Получение азота

Технический азот в жидком и газообразном состоянии получают из атмосферного воздуха. Вещество является достаточно распространенным химическим элементом. Атмосфера Земли на 75% состоит из азота, однако в чистом виде для дыхания он непригоден. Тем не менее в организме человека протекают сотни процессов, на скорость и качество которых влияет это вещество. Например, азот входит в состав гемоглобина, аминокислот и белков. К тому же он содержится в клетках растений и животных.

В молекуле газа находятся два атома, соединенных очень прочно. Чтобы азот вошел в состав химического соединения, эту связь необходимо разорвать либо ослабить, а это достаточно трудно. Значительно проще происходит обратный процесс выхода азота из различных соединений. Реакция горения всегда протекает с образованием свободного газа.

Богатый источник азота – чилийская селитра (нитрит натрия). В начале XIX века из нее получали удобрения и порох. Со временем запасы полезного ископаемого уменьшались, а потребности в нитратах только увеличивались. В начале XX века был получен азот из атмосферного воздуха и связан в аммиак. Для этого пришлось применить высокую температуру, давление и ввести в реакцию катализаторы. С тех пор вопрос о получении азота получил новое решение, так как атмосфера является его неисчерпаемым источником.

Благодаря инертным и другим свойствам этот газ нашел применение в:

• разработке угольных пластов;
• бурении скважин;
• упаковке продуктов;
• пожаротушении;
• высокотемпературной обработке металлов и т. д.

Физические характеристики вещества

В нормальных условиях (при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°С) вещество представляет собой газ без запаха и цвета, который плохо растворяется в воде. Он не вступает в реакции с другими элементами за исключением лития. При нагревании азот приобретает способность к диссоциации на атомы и создает различные химические соединения. Наиболее востребована его реакция с водородом, в результате которой получается аммиак, используемый для изготовления удобрений, хладагента, синтетических волокон и пр. Газообразный азот пожаро- и взрывобезопасен, к тому же он препятствует гниению и окислению. Вещество нетоксично, поэтому не оказывает опасного влияния на окружающую среду. Но при длительном вдыхании вызывает кислородную недостаточность и удушье.

При охлаждении до -195,8°С азот превращается в жидкость, напоминающую по внешнему виду обычную воду. Температура кипения данного вещества несколько ниже, чем у кислорода. Поэтому при нагревании жидкого воздуха азот начинает испаряться первым. Данное свойство лежит в основе современного принципа производства химического продукта. Многократное повторение сжижения и вскипания дает возможность получить азот и кислород в нужной концентрации. Данный процесс получил название ректификации.

Если азот в жидком состоянии, объем которого составляет 1 литр, нагревать до +20°С, он будет испаряться и образует 700 литров газа. Поэтому вещество хранят в специальных емкостях открытого типа с вакуумной изоляцией либо в криогенных сосудах под давлением.

Последующее охлаждение азота до -209,86°С переводит его в твердое агрегатное состояние. Получаются большие белоснежные кристаллы. При последующем контакте с воздухом снегоподобная масса поглощает кислород и плавится.

Промышленное производство

В настоящее время в основном используют три технологии для получения инертного азота, основанные на разделении атмосферного воздуха:

• криогенная;
• мембранная;
• адсорбционная.

Разделяющие криогенные установки функционируют по принципу сжижения воздуха. Сначала он сжимается компрессором, затем проходит через теплообменники и расширяется в детандере. В результате охлажденный воздух становится жидкостью. За счет разной температуры кипения кислорода и азота происходит их разделение. Процесс многократно повторяется на специальных ректификационных тарелках. Завершается он получением чистейшего кислорода, аргона и азота. Данный способ наиболее эффективен для крупных предприятий по причине значительных габаритов системы, сложности ее пуска и обслуживания. Достоинство метода состоит в том, что можно получить азот наивысшей чистоты, как жидкий, так и газообразный, в любых количествах. При этом расход энергии на изготовление 1 л вещества составляет 0,4-1,6 кВт/ч (в зависимости от технологической схемы установки).

Мембранная технология разделения газов начала применяться в 70-х годах прошлого века. Высокая экономичность и эффективность данного метода послужила достойной альтернативой криогенному и адсорбционному способам получения чистого азота. Сегодня в установках используются мембраны последнего поколения высокой производительности. Теперь это не пленка, а тысячи полых волокон, на которые нанесен селективный слой. Подвижные составляющие в установке отсутствуют, поэтому значительно увеличивается продолжительность ее эксплуатации без поломок. Отфильтрованный воздух подается в систему. Кислород беспрепятственно проходит сквозь нее, а азот выводится под давлением через противоположную сторону мембраны и направляется в накопитель. С помощью данных установок изготавливается вещество с чистотой до 99,95%. Таким образом осуществляется производство азота из атмосферного воздуха. Ограниченная чистота получаемого азота не позволяет применять данный метод крупным изготовителям с большими потребностями высокочистого азота.

На тех предприятиях, где востребован азот высокой чистоты в больших объемах, применяется установка для разделения газовых смесей при помощи адсорбентов. Конструктивно она представляет собой две колонны. В каждой из них находится вещество, селективно поглощающее газовую смесь. Для функционирования установок по производству азота требуется атмосферный воздух, электроэнергия.

Изначально воздух попадает в компрессор, где происходит его сжатие. Затем он подается в ресивер, который выравнивает его давление. Так как воздух не должен содержать водяных паров, пыли, двуокиси углерода, окислов азота, ацетилена, а также других примесей, его фильтруют. Наступает основной этап адсорбционного разделения газовой смеси. Поток воздуха пропускается через одну колонну с углеродными молекулярными ситами до тех пор, пока они способны поглощать кислород. После этого поверхность адсорбента необходимо очистить, то есть регенерировать, путем сброса давления или повышением температуры. А воздух направляется во вторую колонну. В это время азот проходит сквозь агрегат и накапливается в ресивере. Продолжительность циклов адсорбции и регенерации составляет всего несколько минут. Чистота получаемого по данной технологии азота составляет 99,9995%.

Преимущества адсорбционных установок:

• быстрый пуск и остановка;
• возможность дистанционного управления;
• высокая разделительная способность;
• низкое энергопотребление;
• возможность оперативной переналадки;
• автоматическое регулирование режима;
• низкие затраты на обслуживание.

Области применения газа

Сегодня данный продукт востребован во многих отраслях промышленности: газовой, пищевой, металлургической. Однако крупные масштабы добычи азота актуальны именно для нефтехимической индустрии. Основная область применения – изготовление одноименной кислоты и других удобрений для сельского хозяйства. В технике азот используют для охлаждения различного оборудования и агрегатов. Он создает инертную среду при перекачивании горючих жидкостей.

В фармацевтике азот применяют для транспортировки химического сырья, защиты резервуаров и упаковки лекарственных средств. В электронике он предотвращает окисление в процессе производства полупроводников.

В пищевой промышленности азот в жидком состоянии используется как охлаждающий и замораживающий элемент. В газообразном виде его применяют в целях создания инертной среды при розливе негазированных напитков и масел, а также производят пропеллент для баллончиков.

Наиболее эффективный способ тушения пожаров – азотное пожаротушение. Испаряясь, вещество быстро вытесняет кислород, который требуется для поддержания горения, и огонь затухает. Затем азот быстро выветривается из помещения, при этом сберегаются материальные ценности, которые могли быть повреждены пеной, порошком или водой.

В медицине при помощи криогенной консервации сохраняют клетки и органы. Кроме того, жидким азотом разрушают пораженные участки тканей.

Хранение и соблюдение техники безопасности

Автотранспортом азот в жидком состоянии перевозят в специальных криогенных сосудах или цистернах. Потребителям доставляют газообразное вещество в сжатом виде в черных баллонах. Хранят азот в сосудах Дьюара, имеющих двойные стенки, между которыми находится вакуум. В целях уменьшения передачи тепла поверхности делают зеркальными за счет слоя серебра. Сосуды Дьюара могут быть разного объема. Емкости, вмещающие десятки литров, изготавливают из металла. В таком сосуде вещество может храниться несколько недель.

Кратковременный контакт кожи с жидким азотом не представляет серьезной опасности, так как в месте соприкосновения образуется воздушная подушка, обладающая низкой теплопроводностью. Именно она защищает ткани от травмирования. Длительный контакт азота с кожей, глазами или слизистыми оболочками вызывает их тяжелое повреждение. Пораженный участок при попадании вещества необходимо незамедлительно промыть большим количеством воды.

При испарении азота происходит его накопление на уровне пола рабочего помещения из-за низкой температуры и большей плотности, чем у воздуха. Незаметно для человека создается высокая концентрация вещества, а количество кислорода уменьшается. Это влияет на общее самочувствие: нарушается ритм дыхания и учащается пульс. При тяжелом исходе ситуации расстраивается сознание и теряется способность двигаться. Опасность состоит в том, что отравление происходит незаметно для человека, пострадавший не осознает серьезности ситуации. Поэтому помещения, в которых производится или используется азот, обязательно оснащаются надежной системой вентиляции.

Современные воздухоразделительные установки

Мы предлагаем отказаться от приобретения данного вещества, организовав его самостоятельное изготовление. В таком случае себестоимость полученного азота в 10-20 раз меньше покупного. Если вашему предприятию потребуется собственный источник азота, наши специалисты ознакомят вас с техническими характеристиками имеющихся установок. Мы поможем сделать оптимальный выбор агрегатов, организуем их поставку, монтаж, пуск и наладку.

Производите азот сами – отправляйте заявку на оборудование со страниц нашего сайта!