделения газов начала применяться в 70-х годах прошлого века. Высокая экономичность и эффективность данного метода послужила достойной альтернативой криогенному и адсорбционному способам получения чистого азота. Сегодня в установках используются мембраны последнего поколения высокой производительности. Теперь это не пленка, а тысячи полых волокон, на которые нанесен селективный слой. Подвижные составляющие в установке отсутствуют, поэтому значительно увеличивается продолжительность ее эксплуатации без поломок. Отфильтрованный воздух подается в систему. Кислород беспрепятственно проходит сквозь нее, а азот выводится под давлением через противоположную сторону мембраны и направляется в накопитель. С помощью данных установок изготавливается вещество с чистотой до 99,95%. Таким образом осуществляется производство азота из атмосферного воздуха. Ограниченная чистота получаемого азота не позволяет применять данный метод крупным изготовителям с большими потребностями высокочистого азота.

На тех предприятиях, где востребован азот высокой чистоты в больших объемах, применяется установка для разделения газовых смесей при помощи адсорбентов. Конструктивно она представляет собой две колонны. В каждой из них находится вещество, селективно поглощающее газовую смесь. Для функционирования установок по производству азота требуется атмосферный воздух, электроэнергия.

Изначально воздух попадает в компрессор, где происходит его сжатие. Затем он подается в ресивер, который выравнивает его давление. Так как воздух не должен содержать водяных паров, пыли, двуокиси углерода, окислов азота, ацетилена, а также других примесей, его фильтруют. Наступает основной этап адсорбционного разделения газовой смеси. Поток воздуха пропускается через одну колонну с углеродными молекулярными ситами до тех пор, пока они способны поглощать кислород. После этого поверхность адсорбента необходимо очистить, то есть регенерировать, путем сброса давления или повышением температуры. А воздух направляется во вторую колонну. В это время азот проходит сквозь агрегат и накапливается в ресивере. Продолжительность циклов адсорбции и регенерации составляет всего несколько минут. Чистота получаемого по данной технологии азота составляет 99,9995%.

Преимущества адсорбционных установок:

• быстрый пуск и остановка;
• возможность дистанционного управления;
• высокая разделительная способность;
• низкое энергопотребление;
• возможность оперативной переналадки;
• автоматическое регулирование режима;
• низкие затраты на обслуживание.

Области применения газа

Сегодня данный продукт востребован во многих отраслях промышленности: газовой, пищевой, металлургической. Однако крупные масштабы добычи азота актуальны именно для нефтехимической индустрии. Основная область применения – изготовление одноименной кислоты и других удобрений для сельского хозяйства. В технике азот используют для охлаждения различного оборудования и агрегатов. Он создает инертную среду при перекачивании горючих жидкостей.

В фармацевтике азот применяют для транспортировки химического сырья, защиты резервуаров и упаковки лекарственных средств. В электронике он предотвращает окисление в процессе производства полупроводников.

В пищевой промышленности азот в жидком состоянии используется как охлаждающий и замораживающий элемент. В газообразном виде его применяют в целях создания инертной среды при розливе негазированных напитков и масел, а также производят пропеллент для баллончиков.

Наиболее эффективный способ тушения пожаров – азотное пожаротушение. Испаряясь, вещество быстро вытесняет кислород, который требуется для поддержания горения, и огонь затухает. Затем азот быстро выветривается из помещения, при этом сберегаются материальные ценности, которые могли быть повреждены пеной, порошком или водой.

В медицине при помощи криогенной консервации сохраняют клетки и органы. Кроме того, жидким азотом разрушают пораженные участки тканей.

Хранение и соблюдение техники безопасности

Автотранспортом азот в жидком состоянии перевозят в специальных криогенных сосудах или цистернах. Потребителям доставляют газообразное вещество в сжатом виде в черных баллонах. Хранят азот в сосудах Дьюара, имеющих двойные стенки, между которыми находится вакуум. В целях уменьшения передачи тепла поверхности делают зеркальными за счет слоя серебра. Сосуды Дьюара могут быть разного объема. Емкости, вмещающие десятки литров, изготавливают из металла. В таком сосуде вещество может храниться несколько недель.

Кратковременный контакт кожи с жидким азотом не представляет серьезной опасности, так как в месте соприкосновения образуется воздушная подушка, обладающая низкой теплопроводностью. Именно она защищает ткани от травмирования. Длительный контакт азота с кожей, глазами или слизистыми оболочками вызывает их тяжелое повреждение. Пораженный участок при попадании вещества необходимо незамедлительно промыть большим количеством воды.

При испарении азота происходит его накопление на уровне пола рабочего помещения из-за низкой температуры и большей плотности, чем у воздуха. Незаметно для человека создается высокая концентрация вещества, а количество кислорода уменьшается. Это влияет на общее самочувствие: нарушается ритм дыхания и учащается пульс. При тяжелом исходе ситуации расстраивается сознание и теряется способность двигаться. Опасность состоит в том, что отравление происходит незаметно для человека, пострадавший не осознает серьезности ситуации. Поэтому помещения, в которых производится или используется азот, обязательно оснащаются надежной системой вентиляции.

Современные воздухоразделительные установки

Компания «Современные газовые технологии» предлагает отказаться от приобретения данного вещества, организовав его самостоятельное изготовление. В таком случае себестоимость полученного азота в 10-20 раз меньше покупного. Если вашему предприятию потребуется собственный источник азота, наши специалисты ознакомят вас с техническими характеристиками имеющихся установок. Мы поможем сделать оптимальный выбор агрегатов, организуем их поставку, монтаж, пуск и наладку.

Производите азот сами – отправляйте заявку на оборудование со страниц нашего сайта!

Источник