Výroba dusíka - Ako sa vyrába stlačený dusík? Spôsoby výroby dusíku

Priemyselná výroba dusíka

Dusík sa skôr technicky pripravoval vedením vzduchu cez rozžeravené uhlie alebo koks, čím sa kyslík spáli na oxid uhličitý. Oxid uhličitý sa následne od dusíka odstráni premývaním vo vode. Takto získaný dusík obsahuje okolo 1% vzácnych a ďalších inertných plynov a nazýva sa atmosférický dusík.
Dusík sa dnes prakticky výlučne vyrába nízkoteplotné rektifikáciou skvapalneného vzduchu a tvorí pritom skôr prebytky pri výrobe viac žiadaného kyslíka. Pri postupnom ochladzovaní najprv dochádza k oddeleniu kvapalného CO2. Ďalej dochádza ku skvapalneniu kyslíka s dusíkom, prípadne ešte argónom. Hélium zostáva plynné a tým je zo zmesi oddelené (vr. Iných vzácnych plynov). Kvapalná zmes je potom delená v rektifikačnej kolóne. Predstava o frakčnou destiláciu vyučovaná na základných a stredných školách je len zjednodušením a má ďaleko k priemyselnej realite. Takáto veľkokapacitné výroba dusíka v rámci SR je realizovaná napr. V priemyselnej zóne Litvínov-Záluží (areál spol. Unipetrol RPA). Okrem priameho expedovanie sa priamo v areáli využíva napr. Na výrobu amoniaku a tiež ako dôležitý prvok zaisťujúci bezpečnosť umiestnených chemických výrob.

Laboratórna príprava dusíka

Najvýhodnejšie laboratórne príprava čistého dusíka sa vykonáva zahrievaním koncentrovaného roztoku dusitanu amónneho alebo zmesi roztoku chloridu a dusitanu amónneho. Aby sa odstránili stopy jeho zmesových oxidov dusíka, premýva sa dusík zmesou dichrómanu draselného a kyseliny sírovej.

NH4NO2 → N2 + 2 H2O

Často sa ešte dusík v laboratóriu pripravuje vedením vzduchu cez rozžeravenú meď. Meď reaguje s kyslíkom a vzniká čierny oxid meďnatý. Vzniknutý dusík nie je úplne čistý, pretože vzduch obsahuje okolo 1% argónu a ďalších vzácnych a inertných plynov. Tomuto dusíka sa hovorí atmosférický dusík.

Ďalšie možná príprava dusíka v laboratóriu, pri ktorej získame obzvlášť čistý dusík, je tepelný rozklad amoniaku. Pri tomto postupe vedieme amoniak cez práškový nikel pri teplote 1000 ° C. Vodík potom od dusíka oddelíme na základe odlišných teplôt varu.

TSA adsorpcia (Temperature Swing Adsorption)

TSA proces sa skladá z dvoch alebo viacerých nádob s lôžkom adsorpčného materiálu. Tieto nádoby sú prepínané z on-line režimu do režimu regenerácie každých 5 až 12 hodín, v závislosti na konštrukcii. Jedna nádoba je vždy on-line, kde prebieha odstraňovanie nečistôt z prívodu stlačeného vzduchu. Druhá nádoba sa regeneruje pomocou preplachovacieho protiprúde horúceho suchého odpadového plynu, zbaveného CO2. TSA ohrievanie odpadového plynu je bez ohľadu na použitý zdroj tepla najekonomickejšie. Lože TSA majú väčšiu afinitu k adsorpcii pri prevádzke pri nižších teplotách.Z tohto dôvodu je prívodný stlačený vzduch ochladzovaný chladičom, ktorý používa studenú vodu, ktorá je generovaná chladiacim účinkom prebytočného kryogénneho odpadového dusíka, ktorý nie je využitý na regeneráciu adsorbenta. Tým, že systém pracuje pri nižšej teplote, je jeho schopnosť odstránenie nečistôt vyššia.

Membránová separácia plynov dusíka

Membránové systémy sa používajú pre kontinuálnu separáciu plynných zložiek z okolitého vzduchu. Delenie plynov membránami je alternatívny proces ku kryogénne destiláciu alebo adsorpčným deliacim metódam. Objem výroby a dosiahnuteľná čistota sú všeobecne nižšie ako u adsorpcie alebo kryogénneho procesu. Najčastejšie sa používa membránový systém pri výrobe
9dusíku, hoci sa membránová separácia používa tiež pri sušení plynov, kde molekuly vody prenikajú veľmi rýchlo skrz membránu. Dôvod použitia membránového odlučovače pre výrobu dusíka je preto, že menšiu veľkosť molekúl kyslíka zaručuje vynikajúcu priepustnosť kyslíka membránami. V dôsledku tohto rozdielu v priepustnosti, sú schopné membránové systémy dosiahnuť čistoty dusíka až 99,9% = 1000 ppm O2. Proces membránové separácia začína vzduchovým kompresorom, ktorý stlačí vzduch na 100 až 200MPa. Vlhkosť a aerosóly sú odstránené zo stlačeného vzduchu uhlíkovým filtrom. Potom sa vzduch zohreje, aby sa zabránilo kondenzácii v membránovom module. Prehriaty plyn prechádza okrajom paralelných membrán, kde kyslík prestupuje na nízkotlakovú stranu membrány a je vypúšťaný do ovzdušia alebo uložený pre ďalšie použitie.

PSA adsorpcie (Pressure Swing Adsorption) Technológia PSA

využíva čo-adsorpcia jav, kedy obe plynné látky, dusík i kyslík sú adsorbované ale inou rýchlosťou.  Proces využíva dvoch zásobníkové usporiadanie (obr. 2.1), v ktorých dochádza k dvom základným procesným krokom, adsorpcia transferu. Na rozdiel od sušiaceho typu (desiccant-type) absorbentu, ktorý odstraňuje všetky cieľové molekuly (silikagél), PSA uhlíková molekulárnej sita (Carbon Molecular Sieve -látka spřesně definovanú veľkosti pórov) využívajú výhody rozdielov v rýchlosti adsorpcie (kinetická adsorpcia) k dosiahnutiu cieľa separácie . Výkonnosť procesu PSA môže byť limitovaná adsorpčná kapacitou adsorbenta, ktorá je ovplyvnená mierou desorpcia kyslíka z karbónových molekulárnych sít. PSA jednotky sú najčastejšie inštalované vo vonkajšom prostredí. Ak sú okolité podmienky počas roka značne odlišné, musí byť jednotky prednastavené pre letnú a zimnú prevádzku. Dôvodom tejto citlivosti je kmitanie molekúl. V teplom prostredí vibrujú oveľa rýchlejšie, a preto neadsorbujú tak ľahko do pórov uhlíka. Opačný prípad nastane, ak je prostredie príliš studené. Pri regenerácii adsorbenta trvá molekulám oveľa dlhšie, než desorbuje (odpútavanie adsorbovaných molekúl) z pórov uhlíka, pretože rýchlosť desorpcie závisí od teploty, tlaku, rýchlosti prúdu neutrálneho plynu a na povahe desorbovanej látky a adsorbenta. (25) Metóda delenia plynov PSA sa využíva na výrobu plynného dusíka vysokej čistoty od 99,5% do 99,9995% = 5ppm O2. So zvyšujúcim sa množstvom plynu vyprodukovaného za hodinu prevádzky však klesá čistota plynu.

Kryogenní proces výroby dusíka

Použitie destilácie k delenieu vzduchu na jeho jednotlivé plynné zložky patrí medzi vyspelé technológie. Princíp je založený na kryogénne destiláciu stlačeného vzduchu v destilačnej kolóne. Procesy produkujú kyslík, dusík, argón, a ďalšie vzácne plyny z okolitého vzduchu. Výhoda kryogénneho procesu proti adsorpčným procesom je ich schopnosť koprodukcie kyslíka, dusíka a argónu. Kryogénne procesy (obr. 2.3) využívajú rovnaké princípy destilácia ako procesy destilácia pri vyšších teplotách. Najpoužívanejším spôsobom výroby kyslíka alebo dusíka,
10je nízkotlakový alebo dvoch stĺpcový cyklus. V tomto procese je nasatý atmosférický vzduch stlačený na rozmedzí 60 až 200kPa. Vznikajúci kompresný teplo sa odstráni chladičom a nečistoty s vysokým bodom varu (H2O, CO2, N2O, a niektoré uhľovodíky), sa odstráni pomocou adsorpcie. Vyčistený vzduch potom vstupuje do destilačnej kolóny, kde sa schladí na tepelnom výmenníku vystupujúcimi plynmi a nástrekom kvapalného dusíka. Schladený plyn pokračuje do spodnej časti kolóny, kde sa destiláciou rozdelí na dusíkový plyn a kyslíkovú kvapalinu. Plynný dusík postupuje kolónou nahor, čím dochádza pri styku so stekajúcou kvapalinou ďalšiemu dočisťovanie oddeľovaním kyslíka. Vhorní časti kolóny dosahuje dusík najvyššiu čistoty. Tu je uložený a odvedený do tepelného výmenníka, kde vďaka svojej nízkej teplote odoberie teplo vstupujúcemu předčištěnému vzduchu. Ďalej pokračuje do rozvodu technických plynov zákazníka. Kryogénne separácie plynov sa využíva na výrobu plynov vysokej čistoty <0.5ppm O2.

Výroba kvapalného dusíka

Výchozí látkou pre výrobu kvapalného dusíka je zmes tekutých plynov, teda vzduch, alebo plynný dusík. Najskôr je nutné vzduch zbaviť všetkých prachových častíc vo viacstupňové filtrácii. Čistý vzduch je ďalej zbavený vodných pár hydroskopickými adsorbéry, alebo kondenzáciou znížením rosného bodu podchladením. Oxid uhličitý je zo vzduchu odstránený absorpciou roztokom hydroxidu sodného. Pre skvapalnenie plynného dusíka je dôležité dosiahnutí kritickej teploty tj. Teploty, nad ktorú nemôže dusík ďalej existovať vkapalném stave. Skvapalnenie je teda možné len, ak dosiahneme teploty nižšie ako je teplota kritická. Kritická teplota dusíka je -146,0 ° C. Schladenie vzduchu pod kritickú teplotu je možné dvoma spôsobmi. Prvým je Lindeho spôsob expanziou cez škrtiaci ventil (obr. 3.1) Vzduch sa stlačením na 20Mpa zahreje, následne sa ochladí vchladiči. Kochlazení vzduchu sa využíva voda, strojné chladenie používané v chladiarenstve, alebo samotný expandujúci vzduch. Následne vzduch prudko expanduje na expanznej tryske do priestoru za tryskou snižším tlakom asi 2MPa. Expanziou vzduchu dochádza kjoule-Thomsonová efektu. Pri expanzii sa vzdialenosť medzi molekulami zväčšuje. Energia spotrebovaná na prekonanie síl medzi nimi spôsobí zníženie teploty. Druhým je Claudeho spôsob, kedy expandujúci plyn vykonáva mechanickú prácu prekonávaním odporu piestu. Vnútorná energia potrebná pre vykonanie práce spôsobí zníženie teploty.  V praxi sa na skvapalňovanie plynov používa kombinácia oboch spôsobov. Pri počiatočnom schladenie sa využíva Claudeho metóda a na skvapalnenie Lindeho expanzie. Proces sa cyklicky opakuje. Vzduch je vždy po expanzii chladnejšie, až dosiahne teplotu kondenzácie v kvapalinu. Kvapalina, ktorá sa skladá predovšetkým zdusíku a kyslíka sa musí následne oddeliť na jednotlivé zložky vrektifikační kolóne.