עם התקדמות המדע והטכנולוגיה והתפתחות הכלכלה, היקף היישום של חנקן מתרחב מיום ליום, והוא חדר למגזרים תעשייתיים רבים ולחיי היומיום.
יצרני ייצור חנקן - מפעל וספקים לייצור חנקן בסין (xinfatools.com)
חנקן הוא המרכיב העיקרי של האוויר, המהווה כ-78% מהאוויר. חנקן יסודי N2 הוא גז חסר צבע וריח בתנאים רגילים. צפיפות הגז במצב סטנדרטי היא 1.25 גרם/ליטר. נקודת ההיתוך היא -210 ℃ ונקודת הרתיחה היא -196 ℃. חנקן נוזלי הוא חומר קירור בטמפרטורה נמוכה (-196℃).
היום נציג מספר שיטות עיקריות להפקת חנקן בבית ומחוץ.
קיימות שלוש שיטות כלליות לייצור חנקן בקנה מידה תעשייתי: ייצור חנקן בהפרדת אוויר קריוגנית, ייצור חנקן בספיחת תנופת לחץ, וייצור חנקן בהפרדת ממברנה.
ראשית: שיטת ייצור חנקן בהפרדת אוויר קריוגנית
ייצור חנקן בהפרדת אוויר קריוגנית היא שיטת ייצור חנקן מסורתית עם היסטוריה של כמעט כמה עשורים. הוא משתמש באוויר כחומר גלם, דוחס ומטהר אותו, ולאחר מכן משתמש בחילופי חום כדי לנזל את האוויר לאוויר נוזלי. אוויר נוזלי הוא בעיקר תערובת של חמצן נוזלי וחנקן נוזלי. נקודות הרתיחה השונות של חמצן נוזלי וחנקן נוזלי משמשות להפרדה ביניהם באמצעות זיקוק אוויר נוזלי לקבלת חנקן.
יתרונות: הפקת גז גדולה וטוהר גבוה של חנקן המוצר. ייצור חנקן קריוגני יכול לייצר לא רק חנקן אלא גם חנקן נוזלי, העומד בדרישות התהליך של חנקן נוזלי וניתן לאחסן אותו במיכלי אחסון חנקן נוזלי. כאשר יש עומס חנקן לסירוגין או תיקון קל של ציוד הפרדת האוויר, החנקן הנוזלי במיכל האחסון נכנס למכשיר האידוי ומחומם, ולאחר מכן נשלח לצינור החנקן של המוצר כדי לענות על דרישת החנקן של יחידת התהליך. מחזור הפעולה של ייצור חנקן קריוגני (הכוונה למרווח בין שני חימום גדול) הוא בדרך כלל יותר משנה, כך שייצור חנקן קריוגני בדרך כלל אינו נחשב כמצב המתנה.
חסרונות: ייצור חנקן קריוגני יכול לייצר חנקן בטוהר של ≧99.999%, אך טוהר החנקן מוגבל על ידי עומס חנקן, מספר מגשים, יעילות המגש וטוהר החמצן באוויר הנוזלי, וטווח ההתאמה הוא קטן מאוד. לכן, עבור קבוצה של ציוד לייצור חנקן קריוגני, טוהר המוצר הוא ביסודו בטוח ולא נוח להתאמה. מכיוון שהשיטה הקריוגנית מתבצעת בטמפרטורות נמוכות במיוחד, הציוד חייב לעבור תהליך הפעלה מקדים של קירור לפני שהוא נכנס לפעולה רגילה. זמן ההתנעה, כלומר הזמן מהתחלת ההרחבה ועד לזמן שבו טוהר החנקן מגיע לדרישה, הוא בדרך כלל לא פחות מ-12 שעות; לפני שהציוד נכנס לשיפוץ, חייב להיות לו פרק זמן של חימום והפשרה, בדרך כלל 24 שעות. לכן אין להפעיל ולהפסיק את הציוד לייצור חנקן קריוגני בתדירות גבוהה, ורצוי לפעול ברציפות לאורך זמן.
בנוסף, התהליך הקריוגני מורכב, תופס שטח גדול, בעל עלויות תשתית גבוהות, דורש כוחות תחזוקה מיוחדים, בעל מספר רב של מפעילים ומפיק גז לאט (18 עד 24 שעות). זה מתאים לייצור חנקן תעשייתי בקנה מידה גדול.
שנית: שיטת ייצור חנקן בתנופת לחץ (PSA).
טכנולוגיית הפרדת גזים (PSA) היא ענף חשוב של טכנולוגיית הפרדת גזים לא קריוגנית. היא תוצאה של מאמצים ארוכי טווח של אנשים למצוא שיטת הפרדת אוויר פשוטה יותר מהשיטה הקריוגנית.
בשנות ה-70 של המאה ה-20, חברת הכרייה של אסן המערבית פיתחה בהצלחה מסננות מולקולריות פחמן, וסללה את הדרך לתיעוש של ייצור חנקן בהפרדת אוויר PSA. במהלך 30 השנים האחרונות, טכנולוגיה זו התפתחה במהירות והתבגרה. היא הפכה למתחרה חזקה של הפרדת אוויר קריוגנית בתחום ייצור חנקן קטן ובינוני.
ייצור חנקן ספיחת תנודת לחץ משתמש באוויר כחומר גלם ובמסננת מולקולרית פחמן כסופח. הוא משתמש במאפיינים של ספיחה סלקטיבית של מסננת מולקולרית פחמן של חמצן וחנקן באוויר, ומשתמש בעקרון של ספיחת תנודת לחץ (ספיחת לחץ, ספיגה הפחתת לחץ והתחדשות מסננת מולקולרית) כדי להפריד חמצן וחנקן בטמפרטורת החדר לייצור חנקן.
בהשוואה לייצור חנקן בהפרדת אוויר קריוגני, לייצור חנקן לספיחת בתנופת לחץ יש יתרונות משמעותיים: הפרדת ספיחה מתבצעת בטמפרטורת החדר, התהליך פשוט, הציוד קומפקטי, טביעת הרגל קטנה, קל להתחיל ולעצור, זה מתחיל במהירות, ייצור הגז מהיר (בדרך כלל כ-30 דקות), צריכת האנרגיה קטנה, עלות התפעול נמוכה, מידת האוטומציה גבוהה, התפעול והתחזוקה נוחים, התקנת ההחלקה נוחה, אין בסיס מיוחד נדרש, ניתן להתאים את טוהר החנקן של המוצר בטווח מסוים, וייצור החנקן הוא ≤3000Nm3/h. לכן, ייצור חנקן ספיחת תנודת לחץ מתאים במיוחד לפעולה לסירוגין.
עם זאת, עד כה, עמיתים מקומיים וזרים יכולים לייצר חנקן בטוהר של 99.9% בלבד (כלומר, O2≤0.1%) באמצעות טכנולוגיית ייצור חנקן PSA. חברות מסוימות יכולות לייצר 99.99% חנקן טהור (O2≤0.01%). טוהר גבוה יותר אפשרי מנקודת המבט של טכנולוגיית ייצור חנקן PSA, אך עלות הייצור גבוהה מדי וסביר שהמשתמשים לא יקבלו זאת. לכן, השימוש בטכנולוגיית ייצור חנקן PSA לייצור חנקן בטוהר גבוה חייב להוסיף גם מכשיר טיהור לאחר שלב.
שיטת טיהור חנקן (בקנה מידה תעשייתי)
(1) שיטת דה-חמצן הידרוגנית.
בפעולת זרז, החמצן שיורי בחנקן מגיב עם המימן המוסף לייצור מים, ונוסחת התגובה היא: 2H2 + O2 = 2H2O. לאחר מכן, המים מוסרים על ידי מאיץ מדחס חנקן בלחץ גבוה, והחנקן הטוהר הגבוה עם המרכיבים העיקריים הבאים מתקבל על ידי ייבוש לאחר: N2≥99.999%, O2≤5×10-6, H2≤1500× 10-6, H2O≤10.7×10-6. עלות הפקת חנקן היא כ-0.5 יואן/מ"ק.
(2) שיטת הידרוגנציה ושחרור חמצן.
שיטה זו מחולקת לשלושה שלבים: השלב הראשון הוא הידרוגנציה ושחרור חמצן, השלב השני הוא דהידרוגנציה והשלב השלישי הוא פינוי מים. חנקן בטוהר גבוה מתקבל בהרכב הבא: N2 ≥ 99.999%, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10.7 × 10-6. עלות הפקת חנקן היא כ-0.6 יואן/מ"ק.
(3) שיטת דה-חמצן בפחמן.
תחת פעולתו של זרז נתמך בפחמן (בטמפרטורה מסוימת), החמצן שיורי בחנקן רגיל מגיב עם הפחמן שמספק הזרז עצמו כדי ליצור CO2. נוסחת תגובה: C + O2 = CO2. לאחר השלב הבא של הסרת CO2 ו-H2O, מתקבל חנקן בטוהר גבוה בהרכב הבא: N2 ≥ 99.999%, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10.7 × 10-6. עלות הפקת חנקן היא כ-0.6 יואן/מ"ק.
שלישית: הפרדת ממברנה והפרדת אוויר ייצור חנקן
הפרדת ממברנות והפרדת אוויר ייצור חנקן הוא גם ענף חדש של טכנולוגיית ייצור חנקן לא קריוגני. זוהי שיטת ייצור חנקן חדשה שהתפתחה במהירות בחו"ל בשנות ה-80. זה מקודם ויושם בסין בשנים האחרונות.
ייצור חנקן בהפרדת ממברנה משתמש באוויר כחומר גלם. תחת לחץ מסוים, הוא משתמש בשיעורי החדירה השונים של חמצן וחנקן בממברנת הסיבים החלולים כדי להפריד בין חמצן לחנקן לייצור חנקן. בהשוואה לשתי שיטות ייצור החנקן לעיל, יש לו את המאפיינים של מבנה ציוד פשוט יותר, נפח קטן יותר, ללא שסתום מיתוג, תפעול ותחזוקה פשוטים יותר, ייצור גז מהיר יותר (תוך 3 דקות) והרחבת קיבולת נוחה יותר.
עם זאת, לממברנות סיבים חלולים יש דרישות מחמירות יותר על ניקיון האוויר הדחוס. הממברנות מועדות להזדקנות ולכשל, וקשה לתקן אותן. צריך להחליף ממברנות חדשות.
ייצור חנקן הפרדת ממברנה מתאים יותר למשתמשים קטנים ובינוניים עם דרישות טוהר חנקן של ≤98%, ויש לו את יחס הפונקציה-מחיר הטוב ביותר בשלב זה; כאשר טוהר החנקן נדרש להיות גבוה מ-98%, הוא גבוה בכ-30% מהתקן ייצור חנקן לספיחת תנודת לחץ באותו מפרט. לכן, כאשר מיוצר חנקן בטוהר גבוה על ידי שילוב של ייצור חנקן בהפרדת ממברנה והתקני טיהור חנקן, טוהר החנקן הכללי הוא בדרך כלל 98%, מה שיעלה את עלות הייצור ואת עלות הפעולה של מכשיר הטיהור.
זמן פרסום: 24 ביולי 2024
