9.3 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 -192ºС, при которой воздух полностью сжижается и становится бесцветной жидкостью. Если теперь жидкий воздух слегка подогреть (до -183ºС), 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 (H2, CO2, O2, He и др.) быстро проникают сквозь полимерную мембрану. «Медленные» газы (CO, N2, CH4 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.

 

 

C помощью таких устройств можно получить азот чистотой от 90 до 99,9% в достаточно больших количествах: от 1500 до 5000 м3/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.