L'impianto di azoto criogenico è un sistema complesso per la produzione di azoto liquido o azoto gassoso. Il suo principio di funzionamento coinvolge diversi processi e componenti fisici chiave.
1. Pretrattamento dell'aria grezza
1. Filtrazione
- Innanzitutto, l'aria grezza deve essere filtrata. L'aria contiene particelle come polvere e impurità. Se non filtrate, queste impurità bloccheranno la tubazione o influenzeranno il normale funzionamento dell'apparecchiatura nel successivo processo criogenico. Questo processo è come posizionare un setaccio all'ingresso di un complesso sistema meccanico, consentendo solo all'aria pura di entrare nel successivo flusso di lavorazione.
2. Compressione
- L'aria filtrata verrà compressa dal compressore. Lo scopo della compressione dell'aria è quello di aumentare la pressione dell'aria, in modo che sia più semplice ottenere la trasformazione da gas a liquido nel successivo processo di raffreddamento. Secondo l'equazione di stato dei gas ideali \(PV=nRT\) (dove \(P\) è la pressione, \(V\) è il volume, \(n\) è la quantità di sostanza, \(R \) è la costante del gas e \(T\) è la temperatura), quando la pressione \(P\) aumenta, è più probabile che il gas si liquefa quando la temperatura \(T\) diminuisce. In generale, il compressore può aumentare la pressione dell'aria fino a diverse atmosfere o anche di più.
2. Raffreddamento e liquefazione dell'aria
1. Preraffreddamento
- L'aria compressa entrerà nel preraffreddatore per il preraffreddamento. Il preraffreddatore utilizza solitamente un mezzo refrigerante (come acqua o altri fluidi criogenici) per ridurre la temperatura dell'aria. Questa fase di preraffreddamento può inizialmente ridurre la temperatura dell'aria e ridurre il carico del successivo processo di raffreddamento profondo. Ad esempio, l'aria compressa a temperatura ambiente viene ridotta da circa \(20 - 30^{\circ}C\) a circa \( - 50^{\circ}C\).
2. Raffreddamento profondo e liquefazione
- L'aria preraffreddata entra quindi nello scambiatore di calore principale per un raffreddamento profondo. Nello scambiatore di calore principale, l'aria scambia calore con azoto liquido criogenico o altri mezzi criogenici. Poiché la temperatura del mezzo criogenico è molto bassa (ad esempio, il punto di ebollizione dell'azoto liquido è -196^{\circ}C\), l'aria verrà raffreddata a una temperatura vicina alla sua temperatura di liquefazione in questo processo. Man mano che la temperatura continua a scendere, l'aria si liquefa gradualmente per formare aria liquida (aria liquida).
III. Produzione di azoto liquido e separazione dell'azoto
1. Distillazione
- L'aria liquida entrerà nella torre di distillazione per la separazione della distillazione. La torre di distillazione è uno dei componenti principali delle apparecchiature criogeniche per l'azoto. Nella torre di distillazione, i componenti come l'azoto liquido e l'ossigeno liquido sono separati da diversi punti di ebollizione. Il punto di ebollizione dell'azoto liquido è inferiore a quello dell'ossigeno liquido. A diverse altezze nella torre di distillazione, le condizioni di temperatura e pressione sono diverse, per cui l'azoto liquido viene separato nella parte superiore della torre. Questo processo è come una vagliatura fine in base alle diverse caratteristiche della sostanza, estraendo l'azoto liquido dall'aria liquida miscelata.
2. Acquisizione di azoto
- L'azoto liquido ottenuto dalla sommità della torre di distillazione può essere immagazzinato come prodotto. Se è necessario l'azoto gassoso, l'azoto liquido può essere vaporizzato attraverso un evaporatore o altra apparecchiatura di riscaldamento per ottenere azoto di elevata purezza. La purezza dell'azoto può raggiungere il \(99,999\%\) o addirittura superiore a seconda delle specifiche esigenze di produzione e delle prestazioni delle apparecchiature.
IV. Sistemi ausiliari di apparecchiature
1. Sistema di refrigerazione
- L'intera attrezzatura criogenica per l'azoto richiede un sistema di refrigerazione per fornire un ambiente a bassa temperatura. Il sistema di refrigerazione adotta solitamente il principio del ciclo di compressione-espansione. Ad esempio, il refrigerante viene compresso da un compressore, quindi viene espanso e depressurizzato attraverso una valvola di espansione. In questo processo, il refrigerante assorbe calore, fornendo così condizioni di bassa temperatura per il raffreddamento e la liquefazione dell'aria. I refrigeranti comuni includono l'azoto liquido stesso (in alcuni sistemi a circolazione automatica) o altri refrigeranti a bassa temperatura come il Freon (in alcune unità di refrigerazione specifiche).
2. Sistema di controllo
- Al fine di garantire il funzionamento stabile dell'apparecchiatura, l'apparecchiatura per l'azoto criogenico è dotata di un sistema di controllo. Il sistema di controllo può monitorare parametri quali temperatura, pressione, flusso, ecc. di ciascuna parte fondamentale dell'apparecchiatura. Ad esempio, quando la pressione dell'aria o la temperatura si discostano dal valore impostato, il sistema di controllo regolerà automaticamente la velocità del compressore, l'apertura della valvola, ecc. per garantire la stabilità del processo di produzione e la qualità del prodotto.
Attraverso la serie di processi complessi di cui sopra, l'apparecchiatura criogenica per l'azoto converte l'aria grezza in azoto liquido o azoto gassoso di elevata purezza per soddisfare le esigenze di vari settori, cure mediche, ricerca scientifica e altri campi.
