Азотные генераторы и станции представляют собой стационарные или мобильные комплексы по производству азота из воздуха .
Адсорбционный генератор азота
Технология адсорбции
Концепция адсорбции
Адсорбционный генератор азота
Процесс адсорбционного разделения газов в генераторах азота основан на явлении фиксации различных компонентов газовой смеси твердым веществом, называемым адсорбентом . Это явление обусловлено взаимодействием молекул газа и адсорбента. [1]
Технология адсорбции при переменном давлении
Технология получения азота из воздуха с использованием адсорбционных процессов в азотных генераторах хорошо изучена и широко применяется на промышленных предприятиях для получения азота высокой чистоты. [2] [3]
Принцип работы азотного генератора, работающего по адсорбционной технологии, основан на зависимости скоростей адсорбции различных компонентов газовой смеси от факторов давления и температуры. Среди азотных адсорбционных установок различных типов наибольшее распространение в мире получили установки адсорбции под давлением (PSA).
Конструкция системы основана на регулировании адсорбции газа и регенерации адсорбента путем изменения давления в двух сосудах адсорбер–адсорбент. Этот процесс требует постоянной температуры, близкой к температуре окружающей среды. При этом процессе азот вырабатывается установкой при давлении выше атмосферного, а регенерация адсорбента осуществляется при давлении ниже атмосферного.
Процесс адсорбции колебаниями в каждом из двух адсорберов состоит из двух стадий, длящихся несколько минут. На стадии адсорбции молекулы кислорода, H 2 O и CO 2 диффундируют в пористую структуру адсорбента, в то время как молекулы азота могут проходить через адсорбер – сосуд, содержащий адсорбент. На стадии регенерации адсорбированные компоненты высвобождаются из адсорбента, сбрасываемого в атмосферу. Затем процесс многократно повторяется. [4]
Преимущества
Высокая чистота азота: азотные генераторные установки PSA позволяют производить азот высокой чистоты из воздуха, чего не могут обеспечить мембранные системы — до 99,9995% азота. Но в большинстве случаев они не производят более 98,8% азота, а остальное — аргон, который не отделяется от азота обычным процессом PSA. Аргон обычно не является проблемой, так как аргон более инертен, чем азот. Такую чистоту азота также могут обеспечить криогенные системы, но они значительно сложнее и оправданы только большими объемами потребления. Азотные генераторы используют технологию CMS (углеродное молекулярное сито ) для непрерывной подачи азота сверхвысокой чистоты и доступны с внутренними компрессорами или без них.
Низкие эксплуатационные расходы: За счет замены устаревших установок разделения воздуха экономия на производстве азота в значительной степени превышает 50%. [ необходима ссылка ] Чистая себестоимость азота, производимого генераторами азота, значительно ниже стоимости баллонного или сжиженного азота. [5]
Воздействие на окружающую среду: Генерация азотного газа методом PSA является устойчивым, экологически чистым и энергоэффективным подходом к получению чистого, сухого азотного газа. По сравнению с энергией, необходимой для криогенной установки разделения воздуха, и энергией, необходимой для транспортировки жидкого азота с завода на объект, генерируемый азот потребляет меньше энергии и создает гораздо меньше парниковых газов. [6]
Мембранная технология
Мембранный генератор азота
Концепция разделения газа
Работа мембранных систем основана на принципе дифференциальной скорости, с которой различные компоненты газовой смеси проникают через вещество мембраны. Движущей силой процесса разделения газов является разность парциальных давлений по разные стороны мембраны. [7]
Мембранный картридж
Распределение потока внутри волокна
Конструктивно половолоконная мембрана представляет собой цилиндрический картридж, выполняющий функцию катушки с определенным образом намотанными полимерными волокнами. Газовый поток под давлением подается в жгут мембранных волокон. За счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхности мембраны осуществляется разделение газового потока.
Преимущества
Экономические преимущества: При замене криогенных или адсорбционных систем экономия производства азота обычно превышает 50%. [8] Чистая стоимость азота, производимого азотными комплексами, значительно меньше стоимости баллонного или сжиженного азота. [5]
Модульная конструкция: Что касается простоты системы, азотный генератор может быть разделен на модули. Это находится в прямом противоречии с классическими системами, где оборудование проектируется для определенной стадии процесса разделения. Используя модульную систему, генерирующее устройство может быть построено из набора уже существующего оборудования, и при необходимости выходная мощность завода может быть увеличена с минимальными затратами. Этот вариант представляется тем более полезным, когда проект предусматривает последующее увеличение мощности предприятия или когда спрос может просто потребовать производства азота на месте с использованием уже имеющегося оборудования.
Надежность: Газоразделительные установки не имеют подвижных частей, что обеспечивает исключительную надежность. Мембраны обладают высокой устойчивостью к вибрации и ударам, химически инертны к смазкам, нечувствительны к влаге, способны работать в широком диапазоне температур от –40°С до +60°С. [ требуется цитата ] При соответствующем обслуживании срок службы мембранных установок составляет от 130 000 до 180 000 часов (от 15 до 20 лет непрерывной работы). [ требуется цитата ]
Недостатки
Ограниченная вместимость
Относительно низкая чистота по сравнению с блоками PSA (чистота от 95% до 99% по сравнению с 99,9995% — более высокие показатели чистоты возможны при более низких скоростях потока ≤ 10 л/мин)
Применение генераторов азота
Пищевая промышленность и производство напитков: в момент производства продуктов питания или напитков или сбора урожая фруктов и овощей начинается процесс старения вплоть до полного разложения продуктов. Это вызвано химическими реакциями с кислородом, бактериями и другими организмами. Генераторы используются для заполнения продуктов азотом, который вытесняет кислород и значительно продлевает срок службы продукта, поскольку эти организмы не могут развиваться. Кроме того, химическая деградация продуктов питания, вызванная окислением, может быть устранена или остановлена.
Авиационные и автомобильные шины : хотя воздух на 78% состоит из азота, большинство авиационных шин заполнены чистым азотом. Существует много шинных и автомобильных магазинов с генераторами азота для заполнения шин. Преимущество использования азота в том, что бак сухой. Часто в баллоне со сжатым воздухом есть вода, которая поступает из атмосферного водяного пара, конденсирующегося в баке после выхода из воздушного компрессора. Азот поддерживает более стабильное давление при нагревании и охлаждении в результате того, что он сухой, и не проникает в шину так легко из-за того, что его молекула немного больше (155 мкм), чем O 2 (152 мкм).
Химическая и нефтехимическая промышленность: Основным и весьма важным применением азота в химической и нефтехимической промышленности является создание инертной среды, направленной на обеспечение общепромышленной безопасности при очистке и защите технологических сосудов. Кроме того, азот используется для опрессовки трубопроводов, транспортировки химических реагентов, регенерации отработанных катализаторов в технологических процессах.
Авиационные шины используют азотное наполнение для задержки разрыва шины при прерванном взлете, что дает время для эвакуации до того, как тепло тормозной системы вызовет внутренний пожар шины. Плавкие вставки в шине являются основной защитой от вызванного теплом скачка давления. Внутренние пожары в шинах могут вспыхнуть при первоначальной остановке из-за локальных горячих участков колес.
Электроника: В электронике азот служит для вытеснения кислорода при производстве полупроводников и электрических схем , термообработке готовых изделий, а также при продувке и очистке. Наиболее распространенное применение в электронике — в процессе пайки . В частности, в оборудовании для селективной, пайки оплавлением и пайки волной припоя.
Мембранный генератор азота, обеспечивающий контрольный газ для сухотрубной системы пожаротушения
Противопожарная защита: Противопожарная промышленность использует азотный газ для двух различных применений - пожаротушения и предотвращения коррозии . Генераторы азота используются в системах предотвращения пожаров с гипоксическим воздухом для производства воздуха с низким содержанием кислорода, который подавляет пожар. Для предотвращения коррозии генераторы азота используются вместо или в сочетании с системой сжатого воздуха для обеспечения контролирующего азотного газа вместо воздуха для сухотрубных и спринклерных систем пожаротушения предварительного действия . [9]
Стекольная промышленность: в производстве стекла азот эффективен в качестве охлаждающего агента для электродов электродуговых печей, а также для вытеснения кислорода в ходе технологических процессов.
Металлургия : Металлургическая промышленность обычно использует азот в качестве средства защиты черных и цветных металлов во время отжига. Кроме того, азот полезен в таких стандартных промышленных процессах, как нейтральный отпуск, цементирование, пайка твердым припоем, снятие напряжений, цианирование, спекание металлического порошка и охлаждение экструзионной формы.
Лакокрасочная промышленность: В лакокрасочном производстве азот используется для создания инертной среды в технологических емкостях с целью обеспечения безопасности, а также для вытеснения кислорода при фасовке с целью предотвращения полимеризации олиф.
Нефтяная промышленность: В нефтяной промышленности азот является незаменимым компонентом в ряде процессов. Чаще всего азот используется для создания инертной среды для предотвращения взрывов и обеспечения пожарной безопасности , а также для обеспечения транспортировки и перекачки углеводородов. Кроме того, азот используется для испытания и продувки трубопроводов, очистки технологических сосудов и очистки газовозов и хранилищ углеводородов.
Фармацевтическая промышленность : В фармацевтической промышленности азот находит применение при упаковке фармацевтических препаратов, а также для обеспечения взрыво- и пожаробезопасности в тех областях, где используются мелкодисперсные вещества.
^ "Глоссарий". Центр поддержки технологий восстановления заброшенных промышленных зон и земель. Архивировано из оригинала 2008-02-18 . Получено 2009-12-21 .
^ "Как похоронить проблему". Королевское химическое общество . Получено 9 января 2012 г.
^ "Разработка адсорбции при переменном давлении". Дорожная карта исследований человека . NASA . Получено 9 января 2012 г.
^ "Как работают генераторы азота с адсорбцией при переменном давлении?". Peak Scientific . Получено 9 января 2012 г.
^ ab "MEMO 3 ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АЗОТНЫХ ПРОЦЕССОВ: PSA И МЕМБРАННЫЕ СИСТЕМЫ" (PDF) . УНИВЕРСИТЕТ КАРНЕГИ-МЕЛЛОНА, ХИМИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, ФАКУЛЬТЕТ . Получено 9 января 2012 г. .
^ "Устойчивый подход к поставкам азота". Parker Hannifin, Filtration and Separation Division . Получено 5 марта 2015 г.
^ Вит, WR (1991). Диффузия внутри и сквозь полимеры . Мюнхен: Хансер Верлаг.
^ "Отделение азота от воздуха методом адсорбции при переменном давлении". Исследования в области науки о поверхности и катализа .
^ "Решения для коррозии спринклеров с сухими трубами". Архивировано из оригинала 2019-08-13 . Получено 2017-02-24 .
