Con el progreso de la ciencia y la tecnología y el desarrollo de la economía, el ámbito de aplicación del nitrógeno se amplía día a día y ha penetrado en muchos sectores industriales y en la vida cotidiana.
El nitrógeno es el componente principal del aire y representa aproximadamente el 78% del aire. El nitrógeno elemental N2 es un gas incoloro e inodoro en condiciones normales. La densidad del gas en estado estándar es 1,25 g/L. El punto de fusión es -210 ℃ y el punto de ebullición es -196 ℃. El nitrógeno líquido es un refrigerante de baja temperatura (-196 ℃).
Hoy presentaremos varios métodos principales para producir nitrógeno en el país y en el extranjero.
Hay tres métodos generales de producción de nitrógeno a escala industrial: producción de nitrógeno por separación criogénica de aire, producción de nitrógeno por adsorción por cambio de presión y producción de nitrógeno por separación por membrana.
Primero: método criogénico de producción de nitrógeno con separación de aire
La producción criogénica de nitrógeno con separación de aire es un método tradicional de producción de nitrógeno con una historia de casi varias décadas. Utiliza aire como materia prima, lo comprime y purifica y luego utiliza el intercambio de calor para licuar el aire y convertirlo en aire líquido. El aire líquido es principalmente una mezcla de oxígeno líquido y nitrógeno líquido. Los diferentes puntos de ebullición del oxígeno líquido y del nitrógeno líquido se aprovechan para separarlos mediante la destilación del aire líquido para obtener nitrógeno.
Ventajas: gran producción de gas y alta pureza del nitrógeno producido. La producción criogénica de nitrógeno puede producir no solo nitrógeno sino también nitrógeno líquido, que cumple con los requisitos del proceso del nitrógeno líquido y puede almacenarse en tanques de almacenamiento de nitrógeno líquido. Cuando hay una carga intermitente de nitrógeno o una reparación menor del equipo de separación de aire, el nitrógeno líquido en el tanque de almacenamiento ingresa al vaporizador y se calienta, y luego se envía a la tubería de nitrógeno producto para satisfacer la demanda de nitrógeno de la unidad de proceso. El ciclo operativo de la producción criogénica de nitrógeno (refiriéndose al intervalo entre dos grandes calentamientos) es generalmente de más de 1 año, por lo que la producción criogénica de nitrógeno generalmente no se considera como un recurso de reserva.
Desventajas: La producción criogénica de nitrógeno puede producir nitrógeno con una pureza de ≥99,999%, pero la pureza del nitrógeno está limitada por la carga de nitrógeno, el número de bandejas, la eficiencia de las bandejas y la pureza del oxígeno en el aire líquido, y el rango de ajuste es muy pequeño. Por lo tanto, para un conjunto de equipos de producción criogénica de nitrógeno, la pureza del producto es básicamente cierta y resulta inconveniente ajustarla. Dado que el método criogénico se realiza a temperaturas extremadamente bajas, el equipo debe tener un proceso de puesta en marcha de preenfriamiento antes de su puesta en funcionamiento normal. El tiempo de puesta en marcha, es decir, el tiempo desde el inicio del expansor hasta el momento en que la pureza del nitrógeno alcanza el requisito, no es generalmente inferior a 12 horas; antes de que el equipo entre a overhaul, debe tener un período de calentamiento y descongelamiento, generalmente de 24 horas. Por lo tanto, el equipo de producción criogénica de nitrógeno no debe iniciarse ni detenerse con frecuencia, y es aconsejable operar de forma continua durante un tiempo prolongado.
Además, el proceso criogénico es complejo, ocupa una gran superficie, tiene elevados costes de infraestructura, requiere fuerzas especiales de mantenimiento, cuenta con un gran número de operadores y produce gas lentamente (de 18 a 24 horas). Es adecuado para la producción industrial de nitrógeno a gran escala.
Segundo: Método de producción de nitrógeno por adsorción por cambio de presión (PSA)
La tecnología de separación de gases por adsorción por cambio de presión (PSA) es una rama importante de la tecnología de separación de gases no criogénica. Es el resultado de los esfuerzos a largo plazo de las personas para encontrar un método de separación de aire más simple que el método criogénico.
En la década de 1970, la Essen Mining Company de Alemania Occidental desarrolló con éxito tamices moleculares de carbono, allanando el camino para la industrialización de la producción de nitrógeno por separación de aire mediante PSA. Durante los últimos 30 años, esta tecnología se ha desarrollado rápidamente y ha madurado. Se ha convertido en un fuerte competidor de la separación criogénica de aire en el campo de la producción de nitrógeno a pequeña y mediana escala.
La producción de nitrógeno por adsorción por cambio de presión utiliza aire como materia prima y tamiz molecular de carbono como adsorbente. Utiliza las características de la adsorción selectiva de oxígeno y nitrógeno en el aire por parte del tamiz molecular de carbono, y utiliza el principio de adsorción por cambio de presión (adsorción por presión, desorción por reducción de presión y regeneración del tamiz molecular) para separar oxígeno y nitrógeno a temperatura ambiente para producir nitrógeno.
En comparación con la producción de nitrógeno por separación criogénica de aire, la producción de nitrógeno por adsorción por cambio de presión tiene ventajas significativas: la separación por adsorción se lleva a cabo a temperatura ambiente, el proceso es simple, el equipo es compacto, ocupa poco espacio, es fácil de iniciar y detener, comienza rápidamente, la producción de gas es rápida (generalmente alrededor de 30 minutos), el consumo de energía es pequeño, el costo operativo es bajo, el grado de automatización es alto, la operación y el mantenimiento son convenientes, la instalación del patín es conveniente, sin base especial Se requiere, la pureza del nitrógeno del producto se puede ajustar dentro de un cierto rango y la producción de nitrógeno es ≤3000Nm3/h. Por lo tanto, la producción de nitrógeno por adsorción por cambio de presión es particularmente adecuada para el funcionamiento intermitente.
Sin embargo, hasta ahora, sus homólogos nacionales y extranjeros sólo pueden producir nitrógeno con una pureza del 99,9% (es decir, O2≤0,1%) utilizando la tecnología de producción de nitrógeno PSA. Algunas empresas pueden producir nitrógeno puro al 99,99% (O2≤0,01%). Es posible una mayor pureza desde la perspectiva de la tecnología de producción de nitrógeno PSA, pero el costo de producción es demasiado alto y es poco probable que los usuarios lo acepten. Por lo tanto, el uso de la tecnología de producción de nitrógeno PSA para producir nitrógeno de alta pureza también debe agregar un dispositivo de purificación posterior a la etapa.
Método de purificación de nitrógeno (escala industrial)
(1) Método de hidrogenación y desoxigenación.
Bajo la acción de un catalizador, el oxígeno residual del nitrógeno reacciona con el hidrógeno añadido para producir agua y la fórmula de reacción es: 2H2 + O2 = 2H2O. Luego, el agua se elimina mediante un compresor reforzador de nitrógeno de alta presión y el nitrógeno de alta pureza con los siguientes componentes principales se obtiene mediante post-secado: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. El coste de producción de nitrógeno es de aproximadamente 0,5 yuanes/m3.
(2) Método de hidrogenación y desoxigenación.
Este método se divide en tres etapas: la primera etapa es la hidrogenación y desoxigenación, la segunda etapa es la deshidrogenación y la tercera etapa es la eliminación del agua. Se obtiene nitrógeno de alta pureza con la siguiente composición: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. El coste de producción de nitrógeno es de aproximadamente 0,6 yuanes/m3.
(3) Método de desoxigenación del carbono.
Bajo la acción de un catalizador soportado por carbono (a una determinada temperatura), el oxígeno residual del nitrógeno ordinario reacciona con el carbono proporcionado por el propio catalizador para generar CO2. Fórmula de reacción: C + O2 = CO2. Tras la posterior etapa de eliminación de CO2 y H2O se obtiene nitrógeno de alta pureza con la siguiente composición: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. El coste de producción de nitrógeno es de aproximadamente 0,6 yuanes/m3.
Tercero: separación por membrana y producción de nitrógeno por separación de aire.
La producción de nitrógeno con separación por membrana y separación por aire también es una nueva rama de la tecnología de producción de nitrógeno no criogénico. Se trata de un nuevo método de producción de nitrógeno que se desarrolló rápidamente en el extranjero en los años 1980. Ha sido promovido y aplicado en China en los últimos años.
La producción de nitrógeno por separación por membrana utiliza aire como materia prima. Bajo cierta presión, utiliza las diferentes tasas de permeación de oxígeno y nitrógeno en la membrana de fibra hueca para separar el oxígeno y el nitrógeno y producir nitrógeno. En comparación con los dos métodos de producción de nitrógeno anteriores, tiene las características de una estructura de equipo más simple, un volumen más pequeño, sin válvula de conmutación, operación y mantenimiento más simples, producción de gas más rápida (en 3 minutos) y una expansión de capacidad más conveniente.
Sin embargo, las membranas de fibra hueca tienen requisitos más estrictos en cuanto a la limpieza del aire comprimido. Las membranas son propensas a envejecer y fallar, y son difíciles de reparar. Es necesario reemplazar membranas nuevas.
La producción de nitrógeno por separación por membrana es más adecuada para usuarios pequeños y medianos con requisitos de pureza de nitrógeno de ≤98% y tiene la mejor relación función-precio en este momento; cuando se requiere que la pureza del nitrógeno sea superior al 98%, es aproximadamente un 30% más alta que el dispositivo de producción de nitrógeno por adsorción por cambio de presión de la misma especificación. Por lo tanto, cuando se produce nitrógeno de alta pureza combinando la producción de nitrógeno con separación por membrana y dispositivos de purificación de nitrógeno, la pureza del nitrógeno general es generalmente del 98%, lo que aumentará el costo de producción y el costo de operación del dispositivo de purificación.
Hora de publicación: 24 de julio de 2024
