نیتروژن مایع

نیتروژن مایع

نیتروژن عنصری شیمیایی است که در حالت طبیعی در هوا وجود دارد و 87 درصد از جو اطراف ما را تشکیل می‌دهد. این گاز بی رنگ، بی بو و بی مزه است؛ ولی برای بقای تمام موجودات زنده جزء مواد مغذی اصلی قرار می‌گیرد. مردم فکر می‌کنند که نیتروژن فقط در هوای بیرون است. در صورتی که علاوه بر هوا در غذایی که هر روز می‌خورند نیز نیتروژن وجود دارد. نیتروژن در اشکال مختلف در دسترس است. متداول ترین از انواع آن اکسید نیتروژن و نیتروژن مایع فوق‌العاده خنک‌کننده وجود دارد.

حال این سوال پیش می‌آید که گاز نیتروژن چگونه از هوا جداسازی شده و سپس به مایع تبدیل می‌شود؟ دلیل این کار چیست؟ چرا استفاده های گوناگون دارد؟ در این مقاله از پترو تامین آرشام که یکی از تامین کنندگان این گاز است، قصد داریم به تمامی این سوالات پاسخ دهیم و شما را با تمامی کاربردهای نیتروژن آشنا کنیم.

برای ورود به دنیای جدید گاز نیتروژن تا انتها ما را همراهی کنید.

فرایند جدا سازی گاز نیتروژن از هوا و تبدیل آن به نیتروژن مایع چگونه است؟

به طور کلی و با بیان ساده اگر بخواهیم فرایند جدا سازی نیتروژن از هوا را تعریف کنیم ، به این صورت اتفاق می‌افتد که : هوای جوی به واحد جداسازی هوا فرستاده می‌شوند و بعد از فشرده شدن به سیستم پاک سازی انتقال می‌یابند. در این مرحله ناخالصی‌های آن مانند: رطوبت و دی اکسید کربن از بین می‌رود. سپس هوا را به مبدل‌های حرارتی منتقل می‌کنند.

پس از سرد شدن هوا در مبدل‌ها آن را برای فرایند تقطیر فشار بالا هدایت می‌کنند. در این فرایند نیتروژن از اکسیژن و سایر گازها جدا می‌شود. سپس هوا وارد ستون تقطیر با فشار بالا شده که در این ستون‌ها از نظر فیزیکی به شکل ازت در بالای ستون جدا می شود.

روش‌های صنعتی تولید نیتروژن مایع چیست؟

نیتروژن مایع به صورت تجاری از مایع شدن نیتروژن خالص تولید می‌شود. همانطور که گفتیم ابتدا باید نیتروژن از سایر اجزای موجود در هوا مانند: اکسیژن، آرگون، بخار آب و دی اکسید کربن جدا شود. فرایند تبدیل نیتروژن به مایع کم و بیش یکسان است، اما روش‌های این فرایند متفاوت است. معمولا به سه روش زیر انجام می‌شود.

روش cold box

در حالت نرمال نیتروژن با خلوص 99.99 و اکسیژن با خلوص 99.6 تولید می‌شود. امکان تولید نیتروژن و اکسیژن با خلوص بسیار بالا برای استفاده مصارف خاص نیز وجود دارد.

در روش cold box هوای فشرده توسط چیلر آبی حدود 10 درجه کاهش دما یافته و وارد درایو می‌شود. داخل درایو رطوبت، روغن  و ناخالصی آن گرفته شده و کاملا خشک می‌شود. پس از ورود به cold box  دمای آن تا 196- درجه سانتی گراد کاهش می‌یابد و به هوای مایع تبدیل می‌شود.

این هوای مایع با ورود به قسمت پایین برج با توجه به اختلاف نقطه شبنم نیتروژن و اکسیژن فشار آن کاسته می‌شود. ابتدا نیتروژن با رسیدن به دمای جوش به صورت گاز و با دمای بالا از قسمت بالای برج خارج شده و قسمتی از آن نیز پس از عبور از کندانسور به نیتروژن مایع تبدیل می‌شود.

نیتروژن پس از تبدیل شدن به مایع در مخازن مخصوص نگهداری این گاز مایع ، ذخیره می‌شود. این اتفاق در حالی رخ می‌دهد که اکسیژن هنوز به نقطه جوش برای تبدیل به فاز گازی نرسیده و به صورت مایع در پایین برج تجمع کرده است.

روش PSA (Pressure Swing Absorption) برای تولید ازت مایع

یکی از متداول‌ترین روش‌های تولید نیتروژن مایع ، روش PAS است. در این روش ابتدا هوای فشرده پس از عبور از درایر و تله آب‌گیر درصد بالایی از رطوبت و روغن معلق موجود در هوا را جذب می‌کنند. سپس با عبور از دو میکرو فیلتر سری شده 1 میکرون و 0.01 میکرون رطوبت و روغن باقی‌مانده آن از هوای فشرده کاملا جذب می‌شود.

هوای کاملا خشک و فشرده وارد فیلتر مولد نیتروژن حاوی کربن‌های مخصوصی به نام کربن مولکولارسیو با سطوح متخلخل کاملا منظم با قطر حفرات 4 انگسترومی می‌شود. با توجه به اینکه قطر مولکولی اکسیژن 3.8 انگستروم و قطر مولکولی نیتروژن 4.2 انگستروم است.

فقط مولکول‌های ریزتر اکسیژن می‌توانند به حفرات ریز 4 انگسترومی نفوذ کنند و در آن به دام می‌افتند. بنابراین نیتروژن از لا به لای مواد کربنی با خلوص معینی از بالای فیلتر خارج می‌شوند.

فرایند احیا زمان‌بر بوده و وقت زیادی را در تولید نیتروژن تلف می‌‌کند. بنابراین در این فرایند از دو نوع فیلتر استفاده می‌شود. وقتی یک فیلتر در حال احیا شدن است، فیلتر دوم عمل تولید نیتروژن را انجام می‌دهد. این عمل به‌طور نوسانی توسط مدار کنترل، پیوسته با شیرهای برقی ادامه پیدا می‌کند.

در این روش فراوری و خشک بودن هوای فشرده ورودی بسیار مهم است. چنانچه از میکرو فیلترهای مناسب که قیمت بالایی نیز دارند، استفاده نشود؛ رطوبت به خصوص روغن معلق هوای فشرده خروجی از کمپرسور به سرعت منافذ کربن را می‌پوشانند و از جذب اکسیژن جلوگیری می‌کنند.

در واقع مواد  CMSمولد را تخریب کرده و به‌شدت خلوص نیتروژن خروجی را کاهش می‌دهند. در حال حاضر اکثر دستگاه‌های مولد نیتروژن تایر با این سیستم کار می‌کنند.

روش PSA جدید‌ترین روش جدا کننده مولکول‌های فازهای گازی و مایعات برای تولید ازت مایع است و با تکنولوژی نانو ارتباط دارند که در نوع پلیمری آلی و معدنی در جهان  شناخته شده است. تحقیقات وسیعی در جهان بر روی آن در حال انجام است و به دلیل مزایای نسبی و کاربرد وسعی که در صنایع گوناگون دارد نسبت به روش‌های مشابه  بسیار ساده تر، کم حجم‌تر و کم هزینه‌تر است، ولی به دلیل تکنولوژی بالا و تحقیقات پر‌هزینه، ایران هنوز به طور جدی وارد عرصه تحقیقات آن نشده است؛ به این دلیل که این مولد ها در عین ساختار ساده‌ای که دارند بسیار گران ‌قیمت هستند. با این حال  برای این روش چشم اندازهای روشنی انتظار می رود.

روش VPSA

این روش همانند روش  PSA انجام می‌شود. در این روش فشار ورودی هوا خیلی کم است در نتیجه خروجی دارای فشار پایین خواهد بود. استفاده از روش VPSA با وجود راندمان بالا زیاد رایج نبوده و در تولید دستگاه‌های نیتروژن تایر استفاده نمی‌شود.

مشخصات فیزیکی نیتروژن مایع چیست؟

ازت مایع یا  نیتروژن مایع یکی از پرکاربرترین کرایوژنیک است که همواره باید به عنوان یک گاز مایع در درجه حرارت بسیار کم نگه‌داری شود. همانطور که گفته شد این گاز از تقطیر جزء به جزءمایع به دست می‌آید که در اینجا اجزا از طریق حرارت و گرما به ترتیب به نقطه جوششان می‌رسند. این ماده به صورت‌های LIN  ، LN2 و LN نشان داده می‌شوند.

ازت مایع یک سیال سرمازا است که در تماس با بافت زند موجب یخ‌زدگی و سرما‌زدگی آن می‌شود. در فشار جو این ماده در 7 کلوین که برابر 196- درجه سلسیوس و 321 درجه فارنهایت است، به جوش می‌آید.

گاز مایع نیتروژن بی اثر است و به فرایند احتراق هیچ‌گونه کمکی نمی‌کند، اما وقتی به دمای بالا برسد مانند: بر اثر رعد و برق یا درون اگزوز خودرو‌ها می‌تواند با اکسیژن ترکیب شده و به نیتروژن مونوکسید تبدیل شود.

از نیتروژن مایع در چه صنایعی استفاده می‌شود؟

گاز مایع نیتروژن را تولید می‌کنند که در صنایع مختلفی از خوراک تا پزشکی، تولید فلزات، نفت و گاز  و حتی هوا فضا استفاده کنند. در ادامه به طور کامل به این موارد خواهیم پرداخت.

صنایع هوایی و هوافضا

اتوکلاو‌ها در صنعت هوافضا که دو نوع متداول بخار آب و گاز گرم را دارند، استفاده می‌شود. برای بارهای کاری که در معرض رطوبت قرار دارند، بخارمی‌تواند یک انتخاب مناسب و قابل قبول باشد. با این حال برای بارهای کاری به جو خشک نیز نیاز دارند که گاز می‌تواند بهترین انتخاب باشد.

گاز برای تحت فشار قرارا دادن اتوکلاو کنترل و  تنظیم بیشتر فضای گرمایش در صنعت هوافضا استفاده می‌شود؛ زیرا این میزان فشار را تضمین می‌کند.

در پردازش قطعات هوافضا در اتوکلاوها از نیتروژن در پمپ‌های اژکتور استفاده می‌شود؛ زیرا نیتروژن برای پاک کردن تمام هوا به روشی ایمن و موثر مناسب است. ازت نیتروژن به دلیل بی‌اثر بودن برای ایمنی در هنگام ساخت و پردازش پخت اتوکلاو می‌تواند بهترین انتخاب باشد

نیتروژن به عنوان یک گازکمکی برای برش‌های لیزری مناسب است. کارخانه‌‌های مونتاژ درجه یک و دو برای جوشکاری‌هایی مانند: جوش‌دادن قسمت اتوماتیک ماشین‌ها، قاب‌های فلزی، لوله‌های اگزوز و باقی قسمت‌ها در تجهیزات اتوماسیون سازی و حمل و نقل، گاز نیتروژن را با سایر گازها ترکیب می‌کنند.

می‌توان گفت ازت نیتروژن برای جوشکاری هر نوع ماده‌ای هوای لازم را تامین می‌کند. این نوع گاز برای ایربک‌ها نیز ماده‌ای ضروری است. نیتروژن مایع جریان سیالات داخل لوله‌ها را به عنوان یک گاز فشار، هدایت می‌کند.

این گاز نقش لایه محافظتی در برابر اکسیژن  برای موادی که به هوا حساس هستند، را ایفا می‌کند. همچنین از این گاز برای پاک کردن مواد شیمیایی ارگانیک از جریان‌های پردازش استفاده می‌شود.

انرژی

از نیتروژن مایع برای نرسیدن هوا به قطعات و فرایند‌های حساس استفاده می‌شود؛ زیرا این گاز خنثی است و برای عایق‌بندی بسیار مناسب خواهد بود. همچنین این ماده لوله‌های انتقال و تجهیزات را از هرگونه آلودگی‌های محیطی پاک و حفظ می‌کند.

پزشکی

نیتروژن مایع بسیار سرد بوده و هر بافت زنده‌ای با آن تماس پیدا کند، منجمد خواهد شد. بنابراین کاربرد زیادی در صنعت پزشکی دارد. مانند:

درمان مشکلات پوست

استفاده از این ماده سرد امروزه برای مشکلات پوستی  یک روش درمانی استاندارد است. این ماده برای درمان ناراحتی های پوستی مثل: زگیل، خال‌های گوشتی، توده یا برجستگی ها کوچک و مشابه این مشکلات فوق‌العاده عمل می‌کند. این نوع درمان ممکن است کمی ناراحت کننده باشد، ولی دردناک نیست و قابل تحمل خواهد بود.

بیولوژیکی

نیتروژن تریفلورید به عنوان یک عامل برودتی یا “کرایوژن” برای انجماد و نگهداری خون، اسپرم، تخمک، سلول‌های ساقه مغز، نمونه‌های بافتی و سایر نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌شود. این ماده برای نابود سازی بافت‌های مریض در جراحی کرایو نیز کاربرد دارد.

تغذیه دستگاه‌های پزشکی

نیتروژن به عنوان منبع تغذیه دستگاه‌های پزشکی با گاز استفاده می‌شود که برای خنک‌سازی لیزرهای جراحی دی اکسید کربن مناسب است.

در برخی از دستگاه‌های MIR  که جزء تصویر برداری‌های شدید مغناطیسی است و برای خنک‌سازی از آهن‌رباهای مغناطیسی بجای استفاده از هلیوم که قیمت بالایی دارند استفاده می‌شود. نیتروژن مایع به کمک این خنک سازی گران قیمت آمده است و برای خنک سازی نهایی از این ماده استفاده می‌شود.

داروسازی و بیوتکنولوژی

نیتروژن گازی به دلیل واکنش‌پذیری زیاد در صنعت داروسازی کاربرد دارد. این ماده عموما برای:

• پاک‌سازی؛
• انتقال فشار؛
• ادغام ؛
• پوشش( محافظت از یک فرایند در برابر نفوذ رطوبت)؛
• اکسیداسیون؛
• تنزل.

به کار می رود. از نیتروژن کرایوژنیک به منظور مدیریت دما در سیستم خنک‌سازی راکتور و نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می شود.