Með framþróun vísinda og tækni og þróun hagkerfis stækkar notkunarsvið köfnunarefnis dag frá degi og hefur slegið í gegn í mörgum iðngreinum og daglegu lífi.
Köfnunarefni er aðalhluti lofts og er um 78% af lofti. Frumefnisnitur N2 er litlaus og lyktarlaus gas við venjulegar aðstæður. Gasþéttleiki undir stöðluðu ástandi er 1,25 g/L. Bræðslumarkið er -210 ℃ og suðumarkið er -196 ℃. Fljótandi köfnunarefni er lághita kælimiðill (-196 ℃).
Í dag munum við kynna nokkrar helstu aðferðir til að framleiða köfnunarefni heima og erlendis.
Það eru þrjár almennar framleiðsluaðferðir fyrir köfnunarefnisframleiðslu í iðnaði: köfnunarefnisframleiðsla í köfnunarefnisaðskilnaði í loftkælingu, köfnunarefnisframleiðsla aðsogs með þrýstingssveiflu og köfnunarefnisframleiðsla í himnuaðskilnaði.
Í fyrsta lagi: Cryogenic loftaðskilnaður köfnunarefnisframleiðsluaðferð
Köfnunarefnisframleiðsla með köfnunarefni í loftaðskilnaði er hefðbundin köfnunarefnisframleiðsluaðferð með næstum nokkra áratuga sögu. Það notar loft sem hráefni, þjappar saman og hreinsar það og notar síðan hitaskipti til að vökva loftið í fljótandi loft. Fljótandi loft er aðallega blanda af fljótandi súrefni og fljótandi köfnunarefni. Mismunandi suðumark fljótandi súrefnis og fljótandi köfnunarefnis eru notaðir til að aðskilja þau með eimingu fljótandi lofts til að fá köfnunarefni.
Kostir: mikil gasframleiðsla og hár hreinleiki köfnunarefnis. Cryogenic köfnunarefnisframleiðsla getur framleitt ekki aðeins köfnunarefni heldur einnig fljótandi köfnunarefni, sem uppfyllir vinnslukröfur fljótandi köfnunarefnis og er hægt að geyma í fljótandi köfnunarefnisgeymslutankum. Þegar það er hlé á köfnunarefnisálagi eða minniháttar viðgerð á loftskilunarbúnaðinum, fer fljótandi köfnunarefni í geymslutankinum inn í uppgufunartækið og er hitað og síðan sent í köfnunarefnisleiðslu vörunnar til að mæta köfnunarefnisþörf vinnslueiningarinnar. Rekstrarlota köfnunarefnisframleiðslunnar (sem vísar til bilsins á milli tveggja stórra upphitunar) er yfirleitt meira en 1 ár, þannig að framleiðsla á frostköfnunarefni er almennt ekki talin vera biðstöð.
Ókostir: Cryogenic köfnunarefnisframleiðsla getur framleitt köfnunarefni með hreinleika ≧99,999%, en hreinleiki köfnunarefnis er takmarkaður af köfnunarefnishleðslu, fjölda bakka, bakka skilvirkni og súrefnishreinleika í fljótandi lofti og aðlögunarsviðið er mjög lítið. Þess vegna er hreinleiki vörunnar í grundvallaratriðum viss og óþægilegt að stilla það fyrir sett af búnaði til framleiðslu á köfnunarefnisframleiðslu. Þar sem frystiaðferðin er framkvæmd við mjög lágt hitastig verður búnaðurinn að vera með forkælingu gangsetningarferli áður en hann er tekinn í venjulega notkun. Upphafstíminn, það er tíminn frá upphafi stækkans til þess tíma þegar köfnunarefnishreinleiki nær kröfunni, er yfirleitt ekki minna en 12 klukkustundir; áður en búnaðurinn fer í yfirferð þarf hann að hafa hita- og leysingartíma, yfirleitt 24 klst. Þess vegna ætti ekki að ræsa og stöðva framleiðslubúnaðinn fyrir köfnunarefnisframleiðslu oft, og það er ráðlegt að starfa stöðugt í langan tíma.
Að auki er frystiferlið flókið, tekur stórt svæði, hefur háan innviðakostnað, krefst sérstakrar viðhaldssveita, hefur mikinn fjölda rekstraraðila og framleiðir gas hægt (18 til 24 klukkustundir). Það er hentugur fyrir stórfellda iðnaðar köfnunarefnisframleiðslu.
Í öðru lagi: Pressure Swing Adsorption (PSA) Köfnunarefnisframleiðsluaðferð
Pressure Swing Adsorption (PSA) gasaðskilnaðartækni er mikilvæg grein af ekki-krýógenískri gasaðskilnaðartækni. Það er afrakstur langtíma viðleitni fólks til að finna einfaldari loftaðskilnaðaraðferð en kryogenic aðferð.
Á áttunda áratugnum þróaði vestur-þýska námufyrirtækið Essen með góðum árangri kolefnisameindasíur, sem ruddi brautina fyrir iðnvæðingu PSA loftaðskilnaðar köfnunarefnisframleiðslu. Á undanförnum 30 árum hefur þessi tækni þróast hratt og þroskast. Það hefur orðið sterkur keppinautur við aðskilnað frystilofts á sviði lítillar og meðalstórrar köfnunarefnisframleiðslu.
Þrýstingssveifla aðsog köfnunarefnisframleiðsla notar loft sem hráefni og kolefni sameinda sigti sem aðsogsefni. Það notar eiginleika sértækrar aðsogs kolefnissameinda sigti á súrefni og köfnunarefni í loftinu og notar meginregluna um aðsog þrýstingssveiflu (þrýstingsásog, þrýstingsminnkun afsogs og endurmyndun sameindasigtis) til að aðskilja súrefni og köfnunarefni við stofuhita til að framleiða köfnunarefni.
Í samanburði við framleiðslu köfnunarefnis í loftaðskilnaði hefur þrýstingssveifla aðsog köfnunarefnisframleiðsla verulega kosti: aðskilnaður frásogs fer fram við stofuhita, ferlið er einfalt, búnaðurinn er samningur, fótsporið er lítið, það er auðvelt að byrja og stöðva, það byrjar fljótt, gasframleiðslan er hröð (almennt um 30 mínútur), orkunotkunin er lítil, rekstrarkostnaðurinn er lítill, sjálfvirknin er mikil, reksturinn og viðhaldið er þægilegt, uppsetningin er þægileg, engin sérstök undirstaða er krafist er hægt að stilla hreinleika köfnunarefnis vörunnar innan ákveðins bils og köfnunarefnisframleiðslan er ≤3000Nm3/klst. Þess vegna er þrýstingssveifla aðsog köfnunarefnisframleiðsla sérstaklega hentugur fyrir notkun með hléum.
Hins vegar, enn sem komið er, geta innlendir og erlendir hliðstæðar aðeins framleitt köfnunarefni með hreinleika upp á 99,9% (þ.e. O2≤0,1%) með PSA köfnunarefnisframleiðslutækni. Sum fyrirtæki geta framleitt 99,99% hreint köfnunarefni (O2≤0,01%). Meiri hreinleiki er mögulegur frá sjónarhóli PSA köfnunarefnisframleiðslutækni, en framleiðslukostnaður er of hár og notendur eru ólíklegir til að samþykkja það. Þess vegna verður notkun PSA köfnunarefnisframleiðslutækni til að framleiða háhreint köfnunarefni einnig að bæta við hreinsibúnaði eftir stig.
Köfnunarefnishreinsunaraðferð (iðnaðarmælikvarði)
(1) Vetnunaraðferð við súrefnislosun.
Undir virkni hvata hvarfast súrefnisleifarnar í köfnunarefninu við viðbætt vetni til að framleiða vatn og hvarfformúlan er: 2H2 + O2 = 2H2O. Síðan er vatnið fjarlægt með háþrýsti köfnunarefnisþjöppu og háþrýsti köfnunarefni með eftirfarandi aðalhlutum fæst með eftirþurrkun: N2≥99,999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. Kostnaður við framleiðslu köfnunarefnis er um 0,5 Yuan/m3.
(2) Vetnunar- og súrefnislosunaraðferð.
Þessari aðferð er skipt í þrjú stig: Fyrsta stigið er vetnun og súrefnislosun, annað stigið er afvötnun og þriðja stigið er vatnsfjarlæging. Háhreint köfnunarefni með eftirfarandi samsetningu fæst: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Kostnaður við framleiðslu köfnunarefnis er um 0,6 júan/m3.
(3) Kolefnishreinsunaraðferð.
Undir virkni kolefnisstoðaðs hvata (við ákveðið hitastig) hvarfast súrefnisleifar í venjulegu köfnunarefni við kolefnið sem hvatinn sjálfur gefur til að mynda CO2. Hvarfformúla: C + O2 = CO2. Eftir næsta stig að fjarlægja CO2 og H2O, fæst mjög hreint köfnunarefni með eftirfarandi samsetningu: N2 ≥ 99,999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Kostnaður við framleiðslu köfnunarefnis er um 0,6 júan/m3.
Í þriðja lagi: Himnuaðskilnaður og loftskilnaður köfnunarefnisframleiðsla
Himnuaðskilnaður og loftaðskilnaður köfnunarefnisframleiðsla er einnig ný grein af tækni til framleiðslu á köfnunarefnisframleiðslu sem ekki er fryst. Það er ný köfnunarefnisframleiðsluaðferð sem þróaðist hratt erlendis á níunda áratugnum. Það hefur verið kynnt og beitt í Kína á undanförnum árum.
Köfnunarefnisframleiðsla í himnuskilnaði notar loft sem hráefni. Við ákveðinn þrýsting notar það mismunandi gegndræpi súrefnis og köfnunarefnis í holu trefjahimnunni til að aðskilja súrefni og köfnunarefni til að framleiða köfnunarefni. Í samanburði við ofangreindar tvær köfnunarefnisframleiðsluaðferðir hefur það einkenni einfaldari uppbyggingar búnaðar, minna magns, engin skiptiloki, einfaldari rekstur og viðhald, hraðari gasframleiðsla (innan 3 mínútna) og þægilegri stækkun afkastagetu.
Hins vegar gera holtrefjahimnur strangari kröfur um hreinleika þjappaðs lofts. Himnurnar eru viðkvæmar fyrir öldrun og bilun og erfitt er að gera við þær. Það þarf að skipta um nýjar himnur.
Köfnunarefnisframleiðsla himnuaðskilnaðar er hentugri fyrir litla og meðalstóra notendur með kröfur um hreinleika köfnunarefnis upp á ≤98% og hefur besta virkni-verðshlutfallið á þessum tíma; þegar krafist er að köfnunarefnishreinleiki sé hærri en 98%, er hann um það bil 30% hærri en þrýstingssveifluaðsogs köfnunarefnisframleiðslubúnaðurinn með sömu forskrift. Þess vegna, þegar háhreint köfnunarefni er framleitt með því að sameina köfnunarefnisframleiðslu í himnuaðskilnaði og köfnunarefnishreinsibúnaði, er hreinleiki almenns köfnunarefnis almennt 98%, sem mun auka framleiðslukostnað og rekstrarkostnað hreinsibúnaðarins.
Birtingartími: 24. júlí 2024
