Способы получения азота в промышленности

Содержание:

1. Применение азота
2. Методы получения азота
• Криогенный
• Адсорбционный (PSA)
• Мембранный
• Химическое получение азота
• Электролиз
3. Сравнение способов получения азота в промышленности
4. Итог

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.

Применение азота

Этот газ инертен, универсален, а получение азота в промышленности не вызывает особых трудностей. Именно поэтому его широко применяют в самых разных отраслях.

Промышленность:

• металлургия — защитная атмосфера для термообработки;
• химия — производство аммиака, азотной кислоты;
• электроника — инертная среда для производства микрочипов;
• нефтегазовая отрасль — создание давления, предотвращение взрывов.

• упаковка продуктов — вытеснение кислорода для увеличения срока годности;
• шоковая заморозка жидким азотом;
• поддержание температурного режима при транспортировке.

• жидкий азот — в криохирургии и хранении биоматериалов;
• дыхательные смеси для дайвинга и космонавтики.

• охлаждение тепловых электростанций, оборудования;
• продувка и поддержание давления в системах.

• заправка и продувка топливных систем;
• накачка шин для стабильного давления при экстремальных температурах.

• криогеника, охлаждение экспериментальных установок;
• использование в аналитической химии (хроматография).

Безопасность и защита:

• противопожарные системы — для вытеснение кислорода в музеях, серверных, хранилищах;
• предотвращение взрывов в резервуарах.

Сельское хозяйство:

• производство удобрений;
• хранение фруктов, овощей в модифицированной атмосфере.

Логистика:

• азот — это хладагент для транспортировки продуктов и медикаментов.

Методы 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.

Химическое получение азота

Метод основан на реакциях, в которых N выделяется как побочный продукт. Этот способ применяется реже, чем криогенный и адсорбционный, так как химическое получение азота достаточно сложное, связано с использованием высокотоксичных веществ. Но он эффективен при получении газа для лабораторий или специальных производственных нужд.

Основные реакции, используемые в химическом методе:

• Термическое разложение азотсодержащих соединений. Некоторые азотсодержащие вещества при нагревании разлагаются с выделением молекулярного азота. Примером такой реакции может быть разложение нитридов металлов. При нагревании азиды металлов, например, азид бария или натрия, выделяют чистый азот.
• Реакции с окислением аммиака. В присутствии катализаторов аммиак может разлагаться с выделением азота:

2NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O.

• Восстановление нитратов. Например, нитрат натрия может быть восстановлен с выделением азота:

2NaNO₂+2NH₃→2NaOH+3N₂+2H₂O

• Реакция хлорной извести с аммиаком. При взаимодействии аммиака с хлорной известью также выделяется азот:

2NH₃+3Cl₂→N₂+6HCl

Преимущества химического метода:

• Возможность получения газа высокой чистоты.
• Подходит для малых объемов производства в лабораториях или специализированных условиях.
• Используется в отраслях, где полезны побочные продукты реакций.

Отмети недостатки:

• Высокая стоимость реагентов и необходимость их утилизации.
• Низкая производительность по сравнению с другими методами.
• Требует строгого соблюдения техники безопасности из-за токсичности и взрывоопасности некоторых веществ.
• Ограниченное применение в промышленности из-за сложности масштабирования.

Химический метод получения азота применяют в лабораторных условиях или в отраслях, где другие способы труднодоступны. В промышленных масштабах его заменяют более экономичные, безопасные технологии, например адсорбционные или криогенные.

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

Итог

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.

Нужна разработка и установка генераторов азота? Обращайтесь в компанию «Провита». Доставим оборудование, проведем пусконаладочные работы. Даем дополнительную гарантию, осуществляем гарантийное и постгарантийное обслуживание.

Ниже представлены основные методы с их преимуществами и недостатками, а также чистотой получаемого газа.