Азот: получение, применение и свойства газа

Основным источником азота является атмосферный воздух, который состоит из него на 78%. Но чтобы использовать этот газ в промышленности, его необходимо выделить и очистить. Для этого применяют несколько технологий, каждая из которых оптимальна для определенных условий. Рассмотрим их подробно.

Азот и его свойства

Азот (N₂) — химический элемент, представляющий собой бесцветный, без запаха и вкуса газ. Его плотность — 1,2506 кг/м³, в составе земной атмосферы количество достигает 78%.

Газ переходит в твердое состояние при температуре ниже −209,86 °C, при этом образуя крупные белые кристаллы или снежную массу. В жидком виде при температуре −196 °С напоминает воду. Плотность азота в жидком состоянии составляет 807 кг/м³.

Основные свойства азота:

• Не вступает в реакции с большинством химических веществ при нормальных условиях.
• В высокотемпературных реакторах может участвовать в синтезе аммиака и других химических соединений.
• Не ядовит, но в высоких концентрациях вытесняет кислород из воздуха, из-за чего становится опасным, если помещение закрыто и не имеет вентиляции.

Из-за своих характеристик, азот используют в промышленности, медицине, пищевой и других отраслях.

Способы получения азота

Для разных промышленных процессов нужен газ определенной чистоты. Рассмотрим основные методы его промышленного получения и сферы, где его применяют.

Криогенный

Криогенное получение азота основано на разделении жидкого воздуха на компоненты при низких температурах. Это наиболее распространенный метод промышленного получения азота, т.к. с его помощью получают газ чистотой до 99,999%. Для процесса используют криогенные дистилляционные колонны, системы компрессии для подготовки воздуха, резервуары для хранения жидкого азота.

Принцип работы:

• Воздух сжимается и охлаждается до состояния сжижения при температуре около −196°C.
• При низкой температуре компоненты воздуха — азот, кислород, аргон — разделяются в ректификационной колонне.
• Из жидкости выделяется азот высокой чистоты.

Преимущества:

• Высокая производительность — подходит для крупных потребителей.
• Степень очистки азота — до 99,999%.
• Возможность получения нескольких газов одновременно — кислорода, аргона.

Но стоит отметить и недостатки:

• Высокие эксплуатационные затраты.
• Необходимо сложное энергоемкое оборудование.

Криогенные системы требовательны к энергообеспечению, поэтому их часто используют на крупных предприятиях, где требуется высокая производительность — металлургия, фармацевтика, производство полупроводников, химическая промышленность.

Адсорбционный метод (PSA)

В методе адсорбции под давлением (Pressure Swing Adsorption) используют цеолиты или активированный уголь, т.е. принцип молекулярного сита для отделения азота от кислорода. Для получения азота этим способом используют PSA-системы с двумя адсорбционными башнями, компрессоры для подачи воздуха, контроллеры для автоматизации процесса. PSA-установки обеспечивают чистоту азота до 99,9%

Принцип работы:

• Воздух под давлением подается в адсорбер.
• Адсорбент задерживает кислород, пропуская азот.
• После насыщения адсорбента давление сбрасывается, и адсорбент регенерируется.

Преимущества:

• Чистота газа — 90–99,9%.
• Низкие производственные затраты.
• Простота эксплуатации.

PSA-установки обеспечивают чистоту азота до 99,9%, при этом имеют компактные размеры, удобны для предприятий среднего уровня, например, в химической промышленности, а также для защиты оборудования от коррозии, упаковки продуктов.

Мембранный

Этот метод основан на использовании полимерных мембран, которые пропускают азот, но задерживают кислород и другие газы. Для получения N применяют мембранные модули с тонкопленочным материалом, воздушные компрессоры, фильтры для подготовки входящего воздуха.

Принцип работы:

• Воздух под давлением пропускается через мембранный модуль.
• Кислород и водяной пар, обладающие большей проницаемостью, проходят через мембрану, а азот остается в выходном потоке.

Преимущества:

• Чистота газа — 90–99,5%.
• Низкая энергоемкость.
• Простота установки и обслуживания.
• Компактность, подходит для мобильных решений.
• Возможность модульного наращивания производительности.

Недостатки:

• Низкая чистота газа по сравнению с криогенным методом.
• Ограниченная производительность.

Получение азота таким способом применяют при производстве газовых смесей, пожаротушении, упаковке продуктов питания.

Другие методы получения азота

Разложение нитрита аммония

В лабораториях азот можно получить методом разложения нитрита аммония (NH₄NO₂), который при нагревании разлагается с образованием азота:

NH₄NO₂ → N₂ + 2H₂0

Таким способом можно получить высокую степень чистоты получаемого азота. Однако стоит учитывать, что реакция требует точного контроля температуры, тогда получится избежать побочных процессов.

Нагревание сульфата аммония с дихроматом калия

Другой метод, применяемый в лабораториях, включает нагрев смеси сульфата аммония и дихромата калия (K₂Cr₂O₇). Процесс описывается двумя стадиями:

1. Взаимодействие между сульфатом аммония и дихроматом калия:

K₂Cr₂O₇+ (NH₄)₂SO₄ → (NH₄)2Cr₂O₇ + K₂SO₄

2. Разложение аммоний-дихромата:

(NH₄)2Cr₂O₇ → N₂ + Cr₂O₃ + 4H₂O

Полученный азот проходит этапы очистки и используется в лабораторных синтезах. Этот метод требует высокой температуры, а продукты реакции, например, оксид хрома, необходимо утилизировать, что увеличивает затраты.

Пропускание аммиака над оксидом меди (II)

Аммиак NH₃ пропускают через нагретый оксид меди (II) при температуре около 700°C:

2NH₃ + 3CuO → N₂ + 3Cu + 3H₂O

Преимущество метода в том, что есть возможность одновременной регенерации меди, которая остается в виде металлического осадка.

Реакция также требует точного поддержания температуры, так как при ее снижении образуются побочные продукты, например, оксиды азота.

Разложение азидов

Этот метод широко применяется в лабораториях и промышленности для генерации азота в устройствах, где требуются мгновенные выбросы газа, например, в автомобильных подушках безопасности.

Формула получения выглядит следующим образом:

2NaN₃ → 2Na + 3N₂

Азиды используют из-за их способности разлагаться при минимальном нагреве, что делает метод эффективным для аварийных или мобильных систем.

Реакция воздуха с раскаленным коксом

Используется для получения азота в больших объемах. В процессе взаимодействия воздуха с углеродом © при высокой температуре происходит связывание кислорода, это позволяет выделить азот:

C + O₂ → CO₂

N₂ (из воздуха) + CO₂ → N₂

Способ менее энергозатратен, чем криогенное разделение воздуха. Его применяют там, где высокая чистота газа не требуется.

Перегонка воздуха

На промышленных предприятиях азот часто получают методом фракционной перегонки воздуха. Воздух сначала сжимается, затем охлаждается до очень низкой температуры, где кислород и азот переходят в жидкое состояние. После этого происходит их разделение.

O2 → конденсация при −183°C

N2 → конденсация при −196°C

Этот метод получения азота подходит для крупных производств, таких как нефтехимические заводы или металлургические предприятия.

Электролиз

Электролиз нечасто используют для промышленного получения азота, но он может быть полезен в специфических условиях. Принцип основан на разделении воды на кислород и водород. Азот в этом процессе может быть дополнительно извлечен из атмосферы с помощью адсорбционных или мембранных технологий.

Оборудование, которое используют:

• электролизеры для разложения воды,
• системы подготовки воздуха для выделения азота.

Особенности:

• Метод требует больших затрат на электроэнергию.
• Чистота азота ниже, чем при криогенных и адсорбционных способах, поэтому применяется реже.

Сравнение способов получения азота в промышленности

Где применяют азот

Рассмотрим основные области применения азота.

Применение азота в медицине

Криотерапия- использование жидкого азота в медицине. Жидкий азот с температурой около −196°C используется для лечения и косметологических процедур. Это вещество незаменимо при удалении новообразований на коже, таких как бородавки, папилломы, кератомы. Замораживание тканей приводит к их разрушению, через некоторое время место заживает самостоятельно. В косметологии криотерапия применяется для омоложения кожи, устранения пигментных пятен и мелких морщин, а также улучшения тонуса кожи.

Жидкий азот также играет ключевую роль в криоконсервации биоматериалов. Используется для сохранения спермы, яйцеклеток, эмбрионов, а также стволовых клеток, которые применяют в трансплантологии, регенеративной медицине. Криоконсервация позволяет сохранять биологический материал без потери его жизнеспособности в течение десятков лет, что крайне важно в таких программах, как экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО).

Еще одна важная область применения азота в медицине — хранение и транспортировка медицинских препаратов. Этот газ обеспечивает стабильные сверхнизкие температуры для вакцин, препаратов крови, например, тромбоцитов или плазмы, а также для лекарственных средств, требующих строгого температурного контроля. Для этого используют сосуды Дьюара, обеспечивающие надежное хранение биоматериала.

Применение азота в промышленности

В промышленности этот газ применяют для создания инертной атмосферы или в качестве компонента в химических реакциях, например, при производстве аммиака, синтезе химических удобрений, переработке нефтехимических продуктов.

Газообразный азот применяют также для создания бескислородной среды в металлообработке — при отжиге, закалке металлов. Также он нужен в процессах плазменной или лазерной резки металлов, защиты материалов от коррозии, предотвращения окисления при высоких температурах.

Другое важное направление применения азота — нефтегазовая промышленность, где его используют для подачи газа в скважины, защиты трубопроводов, резервуаров.

Применение азота в пищевой промышленности

С его помощью упаковывают и хранят многие продукты. Например, масла, мясо, рыбу, орехи, кофе и многое другое. Инертная среда внутри упаковки позволяет увеличить срок годности продуктов, сохранить их свежесть.

Кроме того, азот используют в фрукто- и овощехранилищах, он предотвращает развитие бактерий, грибков, улучшая таким образом условия для долгосрочного хранения.

Применение в других отраслях

Электроника. Если нужна защита чувствительных компонентов и микросхем от окисления. В процессе пайки, производства печатных плат азот создает необходимые условия для защиты материалов от воздействия кислорода.

Автосервисы. В данном случае применяется для закачки в автомобильные шины, улучшает их эксплуатационные характеристики. Он предотвращает проявление коррозии, уменьшает потребность в подкачке колес.

Коротко о главном

Получение азота в промышленности требует внимательного подбора метода его получения, который зависит от требуемого объема, чистоты газа и сферы применения. Криогенный метод остается лидером для массового производства, а адсорбционный и мембранный используют для небольших и средних масштабов. Правильный выбор технологии позволяет обеспечить стабильное производство азота и снизить затраты на его получение.

• Азот составляет около 78% земной атмосферы и является основным источником для промышленного получения газа.
• При нормальных условиях азот инертен, не имеет цвета, запаха и вкуса, но при высокой концентрации может вытеснять кислород из воздуха.
• Основные промышленные способы получения азота — криогенный, адсорбционный и мембранный.
• Криогенный метод применяют для крупных объемов и получения азота высокой чистоты.
• Адсорбционные PSA-установки подходят для автономного получения азота на объекте с чистотой до 99,9%.
• Мембранные установки используют там, где важны компактность, простая эксплуатация и не требуется максимальная чистота газа.
• Выбор способа получения азота зависит от нужной чистоты, объема потребления, режима работы и требований конкретной отрасли.

За разработкой и поставкой генераторов азота обращайтесь в компанию «Провита». Гарантируем надежность оборудования, профессиональный подход. Свяжитесь с нами для консультации по телефону 8 812 334 56 38 или электронной почте provita.russia+7403@gmail.com.