Методы получения азота для промышленности

Азот – один из наиболее востребованных промышленных газов. Его применение в различных отраслях промышленности обусловлено уникальными свойствами газа. К ним относят инертность в обычных условиях. Для получения азота используются различные методы. У каждого из них есть преимущества и ограничения.

Криогенное разделение воздуха

Этот метод основан на разнице температур кипения компонентов воздуха. У кислорода она составляет -183°C, а у азота -196°C. Эта разница позволяет разделять их при низких температурах.

Для получения азота атмосферный воздух фильтруется для удаления пыли и механических примесей. Затем он сжимается компрессорами до давления 5–6 атмосфер. Из сжатого воздуха удаляются углекислый газ и влага, которые могут замерзнуть при низкой температуре и повредить оборудование.

Следующий этап – охлаждение воздуха в теплообменниках. Часто это происходит с использованием противотока уже разделенных газов. При достижении достаточно низких температур воздух сжижается. Затем он поступает в ректификационную колонну, где разделяется на фракции. Азот, у которого более низкая температура кипения, испаряется первым и собирается в верхней части колонны, а кислород остается в жидкой фазе в нижней. После этого осуществляется заправка азотом баллонов.

У метода криогенного разделения воздуха следующие преимущества:

• позволяет получать азот высокой чистоты (до 99,9999%);

• позволяет производить другие газы (кислород, аргон);

• экономическая эффективность промышленного производства;

• возможность производства как газообразного, так и жидкого азота.

К недостаткам метода относят:

• высокие первоначальные затраты;

• энергоемкость;

• длительный запуск и остановку процесса.

Криогенное разделение воздуха экономически нецелесообразно для малых объемов производства.

Мембранная технология разделения воздуха

Мембранная технология основана на разной скорости проникновения газов через полупроницаемые мембраны. Кислород, углекислый газ и водяной пар проникают через специальные полимерные материалы быстрее, чем азот.

Сначала атмосферный воздух сжимается до давления 7–10 атмосфер. Затем с помощью фильтров удаляются масла, влага и другие загрязнения. Следующий этап – сепарация. Сжатый воздух проходит через модули с полыми волокнами из полупроницаемых материалов.

Молекулы кислорода, углекислого газа и водяного пара быстрее проникают через стенки волокон и удаляются в виде «пермеата». При этом азот, проникающий медленнее, выводится как «ретентат».

Мембранная технология обладает следующими преимуществами:

• быстрый запуск и непрерывная работа системы;

• отсутствие движущихся частей в основном узле разделения;

• компактные размеры и модульное устройство оборудование, что упрощает масштабирование системы;

• низкие эксплуатационные расходы;

• простота управления и автоматизации;

• возможность получения азота непосредственно на месте потребления.

К недостаткам мембранной технологии относят:

• ограниченная чистота получаемого азота (обычно 95–99,5%);

• чувствительность к условиям эксплуатации (температура, влажность);

• старение мембран и необходимость их периодической замены.

Мембранная технология отличается более высоким энергопотреблением на единицу продукции по сравнению с криогенной при больших объемах производства.

Адсорбционная технология (PSA/VSA)

Этот метод получения азота основан на способности некоторых твердых адсорбентов селективно поглощать определенные газы из смеси. Различают технологии PSA (Pressure Swing Adsorption – короткоцикловая адсорбция при переменном давлении) и VSA (Vacuum Swing Adsorption – адсорбция при переменном вакууме).

Адсорбционная технология получения азота включает следующие этапы:

1. Компрессия воздуха. Воздух сжимается (для PSA) или забирается из атмосферы (для VSA).

2. Адсорбция. Сжатый воздух проходит через слой адсорбента (цеолиты, углеродные молекулярные сита), который селективно поглощает кислород, оставляет азот в газовой фазе.

3. Сбор азота. Обогащенный газ собирается и направляется потребителю.

4. Регенерация адсорбента. После насыщения адсорбента кислородом давление снижается (PSA) или создается вакуум (VSA), что приводит к десорбции кислорода.

Зачастую используется многоколонная система. В ней одни колонны находятся в режиме адсорбции, а другие в режиме регенерации, обеспечивают непрерывность процесса.

Преимуществами адсорбционной технологии считаются:

1. Возможность получения азота чистотой до 99,9999% (с использованием специальных адсорбентов).

2. Более низкие капитальные затраты по сравнению с криогенными установками.

3. Быстрый запуск системы и выход на рабочий режим производства азота.

4. Гибкость в производительности.

5. Автоматизация процесса и минимальное обслуживание.

К недостаткам технологии относят необходимость периодической замены адсорбента, чувствительность к качеству входящего воздуха, прерывистость процесса (компенсируется многоколонной системой). Кроме того, потребление электроэнергии выше, чем у криогенных систем при промышленном производстве.

Современная промышленность располагает развитыми технологиями получения азота. Они способны удовлетворить потребности практически любых производств – от небольших предприятий до крупных промышленных комплексов. Современные разработки в области получения азота направлены на повышение энергоэффективности, снижение капитальных затрат и улучшение экологических показателей.