Dušik
Dušik ima širok spekter uporabe v različnih industrijah. Eden od razlogov, zakaj ima N₂ toliko aplikacij – in ena njegovih ključnih prednosti – je, da gre za inertni plin. Zaradi trojne vezi je zelo stabilen in skoraj ne reagira z drugimi elementi. Posledično preprečuje oksidacijo (npr. v elektroniki in kovinskopredelovalni industriji). Poleg tega je brez barve in vonja.
Prav zaradi te kombinacije lastnosti je tako dragocen vir in pomemben del številnih industrijskih procesov.
Tukaj so nekatere industrije, v katerih ima dušik ključno vlogo:• Farmacija: Nadomeščanje nevarnih ali neželenih atmosfer zaradi varnosti ali kakovosti izdelkov, ohranjanje sterilnosti in čistosti farmacevtskih izdelkov, zaščita aktivnih in visoko čistih sestavin med proizvodnjo, odstranjevanje kisika za preprečevanje oksidacije in zmanjšanje nevarnosti požara, zagotavljanje inertnega okolja v vialah, pakiranje v inertni atmosferi, prenos reakcijskih zmesi med posodami…
Pakiranje hrane: Uporaba kot nekemični konzervans, zaščita hranil, preprečevanje rasti aerobnih mikroorganizmov, ohranjanje integritete izdelkov med transportom, napihovanje embalaže, zamenjava zraka v embalaži, inertizacija procesov za preprečevanje izgorevanja, zatiranje škodljivcev, fumigacija, zaščitna atmosfera …• Industrija pijač: Shranjevanje in prenos vina, nadomeščanje CO₂ (pivovarne), kontrolirano vpihovanje plinov v tekočine, točenje piva, polnjenje steklenic in pločevink, izpiranje rezervoarjev …• Toplotna obdelava kovin: Preprečevanje oksidacije.• Proizvodnja: Različne uporabe – od inertizacije in izpiranja do sterilizacije, prenosa izdelkov in pakiranja.• Laboratoriji: Nadzor atmosfere za zaščito procesov in rezultatov.• Elektronika: Preprečevanje kontaminacije pri izdelavi tranzistorjev, vezij in diod.• Varjenje/kovinsko delo: Preprečevanje nastajanja oksidov in neželenih spojin.• Razsvetljava: Cenovno ugodna alternativa argonu pri proizvodnji žarnic.• Nafta in plin: Inertizacija procesov pri rafiniranju, ločevanju plinov, dehidraciji zemeljskega plina in čiščenju vodika.• OBIGGS sistemi: Inertizacija rezervoarjev za gorivo v letalih med letom.• Proizvodnja amonijaka: Obnova plina med procesom čiščenja.• Prenos produktov: Varen prenos tekočin ali prahov, ki bi bili nevarni v stiku s kisikom ali vlago.• Pakiranje: Odstranjevanje kisika za zaščito izdelkov med transportom.• Metalurgija: Preprečevanje oksidacije pri proizvodnji jekla in zlitin.• Barvanje s pršenjem: Izboljšanje učinkovitosti nanosa, skrajšanje časa sušenja, izboljšanje kakovosti površine …
• LC/MS: Odstranjevanje topil za povečanje občutljivosti analiz in preprečevanje napak.• Brizganje plastike: Odstranjevanje kisika iz kalupa za preprečevanje napak zaradi vlage.• Polnjenje pnevmatik: Zmanjšanje tveganja za vžig in korozijo, stabilnejši tlak, daljša življenjska doba pnevmatik …• Preprečevanje požarov in eksplozij: Ustvarjanje okolja z nizko vsebnostjo kisika, zmanjševanje korozije v sprinkler sistemih …
Dušik ima ključno vlogo v teh in številnih drugih aplikacijah v skoraj vseh industrijah. Vendar pa vse aplikacije ne zahtevajo enake vrste dušika.
Na primer, pri mnogih procesih žarjenja je potreben zelo čist dušik, medtem ko se za preprečevanje požarov uporablja dušik nižje čistosti.
Zato mora biti sistem za proizvodnjo dušika čim bolj prilagodljiv, da poveča učinkovitost in zmanjša obratovalne stroške. To je področje, kjer rešitve Atlas Copco izstopajo – ne glede na aplikacijo obstaja ustrezna rešitev.
Da bi v celoti izkoristili prednosti proizvodnje plina na lokaciji, sta za proizvodnjo dušika na voljo dve različni tehnologiji: membranska tehnologija in tlačna adsorpcija (PSA). Vsaka ima svoje posebne prednosti, zaradi česar je bolj ali manj primerna za določene aplikacije. Najprej si poglejmo ti tehnologiji in njuno delovanje.
Cilj obeh tehnologij je iz običajnega komprimiranega zraka, ki vsebuje 78 % dušika, 21 % kisika in 1 % drugih plinov, odstraniti vse, kar ni dušik. Vendar pa za dosego tega cilja uporabljata različne metode.
PSA (tlačna adsorpcija): PSA lahko proizvede dušik zelo visoke čistosti (do 99,999 %). Prav tako običajno potrebuje manj komprimiranega zraka kot membranska tehnologija, kar pomeni nižje obratovalne stroške. Vendar pa večina aplikacij ne potrebuje tako visoke čistosti. Za pravilno delovanje PSA potrebuje zelo čist in suh zrak.
Prednosti in slabosti PSA
PSA proces lahko proizvaja dušik z zelo visoko čistostjo, do 99,999 %. Poleg tega je potrebna količina komprimiranega zraka na splošno manjša kot pri membranski tehnologiji, kar zmanjšuje obratovalne stroške. Na prvi pogled bi se lahko zdelo, da ta kombinacija dejavnikov sama po sebi naredi to tehnologijo boljšo od membranske. Vendar pa večina aplikacij za dušik ne zahteva niti približno tako visoke čistosti.
Za pravilno delovanje pa tlačna adsorpcija zahteva vstopni komprimiran zrak, ki je zelo čist in ne vsebuje vodne pare.
Membranska tehnologija: V cilindričnem kovinskem ohišju se nahaja membrana, napolnjena z majhnimi votlimi polimernimi vlakni, ki pasivno ločujejo dušik iz komprimiranega zraka. Ta proces, imenovan »permeacija«, je mogoč, ker vsi plini, hlapi in nečistoče v zraku ne prehajajo skozi stene membranskih vlaken z enako hitrostjo.
Na primer, vodna para prehaja skozi membrano zelo hitro in se lahko odvaja skozi izpust. Kisik prav tako prehaja razmeroma hitro, medtem ko dušik prehaja precej počasneje. Zaradi tega dušik ostane v vlaknih še dolgo potem, ko sta vodna para in kisik že prešla skozi membrano in bila odvedena. Tako je dušik edini plin, ki izstopa na izhodu.
Čeprav ne more doseči izjemne čistosti, ki jo lahko zagotovi PSA generator dušika, se membranska tehnologija izkaže na drugih področjih. Zmore obdelati vodno paro v vstopnem zraku. Poleg tega je mogoče membranske generatorje dušika namestiti na veliko več lokacijah, saj imajo manjši odtis in delujejo zelo tiho.
Poleg tega so ti generatorji zaradi zasnove brez gibljivih delov in enostavnejšega principa delovanja bistveno lažji za vzdrževanje.
Druga prednost je, da lahko membranski generatorji dušika po naravi procesa zagotavljajo neprekinjen pretok N₂, medtem ko so pri PSA za dosego enako stabilnega pretoka potrebni dodatni zunanji rezervoarji. Nazadnje jih je mogoče namestiti tudi modularno, zato so dobra izbira za podjetja, ki želijo povečati svojo proizvodnjo N₂.
MEMBRANA
PSA
Dosegljiva čistost
Učinkovito do 99,5 %
Učinkovito do 99,999 %
Učinkovitost
Visoka
Višja
Zmogljivost glede na temperaturo
Višja pri visoki temperaturi
Nižja pri visoki temperaturi
Kompleksnost sistema
Nizka
Srednja
Intenzivnost servisa
Zelo nizka
Stabilnost tlaka
Stabilen brez dodatnega rezervoarja
Stabilen z dodatnimi rezervoarji
Stabilnost pretoka
Hitrost zagona po zaustavitvi
Hitra
Občutljivost na vodo (paro)
Nizka (brez tekoče vode)
Občutljivost na olje
Ni dovoljeno (< 0,01mg/m³)
Raven hrupa
Teža
Zdaj, ko vemo, kako delujeta ter kakšne so njune značilne prednosti in slabosti, ostaja vprašanje, katera je boljša. Odgovor pa je: odvisno.
Na koncu je optimalna tehnologija odvisna od aplikacije za dušik. V mnogih primerih bosta obe zanesljivo opravili nalogo in prihranili stroške v primerjavi z nakupom N₂ od zunanjega dobavitelja. Vendar pa obstajajo tudi primeri, kjer je ena tehnologija boljša od druge.
Očitno je, da če je potrebna najvišja čistost, je PSA prava izbira. Če pa mora biti generator dušika nameščen v laboratoriju, je tišja membranska tehnologija boljša izbira.
Zato morajo podjetja, ki so se odločila za proizvodnjo dušika na lokaciji, skrbno oceniti svoje aplikacije N₂, svoje potrebe po dušiku in delovno okolje, v katerem želijo namestiti svoj generator.
