Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie und der Entwicklung der Wirtschaft erweitert sich der Anwendungsbereich von Stickstoff von Tag zu Tag und ist in viele Industriezweige und das tägliche Leben eingedrungen.
Stickstoff ist der Hauptbestandteil der Luft und macht etwa 78 % der Luft aus. Elementarer Stickstoff N2 ist unter normalen Bedingungen ein farb- und geruchloses Gas. Die Gasdichte im Standardzustand beträgt 1,25 g/L. Der Schmelzpunkt liegt bei -210℃ und der Siedepunkt bei -196℃. Flüssiger Stickstoff ist ein Kältemittel mit niedriger Temperatur (-196℃).
Heute stellen wir einige Hauptmethoden zur Stickstoffproduktion im In- und Ausland vor.
Es gibt drei allgemeine Methoden zur Stickstoffproduktion im industriellen Maßstab: Stickstoffproduktion durch kryogene Luftzerlegung, Stickstoffproduktion durch Druckwechseladsorption und Stickstoffproduktion durch Membrantrennung.
Erstens: Methode zur Herstellung von Stickstoff durch kryogene Luftzerlegung
Die Stickstoffproduktion durch kryogene Luftzerlegung ist eine traditionelle Stickstoffproduktionsmethode mit einer fast jahrzehntelangen Geschichte. Es nutzt Luft als Rohmaterial, komprimiert und reinigt sie und verflüssigt sie anschließend durch Wärmeaustausch zu flüssiger Luft. Flüssige Luft ist hauptsächlich eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff. Die unterschiedlichen Siedepunkte von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff werden genutzt, um sie durch Destillation von flüssiger Luft zu Stickstoff zu trennen.
Vorteile: große Gasproduktion und hohe Reinheit des Produktstickstoffs. Bei der kryogenen Stickstoffproduktion kann nicht nur Stickstoff, sondern auch flüssiger Stickstoff erzeugt werden, der die Prozessanforderungen von flüssigem Stickstoff erfüllt und in Lagertanks für flüssigen Stickstoff gespeichert werden kann. Bei einer zeitweiligen Stickstoffbelastung oder einer geringfügigen Reparatur der Luftzerlegungsanlage gelangt der flüssige Stickstoff im Lagertank in den Verdampfer, wird erhitzt und dann zur Produktstickstoffleitung geleitet, um den Stickstoffbedarf der Prozesseinheit zu decken. Der Betriebszyklus der kryogenen Stickstoffproduktion (bezogen auf den Zeitraum zwischen zwei großen Erhitzungen) beträgt im Allgemeinen mehr als ein Jahr, sodass die kryogene Stickstoffproduktion im Allgemeinen nicht als Standby betrachtet wird.
Nachteile: Bei der kryogenen Stickstoffproduktion kann Stickstoff mit einer Reinheit von ≧99,999 % erzeugt werden, die Reinheit des Stickstoffs wird jedoch durch die Stickstoffbelastung, die Anzahl der Böden, die Bodeneffizienz und die Sauerstoffreinheit in flüssiger Luft begrenzt und der Einstellbereich ist sehr klein. Daher ist die Produktreinheit für eine Reihe von Geräten zur Herstellung von kryogenem Stickstoff grundsätzlich sicher und schwierig einzustellen. Da das kryogene Verfahren bei extrem niedrigen Temperaturen durchgeführt wird, muss das Gerät einen Vorkühlungs-Startvorgang durchlaufen, bevor es in den Normalbetrieb übergeht. Die Anlaufzeit, also die Zeit vom Start des Expanders bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Stickstoffreinheit den geforderten Wert erreicht, beträgt im Allgemeinen nicht weniger als 12 Stunden; Bevor das Gerät überholt wird, muss es eine Aufheiz- und Auftauzeit haben, in der Regel 24 Stunden. Daher sollten die Anlagen zur Herstellung von kryogenem Stickstoff nicht häufig gestartet und gestoppt werden, und es wird empfohlen, sie über einen längeren Zeitraum kontinuierlich zu betreiben.
Darüber hinaus ist der kryogene Prozess komplex, nimmt eine große Fläche ein, verursacht hohe Infrastrukturkosten, erfordert spezielle Wartungskräfte, erfordert eine große Anzahl von Bedienern und produziert Gas langsam (18 bis 24 Stunden). Es eignet sich für die großtechnische industrielle Stickstoffproduktion.
Zweitens: Methode zur Stickstoffproduktion durch Druckwechseladsorption (PSA).
Die Druckwechseladsorptions-Gastrennungstechnologie (PSA) ist ein wichtiger Zweig der nicht-kryogenen Gastrennungstechnologie. Es ist das Ergebnis langjähriger Bemühungen, eine einfachere Luftzerlegungsmethode als die kryogene Methode zu finden.
In den 1970er Jahren entwickelte die Westdeutsche Bergbaugesellschaft Essen erfolgreich Kohlenstoffmolekularsiebe und ebnete damit den Weg für die Industrialisierung der PSA-Luftzerlegungs-Stickstoffproduktion. In den letzten 30 Jahren hat sich diese Technologie rasant weiterentwickelt und ist ausgereift. Es hat sich zu einem starken Konkurrenten der kryogenen Luftzerlegung im Bereich der kleinen und mittleren Stickstoffproduktion entwickelt.
Bei der Produktion von Stickstoff durch Druckwechseladsorption werden Luft als Rohmaterial und Kohlenstoffmolekularsieb als Adsorptionsmittel verwendet. Es nutzt die Eigenschaften der selektiven Adsorption von Sauerstoff und Stickstoff in der Luft durch Kohlenstoffmolekularsiebe und nutzt das Prinzip der Druckwechseladsorption (Druckadsorption, Druckreduzierungsdesorption und Molekularsiebregeneration), um Sauerstoff und Stickstoff bei Raumtemperatur zu trennen und Stickstoff zu erzeugen.
Im Vergleich zur Stickstoffproduktion durch kryogene Luftzerlegung bietet die Stickstoffproduktion durch Druckwechseladsorption erhebliche Vorteile: Die Adsorptionstrennung erfolgt bei Raumtemperatur, der Prozess ist einfach, die Ausrüstung ist kompakt, der Platzbedarf ist gering, das Starten und Stoppen ist einfach startet schnell, die Gasproduktion ist schnell (im Allgemeinen etwa 30 Minuten), der Energieverbrauch ist gering, die Betriebskosten sind niedrig, der Automatisierungsgrad ist hoch, die Bedienung und Wartung sind bequem, die Skid-Installation ist bequem, kein spezielles Fundament erforderlich ist, kann die Produktstickstoffreinheit innerhalb eines bestimmten Bereichs eingestellt werden und die Stickstoffproduktion beträgt ≤3000 Nm3/h. Daher eignet sich die Stickstoffproduktion durch Druckwechseladsorption besonders für den intermittierenden Betrieb.
Bisher können in- und ausländische Partner jedoch mithilfe der PSA-Stickstoffproduktionstechnologie nur Stickstoff mit einer Reinheit von 99,9 % (dh O2≤0,1 %) produzieren. Einige Unternehmen können 99,99 % reinen Stickstoff produzieren (O2≤0,01 %). Aus Sicht der PSA-Stickstoffproduktionstechnologie ist eine höhere Reinheit möglich, aber die Produktionskosten sind zu hoch und die Benutzer werden dies wahrscheinlich nicht akzeptieren. Daher muss beim Einsatz der PSA-Stickstoffproduktionstechnologie zur Herstellung von hochreinem Stickstoff auch eine Nachreinigungsvorrichtung hinzugefügt werden.
Stickstoffreinigungsmethode (industrieller Maßstab)
(1) Hydrierungs-Desoxygenierungsmethode.
Unter der Wirkung eines Katalysators reagiert der restliche Sauerstoff im Stickstoff mit dem hinzugefügten Wasserstoff zu Wasser, und die Reaktionsformel lautet: 2H2 + O2 = 2H2O. Anschließend wird das Wasser durch einen Hochdruck-Stickstoffkompressor-Booster entfernt und durch Nachtrocknung hochreiner Stickstoff mit folgenden Hauptbestandteilen gewonnen: N2≥99,999 %, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10,7×10-6. Die Kosten für die Stickstoffproduktion betragen etwa 0,5 Yuan/m3.
(2) Hydrierungs- und Desoxygenierungsmethode.
Dieses Verfahren ist in drei Stufen unterteilt: Die erste Stufe ist die Hydrierung und Desoxygenierung, die zweite Stufe ist die Dehydrierung und die dritte Stufe ist die Wasserentfernung. Es wird hochreiner Stickstoff mit folgender Zusammensetzung erhalten: N2 ≥ 99,999 %, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Die Kosten für die Stickstoffproduktion betragen etwa 0,6 Yuan/m3.
(3) Kohlenstoff-Desoxygenierungsmethode.
Unter der Wirkung eines kohlenstoffgestützten Katalysators (bei einer bestimmten Temperatur) reagiert der Restsauerstoff in gewöhnlichem Stickstoff mit dem vom Katalysator selbst bereitgestellten Kohlenstoff, um CO2 zu erzeugen. Reaktionsformel: C + O2 = CO2. Nach der anschließenden Entfernung von CO2 und H2O wird hochreiner Stickstoff mit folgender Zusammensetzung erhalten: N2 ≥ 99,999 %, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Die Kosten für die Stickstoffproduktion betragen etwa 0,6 Yuan/m3.
Drittens: Stickstoffproduktion durch Membrantrennung und Luftzerlegung
Die Stickstoffproduktion durch Membrantrennung und Luftzerlegung ist ebenfalls ein neuer Zweig der nicht-kryogenen Stickstoffproduktionstechnologie. Es handelt sich um eine neue Stickstoffproduktionsmethode, die sich in den 1980er Jahren im Ausland rasant entwickelte. Es wurde in den letzten Jahren in China gefördert und angewendet.
Bei der Stickstoffproduktion durch Membrantrennung wird Luft als Rohstoff verwendet. Unter einem bestimmten Druck nutzt es die unterschiedlichen Permeationsraten von Sauerstoff und Stickstoff in der Hohlfasermembran, um Sauerstoff und Stickstoff zu trennen und Stickstoff zu erzeugen. Im Vergleich zu den beiden oben genannten Stickstoffproduktionsmethoden zeichnet es sich durch eine einfachere Gerätestruktur, ein kleineres Volumen, kein Umschaltventil, eine einfachere Bedienung und Wartung, eine schnellere Gasproduktion (innerhalb von 3 Minuten) und eine bequemere Kapazitätserweiterung aus.
Hohlfasermembranen stellen jedoch strengere Anforderungen an die Sauberkeit der Druckluft. Die Membranen neigen zu Alterung und Ausfällen und sind schwer zu reparieren. Neue Membranen müssen ersetzt werden.
Die Stickstoffproduktion mit Membrantrennung eignet sich besser für kleine und mittlere Anwender mit Anforderungen an die Stickstoffreinheit von ≤98 % und weist derzeit das beste Funktion-Preis-Verhältnis auf; Wenn die Stickstoffreinheit höher als 98 % sein muss, ist sie etwa 30 % höher als bei der Druckwechseladsorptions-Stickstoffproduktionsvorrichtung derselben Spezifikation. Wenn daher hochreiner Stickstoff durch die Kombination von Membrantrenn-Stickstoffproduktions- und Stickstoffreinigungsgeräten hergestellt wird, beträgt die Reinheit des allgemeinen Stickstoffs im Allgemeinen 98 %, was die Produktions- und Betriebskosten des Reinigungsgeräts erhöht.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. Juli 2024
