Nitrogen Series (II) การเตรียมไนโตรเจน

ผู้ผลิตการผลิตไนโตรเจน - โรงงานผลิตไนโตรเจนในจีนและซัพพลายเออร์ (xinfatools.com)

ไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบหลักของอากาศ คิดเป็นประมาณ 78% ของอากาศ ธาตุไนโตรเจน N2 เป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่นภายใต้สภาวะปกติ ความหนาแน่นของก๊าซภายใต้สถานะมาตรฐานคือ 1.25 กรัม/ลิตร จุดหลอมเหลวคือ -210°C และจุดเดือดคือ -196°C ไนโตรเจนเหลวเป็นสารทำความเย็นอุณหภูมิต่ำ (-196°C)

วันนี้เราจะมาแนะนำวิธีการหลักหลายประการในการผลิตไนโตรเจนทั้งในและต่างประเทศ

มีวิธีการผลิตไนโตรเจนในระดับอุตสาหกรรมทั่วไปสามวิธี: การผลิตไนโตรเจนแบบแยกอากาศด้วยความเย็นจัด, การผลิตไนโตรเจนแบบดูดซับด้วยแรงดันสวิง และการผลิตไนโตรเจนแบบแยกเมมเบรน

ขั้นแรก: วิธีการผลิตไนโตรเจนแบบแยกอากาศแบบไครโอเจนิก

การผลิตไนโตรเจนแบบแยกอากาศด้วยความเย็นเป็นวิธีการผลิตไนโตรเจนแบบดั้งเดิมที่มีประวัติยาวนานเกือบหลายทศวรรษ โดยจะใช้อากาศเป็นวัตถุดิบ บีบอัดและทำให้บริสุทธิ์ จากนั้นใช้การแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อทำให้อากาศกลายเป็นของเหลวให้เป็นอากาศของเหลว อากาศเหลวส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมของออกซิเจนเหลวและไนโตรเจนเหลว จุดเดือดที่แตกต่างกันของออกซิเจนเหลวและไนโตรเจนเหลวถูกนำมาใช้เพื่อแยกพวกมันผ่านการกลั่นอากาศเหลวเพื่อให้ได้ไนโตรเจน

ข้อดี: การผลิตก๊าซจำนวนมากและไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง การผลิตไนโตรเจนแบบแช่แข็งสามารถผลิตได้ไม่เพียงแต่ไนโตรเจนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงไนโตรเจนเหลวด้วย ซึ่งตรงตามข้อกำหนดกระบวนการของไนโตรเจนเหลว และสามารถเก็บไว้ในถังเก็บไนโตรเจนเหลว เมื่อมีโหลดไนโตรเจนเป็นระยะๆ หรือมีการซ่อมแซมอุปกรณ์แยกอากาศเล็กน้อย ไนโตรเจนเหลวในถังเก็บจะเข้าสู่เครื่องทำให้ไอระเหยและได้รับความร้อน จากนั้นจึงส่งไปยังท่อส่งไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์เพื่อตอบสนองความต้องการไนโตรเจนของหน่วยกระบวนการ วงจรการทำงานของการผลิตไนโตรเจนแบบแช่แข็ง (หมายถึงช่วงเวลาระหว่างการให้ความร้อนขนาดใหญ่สองครั้ง) โดยทั่วไปจะใช้เวลามากกว่า 1 ปี ดังนั้น โดยทั่วไปการผลิตไนโตรเจนแบบแช่แข็งจึงไม่ถือเป็นการสแตนด์บาย

ข้อเสีย: การผลิตไนโตรเจนแบบไครโอเจนิกสามารถผลิตไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ ≧99.999% แต่ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนถูกจำกัดด้วยปริมาณไนโตรเจน จำนวนถาด ประสิทธิภาพของถาด และความบริสุทธิ์ของออกซิเจนในอากาศของเหลว และช่วงการปรับค่ามีขนาดเล็กมาก ดังนั้นสำหรับชุดอุปกรณ์การผลิตไนโตรเจนแบบแช่แข็ง ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์โดยทั่วไปจึงมีความแน่นอนและไม่สะดวกในการปรับเปลี่ยน เนื่องจากวิธีการแช่แข็งจะดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำมาก อุปกรณ์จะต้องมีกระบวนการเริ่มต้นการทำความเย็นก่อนจึงจะนำไปใช้งานได้ตามปกติ เวลาเริ่มต้นนั่นคือเวลาตั้งแต่เริ่มต้นเครื่องขยายจนถึงเวลาที่ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนถึงความต้องการ โดยทั่วไปจะไม่น้อยกว่า 12 ชั่วโมง ก่อนที่อุปกรณ์จะเข้าสู่การยกเครื่องจะต้องมีระยะเวลาทำความร้อนและละลายโดยทั่วไปคือ 24 ชั่วโมง ดังนั้นจึงไม่ควรเริ่มและหยุดอุปกรณ์การผลิตไนโตรเจนแบบแช่แข็งบ่อยครั้ง และแนะนำให้ใช้งานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน

นอกจากนี้ กระบวนการไครโอเจนิกยังซับซ้อน ครอบครองพื้นที่ขนาดใหญ่ มีต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานสูง ต้องใช้กำลังในการบำรุงรักษาพิเศษ มีผู้ปฏิบัติงานจำนวนมาก และผลิตก๊าซช้า (18 ถึง 24 ชั่วโมง) เหมาะสำหรับการผลิตไนโตรเจนในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

ประการที่สอง: วิธีการผลิตไนโตรเจนด้วยการดูดซับด้วยแรงดันสวิง (PSA)

เทคโนโลยีการแยกก๊าซด้วยการดูดซับด้วยแรงดันสวิง (PSA) เป็นสาขาที่สำคัญของเทคโนโลยีการแยกก๊าซแบบไม่แช่แข็ง เป็นผลมาจากความพยายามในระยะยาวของผู้คนในการค้นหาวิธีการแยกอากาศที่ง่ายกว่าวิธีการแช่แข็ง

ในทศวรรษ 1970 บริษัทเหมืองแร่ Essen ของเยอรมนีตะวันตกประสบความสำเร็จในการพัฒนาตะแกรงโมเลกุลคาร์บอน ซึ่งปูทางไปสู่การพัฒนาอุตสาหกรรมของการผลิตไนโตรเจนจากการแยกอากาศของ PSA ตลอด 30 ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีนี้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วและเติบโตเต็มที่ ได้กลายเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งในด้านการแยกอากาศด้วยความเย็นเยือกแข็งในด้านการผลิตไนโตรเจนขนาดเล็กและขนาดกลาง

การผลิตไนโตรเจนดูดซับแบบสวิงแรงดันใช้อากาศเป็นวัตถุดิบและตะแกรงโมเลกุลคาร์บอนเป็นตัวดูดซับ ใช้ลักษณะของการดูดซับออกซิเจนและไนโตรเจนแบบเลือกสรรของตะแกรงโมเลกุลคาร์บอนในอากาศ และใช้หลักการดูดซับแบบแกว่งด้วยแรงดัน (การดูดซับแรงดัน การดูดซับการลดความดัน และการสร้างตะแกรงโมเลกุลใหม่) เพื่อแยกออกซิเจนและไนโตรเจนที่อุณหภูมิห้องเพื่อผลิตไนโตรเจน

เมื่อเทียบกับการผลิตไนโตรเจนแบบแยกอากาศด้วยความเย็นจัด การผลิตไนโตรเจนการดูดซับด้วยแรงดันสวิงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ: การแยกการดูดซับจะดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง กระบวนการง่าย อุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัด รอยเท้ามีขนาดเล็ก มันง่ายต่อการเริ่มต้นและหยุด มัน เริ่มต้นอย่างรวดเร็ว การผลิตก๊าซรวดเร็ว (โดยทั่วไปประมาณ 30 นาที) การใช้พลังงานน้อย ต้นทุนการดำเนินงานต่ำ ระดับของระบบอัตโนมัติสูง การดำเนินงานและการบำรุงรักษาสะดวก การติดตั้งลื่นไถลสะดวก ไม่มีรากฐานพิเศษ จำเป็นต้องมี ความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์สามารถปรับได้ภายในช่วงที่กำหนด และการผลิตไนโตรเจนคือ ≤3000Nm3/ชม. ดังนั้นการผลิตไนโตรเจนดูดซับแบบแกว่งด้วยแรงดันจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทำงานที่ไม่ต่อเนื่อง

อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ ทั้งในประเทศและต่างประเทศสามารถผลิตไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์ 99.9% เท่านั้น (เช่น O2≤0.1%) โดยใช้เทคโนโลยีการผลิตไนโตรเจน PSA บางบริษัทสามารถผลิตไนโตรเจนบริสุทธิ์ได้ 99.99% (O2≤0.01%) ความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้นนั้นเป็นไปได้จากมุมมองของเทคโนโลยีการผลิตไนโตรเจน PSA แต่ต้นทุนการผลิตสูงเกินไปและผู้ใช้ไม่น่าจะยอมรับได้ ดังนั้นการใช้เทคโนโลยีการผลิตไนโตรเจน PSA เพื่อผลิตไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงจึงต้องเพิ่มอุปกรณ์ทำให้บริสุทธิ์หลังขั้นตอนด้วย

วิธีการทำให้ไนโตรเจนบริสุทธิ์ (ระดับอุตสาหกรรม)

(1) วิธีการกำจัดออกซิเจนด้วยไฮโดรเจน

ภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา ออกซิเจนที่ตกค้างในไนโตรเจนจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปเพื่อผลิตน้ำ และสูตรปฏิกิริยาคือ: 2H2 + O2 = 2H2O จากนั้น น้ำจะถูกกำจัดออกโดยเครื่องเพิ่มแรงดันคอมเพรสเซอร์ไนโตรเจนแรงดันสูง และไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งมีส่วนประกอบหลักดังต่อไปนี้จะได้มาจากการทำให้แห้งภายหลัง: N2≥99.999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10.7×10-6 ต้นทุนการผลิตไนโตรเจนอยู่ที่ประมาณ 0.5 หยวน/ลบ.ม.

(2) วิธีการเติมไฮโดรเจนและดีออกซิเจน

วิธีการนี้แบ่งออกเป็นสามขั้นตอน: ขั้นตอนแรกคือไฮโดรจิเนชันและดีออกซิเจน ขั้นตอนที่สองคือดีไฮโดรจีเนชัน และขั้นตอนที่สามคือการกำจัดน้ำ ได้รับไนโตรเจนความบริสุทธิ์สูงที่มีองค์ประกอบดังต่อไปนี้: N2 ≥ 99.999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10.7 × 10-6 ต้นทุนการผลิตไนโตรเจนอยู่ที่ประมาณ 0.6 หยวน/ลบ.ม.

(3) วิธีการกำจัดออกซิเจนด้วยคาร์บอน

ภายใต้การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคาร์บอน (ที่อุณหภูมิที่กำหนด) ออกซิเจนที่ตกค้างในไนโตรเจนธรรมดาจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนที่มาจากตัวเร่งปฏิกิริยาเองเพื่อสร้าง CO2 สูตรปฏิกิริยา: C + O2 = CO2 หลังจากขั้นตอนต่อไปของการกำจัด CO2 และ H2O จะได้ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งมีองค์ประกอบดังต่อไปนี้: N2 ≥ 99.999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10.7 × 10-6 ต้นทุนการผลิตไนโตรเจนอยู่ที่ประมาณ 0.6 หยวน/ลบ.ม.

ประการที่สาม: การแยกเมมเบรนและการผลิตไนโตรเจนจากการแยกอากาศ

การผลิตไนโตรเจนแบบแยกเมมเบรนและแยกอากาศเป็นสาขาใหม่ของเทคโนโลยีการผลิตไนโตรเจนแบบไม่แช่แข็ง เป็นวิธีการผลิตไนโตรเจนแบบใหม่ที่พัฒนาอย่างรวดเร็วในต่างประเทศในช่วงทศวรรษ 1980 ได้รับการส่งเสริมและนำไปใช้ในประเทศจีนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

การผลิตไนโตรเจนแบบแยกเมมเบรนใช้อากาศเป็นวัตถุดิบ ภายใต้แรงกดดันบางอย่าง จะใช้อัตราการซึมผ่านที่แตกต่างกันของออกซิเจนและไนโตรเจนในเมมเบรนเส้นใยกลวงเพื่อแยกออกซิเจนและไนโตรเจนเพื่อผลิตไนโตรเจน เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการผลิตไนโตรเจนสองวิธีข้างต้น มีลักษณะของโครงสร้างอุปกรณ์ที่เรียบง่ายกว่า ปริมาตรน้อยลง ไม่มีวาล์วสวิตชิ่ง การทำงานและการบำรุงรักษาง่ายขึ้น การผลิตก๊าซเร็วขึ้น (ภายใน 3 นาที) และการขยายกำลังการผลิตที่สะดวกยิ่งขึ้น

อย่างไรก็ตาม เมมเบรนเส้นใยกลวงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับความสะอาดของอากาศอัด เมมเบรนมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพและเสียหายได้ง่าย และซ่อมแซมได้ยาก จำเป็นต้องเปลี่ยนเมมเบรนใหม่

การผลิตไนโตรเจนแบบแยกเมมเบรนเหมาะสำหรับผู้ใช้ขนาดเล็กและขนาดกลางที่มีความต้องการความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนอยู่ที่ ≤98% และมีอัตราส่วนราคาต่อฟังก์ชันที่ดีที่สุดในขณะนี้ เมื่อต้องมีความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนสูงกว่า 98% จะสูงกว่าอุปกรณ์ผลิตไนโตรเจนดูดซับแรงดันสวิงที่มีข้อกำหนดเดียวกันประมาณ 30% ดังนั้น เมื่อผลิตไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยการรวมการผลิตไนโตรเจนแบบแยกเมมเบรนและอุปกรณ์ทำให้บริสุทธิ์ไนโตรเจน โดยทั่วไปความบริสุทธิ์ของไนโตรเจนทั่วไปจะอยู่ที่ 98% ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิตและต้นทุนการดำเนินงานของอุปกรณ์ทำให้บริสุทธิ์