Avec les progrès de la science et de la technologie et le développement de l'économie, le champ d'application de l'azote s'étend de jour en jour et a pénétré dans de nombreux secteurs industriels et dans la vie quotidienne.
L'azote est le principal composant de l'air, représentant environ 78 % de l'air. L'azote élémentaire N2 est un gaz incolore et inodore dans des conditions normales. La densité du gaz à l’état standard est de 1,25 g/L. Le point de fusion est de -210 ℃ et le point d'ébullition est de -196 ℃. L'azote liquide est un réfrigérant à basse température (-196℃).
Aujourd'hui, nous présenterons plusieurs méthodes principales de production d'azote au pays et à l'étranger.
Il existe trois méthodes générales de production d'azote à l'échelle industrielle : la production d'azote par séparation cryogénique de l'air, la production d'azote par adsorption modulée en pression et la production d'azote par séparation membranaire.
Premièrement : méthode de production d’azote par séparation cryogénique de l’air
La production d’azote par séparation cryogénique de l’air est une méthode traditionnelle de production d’azote avec une histoire de près de plusieurs décennies. Il utilise l'air comme matière première, le comprime et le purifie, puis utilise l'échange thermique pour liquéfier l'air en air liquide. L'air liquide est principalement un mélange d'oxygène liquide et d'azote liquide. Les différents points d'ébullition de l'oxygène liquide et de l'azote liquide sont utilisés pour les séparer par distillation de l'air liquide afin d'obtenir de l'azote.
Avantages : production importante de gaz et haute pureté de l'azote produit. La production d'azote cryogénique peut produire non seulement de l'azote mais également de l'azote liquide, qui répond aux exigences du procédé en matière d'azote liquide et peut être stocké dans des réservoirs de stockage d'azote liquide. Lorsqu'il y a une charge intermittente d'azote ou une réparation mineure de l'équipement de séparation de l'air, l'azote liquide dans le réservoir de stockage entre dans le vaporisateur et est chauffé, puis envoyé vers le pipeline d'azote du produit pour répondre à la demande en azote de l'unité de traitement. Le cycle de fonctionnement de la production d'azote cryogénique (faisant référence à l'intervalle entre deux grands chauffages) est généralement supérieur à 1 an, la production d'azote cryogénique n'est donc généralement pas considérée comme une réserve.
Inconvénients : La production d'azote cryogénique peut produire de l'azote avec une pureté de ≧99,999 %, mais la pureté de l'azote est limitée par la charge d'azote, le nombre de plateaux, l'efficacité des plateaux et la pureté de l'oxygène dans l'air liquide, et la plage de réglage est très petite. Par conséquent, pour un ensemble d’équipements de production d’azote cryogénique, la pureté du produit est fondamentalement certaine et peu pratique à ajuster. Étant donné que la méthode cryogénique est réalisée à des températures extrêmement basses, l'équipement doit subir un processus de démarrage par pré-refroidissement avant d'être mis en fonctionnement normal. Le temps de démarrage, c'est-à-dire le temps écoulé entre le démarrage du détendeur et le moment où la pureté de l'azote atteint la valeur requise, n'est généralement pas inférieur à 12 heures ; avant que l'équipement n'entre en révision, il doit avoir une période de chauffage et de décongélation, généralement de 24 heures. Par conséquent, l’équipement de production d’azote cryogénique ne doit pas être démarré et arrêté fréquemment, et il est conseillé de fonctionner en continu pendant une longue période.
De plus, le procédé cryogénique est complexe, occupe une surface importante, présente des coûts d'infrastructure élevés, nécessite des forces de maintenance particulières, compte un grand nombre d'opérateurs et produit du gaz lentement (18 à 24 heures). Il convient à la production industrielle d’azote à grande échelle.
Deuxièmement : Méthode de production d'azote par adsorption modulée en pression (PSA)
La technologie de séparation des gaz par adsorption modulée en pression (PSA) est une branche importante de la technologie de séparation des gaz non cryogénique. C'est le résultat d'efforts à long terme pour trouver une méthode de séparation de l'air plus simple que la méthode cryogénique.
Dans les années 1970, la société minière ouest-allemande d’Essen a développé avec succès des tamis moléculaires en carbone, ouvrant la voie à l’industrialisation de la production d’azote par séparation de l’air PSA. Au cours des 30 dernières années, cette technologie s’est développée et a mûri rapidement. Elle est devenue un concurrent sérieux de la séparation cryogénique de l’air dans le domaine de la production d’azote de petite et moyenne taille.
La production d’azote par adsorption modulée en pression utilise l’air comme matière première et un tamis moléculaire en carbone comme adsorbant. Il utilise les caractéristiques de l'adsorption sélective de l'oxygène et de l'azote dans l'air par le tamis moléculaire de carbone, et utilise le principe de l'adsorption modulée en pression (adsorption par pression, désorption par réduction de pression et régénération du tamis moléculaire) pour séparer l'oxygène et l'azote à température ambiante afin de produire de l'azote.
Par rapport à la production d'azote par séparation cryogénique de l'air, la production d'azote par adsorption modulée en pression présente des avantages significatifs : la séparation par adsorption est effectuée à température ambiante, le processus est simple, l'équipement est compact, l'encombrement est faible, il est facile de démarrer et d'arrêter, il démarre rapidement, la production de gaz est rapide (généralement environ 30 minutes), la consommation d'énergie est faible, le coût d'exploitation est faible, le degré d'automatisation est élevé, le fonctionnement et la maintenance sont pratiques, l'installation sur skid est pratique, pas de fondation spéciale est requis, la pureté de l'azote du produit peut être ajustée dans une certaine plage et la production d'azote est ≤3000Nm3/h. Par conséquent, la production d’azote par adsorption modulée en pression est particulièrement adaptée au fonctionnement intermittent.
Cependant, jusqu'à présent, les homologues nationaux et étrangers ne peuvent produire de l'azote qu'avec une pureté de 99,9 % (c'est-à-dire O2≤0,1 %) en utilisant la technologie de production d'azote PSA. Certaines entreprises peuvent produire de l'azote pur à 99,99 % (O2≤0,01 %). Une pureté plus élevée est possible du point de vue de la technologie de production d’azote PSA, mais le coût de production est trop élevé et il est peu probable que les utilisateurs l’acceptent. Par conséquent, l’utilisation de la technologie de production d’azote PSA pour produire de l’azote de haute pureté doit également ajouter un dispositif de purification post-étape.
Méthode de purification de l'azote (échelle industrielle)
(1) Méthode d’hydrogénation et de désoxygénation.
Sous l'action d'un catalyseur, l'oxygène résiduel dans l'azote réagit avec l'hydrogène ajouté pour produire de l'eau, et la formule de réaction est : 2H2 + O2 = 2H2O. Ensuite, l'eau est éliminée par un surpresseur de compresseur d'azote à haute pression et l'azote de haute pureté contenant les composants principaux suivants est obtenu par post-séchage : N2≥99,999 %, O2≤5×10-6, H2≤1500×. 10-6, H2O≤10,7×10-6. Le coût de la production d’azote est d’environ 0,5 yuan/m3.
(2) Méthode d’hydrogénation et de désoxygénation.
Cette méthode est divisée en trois étapes : la première étape est l’hydrogénation et la désoxygénation, la deuxième étape est la déshydrogénation et la troisième étape est l’élimination de l’eau. De l'azote de haute pureté avec la composition suivante est obtenu : N2 ≥ 99,999 %, O2 ≤ 5 × 10-6, H2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Le coût de la production d’azote est d’environ 0,6 yuan/m3.
(3) Méthode de désoxygénation du carbone.
Sous l'action d'un catalyseur sur support carbone (à une certaine température), l'oxygène résiduel présent dans l'azote ordinaire réagit avec le carbone fourni par le catalyseur lui-même pour générer du CO2. Formule de réaction : C + O2 = CO2. Après l'étape suivante d'élimination du CO2 et du H2O, on obtient de l'azote de haute pureté avec la composition suivante : N2 ≥ 99,999 %, O2 ≤ 5 × 10-6, CO2 ≤ 5 × 10-6, H2O ≤ 10,7 × 10-6. Le coût de la production d’azote est d’environ 0,6 yuan/m3.
Troisièmement : Séparation par membrane et production d'azote par séparation de l'air
La production d’azote par séparation membranaire et par séparation de l’air est également une nouvelle branche de la technologie de production d’azote non cryogénique. Il s’agit d’une nouvelle méthode de production d’azote qui s’est rapidement développée à l’étranger dans les années 1980. Il a été promu et appliqué en Chine ces dernières années.
La production d’azote par séparation membranaire utilise l’air comme matière première. Sous une certaine pression, il utilise les différents taux de perméation de l'oxygène et de l'azote dans la membrane à fibres creuses pour séparer l'oxygène et l'azote afin de produire de l'azote. Comparé aux deux méthodes de production d'azote ci-dessus, il présente les caractéristiques d'une structure d'équipement plus simple, d'un volume plus petit, de l'absence de vanne de commutation, d'un fonctionnement et d'une maintenance plus simples, d'une production de gaz plus rapide (en 3 minutes) et d'une expansion de capacité plus pratique.
Cependant, les membranes à fibres creuses ont des exigences plus strictes en matière de propreté de l'air comprimé. Les membranes sont sujettes au vieillissement et à la défaillance, et sont difficiles à réparer. Les nouvelles membranes doivent être remplacées.
La production d'azote par séparation membranaire est plus adaptée aux utilisateurs de petite et moyenne taille ayant des exigences de pureté d'azote ≤ 98 % et présente actuellement le meilleur rapport fonction-prix ; lorsque la pureté de l'azote doit être supérieure à 98 %, elle est environ 30 % supérieure à celle du dispositif de production d'azote par adsorption modulée en pression de la même spécification. Par conséquent, lorsque de l'azote de haute pureté est produit en combinant des dispositifs de production d'azote par séparation membranaire et de purification de l'azote, la pureté de l'azote général est généralement de 98 %, ce qui augmentera le coût de production et le coût de fonctionnement du dispositif de purification.
Heure de publication : 24 juillet 2024
