Генератор жидкого азота: полное руководство по производству, методам и применению

Генераторы жидкого азота оказались революцией в различных отраслях промышленности мира, где важна точность и эффективность. Они обеспечивают простое решение для производства жидкого азота по требованию, специально используемого в различных областях, от криогеники до консервирования пищевых продуктов, при очень низких затратах.

Но как они работают? Какие у них преимущества и как устранить некоторые распространенные проблемы, чтобы обеспечить их непрерывную работу? В этой статье описывается все, что нужно знать о генераторах жидкого азота: их деталях и компонентах, решениях по устранению неполадок, а также ряд отраслей, в которых эти машины используются для обеспечения важных процессов.

Что такое генератор жидкого азота?

Как азот можно сжижать

Метод перевода газообразного азота в жидкое состояние путем его охлаждения до температуры ниже -196°С называется сжижением азота. Это можно сделать с помощью криогенного охлаждения и других систем высокого давления.

Он имеет важное промышленное применение, при котором после замораживания, хранения и химических реакций существенны свойства жидкого азота, т. е. очень низкая температура и инертность. Чистота азота в целом становится главной проблемой, поскольку примеси снижают эффективность и результативность процесса сжижения.

Роль азота в промышленности

• In промышленное производство, азот используется при сварке, лазерной резке и при некоторых обработках металлов.

• Для здравоохранениеЖидкий азот используется для криоконсервации биологических образцов, транспортировки органов и в некоторых дерматологических процедурах, таких как удаление бородавок.

• В пищевая промышленность и производство напитков, он сохраняет продукты при мгновенной заморозке, помогает придать текстуру мороженому и создает инертную атмосферу в упаковке для предотвращения порчи.

Производство жидкого азота в больших масштабах

При массовом производстве жидкого азота становится необходимым использование специального оборудования исключительно в зависимости от различных применений. Промышленные генераторы жидкого азота рассчитаны на высокую производительность, что позволяет использовать их в коммерческих производственных линиях.

Напротив, небольшие компактные генераторы используются в исследовательских лабораториях и имеют ровно столько энергии, сколько необходимо для научных экспериментов. Многие производители имеют индивидуальные решения для генераторов, которые позволяют отраслям адаптировать их к своим требованиям в производстве и эксплуатации.

Как работает процесс получения жидкого азота?

Новомодные системы охлаждения воздуха

Первым действием сжижения азота является охлаждение атмосферного воздуха до очень низких температур. Криогенные системы охлаждают воздух ниже температуры кипения азота (-196°C).

За этой стадией обычно следует цикл расширения, в ходе которого до этого наблюдалось резкое понижение температуры. Предварительное охлаждение, включающее сжатие воздуха для отвода тепла, запускает этот процесс. Эффективные теплообменники и хладагенты являются важнейшими компонентами для требуемой скорости охлаждения.

Сжатие воздуха для эффективного разделения

После сжатия и охлаждения воздух подвергается воздействию высокого давления, что помогает отделить азот от других компонентов воздуха. Это стало возможным благодаря компрессорам, которые должны быть энергоэффективными и при этом способны перерабатывать большие объемы воздуха.

Влага и загрязнения удаляются из воздуха перед его использованием для получения чистого и осушенного потока сырьевого газа. Такая очистка имеет решающее значение для производства качественного жидкого азота.

Извлечение азота криогенными методами

Процесс разделения начинается после сжатия и очистки воздуха. В основном это делается с помощью криогенной дистилляции, при которой воздух обрабатывается при очень низких температурах, при которых его компоненты сжижаются при различных температурах. Поскольку азот имеет самую низкую температуру кипения среди основных компонентов воздуха, его можно выделить в первую очередь.

После этого жидкий азот хранится в криогенных резервуарах, изолированных для минимизации теплопередачи и загрязнения до момента его использования. Этот процесс также можно усовершенствовать за счет применения современных технологий, таких как адсорбция при переменном давлении (PSA) и мембранное разделение, для повышения эффективности и масштабируемости.

Ключевые технические параметры генератора жидкого азота

1. Чистота азота
   Обычно чистота азота составляла от 95% до 99,999%, а для определенных применений, например, в медицинских или исследовательских целях, повышалась до более высокой степени чистоты. Чистота определяется эффективностью процесса разделения, такого как криогенная дистилляция или PSA (адсорбция при переменном давлении).

2. Производственная мощность
   Производственная мощность означает, сколько жидкого азота генератор может произвести за определенный промежуток времени (часто в литрах/день (LPD) или кубических метрах/час (Нм³/ч)). На эту производительность влияют конструкция генератора, размер компрессора и эффективность процесса разделения.

3. Энергопотребление Потребление энергии является одним из наиболее важных факторов, влияющих на стоимость эксплуатации генераторов жидкого азота. Его мера обычно выражается в киловаттах (кВт) на единицу произведенного азота (кВтч/Нм³). В частности, энергоэффективность также зависит от циклов охлаждения, достигаемых системой, теплообменниками и типом компрессора.

4. Рабочее давление
   Рабочее давление показывает давление, под которым воздух поступает на этапы сжатия и обработки системы. Обычно оно составляет от 6 до 10 бар (1 бар = атмосфера). Повышенное давление приводит к еще более эффективному разделению молекул азота, но требует более прочной конструкции. Давление влияет на размер и конструкцию компрессоров, а также на общую эффективность сжижения.

5. Контроль температуры
   Охлаждение должно было быть очень точным на протяжении всего процесса сжижения, чтобы воздух можно было охлаждать в диапазонах, необходимых для сжижения, без загрязнения или потери эффективности. Вся система также должна поддерживать постоянную температуру: от сжатия воздуха до хранения жидкого азота.

6. Эффективность компрессоров
   Компрессоры должны перерабатывать большие объемы воздуха и выполнять свою работу при низком энергопотреблении. Многоступенчатые компрессорные установки обычно используются в обширных системах для повышения давления и температуры, а также оптимизации сжижения. Эффективность компрессора больше зависит от его потребляемой мощности, чем от объема сжатого воздуха.

7. Время цикла
   Время цикла определяется как время, необходимое для переработки всей партии воздуха в жидкий азот. Время цикла короче, что обычно означает более высокую производительность, но для поддержания эффективности и стабильности необходима более сложная система. Чтобы генератор был экономически эффективным без ущерба для производительности, необходим баланс времени цикла и энергии.

8. Интервалы технического обслуживания
   Техническое обслуживание убивает все компоненты — компрессоры, холодильные установки и системы разделения, — благодаря которым они будут работать на заданном уровне. График технического обслуживания зависит от операционной среды, размера системы и частоты использования. Надежность работы на протяжении всего срока службы генератора зависит от сокращения простоев и преждевременного износа компонентов.

9. Уровни шума
   Уровни шума, хотя и не всегда вызывают беспокойство в промышленном мире, представляют собой важную техническую характеристику, особенно для генераторов, работающих в средах, более чувствительных к шуму или чувствительных к шуму. Шум обычно исходит от компрессоров, расширительных клапанов и других механических компонентов. Снижение шума улучшает условия труда, особенно в исследовательских или медицинских учреждениях, где генератор может находиться в непосредственной близости от людей.

10. Емкость хранения и изоляция
    Жидкий азот необходимо хранить при чрезвычайно низких температурах, а резервуары для хранения должны быть хорошо изолированы для предотвращения испарения. Качество изоляции и емкость резервуаров для хранения являются критическими параметрами. Резервуары для хранения часто проектируются для хранения жидкого азота под давлением от 1 до 5 бар, что обеспечивает стабильное хранение и эффективную транспортировку по мере необходимости.

Каковы преимущества и недостатки генератора жидкого азота?

Преимущества промышленных генераторов жидкого азота

• Экономическая эффективность
  С генератором жидкого азота можно далеко уйти от бюджетных закупок азота, полагаясь на них лишь один раз; тогда реальные затраты становятся затратами на электроэнергию и техническое обслуживание, что со временем становится более устойчивым и дешевым методом энергоснабжения.

• Производство по требованию
  Генераторы жидкого азота могут позволить предприятиям производить азот на месте для немедленного потребления, тем самым освобождая поставки от задержек из-за цепочки поставок, обеспечивая большую гибкость, особенно для предприятий, где спрос на азот колеблется.

• Азот высокой чистоты
  Эти передовые генераторы жидкого азота могут производить чистый азот, необходимый в конкретных приложениях, таких как медицинские исследования, криогеника и производство полупроводников.

• Экологически чистый
  В большинстве случаев экономичное производство азота на месте обычно означает меньшее перемещение азота и, следовательно, сокращение углеродного следа от выбросов, связанных с доставкой и хранением азота в баллонах или в больших количествах.

Недостатки промышленных генераторов жидкого азота

• Высокие первоначальные инвестиции
  Первоначальные большие затраты — покупка и установка генератора жидкого азота. Он включает в себя все затраты на оборудование, затраты на установку, затраты на инфраструктуру и т. д., что может быть запрещено небольшим компаниям или компаниям с низким спросом на азот.

• Требования к техническому обслуживанию
  Для наилучшего функционирования ему потребуется постоянное внимание; с одинаковой периодичностью обслуживания компрессоров, систем охлаждения и резервуаров-хранилищ; пренебрежение этим обслуживанием может привести к дорогостоящему ремонту и простою.

Каковы основные области применения генераторов жидкого азота?

Криоконсервация и медицинское применение

• Хранение биологических образцов: Жидкий азот обычно используется для хранения биологических образцов, таких как кровь, сперма и эмбрионы, при сверхнизких температурах, чтобы сохранить их жизнеспособность для будущего использования.

• Сохранение органов: Он играет решающую роль в сохранении органов для трансплантации, замедляя метаболические процессы и снижая риск повреждения тканей.

• Криохирургия: Жидкий азот используется в криохирургических процедурах для лечения аномальных или больных тканей, таких как бородавки, предраковые поражения или опухоли, путем их замораживания и разрушения.

Пищевая промышленность и производство напитков

• Сохранение продуктов питания: Жидкий азот используется для мгновенной заморозки продуктов питания, сохранения текстуры, вкуса и пищевой ценности за счет быстрого снижения температуры без образования крупных кристаллов льда.

• Пищевая упаковка: Он создает инертную атмосферу в упаковке, предотвращая окисление и продлевая срок хранения, особенно для деликатных продуктов, таких как чипсы, орехи и снеки.

• Мороженое с жидким азотом: Некоторые предприятия общественного питания используют жидкий азот для мгновенного приготовления мороженого, обеспечивая более гладкую текстуру и уникальные впечатления от еды для клиентов.

Химическая и фармацевтическая промышленность

• Химические реакции: Жидкий азот используется для создания низкотемпературной среды для реакций, требующих криогенных условий, например, при производстве некоторых химикатов и фармацевтических препаратов.

• Фармацевтический склад: Он используется для хранения чувствительных химикатов, вакцин и лекарств, которым для поддержания стабильности и эффективности требуются отрицательные температуры.

• Процессы сушки и замораживания: Жидкий азот используется в процессах сублимационной сушки и порошкообразования, особенно для термочувствительных материалов, обеспечивая сохранение целостности продуктов во время производства.

Исследования и разработки

• Лабораторные применения: В лабораториях жидкий азот используется для охлаждения материалов и инструментов, например, при криогенной заморозке биологических образцов или охлаждении сверхпроводящих материалов.

• Тестирование материалов: Он помогает тестировать материалы при экстремальных температурах, такие как металлы, сплавы и полимеры, путем моделирования криогенных условий для оценки их свойств и характеристик.

• Ускорение реакций: Исследователи используют жидкий азот для ускорения определенных химических процессов, требующих быстрого охлаждения, например, при изучении скорости реакций или образовании определенных соединений.

Металлургическая и электронная промышленность

• Криогенная обработка металлов: Жидкий азот используется при криогенной обработке металлов для повышения твердости, долговечности и устойчивости к износу, особенно при производстве инструментов, автомобильных и аэрокосмических деталей.

• Производство электроники: Жидкий азот используется при производстве и тестировании электроники, особенно для охлаждения чувствительных компонентов во время сборки и обеспечения их стабильности и долговечности при экстремальных температурах.

Экологические приложения

• Контроль загрязнения: Жидкий азот используется в воздухоразделительных установках для удаления кислорода из воздуха с целью создания инертной атмосферы для горения или для снижения выбросов оксидов азота (NOx) в промышленных условиях.

• Нефтяная и газовая промышленность: В нефтегазовом секторе жидкий азот используется для стимуляции скважин, испытаний под давлением и создания инертной атмосферы во время определенных операций бурения для повышения безопасности и производительности.

Решения по устранению неполадок промышленных генераторов жидкого азота

1. Низкое производство азота или отсутствие производства жидкого азота.

• Проверьте работу воздушного компрессора: Проверьте, работает ли воздушный компрессор идеально или нет, т. е., насколько это возможно, необходимо убедиться, что производство азота будет хорошим, как только компрессор начнет работать при требуемом давлении. Ищите утечки, старые или поврежденные уплотнения, а также плохо функционирующие клапаны, из-за которых снижается производительность.

• Проверьте функциональность криогенной системы: Криогенные теплообменники и расширительные клапаны являются наиболее важными участниками процесса сжижения. Для таких компонентов должна быть обеспечена их чистота и нормальные условия эксплуатации. Любая закупорка или загрязнение этих компонентов может снизить эффективность системы охлаждения воздуха и производства жидкого азота.

• Проверьте настройки давления и температуры: Убедитесь, что настройки давления и температуры соответствуют характеристикам, указанным производителем, поскольку неправильные настройки не позволят воздуху сжижаться.

• Ищите загрязнение: Если чистота азота ниже, это поставит под угрозу образование загрязняющих веществ, таких как вода, масло или частицы из подаваемого воздуха. Очистите или замените фильтры, влагоотделители и любые другие загрязненные фильтрующие системы, участвующие в процессе.

2. Низкая чистота жидкого азота.

• Изучите процесс разделения: На чистоту жидкого азота влияет эффективность воздухоразделительной установки. Если воздухоразделительные или дистилляционные колонны неисправны, они могут не правильно отделять азот от других газов. Проверьте наличие проблем с криогенными дистилляционными колоннами или системами PSA (адсорбция при переменном давлении).

• Осмотрите фильтры и адсорбционные материалы: Со временем адсорбционные материалы в системе PSA или фильтрах могут стать насыщенными, что снижает способность системы достигать требуемой чистоты. Регулярно проверяйте и при необходимости заменяйте эти материалы.

• Проверьте наличие утечек газа: Утечки в линиях воздухозабора или вывода азота могут привести к появлению примесей в азоте. Осмотрите все трубопроводы, уплотнения и соединения на предмет утечек и замените неисправные уплотнения или компоненты.

3. Чрезмерное потребление энергии

• Проверьте эффективность компрессора: Неисправный компрессор может значительно увеличить потребление энергии. Убедитесь, что компрессоры работают с оптимальной эффективностью, имеют правильную смазку и отсутствие механического износа. Замените все изношенные компоненты, такие как подшипники или уплотнения, которые могут снизить эффективность.

• Проверьте изоляцию системы: Плохая изоляция криогенных резервуаров для хранения или трубопроводов может привести к теплопередаче, в результате чего система будет использовать больше энергии для поддержания низких температур. Убедитесь, что все резервуары для хранения и трубопроводы надлежащим образом изолированы, чтобы свести к минимуму потери энергии.

• Оптимизация настроек температуры и давления: Убедитесь, что рабочее давление и температура отрегулированы правильно, чтобы максимизировать энергоэффективность. Настройки высокого давления могут потреблять больше энергии, поэтому убедитесь, что они соответствуют требуемой скорости производства азота.

4. Частые отключения или сбои системы.

• Монитор перегрева: Проверьте систему охлаждения и хладагенты, используемые в криогенном цикле. Перегрев из-за недостаточного количества охлаждающей жидкости или неисправности теплообменника может привести к автоматическому отключению системы во избежание повреждений.

• Осмотрите предохранительные клапаны: Неисправные предохранительные клапаны могут привести к ненужным отключениям из-за неправильных показаний давления. Регулярно проверяйте клапаны на наличие признаков повреждения или износа и при необходимости заменяйте их.

• Проверьте наличие неисправностей системы управления: Если электронные системы управления, датчики или регуляторы неисправны, это может привести к отключению системы. Проверьте точность всех датчиков и контроллеров и при необходимости откалибруйте или замените их.

5. Необычный шум или вибрация.

• Осмотрите подшипники компрессора и двигателя: Необычный шум или вибрация могут указывать на изношенные подшипники или несоосность деталей компрессоров или двигателей. Регулярно проверяйте и смазывайте подшипники и заменяйте их, если на них появляются признаки износа.

• Проверьте наличие незакрепленных компонентов: Незакрепленные детали системы, включая крепеж, насосы или трубки, могут привести к чрезмерной вибрации. Затяните все соединения и убедитесь, что все компоненты надежно закреплены.

• Осмотрите расширительные клапаны: Неисправный расширительный клапан может стать причиной неравномерной работы, вызывая вибрацию или необычный шум. Осмотрите клапан на наличие засоров или повреждений и при необходимости замените его.

Почему выбирают Айвитер?

Являясь ведущим экспертом в производстве генераторов жидкого азота, Aivyter предлагает беспрецедентный опыт и инновации. Мы специализируемся на разработке и производстве высококачественных и эффективных генераторов жидкого азота, адаптированных к уникальным потребностям различных отраслей промышленности.

Непревзойденное качество и надежность
Наша продукция спроектирована с высокой точностью и рассчитана на длительный срок службы, обеспечивая надежное производство азота с минимальным временем простоя. Передовая технология Aivyter гарантирует оптимальную производительность, азот высокой чистоты и энергоэффективность.

Клиентоориентированный подход
Мы уделяем приоритетное внимание удовлетворению потребностей клиентов, предлагая персонализированные решения и исключительную послепродажную поддержку. Выбирайте Aivyter для получения надежных, экономичных и передовых решений по производству жидкого азота.