سلسلة النيتروجين (II) تحضير النيتروجين

مصنعو إنتاج النيتروجين - مصنع وموردو إنتاج النيتروجين في الصين (xinfatools.com)

النيتروجين هو المكون الرئيسي للهواء، حيث يمثل حوالي 78٪ من الهواء. النيتروجين العنصري N2 هو غاز عديم اللون والرائحة في الظروف العادية. تبلغ كثافة الغاز في الحالة القياسية 1.25 جم/لتر. نقطة الانصهار هي -210 درجة مئوية، ونقطة الغليان هي -196 درجة مئوية. النيتروجين السائل هو مبرد بدرجة حرارة منخفضة (-196 درجة مئوية).

سنقدم اليوم عدة طرق رئيسية لإنتاج النيتروجين في الداخل والخارج.

هناك ثلاث طرق عامة لإنتاج النيتروجين على المستوى الصناعي: إنتاج النيتروجين بفصل الهواء المبرد، وإنتاج النيتروجين بامتصاص الضغط المتأرجح، وإنتاج النيتروجين بفصل الغشاء.

أولاً: طريقة إنتاج النيتروجين بفصل الهواء المبرد

إن إنتاج النيتروجين بفصل الهواء المبرد هو طريقة تقليدية لإنتاج النيتروجين لها تاريخ يمتد إلى عدة عقود تقريبًا. يستخدم الهواء كمادة خام، ويضغطه وينقيه، ثم يستخدم التبادل الحراري لتسييل الهواء إلى هواء سائل. الهواء السائل هو في الأساس خليط من الأكسجين السائل والنيتروجين السائل. يتم استخدام نقاط الغليان المختلفة للأكسجين السائل والنيتروجين السائل لفصلهما من خلال تقطير الهواء السائل للحصول على النيتروجين.

المزايا: إنتاج غاز كبير ونقاوة عالية للنيتروجين المنتج. يمكن أن ينتج إنتاج النيتروجين المبرد ليس فقط النيتروجين ولكن أيضًا النيتروجين السائل، والذي يلبي متطلبات عملية النيتروجين السائل ويمكن تخزينه في صهاريج تخزين النيتروجين السائل. عندما يكون هناك حمل نيتروجين متقطع أو إصلاح بسيط لمعدات فصل الهواء، يدخل النيتروجين السائل الموجود في خزان التخزين إلى المرذاذ ويتم تسخينه، ثم يتم إرساله إلى خط أنابيب النيتروجين للمنتج لتلبية طلب النيتروجين لوحدة المعالجة. إن دورة التشغيل لإنتاج النيتروجين المبرد (في إشارة إلى الفاصل الزمني بين تسخينين كبيرين) تكون عمومًا أكثر من عام واحد، لذلك لا يعتبر إنتاج النيتروجين المبرد عمومًا بمثابة وضع احتياطي.

العيوب: إنتاج النيتروجين المبرد يمكن أن ينتج نيتروجين بنقاء ≧99.999%، ولكن نقاء النيتروجين محدود بحمل النيتروجين، وعدد الصواني، وكفاءة الصينية ونقاء الأكسجين في الهواء السائل، ونطاق الضبط صغير جدًا. ولذلك، بالنسبة لمجموعة معدات إنتاج النيتروجين المبرد، فإن نقاء المنتج يكون مؤكدًا بشكل أساسي وغير مريح للتعديل. نظرًا لأن الطريقة المبردة يتم تنفيذها في درجات حرارة منخفضة للغاية، يجب أن يكون للمعدات عملية بدء تشغيل ما قبل التبريد قبل تشغيلها بشكل طبيعي. وقت بدء التشغيل، أي الوقت من بداية الموسع إلى الوقت الذي يصل فيه نقاء النيتروجين إلى المتطلبات، لا يقل بشكل عام عن 12 ساعة؛ قبل أن تدخل المعدات في عملية الإصلاح، يجب أن يكون لها فترة من التسخين والذوبان، بشكل عام 24 ساعة. ولذلك، لا ينبغي تشغيل معدات إنتاج النيتروجين المبرد وإيقافها بشكل متكرر، ومن المستحسن أن تعمل بشكل مستمر لفترة طويلة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن العملية المبردة معقدة، وتحتل مساحة كبيرة، ولها تكاليف بنية تحتية عالية، وتتطلب قوات صيانة خاصة، ولها عدد كبير من المشغلين، وتنتج الغاز ببطء (18 إلى 24 ساعة). إنها مناسبة لإنتاج النيتروجين الصناعي على نطاق واسع.

ثانياً: طريقة إنتاج النيتروجين بالضغط المتأرجح (PSA).

تعد تقنية فصل الغاز بامتصاص تأرجح الضغط (PSA) فرعًا مهمًا من تكنولوجيا فصل الغاز غير المبرد. إنها نتيجة لجهود الناس طويلة الأمد لإيجاد طريقة أبسط لفصل الهواء من الطريقة المبردة.

في سبعينيات القرن العشرين، نجحت شركة تعدين إيسن في ألمانيا الغربية في تطوير المناخل الجزيئية للكربون، مما مهد الطريق لتصنيع إنتاج النيتروجين الناتج عن فصل الهواء من نوع PSA. على مدار الثلاثين عامًا الماضية، تطورت هذه التكنولوجيا بسرعة ونضجت. لقد أصبح منافسًا قويًا لفصل الهواء المبرد في مجال إنتاج النيتروجين الصغير والمتوسط.

يستخدم إنتاج النيتروجين بامتصاص الضغط المتأرجح الهواء كمادة خام والمنخل الجزيئي للكربون كمادة ماصة. يستخدم خصائص الامتزاز الانتقائي للمنخل الجزيئي الكربوني للأكسجين والنيتروجين في الهواء، ويستخدم مبدأ الامتزاز المتأرجح بالضغط (امتزاز الضغط، وامتصاص تقليل الضغط وتجديد المنخل الجزيئي) لفصل الأكسجين والنيتروجين في درجة حرارة الغرفة لإنتاج النيتروجين.

بالمقارنة مع إنتاج النيتروجين بفصل الهواء المبرد، فإن إنتاج النيتروجين بامتصاص الضغط المتأرجح له مزايا كبيرة: يتم فصل الامتزاز في درجة حرارة الغرفة، العملية بسيطة، المعدات مدمجة، البصمة صغيرة، من السهل البدء والتوقف، يبدأ بسرعة، وإنتاج الغاز سريع (عموما حوالي 30 دقيقة)، واستهلاك الطاقة صغير، وتكلفة التشغيل منخفضة، ودرجة الأتمتة عالية، والتشغيل والصيانة مريحة، وتركيب الانزلاق مناسب، ولا يوجد أساس خاص مطلوب، ويمكن تعديل نقاء النيتروجين المنتج ضمن نطاق معين، وإنتاج النيتروجين هو ≥3000Nm3/h. لذلك، فإن إنتاج النيتروجين بامتصاص الضغط المتأرجح مناسب بشكل خاص للتشغيل المتقطع.

ومع ذلك، حتى الآن، لا يمكن لنظيراتها المحلية والأجنبية إنتاج النيتروجين إلا بنقاء 99.9% (أي O2≥0.1%) باستخدام تكنولوجيا إنتاج النيتروجين PSA. يمكن لبعض الشركات إنتاج 99.99% نيتروجين نقي (O2≥0.01%). من الممكن الحصول على نقاء أعلى من منظور تكنولوجيا إنتاج النيتروجين PSA، ولكن تكلفة الإنتاج مرتفعة للغاية ومن غير المرجح أن يقبلها المستخدمون. لذلك، فإن استخدام تكنولوجيا إنتاج النيتروجين PSA لإنتاج نيتروجين عالي النقاء يجب أن يضيف أيضًا جهاز تنقية بعد المرحلة.

طريقة تنقية النيتروجين (المقياس الصناعي)

(1) طريقة الهدرجة ونزع الأكسجين.

تحت تأثير المحفز، يتفاعل الأكسجين المتبقي في النيتروجين مع الهيدروجين المضاف لإنتاج الماء، وصيغة التفاعل هي: 2H2 + O2 = 2H2O. بعد ذلك، تتم إزالة الماء بواسطة ضاغط نيتروجين عالي الضغط، ويتم الحصول على النيتروجين عالي النقاء مع المكونات الرئيسية التالية عن طريق التجفيف اللاحق: N2≥99.999%، O2≥5×10-6، H2≥1500× 10-6، H2O≥10.7×10-6. تبلغ تكلفة إنتاج النيتروجين حوالي 0.5 يوان/م3.

(2) طريقة الهدرجة وإزالة الأكسجين.

تنقسم هذه الطريقة إلى ثلاث مراحل: المرحلة الأولى هي الهدرجة ونزع الأكسجين، والمرحلة الثانية هي نزع الهيدروجين، والمرحلة الثالثة هي إزالة الماء. يتم الحصول على نيتروجين عالي النقاء بالتركيبة التالية: N2 ≥ 99.999%، O2 ≥ 5 × 10-6، H2 ≥ 5 × 10-6، H2O ≥ 10.7 × 10-6. تبلغ تكلفة إنتاج النيتروجين حوالي 0.6 يوان/م3.

(3) طريقة إزالة الأكسجين من الكربون.

تحت تأثير المحفز المدعم بالكربون (عند درجة حرارة معينة)، يتفاعل الأكسجين المتبقي في النيتروجين العادي مع الكربون الذي يوفره المحفز نفسه لتوليد ثاني أكسيد الكربون. صيغة التفاعل: C + O2 = CO2. بعد المرحلة اللاحقة لإزالة ثاني أكسيد الكربون وH2O، يتم الحصول على نيتروجين عالي النقاء بالتركيبة التالية: N2 ≥ 99.999%، O2 ≥ 5 × 10-6، CO2 ≥ 5 × 10-6، H2O ≥ 10.7 × 10-6. تبلغ تكلفة إنتاج النيتروجين حوالي 0.6 يوان/م3.

ثالثاً: الفصل الغشائي وإنتاج النتروجين بفصل الهواء

يعد فصل الغشاء وإنتاج النيتروجين بفصل الهواء أيضًا فرعًا جديدًا من تكنولوجيا إنتاج النيتروجين غير المبرد. إنها طريقة جديدة لإنتاج النيتروجين تطورت بسرعة في الخارج في الثمانينيات. وقد تم الترويج لها وتطبيقها في الصين في السنوات الأخيرة.

يستخدم إنتاج النيتروجين بفصل الغشاء الهواء كمادة خام. تحت ضغط معين، فإنه يستخدم معدلات تخلل مختلفة للأكسجين والنيتروجين في غشاء الألياف المجوفة لفصل الأكسجين والنيتروجين لإنتاج النيتروجين. بالمقارنة مع طريقتي إنتاج النيتروجين المذكورتين أعلاه، فهي تتميز بخصائص هيكل المعدات الأبسط، الحجم الأصغر، عدم وجود صمام تبديل، التشغيل والصيانة الأبسط، إنتاج الغاز بشكل أسرع (في غضون 3 دقائق)، وتوسيع السعة الأكثر ملاءمة.

ومع ذلك، فإن أغشية الألياف المجوفة لها متطلبات أكثر صرامة فيما يتعلق بنظافة الهواء المضغوط. تكون الأغشية عرضة للشيخوخة والفشل، ويصعب إصلاحها. يجب استبدال الأغشية الجديدة.

يعد إنتاج النيتروجين بفصل الغشاء أكثر ملاءمة للمستخدمين الصغار والمتوسطين الذين لديهم متطلبات نقاء النيتروجين بنسبة ≥98٪، ولديه أفضل نسبة وظيفة إلى السعر في هذا الوقت؛ عندما تكون نسبة نقاء النيتروجين أعلى من 98%، فهي أعلى بحوالي 30% من جهاز إنتاج النيتروجين بامتصاص الضغط المتأرجح بنفس المواصفات. ولذلك، عندما يتم إنتاج النيتروجين عالي النقاء من خلال الجمع بين إنتاج النيتروجين بفصل الغشاء وأجهزة تنقية النيتروجين، فإن نقاء النيتروجين العام يكون عمومًا 98٪، مما سيزيد من تكلفة الإنتاج وتكلفة تشغيل جهاز التنقية.