Индустриальное производство азота: технологии и перспективы

Промышленный азот получают главным образом из атмосферного воздуха посредством низкотемпературной ректификации или мембранной сепарации — результат производство азота. Газ востребован в удобрениях, металлургии, фармацевтике и электронике. Потребители ценят высокую инертность молекулы, отсутствие запаха и доступное сырьё.

Сырьё и подготовка

Компрессоры нагнетают воздух, который затем проходит ступени очистки. Адсорбционные осушители улавливают влагу, коалесцентные фильтры задерживают аэрозоли, катализаторы разлагают оксиды углерода. Полученная смесь почти лишена примесей, что повышает эффективность последующей фракционизации.

Криогенная ректификация

Охлаждение до −185 °C приводит к конденсации кислорода раньше азота благодаря различной температуре кипения. Столб ректификационной колонны удерживает противотоки пара и жидкости. Контактные тарелки формируют многочисленные равновесные стадии, обеспечивая разделение потоков. На верху колонны извлекают газообразный продукт с чистотой 99,999 %. Жидкий остаток содержит обогащённый кислород, который обычно отправляют на соседние участки.

Мембраны и адсорбция

Компактные модульные установки применяют полимерные мембраны, проницаемые для кислорода и аргона. Азот, проходящий с меньшей скоростью, концентрируется на стороне высокого давления. Давление сброса регулирует выходную частоту. Для малых потоков выбирают адсорбционные генераторы с чередованием колонн, заполненных цеолитами. При атмосферном разрежении адсорбент адсорбирует кислород и влагу, после чего цикл повторяется. Представленные методы уступают криогенной схеме по чистоте, зато выигрывают по энергетическомуим затратами времени пуска.

Сжатый азот транспортируют по стальным трубопроводам или в баллонах. Клапаны безопасности блокируют обратный поток кислорода, исключая риск детонации при контакте с маслом. На объектах пищевой промышленности газ применяют для инертной среды, предотвращающей окисление продукции.

Выбросы холодного воздуха из криогенных установок содержат незначительное количество азота и продукта очистки, поэтому дополнительная утилизация отсутствует. Основной экологический фактор связан с энергопотреблением компрессоров. Применение рекуперативных теплообменников и частотного регулирования приводит к снижению удельных затрат электричества.

Новые проекты предусматривают интеграцию перехода на возобновляемые источники энергии. Гибридные схемы с мембранами и рекуперацией холода при сжижения углекислого газа формируют тенденцию к улучшению экономических показателей и уменьшению углеродного следа.

Газ N₂ занимает около 78 % объёма атмосферы и служит основой для выпуска удобрений, полупроводников, защитной среды при сварке и хранения пищевых продуктов. Промышленность применяет три главных пути извлечения N2 из воздуха: криогенное разделение, адсорбция при переменном давлении и мембранную фильтрацию.

Криогенное разделение

Технология основана на сжижении воздуха с последующей ректификацией. Для получения жидкого потока используют турбоэкспандер, холодильные циклы с азотом низкого давления, теплообменники предохладки. В ректификационной колонне проходящий поток разделяется на фракции по температуре кипения. Кислород отводят снизу, азот собирают вверху при частоте до 99,999 %.

Установка включает воздушный компрессор многоступенчатого типа, систему очистки от СО₂ и влаги, детандер для понижения температуры, главную колонну, азотный конденсатор-испаритель. Механизмы работают под давлением 4–7 бар, максимальная доля энергозатрат приходится на компрессию. Внедрение рекуперативных теплообменников снижает удельные кВт·ч на выходной кубометр газа.

Крупные комплексы выдают до 2000 т/сут нефракционированного азота. При расширении расхода баланс между давлением сжатия и точкой росы держат в пределах, исключающих замерзание CO₂ в холодной коробке.

ПСА-установка

Адсорбционный метод работает под температурой окружающей среды. Сжатый воздух проходит слой гранул углеродного молекулярного сита, О₂, СО₂ и водяной пар связываются прочнее, N₂ выходит в линию потребителя. При понижении давления адсорбент регенерируется. Длительность цикла составляет 60–120 с.

Выходная концентрация азота достигает 95–99,999 % при производительности от нескольких нормальных кубов в час до сотен. Конструкция компактна, пуск занимает минуты, расход электроэнергии — 0,3–1,1 кВт·ч/нм³ благодаря отсутствию охлаждающих компрессоров низкой температуры.

Для стабильности непрерывный блок собирают из двух колонн, работающих противофазно. Автоматика управляет клапанами, измеряет давление, температуру, остаточный кислород, сохраняя паспортную чистоту без привлечения оператора.

Мембранные решения

Полимерные волокна с микропорами проводят N₂ медленнее, чем О₂ и водород, из-за различий коэффициентов диффузии. Сжатый воздух подают во вход коллектора, проникший через стенку раствор к обечайке обогащён кислородом, остаток в сердцевине содержит до 99,5 % N₂. Требуемая чистота достигается за счёт каскадного включения модулей.

Компоновка не использует движущихся частей, поэтому механический износ минимален. Мембраны чувствительны к масляному аэрозолю и частицам, поэтому линии предварительной фильтрации включают коалесцентные элементы и хладагентные осушители.

На крупных площадках применяют комбинации: мембрана снижает долю кислорода с 21 до 5 %, далее ПСА доводит газ до 99,99 %. Суммарная мощность компрессоров падает на 15–20 % по сравнению с чистой ПСА схеме.

Промышленный азот относится к инертным средам, при утечке возникает риск гипоксии. Производственные здания обеспечивают вентиляцию и контрольно-сигнальные приборы по кислороду. Магистрали маркируют жёлтой полосой с чёрной надписью N₂.

Энергетический выход каждого метода влияет на углеродный след продукции. Повышение эффективности додостигается за счёт модернизации приводных электродвигателей, рекуперации холодного потока и оптимизации циклов адсорбции.

Выбор технологии зависит от требуемой чистоты, расхода, доступности энергоресурса и требований к мобильности. Криогенная установка экономична в масштабе сотен тонн, ПСА удобна для разбросанных площадок, мембранный модуль подходит при средних объёмах и несложной логистике.