Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Азот (N2) — бесцветный газ без запаха и вкуса, составляющий 78,09% объёма атмосферного воздуха. Молекулярная масса — 28,016. Химически инертен при нормальных условиях благодаря прочной тройной связи между атомами (энергия диссоциации 945 кДж/моль). Именно инертность делает азот незаменимым во множестве промышленных процессов.
ГОСТ 9293-74 (ИСО 2435-73) «Азот газообразный и жидкий. Технические условия» распространяется на азот, получаемый из атмосферного воздуха способом низкотемпературной ректификации. Стандарт устанавливает несколько марок газообразного и жидкого азота, различающихся чистотой:
* На отдельных установках (Кт-12, КтК-35 и др.) допускается жидкий азот с объёмной долей N2 не менее 97,0%.
Чистота азота — ключевой параметр, определяющий пригодность газа для конкретного технологического процесса. Ниже приведена классификация по уровням чистоты:
PSA (Pressure Swing Adsorption — адсорбция при переменном давлении) — наиболее распространённый метод генерации азота непосредственно на площадке потребителя. Принцип основан на различной скорости адсорбции кислорода и азота на углеродном молекулярном сите (CMS — Carbon Molecular Sieve).
Сжатый очищенный воздух (давление 6–10 бар) поступает в одну из двух адсорбционных колонн, заполненных CMS. Молекулы кислорода (кинетический диаметр 0,346 нм) проникают в микропоры адсорбента быстрее, чем молекулы азота (0,364 нм), и задерживаются. Азот проходит через слой CMS и выходит в виде продуктового газа. Когда сорбент насыщается кислородом, давление сбрасывается, адсорбированный кислород десорбируется и сбрасывается в атмосферу. Вторая колонна в это время работает на производство азота. Цикл переключения — 30–120 секунд.
Мембранные генераторы используют полимерные половолоконные мембраны для разделения воздуха. Принцип основан на различной скорости проникновения (пермеации) газов через полимерную мембрану: молекулы кислорода, водяного пара и CO2 проникают через стенку волокна быстрее, чем молекулы азота, и отводятся как пермеат. Азот остаётся внутри волокон и выходит как ретентат (продуктовый газ).
Криогенные воздухоразделительные установки (ВРУ) — основной метод промышленного получения азота в больших объёмах. Атмосферный воздух сжимается, очищается от CO2 и влаги, охлаждается до температуры конденсации (−190...−196 °C) и разделяется на фракции (азот, кислород, аргон) методом низкотемпературной ректификации.
Криогенный метод экономически оправдан при потреблении азота свыше 500–1 000 нм3/ч или при требованиях к чистоте выше 99,999%. При меньших объёмах потребления дешевле использовать PSA или мембранные генераторы.
Качество подаваемого сжатого воздуха критически влияет на производительность и срок службы генератора. Масло, влага и твёрдые частицы способны необратимо повредить CMS (для PSA) или снизить производительность мембранных модулей.
Типовая схема подготовки воздуха: компрессор → концевой охладитель → влагомаслоотделитель → рефрижераторный осушитель → коалесцентный фильтр (0,01 мкм) → угольный адсорбер (удаление паров масла) → генератор азота.
Азот не токсичен и не горюч, однако представляет серьёзную опасность как удушающий газ. При вытеснении кислорода из замкнутого пространства концентрация O2 может снизиться до опасных уровней без каких-либо предупреждающих признаков (азот не имеет запаха и цвета).
PSA-генераторы на углеродном молекулярном сите (CMS) обеспечивают чистоту азота до 99,999% (остаточный кислород 10 ppm). Оптимальный и наиболее энергоэффективный диапазон — 99,5–99,99%. При повышении чистоты с 99,5% до 99,999% удельный расход сжатого воздуха возрастает с 2,5–3,5 до 8–12 нм3 на 1 нм3 азота.
Мембранный генератор использует полимерные половолоконные мембраны для разделения воздуха, PSA — углеродное молекулярное сито. Мембранные генераторы компактнее, не имеют движущихся частей, запускаются за секунды, но обеспечивают чистоту только до 99,5–99,9%. PSA-генераторы крупнее, требуют 5–15 минут на выход на режим, но достигают чистоты до 99,999%.
Основной стандарт — ГОСТ 9293-74 (ИСО 2435-73) «Азот газообразный и жидкий. Технические условия». Он устанавливает марки: технический 1-го и 2-го сорта (99,6% и 99,0%), повышенной чистоты (99,95%), особой чистоты (99,996%). Стандарт формально распространяется на азот, полученный криогенным методом. Для пищевого азота дополнительно применяется ТР ТС 029/2012.
Для лазерной резки нержавеющей стали и алюминия требуется азот чистотой 99,95–99,999% (остаточный O2 от 10 до 500 ppm). Чем выше чистота, тем чище кромка реза и меньше окисление. Для резки углеродистой стали азот обычно не используется (применяется кислород). Давление азота на выходе для лазерной резки — 15–25 бар, что требует дожимного компрессора (бустера) после генератора.
Расход зависит от типа генератора и требуемой чистоты. Для мембранного генератора при чистоте 95%: 2,0–2,5 нм3 воздуха на 1 нм3 азота. При 99,5%: 4–6 нм3. Для PSA при 99,5%: 2,5–3,5 нм3; при 99,999%: 8–12 нм3. Таким образом, компрессор должен обеспечивать производительность в 2,5–12 раз больше требуемого объёма азота.
Азот не токсичен и не горюч, но является удушающим газом. При вытеснении кислорода из замкнутого помещения концентрация O2 может снизиться до опасных уровней без предупреждающих признаков. При содержании кислорода ниже 16% — головокружение, ниже 8% — потеря сознания за минуты, ниже 6% — смерть за 1–2 вдоха. Обязательна установка стационарных кислородных анализаторов с аварийной сигнализацией.
При правильной подготовке сжатого воздуха (остаточное масло ≤ 0,01 мг/м3, точка росы ≤ +3 °C, частицы ≤ 1 мкм) срок службы CMS составляет 10–20 лет. Основная причина преждевременного выхода из строя — попадание масла, которое необратимо закупоривает микропоры адсорбента. Замена CMS — наиболее дорогостоящая операция обслуживания PSA-генератора.
Для упаковки в модифицированной газовой среде (MAP) используется пищевой азот чистотой 99,0–99,9%. Он должен соответствовать требованиям ТР ТС 029/2012 и Регламенту (ЕС) N 1333/2008 (пищевая добавка E941). Как правило, достаточно мембранного генератора с чистотой 99,5% или PSA при 99,5–99,9%. Ключевое требование — отсутствие масла и посторонних запахов в продуктовом газе.
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и справочный характер. Информация предназначена для технических специалистов и не является проектной документацией или руководством по эксплуатации. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате применения представленных данных. Подбор генератора азота, расчёт системы воздухоподготовки и проектирование азотопроводов должны выполняться квалифицированными инженерами с учётом конкретных условий эксплуатации и требований безопасности.
Нормативные документы: ГОСТ 9293-74 (ИСО 2435-73) «Азот газообразный и жидкий. Технические условия»; ГОСТ 26460-85 «Продукты разделения воздуха. Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение»; ISO 8573-1:2010 «Compressed air — Contaminants and purity classes»; ISO 10156:2017 «Gas cylinders — Gases and gas mixtures — Determination of fire potential»; ТР ТС 029/2012; Регламент (ЕС) N 1333/2008.
Учебная и справочная литература: Глизманенко Д.Л. «Получение кислорода и азота методом глубокого охлаждения воздуха»; Рязанцев Е.В. «Разделение газов методом адсорбции с колебаниями давления»; Koros W.J. et al. «Gas Separation Membranes»; Smith A.R., Klosek J. «A review of air separation technologies and their integration with energy conversion processes»; Atlas Copco Compressed Air Manual, 8th ed.; Compressed Gas Association (CGA) Handbook of Compressed Gases, 5th ed.
Техническая документация: Atlas Copco (серии NGP, NGM); Parker Hannifin (Balston N2 Generators); Pneumatech (PPNG/PMNG); Air Products; Linde Engineering.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.