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
Способ получения жидкого азота
Использование: в криогенных установках ожижения азота при крупнотоннажном его производстве. Сущность изобретения: газообразный азот после сжатия в компрессорах 2 и 3 разделяется на две части. Одну часть газа подвергают ожижению, а другую часть азота при температуре окружающей среды подают в турбодетандер 4 для получения холода, который используется в теплообменнике 5 для отвода теплоты от ожижаемого газа. Азот низкого давления после компрессора 2 и охлаждения в теплообменнике 5 парами обратного потока подают в турбодетандер 6 для получения холода, который используется в теплообменнике 7 для отвода теплоты от ожижаемого газа на более низком температурном уровне. Сжатый и охлажденный азот после дросселирования сливается в сборник 9, а пар из сборника проходит теплообменники и, замыкая цикл, идет на всасывание в компрессор 2. 1 ил.
Изобретение относится к области криогенной техники и наиболее эффективно может быть использовано в установках ожижения азота при крупнотоннажном его производстве.
Известны способы получения жидкого азота, в которых для охлаждения сжатого азота используют холод, получаемый в двух иди трех детандерных циклах (1).
Недостатком известных способов является то, что при охлаждении сжатого азота указанными циклами имеют место значительные необратимые потери, которые ведут к росту удельных затрат энергии на получение жидкого азота.
Известен способ ожижения газа в двух каскадной криогенной установке, в которой предусмотрена возможность при охлаждении сжатого газа подключить детандер верхнего температурного каскада на температурный уровень нижнего каскада (детандера) (2).
Недостаток известного способа заключается в том, что использовать его для ожижения азота термодинамически, а значит, и экономически не выгодно.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ожижения газа в газоожижающей установке путем сжатия его в компрессоре, охлаждения парами обратного потока, затем на внешней ступени охлаждения и двумя детандерными циклами высокого и низкого давлений с последующим дросселированием (3).
Однако при известном способе ожижения газа детандерный цикл высокого давления используют на температурном уровне (вход газа в расширительную турбину) значительно ниже температуры окружающей среды, что снижает его эффективность, а значит, и эффективность всего процесса ожижения. Кроме того, применение внешней ступени охлаждения (при ожижении азота это паровая холодильная машина) усложняет установку; При эксплуатации требует специального обслуживания и наличия хладагента, а в процессе охлаждения газа работает в невыгодных энергетических условиях, т.к. температуры кипения хладагента постоянна, а сжатый газ при охлаждении имеет переменную температуру, отсюда большие перепады температур, что приводит к значительным необратимым потерям.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, — разработать способ получения жидкого азота из газообразного, позволяющий добиться снижение удельных затрат энергии на получение криопродукта и улучшения эксплуатационных характеристик ожижителя.
Технический результат, который может быть получения при использовании заявляемого способа, заключается в использовании двух детандерных криогенных циклов, без внешней ступени охлаждения, последовательно отводящие теплоту от сжатого ожижаемого азота процессом, близким к обратимому, т.е. с наименьшими потерями.
Кроме того, технический результат, на получение которого направлен заявляемый способ, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик ожижителя за счет исключения из схемы внешней ступени охлаждения паровой холодильной машины.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения жидкого азота, включающем сжатие ожижаемого газа вместе с газом детандерных циклов в компрессорах, охлаждение ожижаемого газа детандерными циклами высокого и низкого давлений, а также парами обратного потока с последующим дросселированием, согласно изобретению, отвод теплоты от сжатого ожижаемого азота осуществляют последовательно двумя детандерными криогенными циклами — процессом, близким к обратимому, без внешней ступени охлаждения, причем детандерный нерегеративный цикл высокого давления ведут от температуры окружающей среды до температуры 125 o C128 o K, а детандерный регенеративный цикл низкого давления от температуры 125 o C128 o K до температуры насыщения азота при атмосферном давлении.
Использование названных детандерных циклов, являющихся наиболее эффективными из известных в своем интервале температур при отводе теплоты от сжатого газа, позволяет снизить потери от необратимости при дросселировании сжатого ожижаемого газа до минимума и заметно уменьшить расход энергии на ожижение азота по сравнению с используемыми в настоящее время и предлагаемыми в патентной литературе ожижителями азота.
На чертеже приведена принципиальная схема ожижительной установки для осуществления предлагаемого способа.
Установка содержит компрессор низкого давления 2, дожимающий компрессор 3, турбодетандеры 4 и 6, теплообменные аппараты 5 и 7, сборник жидкого азота 9 и дроссельный вентиль 8.
Газообразный азот, получаемый в процессе разделения воздуха, поступает по линии 1 в компрессоре 2 и после сжатия разделяется на две части. Одна из них поступает на дополнительное сжатие в компрессор 3, а другая часть азота после охлаждения в теплообменнике 5 до температуры, 125 o C128 o K направляется в турбодетандер 6, где расширяется до давления 01 МПа, в результате чего температура азота понижается до температуры, близкой к насыщению при атмосферном давлении, и далее он направляется обратным потоком в теплообменник 7 для охлаждения сжатого ожижаемого потока азота. Сжатый до высокого давления азот после компрессора 3 делится также на два потока. Один поток сжатого азота при температуре окружающей среды поступает в турбодетандер 4 для получения холода, необходимого для отвода теплоты от сжатого ожижаемого азота в теплообменнике 5. Температура азота после расширения в турбодетандере 4 до давления 0,1 МПа понижается до 125 o C128 o K.
После теплообменника 5 азот низкого давления соединяется с обратным потоком газа и по линии 11, замыкая цикл, идет на всасывание в компрессор 2. Другой поток сжатого азота, подлежащий ожижению, охлаждается последовательно в теплообменниках 5 и 7, затем дросселируется до давления 0,1 МПа, в результате чего жидкий азот с небольшим содержанием пара сливается в сборник 9 и по линии 10 выводится из установки как конечный криопродукт, а пар из сборника 9 обратным потоком проходит теплообменные аппараты 7 и 5.
Предлагаемое техническое решение позволяет устранить существующие недостатки в решении проблемы получения жидкого азота в больших количествах без дополнительных энергетических затрат. Одновременно снижается трудоемкость при эксплуатации ожижительной установки.
Способ получения жидкого азота путем сжатия ожижаемого газа с газом детандерных циклов в компрессорах, охлаждения ожижаемого газа детандерными циклами высокого и низкого давлений, а также парами обратного потока с последующим дросселированием, отличающийся тем, что отвод теплоты от сжатого ожижаемого азота осуществляют последовательно двумя детандерными криогенными циклами процессом, близким к обратимому, без внешней ступени охлаждения, причем детандерный нерегеративный цикл высокого давления проводят от температуры окружающей среды до температуры 125 o C 128 К, а детандерный регеративный цикл низкого давления от температуры 125 o C 128К до температуры насыщения азота при атмосферном давлении.
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
