Азот используется в промышленности, пищевом производстве, фармацевтике, электронике, металлообработке и других областях, где необходимо снизить воздействие кислорода, создать защитную атмосферу или обеспечить стабильную подачу технологического газа.
Для предприятий, регулярно потребляющих азот, важен не только вопрос его чистоты, но и способ снабжения. Газ можно получать централизованно и доставлять на объект либо производить непосредственно в месте потребления.
На практике выбор технологии зависит от требуемой чистоты, расхода, давления, режима эксплуатации и экономической целесообразности. Для локальной промышленной генерации одним из наиболее распространенных решений является технология PSA — адсорбция при переменном давлении.
Что Такое Азот?
Азот, или N₂, является основным компонентом атмосферного воздуха. Его содержание в атмосфере составляет приблизительно 78 %.
При нормальных условиях это бесцветный газ без выраженного запаха. Благодаря относительно низкой химической активности азот широко используется для создания атмосферы с пониженным содержанием кислорода.
В зависимости от технологического процесса он может применяться для:
- инертизации;
- продувки оборудования и трубопроводов;
- защиты продукции от окисления;
- формирования контролируемой атмосферы;
- технологических операций в пищевом и фармацевтическом производстве;
- металлообработки и лазерной резки.
При этом не каждому процессу требуется азот максимальной чистоты. Оптимальная концентрация должна определяться требованиями конкретного потребителя.
Основные Способы Получения Азота
Для производства и снабжения азотом используются разные технологии. Их нельзя оценивать только по максимально достижимой чистоте: масштаб потребления и эксплуатационные условия имеют не меньшее значение.
К основным методам относятся PSA, мембранное разделение и криогенное разделение воздуха.
1. Производство Азота Методом PSA
PSA — Pressure Swing Adsorption, или адсорбция при переменном давлении, — позволяет отделять азот от компонентов сжатого атмосферного воздуха непосредственно на предприятии.
В генераторе азота PSA используются адсорбционные колонны, заполненные углеродным молекулярным ситом CMS.
Система обычно работает циклически.
Подготовка Сжатого Воздуха
Сначала атмосферный воздух сжимается компрессором. Перед подачей в генератор необходимо удалить конденсат и контролировать содержание влаги, масла и твердых частиц.
Качество исходного воздуха имеет большое значение, поскольку загрязнения могут отрицательно влиять на адсорбционный материал и рабочие характеристики генератора.
Адсорбция Кислорода
Подготовленный воздух поступает в одну из колонн.
Углеродное молекулярное сито селективно адсорбирует кислород, в то время как поток, обогащенный азотом, проходит через слой CMS и направляется дальше в систему.
Регенерация
Одновременно вторая колонна находится в режиме регенерации.
После снижения давления адсорбированные компоненты высвобождаются, после чего колонна снова может участвовать в процессе разделения.
Переключение Колонн
Колонны автоматически меняются функциями. Такое чередование позволяет обеспечивать непрерывную подачу азота.
Более подробно принцип технологии рассмотрен в материале об адсорбционной генерации азота при переменном давлении.
Какую Чистоту Может Обеспечивать PSA?
Установки PSA LINGYU рассчитаны на получение азота различной чистоты в зависимости от исполнения и режима работы.
Для соответствующих серий предусмотрен диапазон примерно от 95 % до 99,999 %.
Это важно с точки зрения подбора оборудования. Более высокая требуемая чистота обычно влияет на количество азота, которое можно получить из определенного объема исходного сжатого воздуха.
Поэтому принцип «выбрать 99,999 %, потому что это максимально возможное значение» не всегда экономически оправдан.
Сначала необходимо определить:
- допустимое остаточное содержание кислорода;
- требуемый расход азота;
- рабочее давление;
- продолжительность потребления;
- возможность изменения нагрузки.
После этого подбираются генератор и вспомогательное оборудование.
Для предприятий, которым требуется более глубокая очистка, существуют также дополнительные технологии удаления остаточного кислорода после PSA. Однако необходимость такой ступени определяется требованиями конкретного производства.
Подготовка Воздуха Для PSA-Генератора
Сам генератор является только частью системы.
Типовая схема производства азота на месте может включать:
- воздушный компрессор;
- сепарацию конденсата;
- ресивер сжатого воздуха;
- осушитель;
- предварительные фильтры;
- генератор PSA;
- ресивер азота;
- систему контроля чистоты и расхода.
Для удаления масляных аэрозолей и твердых частиц могут применяться прецизионные фильтры сжатого воздуха.
Требования к осушению и фильтрации необходимо определять на основании характеристик конкретного генератора и качества исходного воздуха.
2. Мембранное Получение Азота
В мембранных системах разделение происходит благодаря различной скорости прохождения компонентов воздуха через специальный мембранный материал.
Одни газы проходят через мембрану быстрее, тогда как поток с повышенной концентрацией азота остается на другой стороне.
К преимуществам такого принципа обычно относят сравнительно простую конструкцию и непрерывность процесса.
Мембранная технология применяется там, где требования к чистоте, производительности и другим параметрам соответствуют возможностям конкретной установки.
При этом при выборе между мембранной и PSA-технологией необходимо сравнивать не только размеры оборудования, но и:
- необходимую чистоту;
- расход исходного воздуха;
- давление;
- режим потребления;
- стоимость эксплуатации.
Для оборудования LINGYU, представленного в текущей линейке генерации азота, основной технологией является PSA.
3. Криогенное Разделение Воздуха
Криогенное производство основано на глубоком охлаждении воздуха и последующем разделении его компонентов с использованием различий в температурах кипения.
Такие установки отличаются от компактных локальных генераторов PSA как по масштабу, так и по устройству системы.
Криогенное разделение обычно рассматривается для крупномасштабного производства технических газов, особенно когда необходимы большие объемы или комплексное получение продуктов разделения воздуха.
Для большинства предприятий с умеренным или переменным локальным потреблением азота выбор технологии требует отдельного технико-экономического расчета.
Подробное сравнение этих двух подходов вынесено в отдельный материал о криогенном и PSA-производстве азота.
PSA, Мембранная Или Криогенная Технология?
Универсального способа, который был бы лучшим для всех предприятий, не существует.
PSA хорошо подходит для производства азота непосредственно на объекте, когда требуется регулируемая чистота и непрерывная работа от источника подготовленного сжатого воздуха.
Мембранное разделение может быть рациональным при соответствующих требованиях к чистоте и расходу, особенно когда важна относительно простая конфигурация.
Криогенное производство ориентировано прежде всего на другой масштаб газоснабжения и требует значительно более сложной инфраструктуры.
Поэтому сравнение следует проводить с учетом полного жизненного цикла системы, а не одного параметра.
Где Используется Производимый На Месте Азот?
Пищевая Промышленность
В производстве продуктов питания и напитков азот может применяться для создания контролируемой атмосферы и снижения воздействия кислорода на определенные продукты и процессы.
Конкретная чистота зависит от технологии производства и требований к конечному продукту.
Фармацевтическое Производство
На фармацевтических и биофармацевтических предприятиях азот используется в процессах, где необходимо контролировать газовую среду.
Для таких задач особенно важно правильно определить требования к чистоте, стабильности подачи и качеству газа.
Электроника И Точное Производство
В электронике и точном производстве контролируемая атмосфера может быть важна для процессов, чувствительных к окислению и загрязнениям.
Химическая И Нефтехимическая Промышленность
В химической и нефтехимической отрасли азот применяется для инертизации, продувки и других операций, где необходимо ограничить содержание кислорода.
Лазерная Резка
В металлообработке и лазерной резке азот может использоваться в качестве технологического газа.
Требования к расходу, давлению и чистоте в таких системах могут существенно отличаться от стандартных задач инертизации, поэтому генератор должен подбираться под параметры конкретного оборудования.
Преимущества Производства Азота На Месте
Снижение Зависимости От Поставок
Генератор позволяет производить газ непосредственно в месте потребления при наличии необходимой инфраструктуры сжатого воздуха.
Это может снизить зависимость от графика внешних поставок.
Производство По Потребности
Система может быть рассчитана на реальный профиль потребления предприятия вместо хранения большого объема готового газа.
При переменной нагрузке важную роль играет правильно рассчитанный ресивер азота.
Контроль Параметров
Современные PSA-системы могут автоматически управлять переключением колонн и контролировать такие параметры, как давление, расход и чистота азота.
Это облегчает интеграцию генератора в общую производственную систему.
Возможность Подбора Чистоты
Производитель может выбрать параметры генератора исходя из реальной потребности.
Это зачастую рациональнее, чем использовать газ максимальной чистоты независимо от назначения.
Означает Ли Собственная Генерация Всегда Более Низкую Стоимость?
Не обязательно.
Экономический результат зависит от:
- годового потребления азота;
- требуемой чистоты;
- стоимости электроэнергии;
- эффективности компрессора;
- расхода сжатого воздуха;
- затрат на фильтрацию и осушение;
- обслуживания оборудования;
- стоимости альтернативного снабжения.
Поэтому вопрос стоимости следует рассматривать для конкретного объекта.
Для более подробной оценки факторов можно использовать отдельное руководство по стоимости генератора азота и окупаемости системы.
Как Выбрать Систему Генерации Азота?
Определите Требуемую Чистоту
Это один из первых параметров, который необходимо согласовать с технологическим процессом.
Не следует автоматически задавать максимальное значение, если оборудование или продукт этого не требуют.
Рассчитайте Реальный Расход
Необходимо знать нормальное, минимальное и максимальное потребление.
Если имеются короткие пики, следует определить, можно ли компенсировать их ресивером вместо значительного увеличения номинальной производительности генератора.
Определите Рабочее Давление
Для некоторых процессов азот после генерации необходимо дополнительно подавать при определенном давлении.
Требование следует учитывать еще на стадии проектирования.
Оцените Качество Исходного Воздуха
PSA-генератор зависит от стабильной подачи подготовленного сжатого воздуха.
Необходимо учитывать давление, температуру, влагу, масло и содержание твердых частиц.
Учитывайте Режим Работы
Система, работающая несколько часов в сутки, и установка для непрерывного производства требуют различного подхода к подбору оборудования и резервированию.
Для более детального подбора можно использовать руководство по выбору PSA-генератора азота.
А Как Производить Азот Для Лаборатории?
Для лабораторного применения логика выбора остается похожей, но расход обычно значительно меньше, а требования к качеству газа могут быть очень специфичными.
Необходимо определить:
- необходимую чистоту;
- давление;
- максимальный расход;
- допустимое содержание примесей;
- требования конкретного аналитического прибора или процесса.
Если лаборатория использует небольшой объем азота эпизодически, локальный промышленный PSA-генератор может оказаться избыточным.
Если же потребление стабильно и достаточно велико, собственная генерация может рассматриваться после сравнения с другими способами снабжения.
Таким образом, понятие «лабораторный азот» само по себе недостаточно для выбора оборудования — параметры должны определяться требованиями потребителя.
Заключение
Азот можно получать различными способами, включая PSA, мембранное и криогенное разделение воздуха. Каждая технология предназначена для определенного диапазона производительности, чистоты и условий эксплуатации.
Для промышленной генерации непосредственно на объекте PSA является практичным решением, поскольку использует подготовленный сжатый воздух и позволяет производить азот различной чистоты в зависимости от требований процесса.
При выборе системы необходимо учитывать не только концентрацию азота, но и фактический расход, рабочее давление, качество исходного воздуха, режим потребления и стоимость эксплуатации.
Наиболее эффективная система — это не обязательно установка с максимальной чистотой или производительностью, а оборудование, параметры которого соответствуют реальной задаче.
Для подбора PSA-генератора по чистоте, расходу, давлению и условиям конкретного производства можно связаться со специалистами LINGYU.
