Принцип работы генератора азота

Атмосферный воздух Земли содержит примерно 78 % азота. Несмотря на то что азот широко распространен в природе, большинство промышленных процессов требуют азота с контролируемой степенью чистоты, давлением и расходом, которые не может обеспечить сырой атмосферный воздух. Генераторы азота позволяют предприятиям производить высококачественный азот непосредственно на месте вместо закупки азота в баллонах или жидкого азота навалом, поставляемого внешними поставщиками. В данной статье подробно рассмотрены принципы работы, две основные технологии производства, состав системы, практические применения и основные преимущества производства азота на месте.

Что такое генератор азота

A генератор азота — это промышленное оборудование, которое отделяет молекулы азота от сжатого атмосферного воздуха. Оно отфильтровывает кислород, углекислый газ, водяной пар и следовые примеси, обеспечивая постоянный поток очищенного газообразного азота, готового к использованию в производстве.

Его основная задача — обеспечить непрерывную подачу инертного азота по требованию с уровнем чистоты, соответствующим конкретным требованиям применения. Это решение широко применяется в отраслях, где требуется контролируемая среда, свободная от окисления, включая производство электроники, переработку продуктов питания и напитков, химическое производство, автомобилестроение и металлообработку. Благодаря собственному производству азота предприятия обретают операционную независимость, снижают логистическую нагрузку и уменьшают риски для безопасности, связанные с обращением с газовыми баллонами под высоким давлением.

Основная рабочая концепция

Все генераторы азота используют в качестве исходного газа чистый и сухой сжатый воздух. Внутри установки специальные сепарационные материалы отделяют азот от нежелательных газовых компонентов. Очищенный азот может сразу поступать в технологические процессы или направляться в буферные резервуары для покрытия пиковых нагрузок.

В современном оборудовании для получения азота преобладают две проверенные технологии: мембранное разделение и Адсорбция с переменным давлением (PSA). Инженеры-технологи выбирают технологию с учетом требуемой степени чистоты азота, необходимого расхода газа и условий эксплуатации на объекте. Мембранные системы подходят для задач, требующих степени чистоты до 99 %. Технология PSA позволяет получать азот сверхвысокой чистоты — до 99,999 % — для производства продукции с жесткими техническими требованиями, например, для упаковки пищевых продуктов и переработки полимеров.

Схема полной системы генерации азота

Автономная установка по производству азота на объекте состоит из нескольких взаимодополняющих компонентов, помимо самого генератора:

1. Воздушный компрессор: Обеспечивает подачу сжатого воздуха из источника.
2. Воздухоосушитель: Удаляет влагу.
3. Фильтрующие установки: Удаляет масляные пары и твердые частицы.
4. Воздушный накопительный бак: Стабилизирует давление сжатого воздуха и колебания расхода.
5. Сердечник генератора азота: Выполняет работы по разделению газов.
6. Резервуар для хранения азота: Хранит готовый азот для покрытия пиковых скачков спроса.

Объяснение двух основных технологий получения азота

Мембранные генераторы азота

Мембранные генераторы работают на основе пучков крошечных полых полупроницаемых волокон. Предварительно обработанная сжатый воздух протекает внутри этих модулей с полыми волокнами. Молекулы газа ведут себя по-разному при контакте с поверхностью мембраны: кислород, водяной пар и другие следовые газы легко проникают через стенки волокон и выходят в атмосферу. Азот не может проходить через мембранный материал и продолжает движение по внутреннему каналу волокна к выпускному отверстию оборудования.

Поскольку водяной пар также проникает через мембрану, выходной азот достигает чрезвычайно низких точек росы — до −50 °C (−58 °F). Генераторы мембранного типа отличаются простой механической конструкцией с небольшим количеством изнашиваемых деталей, минимальными требованиями к техническому обслуживанию и компактными габаритами. Они наиболее экономически эффективны для проектов со средним расходом и чистотой азота ниже 99 %, таких как накачка шин и создание защитного газового покрова для пожаротушения. Первоначальные капиталовложения ниже по сравнению с системами PSA, однако с их помощью экономически нецелесообразно достигать уровней сверхвысокой чистоты.

Генераторы азота с использованием адсорбции с переменным давлением (PSA)

Технология PSA основана на адсорбция: молекулы газа физически прилипают к поверхности твердого адсорбирующего материала. Установки PSA оснащены двумя параллельными резервуарами под давлением, заполненными углеродным молекулярным ситом (CMS). Углеродное молекулярное сито удерживает более мелкие молекулы кислорода при повышенном давлении, в то время как более крупные молекулы азота проходят через него беспрепятственно.

Обе колонны автоматически переключаются между циклами адсорбции (фаза получения газа) и десорбции/регенерации (фаза очистки сита):

1. Чистый сухой сжатый воздух поступает в башню А под рабочим давлением. Кислород, углекислый газ и влага улавливаются в порах CMS; азот выходит в виде готового газа, готового к непосредственному использованию или хранению.
2. Во время проведения процесса адсорбции в колонне А небольшая часть полученного азота отводится обратно в колонну В. В колонне В происходит сброс давления, в результате чего молекулы кислорода, удерживаемые в насыщенном адсорбенте CMS, высвобождаются. Промывочный азот вытесняет уловленный кислород из резервуара в атмосферу, обеспечивая регенерацию слоя сита.
3. По завершении регенерации система меняет роли: башня B берет на себя производство азота, а башня A проходит процесс сброса давления и продувки. Такое циклическое переключение обеспечивает бесперебойную подачу азота 24 часа в сутки.

Системы PSA надежно обеспечивают чистоту азота до 99,999 % для промышленных технологических процессов с высокими требованиями. Они требуют более значительных первоначальных инвестиций, чем мембранные генераторы, однако они отлично подходят для задач, требующих высокой пропускной способности и сверхвысокой чистоты, в таких отраслях, как пищевая промышленность, термическая обработка, электроника и химическое производство.

Краткий обзор: PSA и мембранные технологии

	Общественная социальная реклама	MEMBRANE
ДОСТИЖИМАЯ ЧИСТОТА	ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДО 99,999 %	ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДО 99,9 %
ЭФФЕКТИВНОСТЬ	ВЫШЕ	ВЫСОКИЙ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.	СНИЖАЕТСЯ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.	БОЛЬШЕ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ.
СЛОЖНОСТЬ СИСТЕМЫ	СРЕДНИЙ	НИЗКИЙ
ИНТЕНСИВНОСТЬ ОБСЛУЖИВАНИЯ	НИЗКИЙ	ОЧЕНЬ НИЗКИЙ
СТАБИЛЬНОСТЬ ПРИ ДАВЛЕНИИ	КОЛЕБАНИЯ НА ВХОДЕ/ВЫХОДЕ	СТАБИЛЬНЫЙ
СТАБИЛЬНОСТЬ ТЕЧЕНИЯ	КОЛЕБАНИЯ НА ВХОДЕ/ВЫХОДЕ	СТАБИЛЬНЫЙ
СКОРОСТЬ ЗАПУСКА	МИНУТЫ/ЧАСЫ	СЕКУНДЫ
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ВОДЕ (ПАРУ)	PDP MAX 8 °C	ОТСУТСТВИЕ ЖИДКОЙ ВОДЫ
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К МАСЛУ	ЗАПРЕЩЕНО (< 0,01 мг/м³)	ЗАПРЕЩЕНО (< 0,01 мг/м³)
УРОВЕНЬ ШУМА	ВЫСОКИЙ (пики сброса давления)	ОЧЕНЬ НИЗКИЙ
ВЕС	СРЕДНИЙ	НИЗКИЙ

Мембранное оборудование практически не содержит движущихся частей, что делает его идеальным решением для установок, где необходимо свести к минимуму риск простоев. Установки PSA требуют тщательной подготовки входящего воздуха и регулярного обслуживания фильтров; при надлежащем техническом обслуживании система PSA обеспечивает превосходную степень очистки и стабильную производительность для критически важных производственных линий.

Основные области промышленного применения азота, получаемого на месте

Азот является химически инертным, не имеет запаха и препятствует протеканию окислительных реакций, что обусловливает его широкое применение в промышленности:

• Химическая обработка: Создание атмосферы инертного газа для предотвращения опасных химических реакций и взрывоопасности при использовании инертного газа для покрытия хранящихся веществ и продувки трубопроводов.
• Продукты питания и напитки: Упаковка в модифицированной атмосфере позволяет удалить кислород из герметичных упаковок, что позволяет сохранить вкус и продлить срок хранения продукта. Азот также обеспечивает защиту напитков во время розлива и хранения навалом.
• Автомобили: Автомобильные шины с азотной набивкой обеспечивают стабильное давление и замедляют старение резины, что особенно важно для автопарков и сервисных мастерских.
• Электроника, фармацевтика и пластмассы: В бескислородной среде предотвращается коррозия печатных плат, обеспечиваются условия для производства фармацевтической продукции и содействуется проведению операций по формированию полимеров.

Почему стоит выбрать локальную систему генерации азота

Производство азота на месте позволяет предприятиям полностью контролировать чистоту газа, расход и давление на выходе, что обеспечивает ощутимые эксплуатационные и финансовые преимущества по сравнению с закупкой азота у сторонних поставщиков:

1. Стабильность затрат: Защитить операционную деятельность от колебаний рыночных цен на бутилированный и жидкий азот.
2. Экономия на логистике: Избавьтесь от транспортных расходов, ограничений, связанных с графиком доставки, и работы по приему возвращаемых баллонов.
3. Повышение безопасности на объекте: Устранить риски, связанные с хранением и обращением с газовыми баллонами под высоким давлением.
4. «Нулевые отходы»: Следует избегать потерь в результате испарения из резервуаров с жидким азотом и остатков неиспользованного газа внутри баллонов.
5. Надежность производства: Круглосуточная непрерывная подача азота исключает риски простоев, вызванные задержками с поставками газа.
6. Долгосрочная экономическая отдача: Хотя приобретение оборудования требует первоначальных капиталовложений, текущие эксплуатационные расходы значительно сокращаются в течение всего срока службы оборудования.

Как выбрать подходящий генератор

При выборе технологии следует учитывать требуемую степень чистоты азота, объемный расход, условия окружающей среды на объекте и целевые показатели совокупной стоимости владения. Компактные мембранные генераторы азота подходят для простых задач, требующих умеренной степени чистоты. В случаях, когда требуется азот сверхвысокой чистоты, оптимальным техническим решением являются системы PSA. Сотрудничество со специалистами в области сжатого воздуха и генерации газов помогает точно адаптировать конфигурацию системы к технологическим требованиям и максимально повысить эффективность в долгосрочной перспективе.

Ссылка

1. Как работает генератор азота https://www.atlascopco.com/en-tw/compressors/air-compressor-blog/how-a-nitrogen-generator-works