Выделение азота из воздуха. Установка для получения азота

Как происходит получение азота?

Газ выделяется непосредственно из атмосферного воздуха. Сегодня используют три основных способа получения азота – адсорбционный, мембранный и криогенный. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки.

Применение установок для получения азота

Азот, полученный методом очистки атмосферного воздуха, востребован во множестве отраслей промышленности. Газ используется для защиты различных веществ, способных терять свойства при контакте с кислородом. Получение азота в промышленных количествах дает возможность использовать газ при выполнении самых разных работ, начиная от устранения последствий аварий на нефтепроводах и заканчивая производством полупроводниковых приборов.

Газ применяется в:

фармацевтической отрасли,
металлургии,
пищевой промышленности,
сельском хозяйстве.

Внедрение современных установок для получения азота способствует снижению себестоимости и повышает общее качество технологического процесса.

Применяемая технология

Генератор извлекает азот, имеющийся в окружающем воздухе и из других газов, применяя технологию адсорбции с колебаниями давления. Во время процесса адсорбции с колебаниями давления сжатый чистый окружающий воздух подводится к молекулярному ситу, которое позволяет азоту пройти внутрь как получаемый газ, но адсорибрует другие газы. Сито пропускает адсорбированные газы в атмосферу, когда выходной клапан закрыт, а давление фильтрации возвращается к давлению окружающей среды. Затем фильтрующий слой прочищается азотом перед тем, как вводить свежий сжатый воздух для нового цикла производства. Для того, чтобы гарантировать постоянный поток продукта, генераторы азота используют два молекулярных фильтрующих слоя, которые подключаются альтернативно между адсорбционными и регенерирующими фазами. При нормальных рабочих условиях и при правильном обслуживании молекулярные фильтрующие слои имеют почти бессрочный срок службы. Технология адсорбции с колебаниями давления имеет несколько международных патентов и соответствие стандартам рынка по исполнению и эффективности.

Компоновка оборудования

Для того, чтобы генератор азота работал автоматически, необходимы следующие составные компоненты:

Подача сжатого воздуха

Подача определенного количества сжатого воздуха и определенного качества, описанного в разделе предложении. Минимальное количество свободной подачи сжатого воздуха в м 3 /мин при 20°С равно среднему потреблению воздуха генератором азота в Нм 3 /мин, увеличенному на соответствующий процент для компенсации влияния окружающего воздуха и допусков на исполнение воздушного компрессора при расчетных условиях. Система сжатия воздуха будет включена в объем поставки, который будет состоять из воздушного компрессора и рефрижераторной сушилки воздуха.

Воздушные фильтры

Комплект фильтров грубой и высокой степени очистки и активированный угольный фильтр всегда включены в объем поставки. Воздушные фильтры необходимо устанавливать между системой подачи сжатого воздуха и воздушным ресивером, чтобы убедиться, что генератор азота будет получать необходимое минимальное количество.

Воздушный ресивер

Воздушный ресивер устанавливается между воздушными фильтрами и азотным генератором. Принципиальная задача воздушного ресивера - это гарантия подачи достаточного количества свежего воздуха на только что восстановленный фильтрующий слой генератора азота за короткий промежуток времени. Если система сжатого воздуха включена в объем поставки, размеры объема воздушного ресивера будут меняться до удовлетворительных для процесса и сжатия воздуха (макс. нагрузка / циклы без нагрузки).

Ресивер азота

Поток продукции генератора азота собирается в одном ресивере азота. Ресивер азота необходимо установить в непосредственной близости от генератора азота. Наличие ресивера азота гарантирует достаточное противодавление для процесса и постоянного потока азота к конечному заказчику. Если специально не указано, объем ресивера азота рассчитывается на основе предположения о постоянной динамике потребления применением Заказчика в течение продолжительного времени.

Преимущества:

Безопасность

Низкие рабочие давления, безопасное хранение. Нет необходимости в тяжелых газовых баллонах высокого давления. От опасного хранения жидкого азота можно отказаться.

Экономность

Нет расходов на распределение и обработку. Получение азота на месте (пром.площадке) генераторами азота экономит расходы на обработку и хранение в газовых баллонах высокого давления и предотвращает расходы на аренду, транспортировку и потери на испарение у пользователей.

Низкие эксплуатационные расходы.

Предлагаемый процесс имеет более эффективное разделение чем другие системы на рынке. Благодаря этому потребность в подаче воздуха падает, то есть 10 - 25% экономии энергии по сравнению со сравнимыми системами. Благодаря уменьшению вращающихся частей до минимума и использованию высококачественных элементов расходы на обслуживание остаются на низком уровне в течение всего срока службы генератора.

Удобство

Простота установки и обслуживания. У генераторов азота вход воздуха и выход азота находятся на одной стороне. Это означает простую установку, даже при малых углах цеха. Высокая надежность благодаря уменьшенному количеству вращающихся частей и высококачественных компонентов.

Гарантированное качество азота

Отсутствие риска недостаточной чистоты азота, автоматическое возобновление процесса. Генераторы азота обладают уникальной системой контроля: в случае если чистота азота не совпадает с указанным значением, ПЛК автоматически закрывает поток производства азота к выходу применения заказчика и открывают сбросной клапан некондиционного азота. Система будет пробовать запустить процесс, и когда чистота азота достигнет необходимого результата, сбросной клапан закроется, а клапан получения азота снова откроется. Полностью автоматическая и не сопровождаемая оператором процедура, ручной повторный запуск не требуется.

Проектные условия

Производительность	1000 нм³/ч (2 x 500 нм³/ч)
Содержание остаточного кислорода и производимом газе	£0,1% об.
Давление подачи продукта	5,5 бар изб.
Точка росы продукта	£-40 °С при 1 атм.
Расход воздуха на входе	4392,0 нм³/ч (2 x 2196.0 нм³/ч)
Макс. уровень шума	85 дБ (А) на расстоянии 1 метр
Планируемые условия окружающей среды
Барометрическое давление	1013,25 мбар а
Высота расположения	0 м над уровнем моря
Температура воздуха	20 °С
Относительная влажность	65%
Потребление воздуха на входе
Давление
Температура
Групповой состав углеводородов	<6,25 мг/м³ или 5 ppmV
Частицы	<5 мг/м³ при макс. 3 мкм
Точка росы	£+3 °С при 7 бар изб.
Условия на площадке
Система электроснабжения	400 / 230 В переменный ток, 50 Гц
Классификация зоны	неклассифицированная зона / безопасная зона
размещение	в помещении с хорошей вентиляцией

Данные приведены для идеального режима работы, допуск ±5%

Размеры, вес

Параметры энергопотребления

Допуск на все указанные значения: ± 10%

Объем поставки

4 воздушных компрессора

ротационный винтовой компрессор с впрыском масла

4 воздухоосушилки

рефрижераторный воздухоосушитель

2 воздушных ресивера

вертикальная емкость высокого давления из углеродистой стали
объем: 3000 л

фильтры сжатого воздуха

Два комплекта внешних фильтров сжатого воздуха, устанавливаются перед воздушным ресивером, комплект состоит из следующих фильтров:

один коалесцирующий фильтр первичной очистки (эффективность 99,9999%, 1,0 µ - ≤ 0,5 мг/м³) с устройством для слива конденсата поплавкового типа;
один коалесцирующий фильтр тонкой очистки (эффективность 99,9999%, 0,01 µ - ≤ 0,1 мг/м³) с устройством для слива конденсата поплавкового типа;
один активированный угольный фильтр (остаточное масло ≤ 0,005 мг/м³).

два генератора азота

Два азотных генератора, полностью предварительно смонтированы, с установленными проводами на покрашенной раме из углеродистой стали, каждый оснащен следующими компонентами:

6 адсорбционных башен, каждая наполнена углеродным молекулярным ситом. Углеродное молекулярное сито будет производства США, Европы или Японии. Изготовленные в Китае или Индии сита не применяются;
Глушитель отработанного газа, установлен для приглушения отходящего газа до расчетного уровня шума;
Комплект электро-пневматических технологических клапанов и дросселей, вкл. соленоидные клапаны;
1 некондиционный продувочный трубопровод для азота с регулирующим клапаном соленоидного управления;
Комплект предохранительных клапанов, настроенных на соответствующий уровень давления;
Все трубопроводы и электрокабели для соединения;
Локальные датчики давления;
Одна (1) система контроля для полностью автоматической работы генератора, с полной внутренней проводной обводкой и состоящая из следующих позиций:
- Один ПЛК (Rockwell / Allen Bradley Micro 850 ПЛК) с соединением Ethernet / IP для коммуникации с удаленной системой управления заказчика;
- Один сенсорный графический интерфейс пользователя (Rockwell / Allen Bradley С400), отображающий значения реального времени релевантных параметров и возможные аварийные сообщения для прямой диагностики;
- Все трубопроводы, клапана, контрольно-измерительные приборы и система управления «под ключ», монтированные на раме из углеродистой стали;
- Один (1) автономный анализатор остаточного азота с датчиком из диоксида циркония;
- Один автономный электронный расходомер продукта.

два (2) ресивера азота

вертикальная емкость высокого давления из углеродистой стали;
предохранительные клапаны, установленные на соответствующий уровень давления
объем: 3000 л
макс рабочее давление: 11,0 бар изб

Применяемые стандарты

Директива 2009/105/EC для простых сосудов под давлением
Европейская Директива 97/23/ЕС,EN 13445, EN 13480 по оборудованию, работающему под давлением
Директива 2004/108/EC по электромагнитной совместимости
Директива ЕС 2006/95/EC по низковольтному электрооборудованию
Директива о машинном оборудовании 2006/42/EC

Примечание

При требуемой производительности невозможно модульное исполнение.

Воздух представляет собой уникальное сочетание различных газообразных веществ. Азот в общем его объеме занимает более 78 процентов. Этот газ имеет широкое применение в самых разных областях жизнедеятельности человека.

Промышленное использование азота

В химической промышленности данный газ позволяет создать инертную среду, которая предотвращает соединение реагирующих веществ с кислородом. Азоту отводят очень важную роль при перевозке различных химических продуктов. Также его используют в качестве безопасного рабочего агента при проведении аварийных работ на нефтепроводах. Без применения азота сложно поддерживать давление внутри пластов при добыче полезных ископаемых, а это приводит к уменьшению объемов добычи сырья.

Не менее важна роль газа и в металлургии. Азоту отводится роль «защитника» черных и цветных металлов во время проведения процедуры отжига. В фармацевтике сложно произвести защиту емкостей, хранить сырье и транспортировать лекарственные средства без использования этого газообразного вещества. Применение азота в электронике позволяет избежать развития окислительных процессов во время изготовления полупроводниковых приборов, снятия изоляции с электрических кабелей. Поэтому в наше время так актуальна и востребована технология добычи азота «on-site» – непосредственно на территории заказчика.

Тем не менее, трудности сопровождали процесс разделения воздуха достаточно долго. Основной преградой была неспособность азота вступать в химическую реакцию с другими элементами. Вначале был придуман способ, при котором происходило связывание кислорода. В этом случае азот переходил в газообразное состояние. Однако данный метод отличался дороговизной и малой эффективностью. Поэтому широкое применение такой технологии выделения азота для промышленности было признано нецелесообразным.

Трудности получения газа

Сегодня в качестве вспомогательного вещества азоту отдается предпочтение в разных отраслях:

газ используют в металлургии и машиностроении;
основанная на азоте система охлаждения электродов применяется в стекольной промышленности;
для продувки газ используют в энергетике и космонавтике;
благодаря азоту удается долго сохранить образцы крови и биопрепаратов в медицине;
широко востребована инертная среда в сельском хозяйстве (консервирующие системы на азоте позволяют хранить корма и разные виды зерновых).

Чтобы выделить азот в лаборатории, как один из вариантов, воздух предварительно следует перевести в жидкое состояние. Как и любой другой газ, он характеризуется критической температурой и давлением. При снижении температурных показателей до определенного уровня азот переходит в жидкое состояние. Разные лаборатории длительное время в результате экспериментов на азоте искали методы его эффективной добычи. При этом если не контролировать рост температуры, производство чистого азота будет невозможным.

Ученые продолжали искать методы, позволяющие разделить воздух на составляющие и выделить азот. При низких температурах воздух представляет собой совокупность жидкостей, которые имеют различные точки кипения. Если выпаривать его медленно, появляется возможность отделить нужное вещество от другого газа (например, кислорода). Это происходит благодаря его меньшей летучести, чем азота. После осуществления однократного выпаривания требуемый газ все еще недостаточно чист, поскольку может содержать примесь в виде аргона. Поэтому в настоящее время наша компания применяет различные установки для эффективного производства азота чистотой до 99,9995%.

Чтобы обеспечить наиболее быстрое выделение газа, мы используем методики, которые многократно подтвердили свою эффективность. Для производства азота в промышленных масштабах применяются следующие технологии:

мембранная;
получение азота при помощи КЦА;
криогенная.

Мембранный метод получения газа

Широкое распространение технология получила в 70-х годах прошлого столетия. В то время мембранный метод стал настоящим прорывом в области отделения азота от других составляющих при получении его из атмосферного воздуха. До сегодняшнего дня данная технология разделения воздуха активно совершенствуется.

Мембранный метод отделения азота широко распространен из-за своей надежности. В установках отсутствуют движущиеся части, что при соблюдении условий эксплуатации обеспечивает мноо лет стабильной работы. Технология востребована в отраслях промышленности, где имеются большие объемы потребления азота. Но такие установки экономически менее выгодны, если стоит задача получить газ чистотой более 99,9% (в таком случае целесообразнее использовать КЦА технологии). Основной составляющей оборудования для производства азота является мембрана (полимерное волокно, намотанное на катушку). Вследствие разных парциальных давлений на внешней и внутренней поверхности мембраны происходит отделение газа.

В процессе отделения азота воздух проходит фильтрацию, затем он сжимается до требуемого давления и проходит через мембранный модуль. Молекулы кислорода, СО2, Н2О выводятся через другой выходной патрубок. Установки позволяют получить азот чистотой до 99,5%. Оборудование работает в широком диапазоне температур – от -40°С до +60°С. Наши специалисты готовы выполнить шеф-монтаж, пуско-наладку и последующее гарантийное обслуживание высокопроизводительных комплексов для выделения азота. Мы работаем «под ключ» во всех регионах России, странах СНГ и Европы.

Криогенная технология производства чистого азота

Подаваемый воздух нагнетается компрессором, затем попадает в воздушный фильтр, где происходит его очистка от частиц пыли. После он поступает во влагоотделитель, далее – в водяной холодильник, который охлаждает воздух и забирает тепло, что необходимо для добычи азота.

После этого происходит расширение и охлаждение воздуха. В жидком состоянии его отправляют в ректификационную колонну. При постепенном выпаривании воздуха в первую очередь уходит азот, а оставшаяся жидкость все больше насыщается кислородом. Повторяя процедуру многократно, в итоге получают кислород в жидком состоянии, азот и аргон требуемой чистоты. Потом разделенные составляющие помещаются в специальные контейнеры. Далее они направляются непосредственно на место производства технологического процесса либо поступают на склад.

Такой способ выделения азота имеет свои преимущества и недостатки. Прежде всего, преимуществом является возможность получить газ высокой чистоты в жидком состоянии. К недостаткам данной технологии относятся такие как, большие размеры криогенных установок, невозможность быстрого пуска/остановки системы, необходимость присутствия персона и пр.

Метод короткоцикловой адсорбции

Разделение воздуха с целью добычи азота криогенным способом является достаточно дорогой и устаревшей технологией. Причины: сложность пуска, большие габариты установок, необходимость профессионального обслуживания. Поэтому данный метод не оправдан для многих производств, для которых требуется азот. А вот метод адсорбции, который предусматривает также выделение водорода, кислорода, метана, этилена и других компонентов, получил большое распространение. Получение азота таким способом имеет ряд преимуществ:

Возможность быстрого включения и выключения оборудования.
Установки для отделения азота настраиваются в зависимости от нужд заказчика. Оператор может изменить режим функционирования устройства, частоту или производительность.
Режим работы установки для получения азота регулируется автоматически.
Для удобства оборудование может оснащаться дистанционным управлением.
В плане энергоэффективности затраты довольно низкие по сравнению с криогенным методом.
Установки, позволяющие получить азот, достаточно просто устроены, поэтому их обслуживание не требует значительных денежных трат.
Приемлемая цена оборудования.

Что касается самого процесса получения азота, он имеет высокие показатели эффективности. Сначала подаваемый воздух попадает в один из двух попеременно работающих адсорберов, где поддерживается определенное давление и температура. Во время процесса адсорбент поглощает кислород (стадия поглощения), т.е. происходит улавливание адсорбентом кислорода с получением продуктового азота. На стадии регенерации поглощенный компонент выделяется из адсорбента. Такие процессы характеризуются повторяющимися короткими циклами. Чистота азота при данном способе разделения воздуха достигает 99,9995%.

Наиболее эффективное оборудование для газоразделения

Если ваше предприятие заинтересовано в постоянном производстве такого газа, как азот, рекомендуем воспользоваться услугами крупных и надежных поставщиков соответствующего оборудования. Но выбрать оптимальный вариант в условиях современного рынка бывает достаточно трудно. Поэтому в первую очередь обратите внимание на компании с большим опытом работы, имеющие свои уникальные разработки в области выделения азота.

Сотрудники НПК «Грасис» всегда основываются на индивидуальном подходе к запросам заказчика. Наша научно-производственная компания уже более 10 лет успешно занимается разработкой и производством воздухо- и газоразделительного оборудования для получения азота, удерживая лидирующие позиции на рынке СНГ. Наши установки изготавливаются с использованием современных нанотехнологий. Мы предлагаем своим клиентам наиболее эффективные методики производства азота.

Компания реализует оборудование высокого качества для разделения воздуха по наиболее распространенным и эффективным технологиям: адсорбционная и мембранная. Материалы, используемые для изготовления установок по выделению азота, отличаются высоким качеством и долговечностью. За каждым клиентом закрепляется персональный менеджер, который будет ответственно следить за всеми этапами сотрудничества.

НПК «Грасис» работает с проверенными поставщиками оборудования и комплектующих. В первую очередь компания заботится о высоком качестве установок для получения азота и уровне сервиса. Для клиентов предусмотрено большое количество услуг, которые связаны не только с поставкой и монтажом, но и с наладкой, ремонтом и сопровождением оборудования для выделения азота.

К преимуществам сотрудничества следует отнести возможность модернизации ранее поставленного оборудования. Также по желанию заказчика на предприятии возможно провести обучение, которое эффективно подготовит ваших сотрудников к эксплуатации приобретенного оборудования для производства азота.

Стоимость наших установок средняя на рынке, поскольку мы используем качественные комплектующие. Наше оборудование отличается высоким качеством и позволяет получать азот нужной Вам степени чистоты.

Благодаря слаженной деятельности команды профессионалов работы по производству, поставке, монтажу и наладке оборудования для получения азота проходят в сжатые сроки. Уникальной особенностью компании является наличие патентов на изобретения и полезные модели. Оборудование успешно протестировано в различных комплексах, где требуется азот. Использование качественных комплектующих гарантирует долговечность оборудования и его эффективность. Заказывайте наши системы по получению азота, которые позволяют добиться необходимого Вам в технологическом процессе конечного продукта.

Специалисты НПК «Грасис» готовы приступить к выполнению комплексного проекта «под ключ», который будет включать в себя разработку, производство, поставку, монтаж и пуск современного воздухо- и газоразделительного оборудования для получения азота.

Обращайтесь в НПК «Грасис», если вы заинтересованы в современных инновационных решениях!

Более подробно Вы можете ознакомиться с азотным оборудованием (азотные генераторы, азотные установки, азотные станции) на странице

Для практического использования, будь то в лабораториях или на крупных промышленных предприятиях, азот получают тремя основными способами, все которые основаны на разложении атмосферного воздуха: 1) методом криогенного разложения воздуха, 2) с помощью короткоцикловой безнагревной адсорбции, и 3) методом мебранной диффузии.

Криогенное разложение воздуха

Криогенный способ воздухоразложения был изобретен германским ученым Карлом фон Линде более 100 лет назад (кстати отметим, что имя фон Линде и в наше время носит компания Linde Gas - один из крупнейших мировых подрядчиков по поставке газов промышленным предприятиям). Этот способ сводится к фракционной перегонке сжиженного атмосферного воздуха, и основан на различии в температурах кипения (испарения) его составных частей: азота, кислорода, аргона и других газов. Вратце, процесс заключается в следующем: вначале, атмосферный воздух сжимается до высокого давления. После сжатия, из сжатого воздуха удаляются твердые примеси, влага, а также двуокись углерода (углекислый газ CO 2). Очищенный сжатый воздух подвергается обратному расширению, в результате чего охлаждается до степени сжижения составляющих его газов. После этого, полученная жидкость постепенно испаряется, и по мере испарения из нее пофракционно извлекаются азот (температура кипения -196°C), кислород (температура кипения -183°C), аргон и другие редкие газы.

Способ экономически оправдан только при значительной потребности в азоте. Обычно, криогенные азотные установки используются крупными предприятиями химической и металлургической промышленности: первые получают азот для дальнейшего его связывания с водородом процессом Хабера с получением аммиака NH 3 , который затем или используется в качестве удобрения непосредственно, или конвертируется в нитрат аммиака и также используется в качестве удобрения, или используется в качестве прекурсора при синтезе других химических соединений.

Для предприятий же металлургической промышленности азот вообще часто является отходом производства: при разложении воздуха, металлургические предприятия стремятся получить, в первую очередь, кислород, который требуется для плавки стали из железной руды - а азот обычно выпускается в атмосферу и частично продается.

Криогенные установки дороги как при покупке, так и затем в обслуживании, технически сложны, имеют значительные габариты (подходят обычно только для размещения на улице), но позволяют получать азот очень высокой чистоты (порядка 99,999% и даже выше) и в очень больших количествах.

Получение азота адсорбцией кислорода

Адсорбционный способ выделения азота из воздуха основан на различиях в размере молекул основных составных частей воздуха: азота и кислорода. Адсорбционная установка по получению азота состоит из емкостей-адсорберов (обычно парных, иногда имеющихся в большем четном количестве), заполненных адсорбентом - углеродными молекулярными ситами, или сокращенно CMS, от английского "Carbon Molecular Sieve". Эти молекулярные сита выглядят обычно как зерна или продолговатые цилиндрики черного цвета, диаметром 1...3 миллиметра:

CMS, используемые в адсорбционных установках для получения азота, имеют значительный объем пор, причем поры эти имеют входной размер порядка 3 ангстрем (=0,3 нм). Молекулы кислорода, имеющие кинетический диаметр примерно 2,9 Å, проникают в поры и задерживаются ими; молекулы азота с кинетическим диаметром 3,1 Å беспрепятственно проходят через слой адсорбента. Конечно, на практике, часть молекул кислорода проходит через адсорбент, не задерживаясь в нем; наоборот, часть молекул азота попадает в поры большего, чем расчетный 3,0 Å, размера и задерживается в них. Тем не менее, на выходе адсорбера получается газовая смесь, более или менее обогащенная азотом (отметим, что попутно CMS частично извлекают из сжатого воздуха и содержащуюся в нем парообразную влагу - и хотя для обеспечения более долгого срока службы молекулярных сит желательно подавать на вход адсорбционного генератора азота уже осушенный сжатый воздух, произведенный азот будет также и дополнительно осушен).

Так как адсорбент, углеродные молекулярные сита, имеет ограниченную емкость пор и, соответственно, ограниченную удерживающую способность, довольно быстро (в практических реализациях адсорбционных азотных генераторов, через 40...200 секунд) наступает необходимость провести его регенерацию, то есть восстановить его удерживающую способность. Для этого, давление в адсорбере резко сбрасывается в атмосферу, что вызывает выход ранее задержанных молекул кислорода из пор CMS. Для более полного восстановления CMS, после сброса давления в адсорбер подается часть вырабатываемого в это время в другом адсорбере азота, который продувается через подлежащий регенерации адсорбер под давлением чуть выше атмосферного, «вымывая» из его пор все еще остающиеся в нем после сброса давления молекулы кислорода. Полученная газовая смесь, представляющая собой воздух с несколько повышенным содержанием кислорода, выбрасывается в атмосферу. После завершения регенерации, азот в течение еще некоторого времени продолжает поступать в адсорбер, но уже при закрытом сбросном клапане, в результате чего давление в адсорбере поднимается до уровня, присутствующего в системе. (Как вариант, например, показанный на схеме выше, конструкция установки может предусматривать проведение регенерации и последующего выравнивания давления не подачей азота непосредственно из одного адсорбера в другой, а из промежуточного азотного накопителя, для чего в конструкцию азотного генератора вводятся дополнительные клапаны).

Адсорберы в адсорбционной установке периодически (в соответствии с расчетной частотой регенерации) меняются ролями: рабочий адсорбер переходит в режим регенерации, а прошедший регенерацию становится рабочим. Адсорбционный метод получения азота также называют методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КЦБА): короткоцикловой - из-за частой смены ролей адсорберов, безнагревной - так как регенерация CMS проводится без какого-либо нагрева продуваемого через них азота.

Схема устройства азотной установки, работающей по принципу КЦБА

Адсорбционные генераторы азота относительно недороги как в плане капитальных вложений, так и в обслуживании, компактны, просты конструктивно и в обслуживании. Адсорбционные установки способны вырабатывать азот в небольших и средних количествах, и также, как и криогенные линии, позволяют при необходимости получать азот высокой чистоты - до 99,999% и выше. Однако, в отличие от криогенных установок, на которых получение азота низкой чистоты никогда не рентабельно, с помощью адсорбционных генераторов азота можно, если не нужна самая высокая чистота, получать и азот пониженной чистоты - 99,99%...99,9%...99% и так далее вплоть да «грязного» азота с чистотой 95% - при этом, азотная установка адсорбционного типа, отрегулированная на производство азота меньшей чистоты, будет иметь бóльшую производительность, чем та же установка, но отрегулированная на выработку более высокоочищенного газа; соответственно меняются и значения потребления установкой сжатого воздуха. Широкий диапазон производительности и возможной чистоты получаемого азота определяет и разнообразие применений адсорбционных генераторов азота - лабораторные модели встречаются в научных учреждениях и в лабораториях предприятий, а большие агрегаты снабжают азотом крупные производства пищевой, электронной, нефтедобывающей, маслоэкстракционной и других отраслей промышленности.

Получение азота способом мембранного разделения воздуха

Стенки мембраны легко пропускают молекулы O 2 , но не N 2

Все основные и реально могущие быть использованы для практических целей способы получения азота основаны на разложении атмосферного воздуха. Выше мы кратко описали принцип работы адсорбционных установок по получению азота. Кроме них, существуют мембранные установки, в основе которых стоят т.н. мембранные модули воздухоразделения, представляющие собой емкости, обычно цилиндрической формы, внутри которых параллельно размещено множество волокон-«макаронин» из специальных полимерных материалов - полиимида, полисульфона, полифенилоксида. Сжатый воздух подается на вход мембранного модуля, откуда равномерно распределяется между всеми отдельными волокнами, поступая на их внутреннюю сторону. Стенки волокон представляют собой мембраны с ассиметричным расположением пор, через которые преференциально, то есть быстрее и легче всего, на внешнюю сторону волокон диффудируют молекулы воды H 2 O, водорода H 2 и гелия He. Со средней скоростью через стенки проникают молекулы кислорода, а также углекислого газа CO 2 . Наоборот, преимущественно на внутренней стороне мембран остаются, из обычно содержащихся в воздухе веществ, молекулы азота, а также аргона и угарного газа CO. Как и в случае с адсорбционными азотными установками, в процессе производства азота мембранным способом он также доосушается.

Мембраны чрезвычайно чувствительны к наличию загрязнений, особенно к попаданию на них компрессорного масла. Мембранные модули большинства (но не всех) производителей нуждаются также, для эффективной работы, в специальном подогревании поступающего на их вход сжатого воздуха. Тем не менее, мембранные установки для получения азота, в целом, обычно все же несколько проще по конструкции, чем работающие по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции: например, КЦБА-установке требуется как минимум 2 впускных клапана (обычно, с электромагнитным приводом) для запуска сжатого воздуха в один или другой адсорбер, 2 аналогичных клапана для сброса давления из тех же адсорберов и, когда это предусмотрено конструкцией, еще 2 или более клапанов для перепускания азота из промежуточного накопителя обратно в адсорберы для проведения их регенерационной продувки и последующего выравнивания давления. Все эти клапаны у мембранного генератора азота отсутствуют.

Входы в волокна мембраны для выделения азота

К сожалению, сам принцип устройства мембранных установок для производства азота и сами свойства существующих в наше время материалов изготовления мембран не позволяют получение азота высокой чистоты. На практике, существующие промышленно изготавливаемые мембранные азотные генераторы ограничены «потолком» примерно в 99,5%.

Так как свободный азот содержится в атмосфере, получение его сводится к отделению от кислорода и других составных частей воздуха. Это осуществляется постепенным испарением жидкого воздуха в специальных установках, причем одновременно получаются также кислород и инертные газы.

Азот представляет собой бесцветный и не имеющий запаха газ (т. пл. -210°С, т. кип. -196°С). Растворимость его в воде мала - около 2% по объему. Молекула азота двухатомна и заметно не распадается на атомы даже при очень высоких температурах.

Свободный азот химически весьма инертен. В обычных условиях он не реагирует ни с металлоидами, ни с металлами (кроме Li). При повышении температуры его активность увеличивается главным образом по отношению к металлам, с некоторыми из которых он при нагревании соединяется, образуя нитриды этих металлов (например, Mg 3 N 2).

3Mg + N 2 = Mg 3 N 2

Применение свободного азота, как такового, довольно ограниченно. Главным образом его используют для заполнения электроламп. Соединения азота имеют громадное значение для биологии и используются в разнообразных отраслях промышленности. Наибольшие их количества расходуются в качестве минеральных удобрений и при производстве взрывчатых веществ.

Основным исходным продуктом для промышленного получения азотных соединений является свободный азот воздуха. Перевод его в связанное состояние осуществляется главным образом методом синтеза аммиака, разработанным в 1913 г.

Приложение к обратимой реакции

N 2 + ЗН 2 < = > 2NH 3 + 22 ккал

принципа смещения равновесий показывает, что наиболее выгодными для образования аммиака условиями являются возможно низкая температура и возможно высокое давление. Однако даже при 700°С скорость реакции настолько мала (и следовательно, равновесие устанавливается так медленно), что не может быть и речи о ее практическом использовании. Напротив, при более высоких температурах, когда равновесное состояние устанавливается быстро, ничтожно малым становится содержание аммиака в системе. Таким образом, техническое проведение рассматриваемого процесса оказывается как будто невозможным, так как, ускоряя достижение равновесия при помощи нагревания, мы одновременно смещаем положение равновесия в невыгодную сторону.

Существует, однако, средство ускорить достижение равновесного состояния без одновременного смещения равновесия. Таким часто помогающим средством является применение подходящего катализатора.

Хорошо действующим оказалось в данном случае металлическое железо (с примесью Аl 2 О 3 и К 2 О).

Процесс синтеза аммиака ведут при температурах 400-550°С (на катализаторе) и давлениях 100-1000 ат.

Равновесие устанавливается при этом достаточно быстро. После выделения аммиака из газовой смеси последняя вновь вводится в цикл. За четверть века, с 1913 до 1938 г., ежегодная мировая продукция связанного таким путем азота возросла от 7 т до 1700 тыс. т. В настоящее время синтез аммиака является основным промышленным методом получения связанного азота.

Значительно меньшее промышленное значение имеет разработанный в 1901 г. цианамидный метод, который основан на том, что при высоких температурах карбид кальция (получаемый накаливанием смеси извести и угля в электрической печи) реагирует со свободным азотом по уравнению

CaC 2 + N 2 = CaCN 2 + C + 70 ккал

Полученный таким путем цианамид кальция (Ca = N-C?N) представляет собой серый (от примеси углерода) порошок. При действии перегретого (т.е. нагретого выше 100°С) водяного пара он разлагается с выделением аммиака:

CaCN 2 + 3H 2 O = CaCO 3 + 2NH 3

Печь для получения цианамида кальция представляет собой цилиндр из огнеупорного материала, по оси которого проходит труба, имеющая внутри нагревательную обмотку. После загрузки печи измельченным СаС 2 она наглухо закрывается и в нее подается азот. Так как образование цианамида сопровождается выделением тепла, исходную смесь достаточно нагреть до 800°С, а дальше реакция идет сама. За время с 1913 г. по 1938 г. ежегодная мировая продукция связанного азота по цианамидному методу возросла с 38 тыс. т до 300 тыс. т.

Молекула NH 3 имеет форму треугольной пирамиды. Так как электроны связей Н-N довольно сильно смещены от водорода к азоту (pNH = 0,28), молекула аммиака в целом характеризуется значительной полярностью (длина диполя 0,31 А).

Аммиак представляет собой бесцветный газ (т. пл. -78°С, т. кип. -33°С) с характерным резким запахом «нашатырного спирта». Растворимость его в воде больше, чем всех других газов: один объем воды поглощает при 0°С около 1200, а при 20°С - около 700 объемов NH 3 . Продажный концентрированный раствор имеет, обычно плотность 0,91 и содержит 25% NH 3 по весу.

Подобно воде, жидкий аммиак ассоциирован главным образом за счет образования водородных связей. Он является хорошим растворителем для многих неорганических и органических соединений.

С ассоциацией жидкого аммиака связана его большая теплота испарения (5,6 ккал / моль). Так как критическая температура NH 3 лежит высоко (+ 133°С) и при испарении его от окружающей среды отнимается много тепла, жидкий аммиак может служить хорошим рабочим веществом холодильных машин. При движении поршня направо, нагревшийся от сжатия NH 3 поступает в змеевик, охлаждаемый снаружи водой (или воздухом). Охлажденный аммиак уже при имеющемся в системе давлении (7-8 ат) сжимается и стекает в приемник, из которого жидкий аммиак поступает в змеевик, где испаряется вследствие разрежения в этой части системы. Необходимое для испарения тепло поглощается при этом из окружающего змеевик пространства. Последовательное повторение всего цикла процессов создает непрерывное охлаждение окружающего змеевик пространства.

Для химической характеристики аммиака основное значение имеют реакции трех типов присоединения, замещения водорода и окисления.

Наиболее характерны для аммиака реакции присоединения. В частности, при действии его на многие соли образуются кристаллические аммиакаты состава CaCl 2 ·8NH 3 , CuSO 4 · 4NH 3 и т.п., по характеру образования и устойчивости похожие на кристаллогидраты.

При растворении аммиака в воде происходит частичное образование гидроокиси аммония:

NH 3 + Н 2 О < = >NH 4 OH

В этом соединении радикал аммоний (NH 4) играет роль одновалентного металла. Поэтому электролитическая диссоциация NH 4 OH протекает по основному типу:

NH 4 OH < = >NH 4 + + ОН -

Объединяя оба уравнения, получаем общее представление о равновесиях, имеющих место в водном растворе аммиака:

NH 3 + Н 2 О < = >NH 4 OH < = >NH 4 + + ОН -

Из-за наличия этих равновесий водный раствор аммиака (часто называемый просто «аммиаком») резко пахнет им. Ввиду того что ионов ОН - этот раствор содержит сравнительно немного, NH 4 OH рассматривается как слабое основание.

Добавление кислот ведет к смещению приведенных выше равновесий вправо (ввиду связывания ионов ОН") и к образованию солей аммония, например, по уравнению:

NH 4 OH + HCl = Н 2 О + NH 4 Cl

Соли эти образуются также при непосредственном взаимодействии аммиака с кислотами, например, по реакции:

NH3 + HCl = NH4Cl

Как сам ион аммония (NH 4 +), так и большинство его солей бесцветны. Почти все они хорошо растворимы в воде и в растворах сильно диссоциированы.

При нагревании солей аммония они довольно легко разлагаются. Характер разложения определяется свойствами образующей анион кислоты. Если последняя является окислителем, происходит окисление аммиака по реакции, например:

NH 4 NO 2 = 2H 2 O + N 2

Если кислота окислителем не является, характер распада определяется ее летучестью при температуре разложения. Из солей нелетучих кислот (например, Н 3 РО 4) выделяется только аммиак, если же кислота летуча (например, НСl), то при охлаждении она вновь соединяется с NH 3 . Результат подобного распада и последующего обратного соединения практически сводится к тому, что рассматриваемая соль (например, NH 4 Cl) возгоняется.

Под действием на соли аммония: ильных щелочей происходит выделение аммиака по реакции, например:

NH 4 Cl + NaOH = NaCl + NH 4 OH = NaCl + NH 3 + H 2 O

Этим можно пользоваться для лабораторного получения аммиака, а также для открытия ионов NH·в растворе: к последнему добавляют щелочи и затем обнаруживают выделяющийся аммиак по запаху или действию его на влажную лакмусовую бумажку.

Производные аммония имеют большое практическое значение. Его гидроокись (NH 4 ОH) является одним из важнейших химических реактивов, разбавленные растворы которого («нашатырный спирт») иногда применяются также в домашнем хозяйстве (при стирке белья и выводе пятен). Хлористый аммоний («нашатырь») при высоких температурах реагирует с окислами металлов, обнажая чистую металлическую поверхность. На этом основано использование его при пайке металлов. В электротехнике NH 4 Cl употребляют для изготовления «сухих» гальванических элементов. Азотнокислый аммоний (NH 4 NO 3) является основой сложных азотных удобрений и служит также для приготовления некоторых взрывчатых смесей. Сернокислый аммоний [(NH 4) 2 SO 4 ] в больших количествах потребляется сельским хозяйством как азотное удобрение. Кислый углекислый аммоний (NH 4 HCO 3) применяется при хлебопечении (главным образом в кондитерском производстве). Такое его использование основано на том, что при нагревании он легко разлагается по схеме

NH 4 HCO 3 = NH 3 ^ + H 2 O + CO 2 ^

и образующиеся газы придают тесту необходимую пористость. Сернистый аммоний [(NH 4) SO 4 ] является одним из основных реактивов аналитической химии. Соединения аммония играют важную роль при некоторых производственных процессах химической промышленности и широко используются в лабораторной практике.

Продажный нашатырный спирт содержит обычно около 10% аммиака. Он находит и медицинское применение. В частности, вдыхание его паров или прием внутрь (3-10 капель на рюмку воды) используется для снятия состояния сильного опьянения. Смазывание кожи нашатырным спиртом ослабляет действие укусов насекомых. При выводе пятен хорошие результаты дают во многих случаях следующие составы (по объему):

а) 4 ч. нашатырного спирта, 5 ч. эфира и 7 ч. винного спирта;
б) 10 ч. нашатырного спирта, 7 ч. винного спирта, 3 ч. хлороформа и 80 ч. бензина.

Взрывной распад азотнокислого аммония протекает в основном по уравнению:

2NH 4 NO 3 = 4H 2 O + O 2 + 57 ккал

Иногда применяемый в практике взрывных работ аммонал представляет собой тесную смесь NH 4 NO 3 (72%), алюминия в порошке (25%) и угля (3%). Смесь эта взрывается только от детонации.

Реакции замещения водорода менее характерны для аммиака, чем рассмотренные выше реакции присоединения. Однако при высоких температурах он способен замещать свои водороды на металл, например, по реакции:

2Аl+2NH 3 = 2AlN + ЗН 2

Именно накаливанием металлов в атмосфере аммиака чаще всего и получают нитриды. Последние представляют собой твердые вещества, большей частью очень устойчивые по отношению к нагреванию. Водой нитриды активных металлов более или менее легко разлагаются с выделением аммиака, например, по схеме:

Mg 3 N 2 + 6Н 2 О = 3Mg(OH) 2 + 2NH 3 ^

Нитриды малоактивных металлов по отношению к воде, как правило, весьма устойчивы.

Ввиду нелетучести нитридов и нерастворимости их ни в одном из известных растворителей применимых к ним методов определения молекулярных весов пока не существует. Поэтому известны только простейшие формулы нитридов. Во многих из них видимая валентность металла совместима с ее обычными значениями. В других случаях уже сама простейшая формула указывает на сложность молекулярной структуры. К первому типу относится, например, Mn 3 N 2 , ко второму - Cr 2 N.

При замещении в молекуле аммиака только двух атомов водорода получаются имиды, а при замещении лишь одного - амиды металлов. Первые содержат в своем составе двухвалентный радикал = NH (имино-группу), вторые - одновалентный радикал - NH 2 (амино-группу). Например, при пропускании сухого NH 3 над нагретым металлическим натрием по реакции

2Na + 2NH 3 = 2NaNH 2 + Н 2

образуется бесцветный амид натрия, являющийся типичной солью с анионом NH 2 . Водой он разлагается по уравнению:

NaNH 2 + Н 2 О = NH 3 + NaOH

Амид натрия находит применение при органических синтезах.

Наряду с производными металлов известны продукты замещения водородов аммиака на галоид. Примером может служить хлористый азот (NCl 3), образующийся в виде желтых маслянистых капель при действии хлора на крепкий раствор хлористого аммония:

NH 4 Cl + 3Cl 2 = 4HCl + NCl 3

Пары NCl 3 (т. пл. -27°С, т. кип. 71°С) обладают резким запахом. Уже при нагревании выше 90°С (или ударе) хлористый азот с сильным взрывом распадается на элементы.

При действии йода на крепкий раствор NH 3 выделяется темно-коричневый осадок так называемого йодистого азота, представляющего собой смесь NJ 3 с NHJ 2 и NH 2 J. Йодистый азот крайне неустойчив и в сухом виде взрывается от малейшего прикосновения.

Продуктом замещения одного из водородов аммиака на гидроксильную группу является гидроксиламин (NH 2 OH). Он образуется при электролизе азотной кислоты (с ртутным или свинцовым катодом) в результате восстановления HNO 3 по схеме:

НNO 3 + 6Н = > 2Н 2 О + NH 2 OH

Гидроксиламин представляет собой бесцветные кристаллы. Используется он главным образом как восстановитель.

С кислотами гидроксиламин (т. пл. 33°С) дает соли, из которых хлористая (NH 2 OH·НСl) является его обычным продажным препаратом. Все соединения гидроксиламина ядовиты и, как правило, хорошо растворимы в воде. Окислители переводят гидроксиламин либо в N 2 , либо в N 2 O, например, по реакциям:

2NH 2 OH + HOCl = N 2 +HCl + 3H 2 O
6NH 2 OH + 4HNO 3 = 3N 2 O + 4NO + 11H 2 O.

Подобно замещению водорода, реакции окисления для аммиака сравнительно малохарактерны. На воздухе он не горит, но подожженный в атмосфере кислорода сгорает по уравнению:

4NH 3 + ЗО 2 = 6Н 2 О + 2N 2

Хлор и бром энергично реагируют с аммиаком по схеме:

2NH 3 + ЗГ 2 = 6НГ + N 2

Так же окисляют они аммиак и в растворе. По отношению к большинству других окислителей NH 3 при обычных условиях устойчив. Наиболее важным продуктом частичного окисления аммиака является гидразин (N 2 H 4), образующийся по реакции:

2NH 3 + NaOCl = H 2 O + N 2 H 4 + NaCl

Как видно из уравнения, под действием окислителя каждая молекула аммиака теряет в данном случае один атом водорода, причем остающиеся радикалы NH 2 соединяются друг с другом. Структурная формула гидразина будет, следовательно, H 2 N-NH 2 .

Гидразин представляет собой бесцветную жидкость, смешивающуюся с водой в любых соотношениях. Он находит применение в качестве восстановителя.

Присоединяя кислоты, гидразин (т. пл. 2°С, т. кип. 114°С) образует два ряда солей, например N 2 H 4 ·НСl и N 2 H 4 ·2НСl. Окисляется он обычно до свободного азота (например, по реакции:

2K 2 Cr 2 O 7 + 3N 2 H 4 +8H 2 SO 4 = 2K 2 SO 4 + 2Cr 2 (SO 4) 3 + 3N 2 + 14H 2 O)

Пары гидразина в смеси с воздухом способны сгорать по реакции

N 2 H 4 + O 2 = > 2H 2 O + N 2 + 149 ккал

На этом основано использование в качестве ракетного топлива. Гидразин и все его производные ядовиты.

При взаимодействии гидразина с азотистой кислотой по схеме

N 2 H 4 + HNO 2 = 2H 2 O + HN 3

образуется азотистоводородная кислота (Н-N = N?N), представляющая собой бесцветную летучую жидкость с резким запахом. По силе азотистоводородная кислота близка к уксусной, а по растворимости солей (азидов) похожа на соляную. Подобно самой HN 3 , некоторые азиды при нагревании или ударе сильно взрываются. На этом основано применение азида свинца в качестве детонатора, т.е. вещества, взрыв которого вызывает мгновенное разложение других взрывчатых веществ.

Кислотная функция HN 3 (т. пл. -80°С, т. кип. +36°С) характеризуется значением K = 3 ·10-5. Ее взрывной распад идет по реакции:

2NH 3 = H 2 + 3N 2 + 142 ккал

Безводная азотистоводородная кислота способна взрываться даже просто от сотрясения сосуда. Напротив, в разбавленном водном растворе она при хранении практически не разлагается. Пары HN 3 очень ядовиты, а ее водные растворы вызывают воспаление кожи. Азиды, как правило, бесцветны.

В лабораториях азот можно получать по реакции разложения нитрита аммония:

NH 4 NO 2 > N 2 ^ + 2H 2 O+Q

Реакция экзотермическая, идёт с выделением 80 ккал (335 кДж), поэтому требуется охлаждение сосуда при её протекании (хотя для начала реакции требуется нагревание нитрита аммония).

Практически эту реакцию выполняют, добавляя по каплям насыщенный раствор нитрита натрия в нагретый насыщенный раствор сульфата аммония, при этом образующийся в результате обменной реакции нитрит аммония мгновенно разлагается.

Выделяющийся при этом газ загрязнён аммиаком, оксидом азота (I) и кислородом, от которых его очищают, последовательно пропуская через растворы серной кислоты, сульфата железа (II) и над раскалённой медью. Затем азот осушают.

Ещё один лабораторный способ получения азота - нагревание смеси дихромата калия и сульфата аммония (в соотношении 2:1 по массе). Реакция идёт по уравнениям:

K 2 Cr 2 O 7 + (NH 4) 2 SO 4 = (NH 4) 2 Cr 2 O 7 + K 2 SO 4

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 >(t) Cr 2 O 3 + N 2 ^ + 4H 2 O

Самый чистый азот можно получить разложением азидов металлов:

2NaN 3 >(t) 2Na + 3N 2 ^

Так называемый «воздушный», или «атмосферный» азот, то есть смесь азота с благородными газами, получают путём реакции воздуха с раскалённым коксом:

O 2 + 4N 2 + 2C > 2CO + 4N 2

При этом получается так называемый «генераторный», или «воздушный», газ-сырьё для химических синтезов и топливо. При необходимости из него можно выделить азот, поглотив монооксид углерода.

Молекулярный азот в промышленности получают фракционной перегонкой жидкого воздуха. Этим методом можно получить и «атмосферный азот». Также широко применяются азотные установки, в которых используется метод адсорбционного и мембранного газоразделения.

Один из лабораторных способов - пропускание аммиака над оксидом меди (II) при температуре ~700°С:

2NH3 + 3CuO > N2^ + 3H2O + 3Cu

Аммиак берут из его насыщенного раствора при нагревании. Количество CuO в 2 раза больше расчётного. Непосредственно перед применением азот очищают от примеси кислорода и аммиака пропусканием над медью и её оксидом (II) (тоже ~700°C), затем сушат концентрированной серной кислотой и сухой щёлочью. Процесс происходит довольно медленно, но он того стоит: газ получается весьма чистый.