Z napredkom znanosti in tehnologije ter razvojem gospodarstva se obseg uporabe dušika iz dneva v dan širi in je prodrl v številne industrijske sektorje in vsakdanje življenje.
Dušik je glavna sestavina zraka in predstavlja približno 78 % zraka. Elementarni dušik N2 je v normalnih pogojih plin brez barve in vonja. Gostota plina v standardnem stanju je 1,25 g/L. Tališče je -210 ℃ in vrelišče -196 ℃. Tekoči dušik je nizkotemperaturno hladilno sredstvo (-196 ℃).
Danes bomo predstavili več glavnih metod za proizvodnjo dušika doma in v tujini.
Obstajajo tri splošne metode proizvodnje dušika v industrijskem obsegu: proizvodnja dušika s kriogeno ločevanjem zraka, proizvodnja dušika z nihanjem tlaka in proizvodnja dušika z membransko ločevanjem.
Prvič: Metoda proizvodnje dušika s kriogenim ločevanjem zraka
Proizvodnja dušika s kriogenim ločevanjem zraka je tradicionalna metoda proizvodnje dušika s skoraj več desetletno zgodovino. Zrak uporablja kot surovino, ga stisne in prečisti, nato pa z izmenjavo toplote zrak utekočini v tekoči zrak. Tekoči zrak je v glavnem mešanica tekočega kisika in tekočega dušika. Različna vrelišča tekočega kisika in tekočega dušika se uporabljajo za njuno ločitev z destilacijo tekočega zraka, da se pridobi dušik.
Prednosti: velika proizvodnja plina in visoka čistost dušika v izdelku. Kriogena proizvodnja dušika lahko proizvede ne samo dušik, ampak tudi tekoči dušik, ki izpolnjuje zahteve postopka za tekoči dušik in ga je mogoče shraniti v rezervoarjih za shranjevanje tekočega dušika. Kadar pride do občasne obremenitve z dušikom ali manjšega popravila opreme za ločevanje zraka, vstopi tekoči dušik v rezervoarju za shranjevanje v uparjalnik in se segreje, nato pa se pošlje v cevovod za dušik produkta, da zadosti povpraševanju procesne enote po dušiku. Delovni cikel proizvodnje kriogenega dušika (ki se nanaša na interval med dvema velikima segrevanjima) je na splošno daljši od 1 leta, zato se proizvodnja kriogenega dušika na splošno ne šteje za stanje pripravljenosti.
Slabosti: proizvodnja kriogenega dušika lahko proizvede dušik s čistostjo ≧99,999 %, vendar je čistost dušika omejena z obremenitvijo z dušikom, številom pladnjev, učinkovitostjo pladnjev in čistostjo kisika v tekočem zraku, območje nastavitve pa je zelo majhno. Zato je za nabor opreme za kriogeno proizvodnjo dušika čistost izdelka v bistvu gotova in jo je neprimerno prilagoditi. Ker se kriogena metoda izvaja pri izredno nizkih temperaturah, mora imeti oprema pred zagonom postopek predhodnega hlajenja, preden se zažene v normalno delovanje. Čas zagona, to je čas od začetka ekspanderja do časa, ko čistost dušika doseže zahtevano, na splošno ni krajši od 12 ur; preden gre oprema v remont, mora imeti čas segrevanja in odmrzovanja, običajno 24 ur. Zato se oprema za kriogeno proizvodnjo dušika ne sme pogosto zaganjati in ustavljati, priporočljivo pa je, da deluje neprekinjeno dlje časa.
Poleg tega je kriogeni proces kompleksen, zavzema veliko območje, ima visoke stroške infrastrukture, zahteva posebne vzdrževalne sile, ima veliko število operaterjev in proizvaja plin počasi (18 do 24 ur). Primeren je za obsežno industrijsko proizvodnjo dušika.
Drugič: Metoda proizvodnje dušika z nihanjem tlaka (PSA).
Tehnologija ločevanja plinov z nihanjem tlaka (PSA) je pomembna veja tehnologije nekriogenega ločevanja plinov. Je rezultat dolgotrajnih prizadevanj ljudi, da bi našli enostavnejšo metodo ločevanja zraka od kriogene metode.
V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je zahodnonemška rudarska družba Essen uspešno razvila ogljikova molekularna sita, s čimer je utrla pot industrializaciji proizvodnje dušika za ločevanje zraka PSA. V zadnjih 30 letih se je ta tehnologija hitro razvila in dozorela. Postal je močan tekmec kriogenega ločevanja zraka na področju male in srednje velike proizvodnje dušika.
Adsorpcijska proizvodnja dušika z nihanjem tlaka uporablja zrak kot surovino in ogljikovo molekularno sito kot adsorbent. Uporablja značilnosti selektivne adsorpcije kisika in dušika v zraku s pomočjo ogljikovega molekularnega sita in uporablja princip adsorpcije z nihanjem tlaka (adsorpcija pod tlakom, desorpcija z zmanjšanjem tlaka in regeneracija molekularnega sita) za ločevanje kisika in dušika pri sobni temperaturi za proizvodnjo dušika.
V primerjavi s proizvodnjo dušika s kriogeno ločevanjem zraka ima proizvodnja dušika z nihanjem tlaka pomembne prednosti: adsorpcijsko ločevanje se izvaja pri sobni temperaturi, postopek je preprost, oprema je kompaktna, odtis je majhen, enostavno ga je zagnati in ustaviti, se hitro zažene, proizvodnja plina je hitra (običajno približno 30 minut), poraba energije je majhna, obratovalni stroški so nizki, stopnja avtomatizacije je visoka, delovanje in vzdrževanje sta priročna, drsna namestitev je priročna, brez posebnih temeljev je potrebno, se lahko čistost dušika izdelka prilagodi v določenem območju, proizvodnja dušika pa je ≤3000 Nm3/h. Zato je proizvodnja dušika z nihanjem tlaka še posebej primerna za intermitentno delovanje.
Vendar pa lahko do zdaj domači in tuji partnerji proizvajajo samo dušik s čistostjo 99,9 % (tj. O2≤0,1 %) s tehnologijo proizvodnje dušika PSA. Nekatera podjetja lahko proizvedejo 99,99 % čist dušik (O2≤0,01 %). Višja čistost je možna z vidika tehnologije proizvodnje dušika PSA, vendar so proizvodni stroški previsoki in uporabniki tega verjetno ne bodo sprejeli. Zato mora uporaba tehnologije proizvodnje dušika PSA za proizvodnjo dušika visoke čistosti dodati tudi napravo za naknadno čiščenje.
Metoda čiščenja dušika (industrijski obseg)
(1) Metoda hidrogeniranja in deoksigenacije.
Pod delovanjem katalizatorja ostanek kisika v dušiku reagira z dodanim vodikom, da nastane voda, formula reakcije pa je: 2H2 + O2 = 2H2O. Nato se voda odstrani z visokotlačnim dušikovim kompresorjem, dušik visoke čistosti z naslednjimi glavnimi sestavinami pa se pridobi z naknadnim sušenjem: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. Stroški proizvodnje dušika so približno 0,5 juana/m3.
(2) Metoda hidrogeniranja in deoksigenacije.
Ta metoda je razdeljena na tri stopnje: prva stopnja je hidrogenacija in deoksigenacija, druga stopnja je dehidrogenacija in tretja stopnja je odstranitev vode. Pridobimo dušik visoke čistosti z naslednjo sestavo: N2 ≥ 99,999 %, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Stroški proizvodnje dušika so približno 0,6 juana/m3.
(3) Metoda deoksigenacije ogljika.
Pod delovanjem katalizatorja na ogljiku (pri določeni temperaturi) preostali kisik v navadnem dušiku reagira z ogljikom, ki ga zagotavlja sam katalizator, da nastane CO2. Reakcijska formula: C + O2 = CO2. Po naslednji stopnji odstranitve CO2 in H2O dobimo dušik visoke čistosti z naslednjo sestavo: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Stroški proizvodnje dušika so približno 0,6 juana/m3.
Tretjič: proizvodnja dušika z ločevanjem membran in zrakom
Membransko ločevanje in proizvodnja dušika z ločevanjem zraka je tudi nova veja tehnologije nekriogene proizvodnje dušika. Gre za nov način pridobivanja dušika, ki se je v tujini hitro razvil v osemdesetih letih. V zadnjih letih so ga spodbujali in uporabljali na Kitajskem.
Proizvodnja dušika z membransko separacijo uporablja zrak kot surovino. Pod določenim pritiskom uporablja različne stopnje prepustnosti kisika in dušika v membrani iz votlih vlaken za ločevanje kisika in dušika za proizvodnjo dušika. V primerjavi z zgornjima dvema metodama proizvodnje dušika ima značilnosti enostavnejše strukture opreme, manjše prostornine, brez preklopnega ventila, enostavnejšega delovanja in vzdrževanja, hitrejše proizvodnje plina (v 3 minutah) in bolj priročnega širjenja zmogljivosti.
Vendar imajo membrane iz votlih vlaken strožje zahteve glede čistosti stisnjenega zraka. Membrane so nagnjene k staranju in okvaram ter jih je težko popraviti. Zamenjati je treba nove membrane.
Proizvodnja dušika z membranskim ločevanjem je bolj primerna za male in srednje velike uporabnike z zahtevami glede čistosti dušika ≤98 % in ima trenutno najboljše razmerje med delovanjem in ceno; kadar mora biti čistost dušika višja od 98 %, je približno 30 % višja od naprave za proizvodnjo dušika z nihajočo adsorpcijo z enakimi specifikacijami. Zato, ko se dušik visoke čistosti proizvaja s kombiniranjem proizvodnje dušika z membranskim ločevanjem in naprav za čiščenje dušika, je čistost splošnega dušika na splošno 98 %, kar bo povečalo proizvodne stroške in stroške delovanja čistilne naprave.
Čas objave: 24. julij 2024
