Com o progresso da ciência e da tecnologia e o desenvolvimento da economia, o âmbito de aplicação do azoto está a expandir-se dia a dia e penetrou em muitos sectores industriais e na vida quotidiana.
O nitrogênio é o principal componente do ar, representando cerca de 78% do ar. O nitrogênio elementar N2 é um gás incolor e inodoro em condições normais. A densidade do gás no estado padrão é 1,25 g/L. O ponto de fusão é -210°C e o ponto de ebulição é -196°C. O nitrogênio líquido é um refrigerante de baixa temperatura (-196°C).
Hoje apresentaremos vários métodos principais para a produção de nitrogênio no país e no exterior.
Existem três métodos gerais de produção de nitrogênio em escala industrial: produção de nitrogênio por separação criogênica de ar, produção de nitrogênio por adsorção com oscilação de pressão e produção de nitrogênio por separação por membrana.
Primeiro: Método criogênico de produção de nitrogênio com separação de ar
A produção criogênica de nitrogênio por separação de ar é um método tradicional de produção de nitrogênio com uma história de quase várias décadas. Ele usa o ar como matéria-prima, comprime-o e purifica-o e, em seguida, usa a troca de calor para liquefazer o ar em ar líquido. O ar líquido é principalmente uma mistura de oxigênio líquido e nitrogênio líquido. Os diferentes pontos de ebulição do oxigênio líquido e do nitrogênio líquido são usados para separá-los através da destilação do ar líquido para obter nitrogênio.
Vantagens: grande produção de gás e alta pureza do nitrogênio do produto. A produção de nitrogênio criogênico pode produzir não apenas nitrogênio, mas também nitrogênio líquido, que atende aos requisitos do processo de nitrogênio líquido e pode ser armazenado em tanques de armazenamento de nitrogênio líquido. Quando há uma carga intermitente de nitrogênio ou um pequeno reparo no equipamento de separação de ar, o nitrogênio líquido no tanque de armazenamento entra no vaporizador e é aquecido e, em seguida, enviado para a tubulação de nitrogênio do produto para atender à demanda de nitrogênio da unidade de processo. O ciclo operacional da produção de nitrogênio criogênico (referindo-se ao intervalo entre dois grandes aquecimentos) é geralmente superior a 1 ano, portanto a produção de nitrogênio criogênico geralmente não é considerada uma reserva.
Desvantagens: A produção de nitrogênio criogênico pode produzir nitrogênio com pureza de ≧99,999%, mas a pureza do nitrogênio é limitada pela carga de nitrogênio, número de bandejas, eficiência da bandeja e pureza de oxigênio no ar líquido, e a faixa de ajuste é muito pequena. Portanto, para um conjunto de equipamentos de produção de nitrogênio criogênico, a pureza do produto é basicamente certa e inconveniente para ajustar. Como o método criogênico é realizado em temperaturas extremamente baixas, o equipamento deve passar por um processo de inicialização de pré-resfriamento antes de ser colocado em operação normal. O tempo de inicialização, ou seja, o tempo desde o início do expansor até o momento em que a pureza do nitrogênio atinge o requisito, geralmente não é inferior a 12 horas; antes do equipamento entrar na revisão, ele deve passar por um período de aquecimento e descongelamento, geralmente de 24 horas. Portanto, o equipamento criogênico de produção de nitrogênio não deve ser iniciado e parado com frequência, sendo aconselhável operar continuamente por um longo período.
Além disso, o processo criogênico é complexo, ocupa grande área, possui altos custos de infraestrutura, requer forças especiais de manutenção, possui grande número de operadores e produz gás lentamente (18 a 24 horas). É adequado para produção industrial de nitrogênio em larga escala.
Segundo: Método de produção de nitrogênio por adsorção com oscilação de pressão (PSA)
A tecnologia de separação de gases por adsorção por oscilação de pressão (PSA) é um ramo importante da tecnologia de separação de gases não criogênicos. É o resultado dos esforços de longo prazo das pessoas para encontrar um método de separação de ar mais simples do que o método criogênico.
Na década de 1970, a Essen Mining Company da Alemanha Ocidental desenvolveu com sucesso peneiras moleculares de carbono, abrindo caminho para a industrialização da produção de nitrogênio por separação de ar PSA. Nos últimos 30 anos, esta tecnologia desenvolveu-se rapidamente e amadureceu. Tornou-se um forte concorrente da separação criogênica do ar na área de produção de nitrogênio de pequeno e médio porte.
A produção de nitrogênio por adsorção com oscilação de pressão usa ar como matéria-prima e peneira molecular de carbono como adsorvente. Ele usa as características da adsorção seletiva de oxigênio e nitrogênio da peneira molecular de carbono no ar e usa o princípio de adsorção por oscilação de pressão (adsorção de pressão, dessorção por redução de pressão e regeneração da peneira molecular) para separar oxigênio e nitrogênio à temperatura ambiente para produzir nitrogênio.
Em comparação com a produção de nitrogênio por separação de ar criogênico, a produção de nitrogênio por adsorção com oscilação de pressão tem vantagens significativas: a separação por adsorção é realizada à temperatura ambiente, o processo é simples, o equipamento é compacto, a pegada é pequena, é fácil de iniciar e parar, é começa rapidamente, a produção de gás é rápida (geralmente cerca de 30 minutos), o consumo de energia é pequeno, o custo operacional é baixo, o grau de automação é alto, a operação e manutenção são convenientes, a instalação do skid é conveniente, sem fundação especial é necessário, a pureza do nitrogênio do produto pode ser ajustada dentro de uma certa faixa e a produção de nitrogênio é ≤3000Nm3/h. Portanto, a produção de nitrogênio por adsorção com oscilação de pressão é particularmente adequada para operação intermitente.
No entanto, até agora, as contrapartes nacionais e estrangeiras só podem produzir nitrogênio com pureza de 99,9% (ou seja, O2≤0,1%) usando a tecnologia de produção de nitrogênio PSA. Algumas empresas podem produzir nitrogênio 99,99% puro (O2≤0,01%). Do ponto de vista da tecnologia de produção de nitrogênio PSA, é possível obter maior pureza, mas o custo de produção é muito alto e é improvável que os usuários o aceitem. Portanto, o uso da tecnologia de produção de nitrogênio PSA para produzir nitrogênio de alta pureza também deve adicionar um dispositivo de purificação pós-estágio.
Método de purificação de nitrogênio (escala industrial)
(1) Método de desoxigenação por hidrogenação.
Sob a ação de um catalisador, o oxigênio residual no nitrogênio reage com o hidrogênio adicionado para produzir água, e a fórmula da reação é: 2H2 + O2 = 2H2O. Em seguida, a água é removida por um compressor de nitrogênio de alta pressão, e o nitrogênio de alta pureza com os seguintes componentes principais é obtido por pós-secagem: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. O custo da produção de nitrogênio é de cerca de 0,5 yuan/m3.
(2) Método de hidrogenação e desoxigenação.
Este método é dividido em três etapas: a primeira etapa é a hidrogenação e desoxigenação, a segunda etapa é a desidrogenação e a terceira etapa é a remoção de água. Obtém-se nitrogênio de alta pureza com a seguinte composição: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. O custo da produção de nitrogênio é de cerca de 0,6 yuan/m3.
(3) Método de desoxigenação de carbono.
Sob a ação do catalisador suportado em carbono (a uma determinada temperatura), o oxigênio residual no nitrogênio comum reage com o carbono fornecido pelo próprio catalisador para gerar CO2. Fórmula de reação: C + O2 = CO2. Após a etapa subsequente de remoção de CO2 e H2O, obtém-se nitrogênio de alta pureza com a seguinte composição: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. O custo da produção de nitrogênio é de cerca de 0,6 yuan/m3.
Terceiro: Separação por membrana e produção de nitrogênio por separação de ar
A separação por membrana e a produção de nitrogênio por separação de ar também é um novo ramo da tecnologia de produção de nitrogênio não criogênico. É um novo método de produção de nitrogênio que se desenvolveu rapidamente no exterior na década de 1980. Foi promovido e aplicado na China nos últimos anos.
A produção de nitrogênio por separação por membrana utiliza ar como matéria-prima. Sob uma certa pressão, utiliza as diferentes taxas de permeação de oxigênio e nitrogênio na membrana de fibra oca para separar oxigênio e nitrogênio para produzir nitrogênio. Comparado com os dois métodos de produção de nitrogênio acima, possui as características de estrutura de equipamento mais simples, menor volume, sem válvula de comutação, operação e manutenção mais simples, produção de gás mais rápida (dentro de 3 minutos) e expansão de capacidade mais conveniente.
No entanto, as membranas de fibra oca têm requisitos mais rigorosos quanto à limpeza do ar comprimido. As membranas são propensas ao envelhecimento e falhas e são difíceis de reparar. Novas membranas precisam ser substituídas.
A produção de nitrogênio por separação por membrana é mais adequada para usuários de pequeno e médio porte com requisitos de pureza de nitrogênio de ≤98% e tem a melhor relação função-preço no momento; quando a pureza do nitrogênio deve ser superior a 98%, ela é cerca de 30% maior do que o dispositivo de produção de nitrogênio por adsorção com oscilação de pressão da mesma especificação. Portanto, quando o nitrogênio de alta pureza é produzido combinando a produção de nitrogênio por separação por membrana e dispositivos de purificação de nitrogênio, a pureza do nitrogênio geral é geralmente de 98%, o que aumentará o custo de produção e o custo de operação do dispositivo de purificação.
Horário da postagem: 24 de julho de 2024
