Azot, chociaż nie należy do gazów szlachetnych, jest uważany za obojętny. Używa się go do wielu zastosowań w celu wyparcia otaczającego powietrza i stworzenia środowiska beztlenowego.

Wyłączając ciekły azot używany w technologiach kriogenicznych, zastosowania azotu gazowego można podzielić na cztery główne obszary, których celem jest zapobieganie poniższym procesom lub ograniczanie tych procesów:

1. Mikrobiologiczne/oksydacyjne mechanizmy psucia się żywności i napojów.
2. Szybkie utlenianie, na przykład przy spalaniu lub wybuchu.
3. Powolne utlenianie, na przykład substancji chemicznych, tworzyw sztucznych i metali.
4. Przenikanie tlenu przez polimery i gumę, na przykład w oponach lotniczych i butelkach z tworzyw sztucznych.

Użycie azotu jest bardzo często wymagane na pewnych etapach procesów wytwarzania produktów, które wszyscy konsumujemy i stosujemy na co dzień. Do typowych produktów, które są produkowane i pakowane w atmosferze azotu w celu zachowania aromatu, smaku i wyglądu oraz wydłużenia okresu przechowywania i ograniczenia ilości odpadów, należą m.in. chipsy ziemniaczane, orzechy, mleko w proszku, kawa, przyprawy, piwo, cydr i wino.

Aktywne składniki farmaceutyczne, syntetyczna insulina ludzka i leki stosowane w chemioterapii są wytwarzane przy użyciu spełniającego standardy farmakopei azotu gazowego.  Podzespoły pojazdów, samolotów, jachtów, pralek, turbin wiatrowych, lodówek, klimatyzatorów i elektroniki są podczas produkcji wycinane laserowo, lutowane, formowane wtryskowo, drukowane w technologii 3D, oczyszczane, poddawane obróbce cieplnej, autoklawowane, poddawane recyklingowi i zabezpieczane osłonami z użyciem azotu, aby zapobiegać utlenianiu. Nawet w samolotach, którymi wybieramy się na zasłużony urlop lub w podróż służbową, stosuje się azot do wypełniania opon i amortyzatorów podwozi. Niektóre z nich są nawet wyposażone w pokładowe generatory azotu służącego do wypełniania azotem zbiorników paliwa.

Tradycyjnie użytkownicy azotu gazowego zaopatrują się w niego w zakładach przemysłowych w butlach wysokociśnieniowych, w przenośnych minizbiornikach na ciekły azot lub dostarczany jest on w formie ciekłej do stacjonarnych zbiorników magazynowych. W przypadku zaopatrzenia się w ciekły azot przed wykorzystaniem go wymagane jest jego odparowanie.

Sprzęt do magazynowania i odparowywania ciekłego azotu należy wynająć, butle wysokociśnieniowe wymienia się, a przenośne zbiorniki na ciekły azot ponownie się napełnia. Dostawy odbywają się za pośrednictwem samochodów ciężarowych, a opłaty są zwykle naliczane na podstawie kosztu za metr sześcienny azotu gazowego lub litr azotu ciekłego.  

Alternatywą do zakupu azotu w taki sposób jest wykorzystanie technologii do jego samodzielnego wytwarzania ze sprężonego powietrza w generatorach azotu na terenie zakładu. 

W przeciwieństwie do azotu produkowanego w warunkach kriogenicznych, gdzie wykorzystuje się różne temperatury skraplania trzech głównych gazowych składników powietrza otaczającego — azotu (-195,8°C), tlenu (-183°C) i argonu (-185,8°C), do wytwarzania gazowego azotu wykorzystuje się separację molekularną w normalnej temperaturze otoczenia.

Istnieją dwa główne sposoby molekularnej separacji gazów, w których w celu uzyskania powietrza zasilającego wykorzystuje się standardowe, smarowane olejem przemysłowe sprężarki powietrza.  Pierwszy z nich to technologia membran z włókien kanalikowych zasilanych sprężonym powietrzem. Wykorzystuje się w niej rurki polimerowe, które przepuszczają szybko i średnio przenikliwe gazy, takie jak tlen i para wodna, natomiast w których zostaje zatrzymany wolno przenikliwy azot.

Moduł membrany zawierający tysiące pojedynczych włókien kanalikowych

Drugim sposobem jest adsorpcja zmiennociśnieniowa (ang. pressure swing adsorption, PSA) zachodząca w generatorach azotu zasilanych sprężonym powietrzem z wykorzystaniem węglowego sita molekularnego (ang. carbon molecular sieve, CMS), podczas której zachodzi absorpcja i desorpcja tlenu w warunkach cyklicznych zmian ciśnienia z uwolnieniem gazów odpadowych do atmosfery.

Jedną z kluczowych różnic między gazem wytwarzanym kriogenicznie a gazem wytwarzanym na miejscu jest możliwość zmiany maksymalnej zawartości pozostałego tlenu odpowiednio do zastosowania w tym drugim przypadku.

Jak można sobie wyobrazić, energia wymagana do skraplania powietrza jest znacznie większa niż do wytworzenia azotu w temperaturze otoczenia poprzez separację molekularną. Ponadto im wyższy poziom akceptowanej resztkowej zawartości tlenu w wylotowym strumieniu azotu, tym mniejsze zużycie sprężonego powietrza, a w związku z tym także niższy koszt zużytej energii i uzyskanego azotu.

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Rynek

Parker Hannifin z Politechniką Lubelską dla przemysłu kuźniczego

Współpraca przemysłu i nauki na polskim rynku może nie funkcjonuje tak dobrze jak w wielu państwach zachodnich, jednak i u nas widać zmiany w tym obszarze. Jednym z najnowszych przykładów jest współpraca Politechniki Lubelskiej z amerykańską firmą Parker Hannifin i ich innowacyjne rozwiązanie dla polskiego przemysłu kuźniczego.

W rzeczywistości niewiele zastosowań wymaga wyjątkowo niskiej zawartości tlenu, typowej dla azotu wytwarzanego metodą kriogeniczną (rzędu 10 ppm). W przypadku azotu klasy spożywczej, stosowanego jako dodatek do żywności (E941), według rozporządzenia europejskiego UE231/2012 zawartość tlenu powinna wynosić <1%. Natomiast do zapewnienia pełnego bezpieczeństwa w przypadku ochrony przeciwpożarowej i przeciwwybuchowej wymagana jest jedynie czystość na poziomie 3–5%. 

Jakie korzyści może przynieść przedsiębiorstwu wytwarzanie azotu na miejscu?

Jednym z kluczowych czynników do uwzględnienia przy rozważaniu wytwarzania azotu na miejscu jest obniżenie kosztów. Użytkownicy zwykle obniżają koszty azotu o 50–90% w porównaniu z tradycyjnymi metodami dostawy, a czas zwrotu z inwestycji wynosi mniej niż 2 lata.

Około 36% azotu gazowego dostarcza się w butlach wysokociśnieniowych (230–300 barg), w pojedynczych butlach lub w wiązkach po 10, 12 lub 16 butli umieszczonych w ramie i podłączonych do wspólnego wylotu.

Typowa pojedyncza butla o rozmiarze „W”, pod ciśnieniem 230 barg, zawiera około 9 m³ gazu użytecznego. Przy sprzedaży detalicznej po orientacyjnej cenie 45 GBP za butlę, odpowiada to jednostkowemu kosztowi gazu wynoszącemu 5 GBP/m³, z wyłączeniem kosztów dostawy i wynajmu. Wytworzenie takiej samej objętości gazu o czystości klasy spożywczej 0,5% przy użyciu generatora azotu gazowego kosztowałoby około 0,11 GBP/m³, czyli 1 GBP za butlę. Wartość ta bazuje na koszcie energii elektrycznej wymaganej do zasilania sprężarki powietrza zasilającej sprężonym powietrzem generator azotu. 

Ponadto dostawa butli gazowych może powodować inne problemy, a mianowicie odpowiedzialność za ręczną obsługę i bezpieczeństwo korzystania z ciężkich butli wysokociśnieniowych, które muszą być przechowywane i zabezpieczane na zewnątrz pomieszczeń. Podczas wymiany butli i montażu regulatora ciśnienia wylotowego należy przeprowadzić co najmniej 15 kontroli. Należy również wziąć pod uwagę monitorowanie i utrzymywanie zapasów, zużywanie gazu podczas pracy, koszty wynajmu, a także dodatkowy ruch na placu budowy i emisje CO₂e z dostaw samochodami ciężarowymi.

Wymiana butli oznacza każdorazowe przerwanie obiegu zamkniętego instalacji gazowej i ryzyko wprowadzenia zanieczyszczeń z otoczenia.

Kwestie związane z wytwarzaniem azotu, które należy wziąć pod uwagę:

• Instalacje wytwarzania azotu na miejscu wiążą się z wyższym początkowym kosztem inwestycyjnym, podobnie jak orurowanie, i wymagają odpowiedniego obszaru do zainstalowania.
• Może być potrzebny dodatkowy zakup dedykowanej sprężarki powietrza.
• Dodatkowe koszty konserwacji, chociaż większość systemów wytwarzania azotu wymaga serwisowania tylko raz lub dwa razy w roku, a ich żywotność przekracza 10 lat.

Korzyści związane z systemem wytwarzania azotu:

• Nieprzerwane dostawy gazu przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, a w związku z tym maksymalny czas pracy bez przestojów.
• Zintegrowany analizator tlenu do monitorowania czystości azot i śledzenia jej zmian.
• Pełna kontrola nad wytwarzaną ilością i kosztami azotu, produkcja azotu według potrzeb z możliwością płynnej regulacji.
• Wyeliminowanie sytuacji związanych z brakiem gazu i oczekiwaniem na dostawę.
• Brak odpowiedzialności związanej z ręczną obsługą ciężkich butli wysokociśnieniowych.
• Zredukowane zagrożenie niedotlenieniem w związku z niewielkimi ilościami azotu, który ewentualnie może się uwolnić do otoczenia.
• Brak opłat za wynajem lub dostawę.
• Brak strat gazu lub zwrotów niezużytego gazu.

Źródło: Parker Hannifin