Все способы получения азота в промышленности основаны на разделении атмосферного воздуха, который является самым доступным сырьем и содержит около 75% целевого продукта. Другие методы отличаются высокими удельными затратами и используются преимущественно в исследовательских лабораториях. В промышленности азот получают как для собственных нужд, так и для продажи. С воздухоразделительных установок готовый газ поступает непосредственно к потребителям или закачивается в баллоны для хранения и транспортировки.

Производство азота в промышленности ведется по трем технологиям:

• криогенной;
• мембранной;
• адсорбционной.

Мы предлагаем 5 видов оборудования

Криогенное производство

Способ заключается в пофракционном испарении сжиженного воздуха и основан на разнице температур кипения его компонентов. Процесс протекает несколько этапов:

• Воздух сжимается в компрессорной установке с одновременным отбором тепла , выделяющегося при компримировании.
• Перед тем как получить азот, из сжиженного воздуха удаляют воду и углекислоту , которые становятся твердыми и выпадают в осадок.
• После снижения давления смесь начинает кипеть , а ее температура падает до -196 °C. Происходит последовательное испарение азота, кислорода и благородных газов.

Криогенное получение азота в промышленности оправдано при значительном расходе, а также при высоких требованиях к его составу. Чистота конечного продукта достигает 99,9999%. Энергоемкое и габаритное оборудование отличается высокой сложностью, требует профессиональной подготовки обслуживающего и технологического персонала.

Мембранное отделение азота

^ 9.1 Общие сведения об азоте

Азот – от греческого «безжизненный», бесцветный газ не имеющий цвета и запаха, атомный вес 14,0.

В 1772 г. азот открыл шотландец Резерфорд. В свободном состоянии азота в природе нет. А. Лавуазье в 1787г. установил, что воздух содержит «жизненный» (поддерживающий дыхание и горение, то есть кислород) и «удушливый» газы. В 1785г. Г.Кавендиш показал, что азот входит в состав селитры. Позже выяснили инертность азота в свободном состоянии и важное его свойство в соединениях с другими элементами, т.е. в связанном состоянии. Азот – четвёртый по распространенности (после водорода, гелия и кислорода), элемент солнечной системы.

Азот – один из самых распространенных элементов на Земле. В основном, сосредоточен в атмосфере. В составе воздуха он составляет более 78%. Природные соединения азота – это натриевые селитры, встречающиеся, обычно, в пустынях (Чили, Средняя Азия). В каменном угле содержится 1- 2,5% азота.

Азот крайне важен для жизнедеятельности живых организмов. В живых белках содержится 16 – 17% азота.

^ 9.2 Физические и химические свойства

Азот немного легче воздуха (? =1,2506 кг/м 3 при нормальных условиях).

Температура плавления -209,86єС , кипения -195,8 єС .

Азот сжижается с трудом.

Критические параметры: t кр = -174,1єС, p кр =34,6 кг/м 2 .

Плотность жидкого азота ? ж =808 кг/м 3 .

В воде он менее растворим, чем кислород.

Азот вступает в реакцию только с активными металлами (литий, кальций, магний). С другими элементами – только при высокой температуре и присутствии катализатора, в том числе с водородом, образуя NH 3 – аммиак.

Азот не оказывает вредного воздействия на окружающую среду и не токсичен. Но длительное пребывание в загазованном помещении вредно для человека, а дыхание в среде с содержанием кислорода менее 19% опасно для жизни.

1. 
   ^ Получение азота из воздуха

Основную массу атмосферного воздуха составляет азот (78,1%), поэтому очевидно, что наиболее рационально получать азот из воздуха.

В промышленности в настоящее время применяется три метода получения азота: низкотемпературное разделение, адсорбционная и мембранная технологии.

^ Низкотемпературная (криогенная) технология разделения воздуха на составляющие (азот, кислород, аргон и другие газы) основана на разнице температур кипения (или сжижения) азота и кислорода при глубоком охлаждении воздуха.

Сжижение азота и кислорода в промышленных условиях осуществляется в детандерных установках. Предварительно сжатый и охлажденный воздух расширяется в детандере (поршневом или турбодетандере) до температуры -192єС , при которой воздух полностью сжижается и становится бесцветной жидкостью. Если теперь жидкий воздух слегка подогреть
(до -183єС), то из него будет испаряться азот, а кислород останется в виде жидкости. Этот процесс называется ректификацией воздуха. Подробный технологический процесс рассмотрен в разделе, посвященном кислороду. Отметим, что на этих установках одновременно получают и азот, и кислород, которые далее могут использоваться для различных целей, в различных технологических линиях.

Указанные установки высокопроизводительные, но сложные по устройству, стационарные и энергоемкие. Применяются в производствах с большим расходом азота, например получение аммиака.

Адсорбционная технология основана на адсорбции – поглощении веществ в газообразном или жидком состоянии поверхностью твёрдых или жидких тел (адсорбентов) чаще всего твёрдых.

Адсорбер – аппарат для адсорбции, в котором газовая смесь проходит через слой пористого адсорбента и из неё извлекаются необходимые вещества. Адсорберы бывают периодического и непрерывного действия.

Такие аппараты имеют небольшую производительность и для получения азота в промышленных масштабах не применяются.

^ Мембранная технология (применение молекулярных сит). Принцип производства азота по этой технологии основан на отделении молекул азота из предварительно очищенного сжатого воздуха, прокачиваемого через так называемый мембранный блок (или генератор).

Мембраны обладают свойством селективной проницаемости – прогрессивный эффективный метод с низким потреблением энергии.

Суть мембранной технологии состоит в разделении газовой смеси за счёт разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях поливолоконной мембраны. Каждый компонент имеет свою характерную скорость проникновения, которая зависит от его способности растворяться в мембране и проникать через неё. «Быстрые» газы (H 2 , CO 2 , O 2 , He и др.) быстро проникают сквозь полимерную мембрану. «Медленные» газы (CO , N 2 , CH 4 и др.) слабо проникают через мембрану и отводятся во вне. Смесь газов, прошедшая через мембрану, называется пермеатом .

Схема азотного генератора приведена на рис 9.1. Мембранный разделительный блок представляет собой цилиндрический картридж, внутри которого расположен пучок трубчатых поливолоконных мембран.

Рисунок 9.1 – Мембранный картридж и мембрана

C помощью таких устройств можно получить азот чистотой от 90 до 99,9% в достаточно больших количествах: от 1500 до 5000 м 3 /час .

Появление мембранных технологий обусловило быстрый прогресс в развитии воздухоразделительной техники и технологии. Главное преимущество мембранной технологии: низкая энергозатратность, низкие параметры, компактность и мобильность установок способствует всё более широкому её применению.

Области использования различных установок по производству азота приведены на рис.9.2.




Рисунок 9.2 – Области применения различных азотных установок

9.4 Технологические мембранные установки для получения азота

С использованием мембранного метода получения азота в последние годы рядом ведущих фирм созданы достаточно простые промышленные установки. Принципиальная схема установки приведена на рис.9.3.

Всасываемый из атмосферы воздух сжимается в поршневой или винтовой компрессорной станции до некоторого оптимального давления газоразделения.



Компр. Блок подготовки Мембранный

Станция воздуха блок

Рисунок 9.3 – Схема получения азота по такой технологии:

Ф – фильтр; К – компрессор; ФС – фильтр-сепаратор;

ОС – осушитель; В/О – влагоотделитель

При выборе необходимого давления ищут компромисс: при малых давлениях проще, выше надежность, но очень большие габариты аппаратов, особенно мембранного блока. А стоимость мембранных модулей очень высока. При высоких давлениях могут быть проблемы с прочностью и надежностью.

Сжатый в компрессоре воздух поступает в блок подготовки воздуха, где он охлаждается, отчищается от капельной жидкости (вода, масло), механических примесей и осушивается. Подготовленный таким образом воздух поступает в мембранный блок, где он разделяется на потребительский азот и пермеат (смесь кислорода, водяного пара, аргона водорода и т.д.), который выбрасывается в атмосферу. Как видно, установка экологически чистая, не наносит ущерб окружающей среде. В случаях применения стационарных мембранных установок на производственных предприятиях пермеат как обогащенная кислородом воздушная смесь может быть полезно использован, например, для дутья в топочных устройствах различного рода.

По такой технологии возможно получение азота с концентрацией 99,9%, но обычно для технологического применения достаточна чистота 90-98%.

Средняя стоимость одного литра азота на 50% дешевле полученного традиционным низкотемпературным (криогенным) методом.

Азот производится непосредственно на месте его потребления в необходимом количестве. Расходы на хранение и транспортировку отсутствуют вовсе.

Такая технология обладает бесспорными преимуществами, среди которых: компактность, мобильность станции, разделение воздуха происходит в статическом аппарате, а не в машине-детандере, возможность глубокого регулирования и др. Недостатком является высокая стоимость мембранных модулей и требование высокой степени очистки воздуха, подаваемого на модули. Последнее требование является жестким для компрессоров. Поршневые компрессоры со смазкой и маслонаполненные винтовые компрессоры в обычном исполнении неприемлемы.

Условию отсутствия масла удовлетворяют так называемые «сухие» (бессмазочные) поршневые и винтовые компрессоры. Такие компрессоры существуют. Конструктивно они намного сложнее обычных и гораздо дороже.

В поршневых «сухих» компрессорах усложняется конструкция сальников, требуется применение специальных материалов и т.д.

Винтовые «сухие» компрессоры имеют существенно более низкую степень повышения давления в одном корпусе, чем маслозаполненные, т.к. нет впрыска охлаждающего масла
(? = 2-3 против 8-10). Они более громоздки. Требование гарантийного зазора между винтами снижает объемный КПД компрессора.

В некоторых случаях применяются винтовые маслозаполненные компрессоры на первой ступени сжатия, а далее, после очистки и сепарации воздуха, – «сухой» поршневой дожимающий компрессор.

На таких установках, кроме основной технологической операции – получение азота из воздуха, выполняются одновременно следующие операции:

Обогащение воздуха кислородом (пермеат);

Осушка воздуха.

^ 9.5 Азотно-мембранные компрессорные станции

Комплексные установки такого рода обычно изготавливают передвижными на автомобилях или прицепах, что позволяет быстро доставлять ее к месту использования.

Примером может служить азотная мембранная винтовая передвижная станция АМВП-15/0,7 о С производительностью по азоту 15 мм 3 /мин и давлением 0,7 МПа, концентрация азота до 97%. Разработана во ВНИИкомпрессормаше (г. Сумы) в 2003 г.

Всё оборудование смонтировано в автомобильном прицепе длиной 12 м, который состоит из трёх основных блоков (рис.9.4).




Рисунок 9.4 - Передвижной станция АМВП

Управление станцией осуществляется с помощью микропроцессорной системы.

Привод – электродвигатель, компрессор поршневой
2 ступенчатый, сухой. В последующем были применены винтовые блоки сухого сжатия. С учётом требований мобильности в станции применена воздушная система охлаждения сжатого воздуха.

Станции успешно применялись при тушении пожаров на шахтах Донбасса. Для локализации и тушения подземного пожара станция подавала азот в зону горения для создания атмосферы обеднённой кислородом.

Среди других применений азотных мембранных станций:

– для обустройства нефтяных и газовых скважин, ремонта и испытаний трубопроводов в нефтяной и газовой промышленности. Эта установка выполняется с дизельным приводом, не связана с ЛЭП, может работать в любых условиях севера, мощность станции – 250 кВт, масса – 9,3 т, длина – 6 м;

– для обеспечения длительного хранения зерна, овощей, путем создания инертной среды без применения химии, что замедляет их дыхание. Срок хранения возрастает в 2-3 раза, без потери кондиций даже при +20 - 25 єС ;

– в атомной энергетике – для продувки охлаждающих рубашек турбогенераторов АЭС.

^ 9.6 Применения азота

Основная часть добываемого свободного азота используется для промышленного производства аммиака, который затем перерабатывается в азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества. Получать технически чистый азот в разделительных установках в больших количествах обходится очень дорого. Поэтому в таких производствах используют не технически чистый азот, полученный, например, ректификацией воздуха, а непосредственно атмосферный воздух. Такая технология будет рассмотрена в следующей теме «Технологии производства и использования аммиака».

Свободный азот применяют во многих отраслях промышленности:

– как инертная среда при испытании аппаратов и машин, например компрессоров (работы ВНИИкомпрессормаша по созданию ПК и ЦК СВД) (рис. 9.5);

– для продувки аппаратов труб и др. оборудования, работающего на взрывоопасных газах (нефтяная и газовая промышленность) при ремонтах, испытаниях перед заполнением газом;

– как «буферная» запирающая среда при герметизации машин а аппаратов, работающих на опасных газах, смесь которых с небольшим количеством азота допустима по по условиям технологического процесса;

– применяется в качестве импульсного газа в системе КИП и А установок, работающих на опасных газах (для элементов пневмоавтоматики, когда нельзя применять приборы электроавтоматики из-за возможной искры);

– повышения продуктивности газовых и нефтяных скважин методом газоимпульсного воздействия с помощью азотного генератора – сосуда, наполненного азотом при очень высоком давлении, который создаёт локальный взрыв вокруг заборной части скважины, образуя множество трещин и каналов в твёрдой толще пласта.

Широко используется азот и в технологии машиностроения.

^ Азотирование (азотация) – насыщение поверхности металлических деталей с целью повышения твердости, износостойкости, предела усталости, коррозионной стойкости.

Азотирование сталей происходит в герметичных печах при 500 - 650єС в среде аммиака. Процесс длительный. Для получения слоя толщиной 0,2 - 0,4 мм требуется 20 - 50 часов. Повышение температуры ускоряет процесс, но твердость снижается.



Рисунок 9.5 – Схема установки для испытаний ПК и

ЦК СВД на азоте

Применяется азотирование в основном для легированных сталей, особенно хромоалюминиевых сплавов, а так же сталей, содержащих вольфрам и молибден. Азотируются так же титановые сплавы, но при 850-950єС в среде чистого азота.

Способность к глубокому охлаждению обусловливает применение жидкого азота в различных холодильных установках, в машиностроении для сборки – разборки соединений с большим натягом, а так же в криотерапии в медицине.

Для технологических нужд азот получают на местных или централизованных азотных станциях.

Хранят азот в газгольдерах, емкостях, баллонах.

Транспортируют обычно в жидком состоянии, в сосудах Дюара с вакуумной теплоизоляцией. Окраска сосудов с азотом черная.

^ Контрольные вопросы к теме 9

1 Назовите основные, практически важные для техники свойства азота.

2 Назовите промышленные методы получения азота, их преимущества, недостатки, области применения.

3 В чем суть низкотемпературного метода разделения воздуха для получения азота?

4 В чем суть мембранной азотной установки, поясните ее работу.

5 Приведите схему мембранной азотной установки, поясните ее работу.

6 Какие требования к сжатию азота в компрессорах мембранных установок? Какие компрессоры отвечают этим требованиям.

7 Что значит «сухие» компрессоры? Каковы особенности их устройства?

8 Каковы применения свободного азота в народном хозяйстве?

9 Для чего применяют азот в технологии машиностроения?

10 Каковы особенности хранения, транспортировки и маркировки сосудов азота?

Список литературы

1. Атрощенко В.И. Курс технологии связанного азота/ В.И. Атрощенко и др. –М.–Л.: Химия, 1968.

2. Справочник азотчика. –М.-Л.: Химия, 1969.– т.I и II.

3. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода/ Д.Л. Глизманенко – М.: Химия, 1972.–752с.

Тема 10 ^ КИСЛОРОД И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

10.1 Общие сведения о кислороде

Роль кислорода в нашей жизни и производственной деятельности трудно переоценить. Без кислорода нет жизни. Главное его свойство – способность к окислению. Важнейшим окислительным процессом является горение. Еще древние китайцы, а в последствии Леонардо да Винчи (1452-1519) считали, что в воздухе содержится составная часть, которая расходуется при горении.

Кислород был открыт в начале XVIII в. голландским изобретателем К. Дреббелем, использовавшим его для своей подводной лодки, сохраняя глубокую тайну.

Ломоносов М.В. в 1756 г. доказал, что горение-окисление – это присоединение к веществу части из воздуха, а не из огненной материи, как считалось раньше. Французский химик Лавуазье В. дал элементу название и развил теорию горения и окисления. Чистый кислород был выделен шведом Н. Шееле в 1770 г. при нагревании селитры, азотно-кислого магния и др.

Кислород – самый распространенный элемент в природе по весу. Его содержание по массе составляет:

В воздухе 23 %;

В воде 86 %;

В земной коре 47 %.

Главная масса кислорода содержится в связанном состоянии в основном в земной атмосфере.

^ 10.2 Свойства кислорода

10.2.1 Физические свойства

Кислород - бесцветный газ, не имеет запаха и вкуса.

Атомный вес 16.

Температура сгущения (сжижения) -182,98 о С при атмосферном давлении, образуется бледно-синяя жидкость.

Температура отвердения –218,7 о С, образуются синие кристаллы.

Критическая температура –118,84 о С.

Критическое давление 49,71 атм .

Плотность газа (при 760 мм рт.ст.,0 о С) ? =0,00143 г/см.

Плотность жидкого кислорода (-182,98 C ) ?=1,1321 г/см.

Плотность твердого кислорода (-252,5 C) ?=1,4256 г/см.

Под действием ультрафиолетовых лучей распадается на атомы.

В тихом разряде образуется озон – О 3 .

Хорошие поглотители – благородные металлы и древесный уголь.

Кислород в любом агрегатном состоянии обладает магнитной восприимчивостью, т.е. его частицы притягиваются к магнитным полюсам.

Кислород хорошо растворим в органических растворителях (бензине, ацетоне, эфире).

^ 10.2.2 Химические свойства

Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме благородных газов. Со всеми элементами кроме галогенов и благородных металлов реагирует непосредственно. Скорость реакции окисления зависит от природы окисляемого вещества, температуры и условий смешения. Чем выше температура, тем быстрее реакция окисления. Например, водород при комнатной температуре с кислородом практически не реагирует, а при t=700-800 о C смесь его с кислородом взрывается.

Ускорителями реакций являются катализаторы. Отличный катализатор – вода.

Горючие газы образуют с кислородом сильно взрывчатые смеси, а их пары способны окислятся при соприкосновении с чистым кислородом, а при определенных условиях самовоспламеняться со взрывом. При повышении давления и температуры опасность самовоспламенения и взрыва смесей горючих веществ с кислородом возрастает. Воспламенение в замкнутом пространстве пористых горючих веществ (угольная пыль, прессованный торф, шерсть) пропитанных жидким кислородом, сопровождается взрывом большой разрушительной силы.

1. 
   ^ Технология получения кислорода

Кислород можно получать: 1) химическими способами;
2) электролизом воды; 3) разделением воздуха методом глубокого охлаждения.

Промышленное получение кислорода осуществляется путем глубокого охлаждения, сжатия и ректификацией (разделением на составляющие) в специальных установках. Типичная установка представлена на рис. 10.1. В этих установках для подачи сжатого воздуха используются компрессоры.

Ректификация – процесс разделения жидкого воздуха на жидкий кислород и газообразный азот, осуществляемый в специальных аппаратах – реакторных колоннах.

В нижней части колонны происходит предварительное разделение воздуха на обогащенный воздух, содержащий 40%О 2 и на жидкий азот (97-98%), собирающийся в карманах конденсатора.

Обогащенный воздух подается в верхнюю часть колонны, где происходит окончательная ректификация с получением
99-99,5%О 2 и 97-98%N 2 . Расход энергии на призводство1нм 3 технического кислорода равен 0,65-1,5 кВтч.

Применяются установки с глубоким охлаждением для получения жидкого кислорода с использованием давления
180-200атм и дальнейшим расширением в поршневом детандере или воздуха низкого давления (6 атм) с расширением в турбодетандере (метод акад. П.Л. Капицы).


Рисунок 10.1 – Схема ректификационной установки получения жидкого кислорода

Цикл Капицы – холодильный цикл основанный на применении воздуха низкого давления и получении необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (детандере) с совершением внешней работы. Схема установки, реализирующей такой цикл, представлена на рис. 10.2



Рисунок 10.2 – Схема цикла Капицы для получения

жидкого воздуха:

1 – турбокомпрессор; 2 – регенераторы; 3 – турбодетандер;

4 – конденсатор

Особенностями цикла являются:

Не высокое сжатие воздуха (до 0,6 – 0,7 МПа) в компрессоре;

Использование холода воздуха из конденсатора в регенеративном теплообменнике;

Расширение сжатого воздуха в турбодетандере;

Этот цикл разработан еще в 1930 г. и широко применяется в практике вследствие высокой энергоэффективности.

Из сжиженного воздуха методом ректификации получают кислород и азот.

Наряду с получением О 2 и N 2 в установках глубокого охлаждения получают также содержащиеся в воздухе газы: аргон, неон, криптон, ксенон.

Сегодня используются установки мощностью от 1000 до
20 000 м 3 /час кислорода. При этом в качестве теплообменных аппаратов используются регенераторы, это позволяет сжимать основное количество воздуха только до 4,5-5,5 атм, что снижает общий удельный расход на выработку газообразного кислорода до 0,45-0,55 кВтч .

Существует целая отрасль народного хозяйства - кислородная промышленность, производящая технический кислород как товарную продукцию, и технологический кислород (т.е. для собственных нужд, например, на сталелитейных заводах).

Применяемая технология

Генератор извлекает азот, имеющийся в окружающем воздухе и из других газов, применяя технологию адсорбции с колебаниями давления. Во время процесса адсорбции с колебаниями давления сжатый чистый окружающий воздух подводится к молекулярному ситу, которое позволяет азоту пройти внутрь как получаемый газ, но адсорибрует другие газы. Сито пропускает адсорбированные газы в атмосферу, когда выходной клапан закрыт, а давление фильтрации возвращается к давлению окружающей среды. Затем фильтрующий слой прочищается азотом перед тем, как вводить свежий сжатый воздух для нового цикла производства. Для того, чтобы гарантировать постоянный поток продукта, генераторы азота используют два молекулярных фильтрующих слоя, которые подключаются альтернативно между адсорбционными и регенерирующими фазами. При нормальных рабочих условиях и при правильном обслуживании молекулярные фильтрующие слои имеют почти бессрочный срок службы. Технология адсорбции с колебаниями давления имеет несколько международных патентов и соответствие стандартам рынка по исполнению и эффективности.

Компоновка оборудования

Для того, чтобы генератор азота работал автоматически, необходимы следующие составные компоненты:

Подача сжатого воздуха

Подача определенного количества сжатого воздуха и определенного качества, описанного в разделе предложении. Минимальное количество свободной подачи сжатого воздуха в м 3 /мин при 20°С равно среднему потреблению воздуха генератором азота в Нм 3 /мин, увеличенному на соответствующий процент для компенсации влияния окружающего воздуха и допусков на исполнение воздушного компрессора при расчетных условиях. Система сжатия воздуха будет включена в объем поставки, который будет состоять из воздушного компрессора и рефрижераторной сушилки воздуха.

Воздушные фильтры

Комплект фильтров грубой и высокой степени очистки и активированный угольный фильтр всегда включены в объем поставки. Воздушные фильтры необходимо устанавливать между системой подачи сжатого воздуха и воздушным ресивером, чтобы убедиться, что генератор азота будет получать необходимое минимальное количество.

Воздушный ресивер

Воздушный ресивер устанавливается между воздушными фильтрами и азотным генератором. Принципиальная задача воздушного ресивера - это гарантия подачи достаточного количества свежего воздуха на только что восстановленный фильтрующий слой генератора азота за короткий промежуток времени. Если система сжатого воздуха включена в объем поставки, размеры объема воздушного ресивера будут меняться до удовлетворительных для процесса и сжатия воздуха (макс. нагрузка / циклы без нагрузки).

Ресивер азота

Поток продукции генератора азота собирается в одном ресивере азота. Ресивер азота необходимо установить в непосредственной близости от генератора азота. Наличие ресивера азота гарантирует достаточное противодавление для процесса и постоянного потока азота к конечному заказчику. Если специально не указано, объем ресивера азота рассчитывается на основе предположения о постоянной динамике потребления применением Заказчика в течение продолжительного времени.

Преимущества:

Безопасность

Низкие рабочие давления, безопасное хранение. Нет необходимости в тяжелых газовых баллонах высокого давления. От опасного хранения жидкого азота можно отказаться.

Экономность

Нет расходов на распределение и обработку. Получение азота на месте (пром.площадке) генераторами азота экономит расходы на обработку и хранение в газовых баллонах высокого давления и предотвращает расходы на аренду, транспортировку и потери на испарение у пользователей.

Низкие эксплуатационные расходы.

Предлагаемый процесс имеет более эффективное разделение чем другие системы на рынке. Благодаря этому потребность в подаче воздуха падает, то есть 10 - 25% экономии энергии по сравнению со сравнимыми системами. Благодаря уменьшению вращающихся частей до минимума и использованию высококачественных элементов расходы на обслуживание остаются на низком уровне в течение всего срока службы генератора.

Удобство

Простота установки и обслуживания. У генераторов азота вход воздуха и выход азота находятся на одной стороне. Это означает простую установку, даже при малых углах цеха. Высокая надежность благодаря уменьшенному количеству вращающихся частей и высококачественных компонентов.

Гарантированное качество азота

Отсутствие риска недостаточной чистоты азота, автоматическое возобновление процесса. Генераторы азота обладают уникальной системой контроля: в случае если чистота азота не совпадает с указанным значением, ПЛК автоматически закрывает поток производства азота к выходу применения заказчика и открывают сбросной клапан некондиционного азота. Система будет пробовать запустить процесс, и когда чистота азота достигнет необходимого результата, сбросной клапан закроется, а клапан получения азота снова откроется. Полностью автоматическая и не сопровождаемая оператором процедура, ручной повторный запуск не требуется.

Проектные условия

Производительность	1000 нм³/ч (2 x 500 нм³/ч)
Содержание остаточного кислорода и производимом газе	£0,1% об.
Давление подачи продукта	5,5 бар изб.
Точка росы продукта	£-40 °С при 1 атм.
Расход воздуха на входе	4392,0 нм³/ч (2 x 2196.0 нм³/ч)
Макс. уровень шума	85 дБ (А) на расстоянии 1 метр
Планируемые условия окружающей среды
Барометрическое давление	1013,25 мбар а
Высота расположения	0 м над уровнем моря
Температура воздуха	20 °С
Относительная влажность	65%
Потребление воздуха на входе
Давление
Температура
Групповой состав углеводородов	<6,25 мг/м³ или 5 ppmV
Частицы	<5 мг/м³ при макс. 3 мкм
Точка росы	£+3 °С при 7 бар изб.
Условия на площадке
Система электроснабжения	400 / 230 В переменный ток, 50 Гц
Классификация зоны	неклассифицированная зона / безопасная зона
размещение	в помещении с хорошей вентиляцией

Данные приведены для идеального режима работы, допуск ±5%




Размеры, вес

Параметры энергопотребления

Допуск на все указанные значения: ± 10%

Объем поставки

4 воздушных компрессора

• ротационный винтовой компрессор с впрыском масла

4 воздухоосушилки

• рефрижераторный воздухоосушитель

2 воздушных ресивера

• вертикальная емкость высокого давления из углеродистой стали
• объем: 3000 л

фильтры сжатого воздуха

Два комплекта внешних фильтров сжатого воздуха, устанавливаются перед воздушным ресивером, комплект состоит из следующих фильтров:

• один коалесцирующий фильтр первичной очистки (эффективность 99,9999%, 1,0 µ - ≤ 0,5 мг/м³) с устройством для слива конденсата поплавкового типа;
• один коалесцирующий фильтр тонкой очистки (эффективность 99,9999%, 0,01 µ - ≤ 0,1 мг/м³) с устройством для слива конденсата поплавкового типа;
• один активированный угольный фильтр (остаточное масло ≤ 0,005 мг/м³).

два генератора азота

Два азотных генератора, полностью предварительно смонтированы, с установленными проводами на покрашенной раме из углеродистой стали, каждый оснащен следующими компонентами:

• 6 адсорбционных башен, каждая наполнена углеродным молекулярным ситом. Углеродное молекулярное сито будет производства США, Европы или Японии. Изготовленные в Китае или Индии сита не применяются;
• Глушитель отработанного газа, установлен для приглушения отходящего газа до расчетного уровня шума;
• Комплект электро-пневматических технологических клапанов и дросселей, вкл. соленоидные клапаны;
• 1 некондиционный продувочный трубопровод для азота с регулирующим клапаном соленоидного управления;
• Комплект предохранительных клапанов, настроенных на соответствующий уровень давления;
• Все трубопроводы и электрокабели для соединения;
• Локальные датчики давления;
• Одна (1) система контроля для полностью автоматической работы генератора, с полной внутренней проводной обводкой и состоящая из следующих позиций:
  • Один ПЛК (Rockwell / Allen Bradley Micro 850 ПЛК) с соединением Ethernet / IP для коммуникации с удаленной системой управления заказчика;
  • Один сенсорный графический интерфейс пользователя (Rockwell / Allen Bradley С400), отображающий значения реального времени релевантных параметров и возможные аварийные сообщения для прямой диагностики;
  • Все трубопроводы, клапана, контрольно-измерительные приборы и система управления «под ключ», монтированные на раме из углеродистой стали;
  • Один (1) автономный анализатор остаточного азота с датчиком из диоксида циркония;
  • Один автономный электронный расходомер продукта.

два (2) ресивера азота

• вертикальная емкость высокого давления из углеродистой стали;
• предохранительные клапаны, установленные на соответствующий уровень давления
• объем: 3000 л
• макс рабочее давление: 11,0 бар изб

Применяемые стандарты

1. Директива 2009/105/EC для простых сосудов под давлением
2. Европейская Директива 97/23/ЕС,EN 13445, EN 13480 по оборудованию, работающему под давлением
3. Директива 2004/108/EC по электромагнитной совместимости
4. Директива ЕС 2006/95/EC по низковольтному электрооборудованию
5. Директива о машинном оборудовании 2006/42/EC

Примечание

При требуемой производительности невозможно модульное исполнение.

Как происходит получение азота?

Газ выделяется непосредственно из атмосферного воздуха. Сегодня используют три основных способа получения азота – адсорбционный, мембранный и криогенный. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки.




Применение установок для получения азота

Азот, полученный методом очистки атмосферного воздуха, востребован во множестве отраслей промышленности. Газ используется для защиты различных веществ, способных терять свойства при контакте с кислородом. Получение азота в промышленных количествах дает возможность использовать газ при выполнении самых разных работ, начиная от устранения последствий аварий на нефтепроводах и заканчивая производством полупроводниковых приборов.

Газ применяется в:

• фармацевтической отрасли,
• металлургии,
• пищевой промышленности,
• сельском хозяйстве.

Внедрение современных установок для получения азота способствует снижению себестоимости и повышает общее качество технологического процесса.

Аммиак (NH 3) - соединение азота и водорода. Это лёгкий газ с резким запахом. Получение аммиака в промышленности и лабораториях необходимо для производства удобрений, полимеров, азотной кислоты и других веществ.

В промышленности

Аммиак промышленным путём получают из азота, соединяя его с водородом. Азот берут из воздуха, водород - из воды. Впервые метод разработал немецкий химик Фриц Габер. Промышленный способ получения аммиака стали называть процессом Габера.

Реакция проходит с уменьшением объёма и выделением энергии в виде тепла:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

Реакция обратима, поэтому необходимо соблюсти несколько условий. При высоком давлении и низких температурах объём полученного аммиака увеличивается. Однако низкие температуры замедляют скорость реакции, а повышение температуры способствует увеличению скорости обратной реакции.

Опытным путём были найдены необходимые условия для проведения реакции:

• температура - 500°C;
• давление - 350 атм;
• катализатор - оксид железа Fe 3 O 4 (магнетит) с примесями оксидов серебра, калия, кальция и других веществ.

При таких условиях получившийся газ содержит 30 % аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество быстро охлаждают. При низких температурах получившийся газ превращается в жидкость. Неизрасходованные газы - азот и водород - возвращаются обратно в колонну для синтеза. Такой способ помогает быстро получить большие объёмы аммиака, максимально используя сырьё.



Рис. 1. Получение аммиака промышленным путём.

Чтобы найти нужный катализатор, было испробовано 20 тысяч разных веществ.

В лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории используется реакция щелочей на соли аммония:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Также аммиак лабораторным путём можно получить из хлорида аммония, нагретого вместе с гашёной известью, или разложением гидроксида аммония:

• 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
• NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O.



Рис. 2. Получение аммиака в лаборатории.

Полностью осушить аммиак можно с помощью смеси извести с едким натрием, через которую пропускают полученный газ. Для этой же цели жидкий аммиак смешивают с металлическим натрием и подвергают дистилляции.

Аммиак легче воздуха, поэтому для его сбора пробирку держат вверх дном.

Применение

Аммиак используется в разных отраслях:

• в сельском хозяйстве - для производства азотсодержащих удобрений;
• в промышленности - для производства полимеров, взрывчатых веществ, искусственного льда;
• в химии - для изготовления азотной кислоты, соды;
• в медицине - в качестве нашатырного спирта.



Рис. 3. Производство удобрений.

Что мы узнали?

Аммиак получают промышленным и лабораторным путём. Для получения в промышленных масштабах используется азот и водород. Смешиваясь под высокой температурой, давлением и под действием катализатора, простые вещества образуют аммиак. Чтобы реакция при высокой температуре не пошла в обратную сторону, газ охлаждают. В лаборатории аммиак получают при реакции солей аммония со щелочами, гашёной известью или путём разложения гидроксида аммония. Аммиак применяется в химической промышленности, сельском хозяйстве, медицине, химии.