Amb el progrés de la ciència i la tecnologia i el desenvolupament de l'economia, l'àmbit d'aplicació del nitrogen s'està expandint dia a dia i ha penetrat en molts sectors industrials i la vida quotidiana.
El nitrogen és el component principal de l'aire, que representa al voltant del 78% de l'aire. El nitrogen elemental N2 és un gas incolor i inodor en condicions normals. La densitat del gas en estat estàndard és d'1,25 g/L. El punt de fusió és -210 ℃ i el punt d'ebullició és -196 ℃. El nitrogen líquid és un refrigerant de baixa temperatura (-196 ℃).
Avui presentarem diversos mètodes principals per produir nitrogen a casa i a l'estranger.
Hi ha tres mètodes generals de producció de nitrogen a escala industrial: producció de nitrogen per separació de l'aire criogènic, producció de nitrogen per adsorció de canvi de pressió i producció de nitrogen per separació de membrana.
Primer: mètode de producció de nitrogen per separació d'aire criogènic
La producció de nitrogen per separació d'aire criogènic és un mètode tradicional de producció de nitrogen amb una història de gairebé diverses dècades. Utilitza l'aire com a matèria primera, el comprimeix i el purifica, i després utilitza l'intercanvi de calor per liquar l'aire en aire líquid. L'aire líquid és principalment una barreja d'oxigen líquid i nitrogen líquid. Els diferents punts d'ebullició de l'oxigen líquid i del nitrogen líquid s'utilitzen per separar-los mitjançant la destil·lació d'aire líquid per obtenir nitrogen.
Avantatges: gran producció de gas i alta puresa del nitrogen del producte. La producció de nitrogen criogènic pot produir no només nitrogen sinó també nitrogen líquid, que compleix els requisits del procés de nitrogen líquid i es pot emmagatzemar en dipòsits d'emmagatzematge de nitrogen líquid. Quan hi ha una càrrega de nitrogen intermitent o una reparació menor de l'equip de separació d'aire, el nitrogen líquid del dipòsit d'emmagatzematge entra al vaporitzador i s'escalfa, i després s'envia a la canonada de nitrogen del producte per satisfer la demanda de nitrogen de la unitat de procés. El cicle de funcionament de la producció de nitrogen criogènic (en referència a l'interval entre dos grans escalfaments) és generalment superior a 1 any, de manera que la producció de nitrogen criogènic no es considera generalment com a espera.
Desavantatges: la producció de nitrogen criogènic pot produir nitrogen amb una puresa ≧ 99,999%, però la puresa del nitrogen està limitada per la càrrega de nitrogen, el nombre de safates, l'eficiència de la safata i la puresa d'oxigen a l'aire líquid, i el rang d'ajust és molt petit. Per tant, per a un conjunt d'equips de producció de nitrogen criogènic, la puresa del producte és bàsicament segura i inconvenient d'ajustar-la. Atès que el mètode criogènic es realitza a temperatures extremadament baixes, l'equip ha de tenir un procés d'arrencada de prerefrigeració abans de posar-lo en funcionament normal. El temps d'engegada, és a dir, el temps des de l'inici de l'expansor fins al moment en què la puresa del nitrogen arriba al requisit, generalment no és inferior a 12 hores; abans que l'equip entri en la revisió, ha de tenir un període d'escalfament i descongelació, generalment de 24 hores. Per tant, l'equip de producció de nitrogen criogènic no s'ha d'iniciar i aturar amb freqüència, i és recomanable funcionar contínuament durant molt de temps.
A més, el procés criogènic és complex, ocupa una gran superfície, té uns costos d'infraestructura elevats, requereix forces de manteniment especials, compta amb un gran nombre d'operadors i produeix gas de manera lenta (de 18 a 24 hores). És adequat per a la producció de nitrogen industrial a gran escala.
Segon: Mètode de producció de nitrogen d'adsorció de canvi de pressió (PSA).
La tecnologia de separació de gasos Pressure Swing Adsorption (PSA) és una branca important de la tecnologia de separació de gasos no criogènics. És el resultat dels esforços a llarg termini de la gent per trobar un mètode de separació d'aire més senzill que el mètode criogènic.
A la dècada de 1970, la companyia minera d'Alemanya Occidental Essen va desenvolupar amb èxit tamisos moleculars de carboni, obrint el camí per a la industrialització de la producció de nitrogen per separació d'aire PSA. Durant els últims 30 anys, aquesta tecnologia s'ha desenvolupat ràpidament i ha madurat. S'ha convertit en un fort competidor de la separació criogènica d'aire en el camp de la producció de nitrogen de mida petita i mitjana.
La producció de nitrogen d'adsorció de canvi de pressió utilitza l'aire com a matèria primera i el sedàs molecular de carboni com a adsorbent. Utilitza les característiques de l'adsorció selectiva d'oxigen i nitrogen del tamís molecular de carboni a l'aire i utilitza el principi d'adsorció de canvi de pressió (adsorció de pressió, desorció de reducció de pressió i regeneració del tamís molecular) per separar l'oxigen i el nitrogen a temperatura ambient per produir nitrogen.
En comparació amb la producció de nitrogen per separació d'aire criogènic, la producció de nitrogen d'adsorció amb canvi de pressió té avantatges significatius: la separació per adsorció es realitza a temperatura ambient, el procés és senzill, l'equip és compacte, la petjada és petita, és fàcil d'iniciar i aturar, és comença ràpidament, la producció de gas és ràpida (generalment uns 30 minuts), el consum d'energia és petit, el cost operatiu és baix, el grau d'automatització és elevat, l'operació i el manteniment són convenients, la instal·lació de patins és convenient, no hi ha cap base especial. Es requereix, la puresa del nitrogen del producte es pot ajustar dins d'un interval determinat i la producció de nitrogen és ≤3000Nm3/h. Per tant, la producció de nitrogen d'adsorció de canvi de pressió és especialment adequada per al funcionament intermitent.
Tanmateix, fins ara, els homòlegs nacionals i estrangers només poden produir nitrogen amb una puresa del 99,9% (és a dir, O2≤0,1%) mitjançant la tecnologia de producció de nitrogen PSA. Algunes empreses poden produir nitrogen pur del 99,99% (O2≤0,01%). És possible una puresa més alta des de la perspectiva de la tecnologia de producció de nitrogen PSA, però el cost de producció és massa alt i és poc probable que els usuaris ho acceptin. Per tant, l'ús de la tecnologia de producció de nitrogen PSA per produir nitrogen d'alta puresa també ha d'afegir un dispositiu de purificació posterior a l'etapa.
Mètode de purificació de nitrogen (escala industrial)
(1) Mètode de desoxigenació per hidrogenació.
Sota l'acció d'un catalitzador, l'oxigen residual del nitrogen reacciona amb l'hidrogen afegit per produir aigua, i la fórmula de reacció és: 2H2 + O2 = 2H2O. A continuació, l'aigua s'elimina mitjançant un reforç del compressor de nitrogen d'alta pressió i el nitrogen d'alta puresa amb els components principals següents s'obté per post-assecat: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. El cost de producció de nitrogen és d'uns 0,5 iuans/m3.
(2) Mètode d'hidrogenació i desoxigenació.
Aquest mètode es divideix en tres etapes: la primera etapa és la hidrogenació i desoxigenació, la segona etapa és la deshidrogenació i la tercera etapa és l'eliminació d'aigua. S'obté nitrogen d'alta puresa amb la següent composició: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. El cost de producció de nitrogen és d'uns 0,6 iuans/m3.
(3) Mètode de desoxigenació del carboni.
Sota l'acció del catalitzador suportat per carboni (a una temperatura determinada), l'oxigen residual del nitrogen normal reacciona amb el carboni proporcionat pel catalitzador per generar CO2. Fórmula de la reacció: C + O2 = CO2. Després de la fase posterior d'eliminació de CO2 i H2O, s'obté nitrogen d'alta puresa amb la següent composició: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. El cost de producció de nitrogen és d'uns 0,6 iuans/m3.
Tercer: producció de nitrogen per separació de membrana i separació d'aire
La producció de nitrogen per separació de membrana i separació d'aire també és una nova branca de la tecnologia de producció de nitrogen no criogènic. Es tracta d'un nou mètode de producció de nitrogen que es va desenvolupar ràpidament a l'estranger durant la dècada de 1980. S'ha promogut i aplicat a la Xina en els últims anys.
La producció de nitrogen per separació de membrana utilitza aire com a matèria primera. Sota una determinada pressió, utilitza les diferents taxes de permeació d'oxigen i nitrogen a la membrana de fibra buida per separar l'oxigen i el nitrogen per produir nitrogen. En comparació amb els dos mètodes de producció de nitrogen anteriors, té les característiques d'una estructura d'equips més senzilla, un volum més petit, sense vàlvula de commutació, un funcionament i un manteniment més senzills, una producció de gas més ràpida (en 3 minuts) i una expansió de capacitat més còmoda.
Tanmateix, les membranes de fibra buida tenen requisits més estrictes sobre la neteja de l'aire comprimit. Les membranes són propenses a l'envelliment i al fracàs, i són difícils de reparar. Cal substituir noves membranes.
La producció de nitrogen per separació de membrana és més adequada per a usuaris petits i mitjans amb requisits de puresa de nitrogen ≤98% i té la millor relació funció-preu en aquest moment; quan es requereix que la puresa del nitrogen sigui superior al 98%, és aproximadament un 30% més alta que el dispositiu de producció de nitrogen d'adsorció d'oscil·lació de pressió de la mateixa especificació. Per tant, quan es produeix nitrogen d'alta puresa combinant la producció de nitrogen de separació de membrana i els dispositius de purificació de nitrogen, la puresa del nitrogen general és generalment del 98%, cosa que augmentarà el cost de producció i el cost d'operació del dispositiu de purificació.
Hora de publicació: 24-jul-2024
