S napretkom znanosti i tehnologije te razvojem gospodarstva, područje primjene dušika se širi iz dana u dan, te je prodro u mnoge industrijske sektore i svakodnevni život.
Dušik je glavna komponenta zraka i čini oko 78% zraka. Elementarni dušik N2 je u normalnim uvjetima plin bez boje i mirisa. Gustoća plina u standardnom stanju je 1,25 g/L. Talište je -210 ℃, a vrelište -196 ℃. Tekući dušik je rashladno sredstvo niske temperature (-196 ℃).
Danas ćemo predstaviti nekoliko glavnih metoda za proizvodnju dušika u zemlji i inozemstvu.
Postoje tri opće industrijske metode proizvodnje dušika: proizvodnja dušika kriogenom separacijom zraka, proizvodnja dušika adsorpcijom s promjenom tlaka i proizvodnja dušika membranskom separacijom.
Prvo: Metoda proizvodnje dušika kriogenom separacijom zraka
Proizvodnja dušika kriogenom separacijom zraka tradicionalna je metoda proizvodnje dušika s poviješću dugom gotovo nekoliko desetljeća. Koristi zrak kao sirovinu, komprimira ga i pročišćava, a zatim koristi izmjenu topline za ukapljivanje zraka u tekući zrak. Tekući zrak je uglavnom mješavina tekućeg kisika i tekućeg dušika. Različita vrelišta tekućeg kisika i tekućeg dušika koriste se za njihovo razdvajanje destilacijom tekućeg zraka kako bi se dobio dušik.
Prednosti: velika proizvodnja plina i visoka čistoća dušika proizvoda. Kriogena proizvodnja dušika može proizvoditi ne samo dušik, već i tekući dušik, koji zadovoljava zahtjeve procesa tekućeg dušika i može se pohraniti u spremnike za pohranu tekućeg dušika. Kada postoji povremeno opterećenje dušikom ili manji popravak opreme za odvajanje zraka, tekući dušik u spremniku za pohranu ulazi u isparivač i zagrijava se, a zatim se šalje u cjevovod za dušik proizvoda kako bi se zadovoljile potrebe procesne jedinice za dušikom. Radni ciklus proizvodnje kriogenog dušika (odnosi se na interval između dva velika zagrijavanja) općenito je duži od 1 godine, tako da se proizvodnja kriogenog dušika općenito ne smatra pripravnošću.
Nedostaci: Kriogena proizvodnja dušika može proizvesti dušik čistoće ≧99,999%, ali čistoća dušika ograničena je opterećenjem dušikom, brojem ladica, učinkovitošću ladica i čistoćom kisika u tekućem zraku, a raspon podešavanja je vrlo mali. Stoga je za skup opreme za proizvodnju kriogenog dušika čistoća proizvoda u osnovi sigurna i nezgodna za podešavanje. Budući da se kriogena metoda provodi na ekstremno niskim temperaturama, oprema mora imati proces pokretanja prethodnog hlađenja prije nego što se pusti u normalan rad. Vrijeme pokretanja, to jest vrijeme od pokretanja ekspandera do vremena kada čistoća dušika dosegne zahtjeve, općenito nije manje od 12 sati; prije nego što oprema uđe u remont, mora imati vrijeme zagrijavanja i odmrzavanja, općenito 24 sata. Stoga se oprema za kriogenu proizvodnju dušika ne smije često pokretati i zaustavljati, a preporučljivo je da radi kontinuirano dulje vrijeme.
Osim toga, kriogeni proces je složen, zauzima veliko područje, ima visoke troškove infrastrukture, zahtijeva posebne snage za održavanje, ima veliki broj operatera i sporo proizvodi plin (18 do 24 sata). Pogodan je za veliku industrijsku proizvodnju dušika.
Drugo: Metoda proizvodnje dušika adsorpcijom promjenjivog tlaka (PSA).
Tehnologija odvajanja plina adsorpcijom s promjenom tlaka (PSA) važna je grana nekriogene tehnologije odvajanja plinova. To je rezultat dugotrajnih napora ljudi da pronađu jednostavniju metodu odvajanja zraka od kriogene metode.
U 1970-ima, zapadnonjemačka Essen Mining Company uspješno je razvila ugljična molekularna sita, utirući put industrijalizaciji proizvodnje dušika PSA za odvajanje zraka. Tijekom proteklih 30 godina ova se tehnologija brzo razvijala i sazrijevala. Postao je snažan konkurent kriogenom odvajanju zraka u području male i srednje proizvodnje dušika.
Adsorpcijska proizvodnja dušika uz promjenu tlaka koristi zrak kao sirovinu i ugljikovo molekularno sito kao adsorbent. Koristi karakteristike selektivne adsorpcije kisika i dušika u zraku pomoću molekularnog sita ugljika i koristi princip adsorpcije s promjenom tlaka (adsorpcija tlaka, desorpcija smanjenja tlaka i regeneracija molekularnog sita) za odvajanje kisika i dušika na sobnoj temperaturi za proizvodnju dušika.
U usporedbi s proizvodnjom dušika kriogenom separacijom zraka, adsorpcijska proizvodnja dušika s promjenom tlaka ima značajne prednosti: adsorpcijska separacija provodi se na sobnoj temperaturi, postupak je jednostavan, oprema je kompaktna, zauzima malo mjesto, lako se pokreće i zaustavlja, počinje brzo, proizvodnja plina je brza (općenito oko 30 minuta), potrošnja energije je mala, radni trošak je nizak, stupanj automatizacije je visok, rad i održavanje su prikladni, instalacija klizača je prikladna, nema posebnog temelja je potrebno, čistoća dušika u proizvodu može se prilagoditi unutar određenog raspona, a proizvodnja dušika je ≤3000Nm3/h. Stoga je adsorpcijska proizvodnja dušika s promjenom tlaka posebno prikladna za rad s prekidima.
Međutim, do sada domaći i strani partneri mogu proizvesti samo dušik čistoće 99,9% (tj. O2≤0,1%) koristeći PSA tehnologiju proizvodnje dušika. Neke tvrtke mogu proizvesti 99,99% čisti dušik (O2≤0,01%). Veća čistoća je moguća iz perspektive PSA tehnologije proizvodnje dušika, ali proizvodni troškovi su previsoki i korisnici to vjerojatno neće prihvatiti. Stoga upotreba PSA tehnologije proizvodnje dušika za proizvodnju dušika visoke čistoće također mora dodati uređaj za naknadno pročišćavanje.
Metoda pročišćavanja dušikom (industrijska razmjera)
(1) Metoda deoksigenacije hidrogenacije.
Pod djelovanjem katalizatora, zaostali kisik u dušiku reagira s dodanim vodikom dajući vodu, a formula reakcije je: 2H2 + O2 = 2H2O. Zatim se voda uklanja visokotlačnim dušičnim kompresorom, a dušik visoke čistoće sa sljedećim glavnim komponentama dobiva se naknadnim sušenjem: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. Trošak proizvodnje dušika je oko 0,5 juana/m3.
(2) Metoda hidrogenacije i deoksigenacije.
Ova metoda je podijeljena u tri faze: prva faza je hidrogenacija i deoksigenacija, druga faza je dehidrogenacija, a treća faza je uklanjanje vode. Dobiva se dušik visoke čistoće sljedećeg sastava: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Trošak proizvodnje dušika je oko 0,6 juana/m3.
(3) Metoda deoksigenacije ugljikom.
Pod djelovanjem katalizatora s ugljikom (pri određenoj temperaturi), preostali kisik u običnom dušiku reagira s ugljikom koji daje sam katalizator i stvara CO2. Formula reakcije: C + O2 = CO2. Nakon sljedeće faze uklanjanja CO2 i H2O, dobiva se dušik visoke čistoće sljedećeg sastava: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Trošak proizvodnje dušika je oko 0,6 juana/m3.
Treće: Membransko odvajanje i odvajanje zraka proizvodnja dušika
Proizvodnja dušika membranskom separacijom i separacijom zraka također je nova grana tehnologije nekriogene proizvodnje dušika. To je nova metoda proizvodnje dušika koja se brzo razvila u inozemstvu 1980-ih. Posljednjih godina se promovira i primjenjuje u Kini.
Proizvodnja dušika membranske separacije koristi zrak kao sirovinu. Pod određenim pritiskom, koristi različite stope propusnosti kisika i dušika u membrani šupljih vlakana za odvajanje kisika i dušika za proizvodnju dušika. U usporedbi s gornje dvije metode proizvodnje dušika, ima karakteristike jednostavnije strukture opreme, manjeg volumena, bez preklopnog ventila, jednostavnijeg rada i održavanja, brže proizvodnje plina (unutar 3 minute) i praktičnijeg proširenja kapaciteta.
Međutim, membrane od šupljih vlakana imaju strože zahtjeve u pogledu čistoće komprimiranog zraka. Membrane su sklone starenju i kvaru te ih je teško popraviti. Potrebno je zamijeniti nove membrane.
Proizvodnja dušika membranskom separacijom prikladnija je za male i srednje korisnike sa zahtjevima za čistoćom dušika od ≤98% i ima najbolji omjer funkcije i cijene u ovom trenutku; kada se zahtijeva da čistoća dušika bude veća od 98%, to je oko 30% više od adsorpcijskog uređaja za proizvodnju dušika s promjenom tlaka istih specifikacija. Stoga, kada se dušik visoke čistoće proizvodi kombinacijom proizvodnje dušika membranske separacije i uređaja za pročišćavanje dušika, čistoća općeg dušika je općenito 98%, što će povećati troškove proizvodnje i troškove rada uređaja za pročišćavanje.
Vrijeme objave: 24. srpnja 2024
