Производство азота из воздуха необходимо для использования газа в различных сферах деятельности, например, металлургии, горнодобывающей и нефтехимической отраслях, медицине, пищевой промышленности. В атмосфере планеты присутствует 75% азота, что делает технологию выделения газа эффективной и выгодной.

Основные технологии производства азота

Вопрос, как получают азот из воздуха, имеет три варианта ответа. Инертный газ для промышленного применения на крупных предприятиях или практического использования в лабораторных условиях получают с помощью следующих методик:

• Криогенное разложение воздуха, основанное на разнице в температуре кипения составляющих компонентов.
• Адсорбционная технология, при которой разделение воздуха на азот и кислород осуществляется за счет разницы размеров молекул.
• Мембранные установки также работают за счет разделения сжатого воздуха на составные компоненты.

Криогенная технология применяется более 100 лет. В основе процесса лежит сжатие поступающего атмосферного воздуха до необходимого уровня давления. Из полученной смеси удаляются влага, различные твердые примеси и углекислый газ. После обратного расширения очищенный воздух постепенно охлаждается и переходит в жидкое состояние. При температуре -196 градусов из смеси извлекается азот.

Использование криогенной установки экономически обосновано при большой потребности в инертном газе. Высокая стоимость и сложность оборудования позволяют устанавливать технику только на крупных предприятиях. Часто подобные установки используются для генерации кислорода, а азот в таких случаях является побочным продуктом.

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:

• криогенная;
• мембранная;
• адсорбционная.

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!

Применяемая технология

Генератор извлекает азот, имеющийся в окружающем воздухе и из других газов, применяя технологию адсорбции с колебаниями давления. Во время процесса адсорбции с колебаниями давления сжатый чистый окружающий воздух подводится к молекулярному ситу, которое позволяет азоту пройти внутрь как получаемый газ, но адсорибрует другие газы. Сито пропускает адсорбированные газы в атмосферу, когда выходной клапан закрыт, а давление фильтрации возвращается к давлению окружающей среды. Затем фильтрующий слой прочищается азотом перед тем, как вводить свежий сжатый воздух для нового цикла производства. Для того, чтобы гарантировать постоянный поток продукта, генераторы азота используют два молекулярных фильтрующих слоя, которые подключаются альтернативно между адсорбционными и регенерирующими фазами. При нормальных рабочих условиях и при правильном обслуживании молекулярные фильтрующие слои имеют почти бессрочный срок службы. Технология адсорбции с колебаниями давления имеет несколько международных патентов и соответствие стандартам рынка по исполнению и эффективности.

Компоновка оборудования

Для того, чтобы генератор азота работал автоматически, необходимы следующие составные компоненты:

Подача сжатого воздуха

Подача определенного количества сжатого воздуха и определенного качества, описанного в разделе предложении. Минимальное количество свободной подачи сжатого воздуха в м 3 /мин при 20°С равно среднему потреблению воздуха генератором азота в Нм 3 /мин, увеличенному на соответствующий процент для компенсации влияния окружающего воздуха и допусков на исполнение воздушного компрессора при расчетных условиях. Система сжатия воздуха будет включена в объем поставки, который будет состоять из воздушного компрессора и рефрижераторной сушилки воздуха.

Воздушные фильтры

Комплект фильтров грубой и высокой степени очистки и активированный угольный фильтр всегда включены в объем поставки. Воздушные фильтры необходимо устанавливать между системой подачи сжатого воздуха и воздушным ресивером, чтобы убедиться, что генератор азота будет получать необходимое минимальное количество.

Воздушный ресивер

Воздушный ресивер устанавливается между воздушными фильтрами и азотным генератором. Принципиальная задача воздушного ресивера - это гарантия подачи достаточного количества свежего воздуха на только что восстановленный фильтрующий слой генератора азота за короткий промежуток времени. Если система сжатого воздуха включена в объем поставки, размеры объема воздушного ресивера будут меняться до удовлетворительных для процесса и сжатия воздуха (макс. нагрузка / циклы без нагрузки).

Ресивер азота

Поток продукции генератора азота собирается в одном ресивере азота. Ресивер азота необходимо установить в непосредственной близости от генератора азота. Наличие ресивера азота гарантирует достаточное противодавление для процесса и постоянного потока азота к конечному заказчику. Если специально не указано, объем ресивера азота рассчитывается на основе предположения о постоянной динамике потребления применением Заказчика в течение продолжительного времени.

Преимущества:

Безопасность

Низкие рабочие давления, безопасное хранение. Нет необходимости в тяжелых газовых баллонах высокого давления. От опасного хранения жидкого азота можно отказаться.

Экономность

Нет расходов на распределение и обработку. Получение азота на месте (пром.площадке) генераторами азота экономит расходы на обработку и хранение в газовых баллонах высокого давления и предотвращает расходы на аренду, транспортировку и потери на испарение у пользователей.

Низкие эксплуатационные расходы.

Предлагаемый процесс имеет более эффективное разделение чем другие системы на рынке. Благодаря этому потребность в подаче воздуха падает, то есть 10 - 25% экономии энергии по сравнению со сравнимыми системами. Благодаря уменьшению вращающихся частей до минимума и использованию высококачественных элементов расходы на обслуживание остаются на низком уровне в течение всего срока службы генератора.

Удобство

Простота установки и обслуживания. У генераторов азота вход воздуха и выход азота находятся на одной стороне. Это означает простую установку, даже при малых углах цеха. Высокая надежность благодаря уменьшенному количеству вращающихся частей и высококачественных компонентов.

Гарантированное качество азота

Отсутствие риска недостаточной чистоты азота, автоматическое возобновление процесса. Генераторы азота обладают уникальной системой контроля: в случае если чистота азота не совпадает с указанным значением, ПЛК автоматически закрывает поток производства азота к выходу применения заказчика и открывают сбросной клапан некондиционного азота. Система будет пробовать запустить процесс, и когда чистота азота достигнет необходимого результата, сбросной клапан закроется, а клапан получения азота снова откроется. Полностью автоматическая и не сопровождаемая оператором процедура, ручной повторный запуск не требуется.

Проектные условия

Производительность	1000 нм³/ч (2 x 500 нм³/ч)
Содержание остаточного кислорода и производимом газе	£0,1% об.
Давление подачи продукта	5,5 бар изб.
Точка росы продукта	£-40 °С при 1 атм.
Расход воздуха на входе	4392,0 нм³/ч (2 x 2196.0 нм³/ч)
Макс. уровень шума	85 дБ (А) на расстоянии 1 метр
Планируемые условия окружающей среды
Барометрическое давление	1013,25 мбар а
Высота расположения	0 м над уровнем моря
Температура воздуха	20 °С
Относительная влажность	65%
Потребление воздуха на входе
Давление
Температура
Групповой состав углеводородов	<6,25 мг/м³ или 5 ppmV
Частицы	<5 мг/м³ при макс. 3 мкм
Точка росы	£+3 °С при 7 бар изб.
Условия на площадке
Система электроснабжения	400 / 230 В переменный ток, 50 Гц
Классификация зоны	неклассифицированная зона / безопасная зона
размещение	в помещении с хорошей вентиляцией

Данные приведены для идеального режима работы, допуск ±5%

Размеры, вес

Параметры энергопотребления

Допуск на все указанные значения: ± 10%

Объем поставки

4 воздушных компрессора

• ротационный винтовой компрессор с впрыском масла

4 воздухоосушилки

• рефрижераторный воздухоосушитель

2 воздушных ресивера

• вертикальная емкость высокого давления из углеродистой стали
• объем: 3000 л

фильтры сжатого воздуха

Два комплекта внешних фильтров сжатого воздуха, устанавливаются перед воздушным ресивером, комплект состоит из следующих фильтров:

• один коалесцирующий фильтр первичной очистки (эффективность 99,9999%, 1,0 µ - ≤ 0,5 мг/м³) с устройством для слива конденсата поплавкового типа;
• один коалесцирующий фильтр тонкой очистки (эффективность 99,9999%, 0,01 µ - ≤ 0,1 мг/м³) с устройством для слива конденсата поплавкового типа;
• один активированный угольный фильтр (остаточное масло ≤ 0,005 мг/м³).

два генератора азота

Два азотных генератора, полностью предварительно смонтированы, с установленными проводами на покрашенной раме из углеродистой стали, каждый оснащен следующими компонентами:

• 6 адсорбционных башен, каждая наполнена углеродным молекулярным ситом. Углеродное молекулярное сито будет производства США, Европы или Японии. Изготовленные в Китае или Индии сита не применяются;
• Глушитель отработанного газа, установлен для приглушения отходящего газа до расчетного уровня шума;
• Комплект электро-пневматических технологических клапанов и дросселей, вкл. соленоидные клапаны;
• 1 некондиционный продувочный трубопровод для азота с регулирующим клапаном соленоидного управления;
• Комплект предохранительных клапанов, настроенных на соответствующий уровень давления;
• Все трубопроводы и электрокабели для соединения;
• Локальные датчики давления;
• Одна (1) система контроля для полностью автоматической работы генератора, с полной внутренней проводной обводкой и состоящая из следующих позиций:
  • Один ПЛК (Rockwell / Allen Bradley Micro 850 ПЛК) с соединением Ethernet / IP для коммуникации с удаленной системой управления заказчика;
  • Один сенсорный графический интерфейс пользователя (Rockwell / Allen Bradley С400), отображающий значения реального времени релевантных параметров и возможные аварийные сообщения для прямой диагностики;
  • Все трубопроводы, клапана, контрольно-измерительные приборы и система управления «под ключ», монтированные на раме из углеродистой стали;
  • Один (1) автономный анализатор остаточного азота с датчиком из диоксида циркония;
  • Один автономный электронный расходомер продукта.

два (2) ресивера азота

• вертикальная емкость высокого давления из углеродистой стали;
• предохранительные клапаны, установленные на соответствующий уровень давления
• объем: 3000 л
• макс рабочее давление: 11,0 бар изб

Применяемые стандарты

1. Директива 2009/105/EC для простых сосудов под давлением
2. Европейская Директива 97/23/ЕС,EN 13445, EN 13480 по оборудованию, работающему под давлением
3. Директива 2004/108/EC по электромагнитной совместимости
4. Директива ЕС 2006/95/EC по низковольтному электрооборудованию
5. Директива о машинном оборудовании 2006/42/EC

Примечание

При требуемой производительности невозможно модульное исполнение.

Воздух как неисчерпаемый источник промышленного азота долгое время оставался неиспользованным. Объясняется это тем, что разделение воздуха на азот, и другие газы представляло большие трудности. Основная причина заключалась в том, что азот, который занимает 80% объема воздуха, как правило, не вступает в соединение с другими элементами .

Можно было бы пойти по другому пути - вместо фиксации азота связать кислород, который легко вступает в соединения со многими элементами, встречающимися в природе. Азот в этом случае остался бы в газообразном состоянии. Но этот дорогой и малопроизводительный метод не мог служить источником азота для промышленных целей.

По аналогии с методом разделения жидкости полагали, что самым рациональным способом разделения воздуха является его ожижение с последующим испарением каждого газа в отдельности . Но получить жидкий воздух долгое время не удавалось.

В дальнейшем выяснилось, что критическая температура для азота составляет -147°C, для кислорода -119°C, а для воздуха -141°C. Каждый газ имеет не только свою критическую температуру, но и свое критическое давление, ниже которого газ, охлажденный до своей критической температуры, не переходит в жидкость.

После этого открытия стало понятно, чтобы получить жидкий воздух, необходимо было температуру газообразного воздуха понизить до -141°C, а давление поднять до 37,2 атмосферы . При более высокой температуре, как бы велико ни было давление, получить жидкий воздух нельзя. Но при более низкой температуре можно сжижать воздух и при меньшем давлении. Например, если охладить воздух до температуры -195°C, то он перейдет в жидкое состояние и при атмосферном давлении.

Получив жидкий воздух, начали искать способ его разделения на составные части. Было известно, что для разделения смеси, состоящей из нескольких жидкостей с различными температурами кипения, необходимо медленно отгонять сначала одну из них, кипящую при более низкой температуре, а затем ту, температура кипения которой выше.

Жидкий воздух представляет собой смесь жидкостей с различными температурами кипения , и к нему могут быть применены все законы фракционной перегонки.

Как известно, температура кипения азота на 195,8°C, а кислорода - на 183°C ниже нуля. Чтобы испарить азот или кислород, не нужен специальный источник теплоты. Даже та теплота, которая поступает из окружающего воздуха, вызывает бурное кипение этих жидкостей.

Чтобы понизить скорость кипения и устранить возможное одновременное испарение азота и кислорода, необходимо уменьшить приток теплоты из окружающей среды.

Азот из жидкого воздуха получают путем медленного его испарения. Но однократным разделением жидкого воздуха нельзя получить чистых продуктов отгона . Даже в начале процесса, когда в жидком воздухе содержится 78% азота и 21% кислорода, полученный газообразный азот будет содержать примесь кислорода и чем меньше азота будет оставаться в жидкой смеси, тем количество примеси кислорода будет больше.

Например, когда в жидкой фазе останется только 50 процентов азота, то в газообразной фазе, кроме азота, будет содержаться до 20, процентов кислорода.

Поэтому неминуемо повторное разделение газов, для чего их необходимо снова сконденсировать. Но конденсировать азот нецелесообразно, обычно из получаемой смеси газов конденсируют только кислород.

Пропуская через жидкий воздух газообразный азот, содержащий примеси кислорода, можно получить чистый азот, так как часть газообразного кислорода сконденсируется и останется в жидкой фазе. Одновременно из жидкого воздуха дополнительно испарится часть азота.

На принципе повторной конденсации кислорода с одновременным испарением азота из жидкого воздуха основан процесс разделения жидкого воздуха на чистый газообразный азот и жидкий кислород.

Аппарат, в котором осуществляется разделение жидкого воздуха на азот и кислород, называется ректификационной колонной , а число ступеней, в которых конденсируется кислород и испаряется азот, носит название числа тарелок. Чем больше тарелок в ректификационной колонне, тем чище конечные продукты разделения жидкого воздуха на его составные части.

Ректификационная колонна состоит из ряда перегородок, в которые впаяны сливные стаканы. В верхнее отделение (тарелку) - медленно подают жидкий воздух. По сливным стаканам он постепенно стекает вниз, заполняя все тарелки колонны.

1 - корпус колонны; 2 - латунные перегородки; 3 - сливные стаканы; 4 - сливной кран

Схема ректификационной колонны

Перегородки сделаны из латунного листа, в котором на расстоянии около 3 миллиметров друг от друга в шахматном порядке пробиты мелкие отверстия диаметром в 0,8-0,9 миллиметра. Образующийся при (испарении жидкого воздуха газообразный азот с примесью кислорода под небольшим давлением проходит через отверстия в дне тарелок, не давая жидкости просочиться через них. Газы, пройдя через слой жидкости, вспенивают ее, хорошо перемешиваясь с ней. Во время перемешивания газообразный конденсируется и переходит в жидкое состояние. За счет теплоты, выделенной при конденсации кислорода, испаряется новая часть азота, которая вместе с поступившим азотом переходит вверх на следующую тарелку, где он все больше обедняется кислородом. В результате наверху, на выходе из колонны, получают чистый газообразный азот, а внизу колонны собирается чистый жидкий кислород.