Kriogeniczna instalacja azotowa to złożony system produkcji ciekłego lub gazowego azotu. Zasada działania obejmuje kilka kluczowych procesów i komponentów fizycznych.
1. Wstępna obróbka surowego powietrza
1. Filtracja
- Najpierw należy przefiltrować surowe powietrze. Powietrze zawiera cząstki takie jak kurz i zanieczyszczenia. Jeśli nie zostaną odfiltrowane, zanieczyszczenia te zablokują rurociąg lub zaburzą normalną pracę sprzętu w późniejszym procesie kriogenicznym. Proces ten przypomina ustawienie sita na wejściu złożonego układu mechanicznego, w wyniku którego do następnego strumienia technologicznego przedostaje się wyłącznie czyste powietrze.
2. Kompresja
- Przefiltrowane powietrze będzie sprężane przez sprężarkę. Celem sprężania powietrza jest zwiększenie ciśnienia powietrza, tak aby w późniejszym procesie chłodzenia łatwiej było osiągnąć przemianę ze stanu gazowego w ciecz. Zgodnie z równaniem stanu gazu doskonałego \(PV=nRT\) (gdzie \(P\) to ciśnienie, \(V\) to objętość, \(n\) to ilość substancji, \(R \) jest stałą gazu, a \(T\) jest temperaturą), gdy ciśnienie \(P\) wzrasta, prawdopodobieństwo skraplania gazu jest większe, gdy temperatura \(T\) spada. Ogólnie rzecz biorąc, sprężarka może zwiększyć ciśnienie powietrza do kilku atmosfer lub nawet wyżej.
2. Chłodzenie i skraplanie powietrza
1. Wstępne chłodzenie
- Sprężone powietrze wpłynie do chłodnicy wstępnej w celu wstępnego schłodzenia. Chłodnica wstępna zwykle wykorzystuje czynnik chłodniczy (taki jak woda lub inne płyny kriogeniczne) w celu obniżenia temperatury powietrza. Ten etap wstępnego chłodzenia może początkowo obniżyć temperaturę powietrza i zmniejszyć obciążenie późniejszego procesu głębokiego chłodzenia. Na przykład sprężone powietrze w temperaturze pokojowej zmniejsza się z około \(20 - 30^{\circ}C\) do około \(- 50^{\circ}C\).
2. Głębokie chłodzenie i upłynnianie
- Wstępnie schłodzone powietrze wchodzi następnie do głównego wymiennika ciepła w celu głębokiego schłodzenia. W głównym wymienniku ciepła powietrze wymienia ciepło z kriogenicznym ciekłym azotem lub innymi mediami kriogenicznymi. Ponieważ temperatura ośrodka kriogenicznego jest bardzo niska (np. temperatura wrzenia ciekłego azotu wynosi -196^{\circ}C\), powietrze zostanie w tym przypadku ochłodzone do temperatury zbliżonej do jego temperatury skraplania proces. W miarę dalszego spadku temperatury powietrze stopniowo ulega skropleniu, tworząc powietrze w stanie ciekłym (powietrze w stanie ciekłym).
III. Produkcja ciekłego azotu i separacja azotu
1. Destylacja
- Ciekłe powietrze dostanie się do wieży destylacyjnej w celu oddzielenia destylacji. Wieża destylacyjna jest jednym z podstawowych elementów kriogenicznego sprzętu azotowego. W wieży destylacyjnej składniki takie jak ciekły azot i ciekły tlen są oddzielane przy różnych temperaturach wrzenia. Temperatura wrzenia ciekłego azotu jest niższa niż ciekłego tlenu. Na różnych wysokościach wieży destylacyjnej panują różne warunki temperatury i ciśnienia, w związku z czym na szczycie wieży oddziela się ciekły azot. Proces ten przypomina dokładne przesiewanie pod kątem różnych właściwości substancji, polegające na ekstrakcji ciekłego azotu z zmieszanego ciekłego powietrza.
2. Pozyskiwanie azotu
- Ciekły azot uzyskany ze szczytu wieży destylacyjnej można przechowywać jako produkt. Jeśli potrzebny jest azot w postaci gazowej, ciekły azot można odparować w parowniku lub innym urządzeniu grzewczym, aby uzyskać azot o wysokiej czystości. Czystość azotu może osiągnąć \(99,999%\) lub nawet więcej, w zależności od konkretnych wymagań produkcyjnych i wydajności sprzętu.
IV. Układy pomocnicze urządzeń
1. Układ chłodniczy
- Cały sprzęt kriogeniczny wykorzystujący azot wymaga układu chłodniczego zapewniającego środowisko o niskiej temperaturze. Układ chłodniczy zwykle przyjmuje zasadę cyklu sprężania i rozprężania. Na przykład czynnik chłodniczy jest sprężany przez sprężarkę, a następnie jest rozprężany i rozprężany przez zawór rozprężny. W tym procesie czynnik chłodniczy pochłania ciepło, zapewniając w ten sposób warunki niskotemperaturowe do chłodzenia i skraplania powietrza. Typowe czynniki chłodnicze obejmują sam ciekły azot (w niektórych układach z własnym obiegiem) lub inne niskotemperaturowe czynniki chłodnicze, takie jak freon (w niektórych określonych urządzeniach chłodniczych).
2. Układ sterowania
- Aby zapewnić stabilną pracę sprzętu, urządzenia do azotu kriogenicznego są wyposażone w system sterowania. System sterowania może monitorować parametry, takie jak temperatura, ciśnienie, przepływ itp. każdej kluczowej części urządzenia. Na przykład, gdy ciśnienie powietrza lub temperatura odbiega od ustawionej wartości, system sterowania automatycznie dostosuje prędkość sprężarki, otwarcie zaworów itp., aby zapewnić stabilność procesu produkcyjnego i jakość produktu.
Poprzez powyższą serię złożonych procesów kriogeniczny sprzęt azotowy przekształca surowe powietrze w ciekły azot lub azot gazowy o wysokiej czystości, aby zaspokoić potrzeby różnych gałęzi przemysłu, leczenia, badań naukowych i innych dziedzin.
