Con il progresso della scienza e della tecnologia e lo sviluppo dell’economia, l’ambito di applicazione dell’azoto si espande di giorno in giorno ed è penetrato in molti settori industriali e nella vita quotidiana.
L'azoto è il componente principale dell'aria, rappresentandone circa il 78%. L'azoto elementare N2 è un gas incolore e inodore in condizioni normali. La densità del gas in condizioni standard è 1,25 g/L. Il punto di fusione è -210℃ e il punto di ebollizione è -196℃. L'azoto liquido è un refrigerante a bassa temperatura (-196 ℃).
Oggi presenteremo diversi metodi principali per produrre azoto in patria e all'estero.
Esistono tre metodi generali di produzione di azoto su scala industriale: produzione di azoto con separazione criogenica dell'aria, produzione di azoto con adsorbimento con oscillazione di pressione e produzione di azoto con separazione a membrana.
Primo: metodo di produzione dell'azoto con separazione criogenica dell'aria
La produzione di azoto con separazione criogenica dell'aria è un metodo tradizionale di produzione di azoto con una storia di quasi decenni. Utilizza l'aria come materia prima, la comprime e la purifica, quindi utilizza lo scambio di calore per liquefare l'aria in aria liquida. L'aria liquida è principalmente una miscela di ossigeno liquido e azoto liquido. I diversi punti di ebollizione dell'ossigeno liquido e dell'azoto liquido vengono utilizzati per separarli attraverso la distillazione dell'aria liquida per ottenere azoto.
Vantaggi: grande produzione di gas ed elevata purezza dell'azoto prodotto. La produzione di azoto criogenico può produrre non solo azoto ma anche azoto liquido, che soddisfa i requisiti di processo dell'azoto liquido e può essere immagazzinato in serbatoi di stoccaggio di azoto liquido. Quando si verifica un carico di azoto intermittente o una piccola riparazione dell'apparecchiatura di separazione dell'aria, l'azoto liquido nel serbatoio di stoccaggio entra nel vaporizzatore e viene riscaldato, quindi inviato alla tubazione dell'azoto prodotto per soddisfare la richiesta di azoto dell'unità di processo. Il ciclo operativo della produzione di azoto criogenico (riferito all'intervallo tra due grandi riscaldamenti) è generalmente superiore a 1 anno, pertanto la produzione di azoto criogenico non è generalmente considerata in standby.
Svantaggi: la produzione di azoto criogenico può produrre azoto con una purezza di ≧99,999%, ma la purezza dell'azoto è limitata dal carico di azoto, dal numero di vassoi, dall'efficienza del vassoio e dalla purezza dell'ossigeno nell'aria liquida e l'intervallo di regolazione è molto ridotto. Pertanto, per una serie di apparecchiature per la produzione di azoto criogenico, la purezza del prodotto è sostanzialmente certa e scomoda da regolare. Poiché il metodo criogenico viene eseguito a temperature estremamente basse, l'apparecchiatura deve essere sottoposta a un processo di avvio del preraffreddamento prima di essere messa in funzionamento normale. Il tempo di avviamento, cioè il tempo che intercorre dall'avvio dell'espansore al momento in cui la purezza dell'azoto raggiunge il requisito, è generalmente non inferiore a 12 ore; prima che l'apparecchiatura entri in revisione, deve avere un periodo di riscaldamento e scongelamento, generalmente 24 ore. Pertanto, l'apparecchiatura per la produzione di azoto criogenico non deve essere avviata e arrestata frequentemente, ma è consigliabile utilizzarla ininterrottamente per un lungo periodo.
Inoltre, il processo criogenico è complesso, occupa una vasta area, ha elevati costi infrastrutturali, richiede forze di manutenzione speciali, ha un gran numero di operatori e produce gas lentamente (dalle 18 alle 24 ore). È adatto per la produzione di azoto industriale su larga scala.
Secondo: metodo di produzione di azoto mediante adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA).
La tecnologia di separazione del gas Pressure Swing Adsorption (PSA) è un ramo importante della tecnologia di separazione del gas non criogenica. È il risultato degli sforzi a lungo termine delle persone per trovare un metodo di separazione dell'aria più semplice rispetto al metodo criogenico.
Negli anni '70, la società mineraria di Essen della Germania occidentale sviluppò con successo setacci molecolari per carbonio, aprendo la strada all'industrializzazione della produzione di azoto per la separazione dell'aria PSA. Negli ultimi 30 anni, questa tecnologia si è sviluppata rapidamente ed è maturata. È diventata un forte concorrente della separazione criogenica dell'aria nel campo della produzione di azoto di piccole e medie dimensioni.
La produzione di azoto ad adsorbimento con oscillazione di pressione utilizza l'aria come materia prima e il setaccio molecolare del carbonio come adsorbente. Utilizza le caratteristiche dell'adsorbimento selettivo dell'ossigeno e dell'azoto nell'aria da parte del setaccio molecolare del carbonio e utilizza il principio dell'adsorbimento con oscillazione della pressione (adsorbimento della pressione, desorbimento con riduzione della pressione e rigenerazione del setaccio molecolare) per separare l'ossigeno e l'azoto a temperatura ambiente per produrre azoto.
Rispetto alla produzione di azoto con separazione criogenica dell'aria, la produzione di azoto con adsorbimento con oscillazione di pressione presenta vantaggi significativi: la separazione per adsorbimento viene effettuata a temperatura ambiente, il processo è semplice, l'attrezzatura è compatta, l'ingombro è ridotto, è facile da avviare e arrestare, si avvia rapidamente, la produzione di gas è rapida (generalmente circa 30 minuti), il consumo di energia è ridotto, i costi operativi sono bassi, il grado di automazione è elevato, il funzionamento e la manutenzione sono convenienti, l'installazione su skid è conveniente, nessuna base speciale è richiesto, la purezza dell'azoto del prodotto può essere regolata entro un determinato intervallo e la produzione di azoto è ≤3000Nm3/h. Pertanto, la produzione di azoto ad adsorbimento con oscillazione della pressione è particolarmente adatta per il funzionamento intermittente.
Tuttavia, finora, le controparti nazionali ed estere possono produrre solo azoto con una purezza del 99,9% (ovvero O2≤0,1%) utilizzando la tecnologia di produzione di azoto PSA. Alcune aziende possono produrre azoto puro al 99,99% (O2 ≤ 0,01%). Una maggiore purezza è possibile dal punto di vista della tecnologia di produzione dell’azoto PSA, ma il costo di produzione è troppo elevato e difficilmente gli utenti lo accetteranno. Pertanto, l'uso della tecnologia di produzione di azoto PSA per produrre azoto ad elevata purezza deve aggiungere anche un dispositivo di purificazione post-fase.
Metodo di purificazione dell'azoto (scala industriale)
(1) Metodo di deossigenazione mediante idrogenazione.
Sotto l'azione di un catalizzatore, l'ossigeno residuo nell'azoto reagisce con l'idrogeno aggiunto per produrre acqua, e la formula di reazione è: 2H2 + O2 = 2H2O. Quindi, l'acqua viene rimossa da un compressore booster ad azoto ad alta pressione e l'azoto ad elevata purezza con i seguenti componenti principali viene ottenuto mediante post-essiccazione: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. Il costo della produzione di azoto è di circa 0,5 yuan/m3.
(2) Metodo di idrogenazione e deossigenazione.
Questo metodo è diviso in tre fasi: la prima fase è l'idrogenazione e la deossigenazione, la seconda fase è la deidrogenazione e la terza fase è la rimozione dell'acqua. Si ottiene azoto ad elevata purezza con la seguente composizione: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Il costo della produzione di azoto è di circa 0,6 yuan/m3.
(3) Metodo di deossigenazione del carbonio.
Sotto l'azione del catalizzatore supportato da carbonio (ad una certa temperatura), l'ossigeno residuo nell'azoto ordinario reagisce con il carbonio fornito dal catalizzatore stesso per generare CO2. Formula di reazione: C + O2 = CO2. Dopo la successiva fase di rimozione di CO2 e H2O si ottiene azoto ad elevata purezza con la seguente composizione: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Il costo della produzione di azoto è di circa 0,6 yuan/m3.
Terzo: separazione della membrana e produzione di azoto mediante separazione dell'aria
Anche la separazione tramite membrana e la produzione di azoto tramite separazione dell'aria rappresentano un nuovo ramo della tecnologia di produzione di azoto non criogenica. Si tratta di un nuovo metodo di produzione dell’azoto che si è sviluppato rapidamente all’estero negli anni ‘80. È stato promosso e applicato in Cina negli ultimi anni.
La produzione di azoto con separazione a membrana utilizza l'aria come materia prima. Sotto una certa pressione, utilizza i diversi tassi di permeazione di ossigeno e azoto nella membrana a fibra cava per separare ossigeno e azoto per produrre azoto. Rispetto ai due metodi di produzione di azoto sopra menzionati, presenta le caratteristiche di una struttura dell'apparecchiatura più semplice, un volume più piccolo, nessuna valvola di commutazione, un funzionamento e una manutenzione più semplici, una produzione di gas più rapida (entro 3 minuti) e un'espansione della capacità più conveniente.
Tuttavia, le membrane a fibra cava hanno requisiti più severi in termini di pulizia dell'aria compressa. Le membrane sono soggette a invecchiamento e cedimento e sono difficili da riparare. Le nuove membrane devono essere sostituite.
La produzione di azoto con separazione a membrana è più adatta per utenti di piccole e medie dimensioni con requisiti di purezza dell'azoto ≤98% e al momento ha il miglior rapporto funzione-prezzo; quando la purezza dell'azoto deve essere superiore al 98%, è circa il 30% superiore rispetto al dispositivo di produzione di azoto ad assorbimento con oscillazione di pressione della stessa specifica. Pertanto, quando si produce azoto ad elevata purezza combinando la produzione di azoto con separazione a membrana e dispositivi di purificazione dell'azoto, la purezza dell'azoto generale è generalmente del 98%, il che aumenterà il costo di produzione e il costo operativo del dispositivo di purificazione.
Orario di pubblicazione: 24 luglio 2024
