نیتروژن مایع چگونه تولید می شود؟

هوای اطراف ما از گاز های مختلفی تشکیل شده است که 78 درصد آن گاز نیتروژن است.جداسازی این گاز از مخلوط هوا به روش های مختلفی صورت می گیرد که در اینجا به دو روش عمده آن می پردازیم.

هریک از گازهای موجود درهوا ویژگی های خاص خودرا دارندکه با استفاده ازاین ویژگی ها می توان آنها را از هم جدا نمود.

دو نمونه از ویژگیهای گازها 

1- همه گازها از مولکول تشکیل شده اند مولکول گازها سایز های مختلفی دارند. مثلا قطر مولکول نیتروژن از مولکول اکسیژن بزرگتر و مولکول اکسیژن از مولکول آرگون درشت تر است.

2- هر گاز در فشار ثابت اتمسفر، برای خودش نقطه جوش خاصی دارد. مثلا نقطه جوش اکسیژن منفی در 183⁰C ، آرگون منفی  185⁰C و نیتروژن منفی   196⁰C

یعنی هر کدام از این گازها را تا دمای نقطه جوششان سرد کنیم از حالت گاز به مایع تبدیل می شوند.

نیتروژن مایع چگونه تولید می شود؟

روش اول: روش جذب سطحی مولکولارسیو(غربال مولکولی)

با استفاده از ویژگی شماره 1 هوا را غربال مولکولی می کنند. به همان صورت که مخلوط شن و ماسه را غربال و آنها را از هم جدا می کنند. با استفاده از روش  PSA روش جذب سطحی، مولکول های نیتروژن را از مولکول های گازهای دیگر جدا می کنند.

چارت تولید نیتروژن به روش جذب سطحی و مولکولارسیو PSA

 

در این روش ابتدا هوا توسط یک کمپرسور فشرده شده و پس از عبور از تله های آبگیری ، رطوبت و روغن معلق موجود در هوای فشرده حذف می شوند. سپس با عبور هوا از بستر زئولیت عمل مولکولارسیو یا غربال مولکولی انجام می گیرد.

زئولیت (zeolite)  یک ماده معدنی یا ساختگی است که عمدتا از آلومینوسیلکات تشکیل شده است، این ماده دارای حفره های ریز(میکروترپ ها) یکنواخت و شبکه ای هستندکه به جدا سازی مولکولها براساس اندازه قطر آنها می پردازد.

با عبور هوای خشک و فشرده از میان دانه های نوعی از زئولیت با سطوح متخلخل کاملا منظم و با قطر حفره های چهار انگستروم ، غربال مولکولی عملا انجام می شود.

با توجه به تفاوت در قطر مولکولی اکسیژن (3.8 انگستروم) و قطر مولکولی نیتروژن (4.2 انگستروم) فقط مولکول های ریزتر اکسیژن توان نفوذ به داخل حفره های ریز چهار انگسترومی را یافته و در آنها به دام می افتند و بنابراین مولکول های نیتروژن از لابه لای دانه های زئولیت، با خلوص معین ، خارج می شوند. و بدینگونه نیتروژن به صورت گاز با خلوص نه چندان بالایی تولید می شود .

روش دوم: جدا سازی گازها به روش تقطیر جزء به جزء هوا (Air separation unit) ASU

این تنها روشی است که می توان نیتروژن مایع با خلوص بالا تولید کرد.

این روش یکی ازقدیمی ترین روش های تولید نیتروژن مایع می باشد. این روش توسط مهندس آلمانی کارلفون لینده ابداع شده و امروزه نیز همچنان در جاهایی که نیاز به تولید نیتروژن مایع یا گاز با خلوص بالا و تناژ زیاد نیاز است ، کاربرد دارد.

این روش جداسازی در حال حاضر یکی از پرهزینه ترین و کارآمد ترین روش های تولید نیتروژن مایع می باشد.

چارت فرایند تولید نیتروژن مایع به روش تقطیر جزء به جزء هوا

 

در این روش هوای محیط توسط یک کمپرسور فشرده می شود و همزمان در فرآیند فشرده سازی بعضی از آلاینده های آن مثل بخار آب ، دی اکسیدکربن و برخی هیدروکربن ها گرفته و حذف می شوند.

در ادامه فرآیند هوای فشرده ، خشک و تصفیه و سپس تا حدی سرد می شوند و پس از آن از طریق شیرها و توربین های انبساطی عبور داده می شود تا به حد نهایی سرمای مورد نیاز برسد و با عبور از مبدل های فوق سرد و کولر های فرعی وارد ستون تقطیر که حاوی تعدادی سینی تقطیر به منظور جداسازی نیتروژن، اکسیژن و آرگون است، می شود.

هر کدام از این عناصر از نقاط دقیق ستون تقطیر خارج می شوند تا از حداکثر خلوص موجود در گازها یا مایع خاصی که خارج میشود ، اطمینان حاصل گردد. نیتروژن مایع تولید شده به این روش 99/999 درصد خالص است.

صنایع گازی پرستلی با بهره گیری از دستگاه های مدرن و دستگاه های متعدد خود به روش ASU نیتروژن مایع با خلوص بسیار بالا ( گرید 5/5) تولید و به مشتریان خود در سرتاسر ایران تحویل می دهد.

تولید نیتروژن مایع در صنایع گازی پرستلی به روش ASU Air Separation Unit می باشد. محصولی که با این روش تولید می شود از نظر کیفیت دارای گرید 5.5 (2ppm  و خلوص 99.9995 % ) ، از نظر برودت و سرمادهی  196- درجه سانتی گراد و از نظر واکنشی ، خنثی ترین نیتروژن مایع (LN2)  است که این ویژگی ها باعث می شوند درصنعت کاربرد بسیاری داشته باشد.

روش تولید نیتروژن مایع در صنایع گاز پرستلی

صنایع گازی پرستلی محصول نیتروژن مایع تولیدی خود را به روش سیستم جداسازی هوا (Air Seperation Unit) ASU  تولید و به مشتریان خود تحویل می نماید.

در این روش تولید، فرآیند پیچیده تولید نیتروژن مایع طی پنج مرحله، فشرده سازی، تصفیه و خشک کردن هوا، سردسازی، انبساط و در نهایت تقطیر جزء به جزء و جداسازی نیتروژن از عناصر دیگر هوا، انجام می گیرد.

تولید نیتروژن مایع در صنایع گازی پرستلی با استفاده از چند نوع دستگاه مولد با تناژهای مختلف انجام می گیرد در اینجا به یکی از آن ها اشاره می شود.

در این دستگاه ، هوا توسط یک کمپرسور بزرگ چهار استیجه پیستونی با قدرت مکش 3000 متر  مکعب هوا در ساعت و فشرده سازی آن تا  70bar ، تولید می شود.

در هر استیج بخشی از ناخالصی های هوا از جمله : بخارآب  و دی اکسید کربن توسط ترپ ها ( Condensate Trap) گرفته می شود.

در مرحله دوم هوا توسط زئولیت خشک و تصفیه می شود و بعد هوا توسط سیستم چیلر فریون تا -12 درجه سانتیگراد سرد می شود.

سپس هوا وارد یک مبدل حرارتی پیشرفته ( Heat Exchanger) شده تا تحت فشار و دمای بحرانی (Critical Point) به مایع تبدیل شود.

بخشی از هوا که مایع شده است با عبور از شیر انبساطی و افت فشار از 70 به 2.2bar سردتر شده و به برودت -173  درجه سانتیگراد می رسد و بخش دیگر هوای فوق سرد با عبور از توربین های انبساطی (Torbu Expander) و افت فشار تا 2.2 بار و دمای -170 درجه سانتیگراد با بخش اول هوا ، تجمیع شده  و وارد ستون تقطیر (Distilation Column) می شود تا پس از تبخیر، نیتروژن به صورت بخار از هوای مایع جدا و در کندانسور (Condenser)  با انقباض مجدد به مایع تبدیل می شود.

محصول نیتروژن مایع با دمای -196 درجه سانتیگراد و خلوص  2ppm تولید و در مخازن کرایوژنیک ذخیره می شود .

برج تقطیر مولد نیتروژن مایع