Производство азота

«Удушающий», «безжизненный», «рождающий селитру» – и это все – азот. Название «безжизненный», «лишенный жизни» возникло благодаря Антуану Лавуазье, когда опытным путем было доказано, что азот не пригоден для дыхания и не поддерживает горение.

В 1772 году Генри Кавендиш проводил серию экспериментов, связанную с многократным пропусканием воздуха над раскаленным углем. Пропущенный воздух подвергался щелочной обработке, и получалось газообразное вещество, до невероятности удушливое, которое Кавендиш назвал мефитическим воздухом.

В то время среди химиков господствовала теория флогистона. Согласно этой теории флогистон – особая субстанция, сверхтонкая материя, которой богаты все горючие вещества. Огонь – есть не что иное, как вихревые движения этой материи. А дерево горит потому, что растения усваивают флогистон из воздуха, где он находится в рассеянном состоянии.

Результатом опытов Кавендиш поделился с Джозефом Пристли, который занимался аналогичными опытами и был ярым приверженцем теории флогистона. По мнению Пристли, в результате проводимых экспериментов воздух максимально насыщался флогистоном, поэтому полученному веществу он дал название флогистированный воздух.

Но слава открытия азота принадлежит Даниэлю Резерфорду, так как именно он описал полученное вещество как простое и привел его основные характеристики.

Несмотря на то, что теория флогистона уже давно стала историей, азот получает и сегодня, и не просто получают, а в производственных масштабах. Раньше азот могли получать только в очень небольших количествах в условиях лабораторий. И сегодня для получения «атмосферного» азота (смесь азота с инертными газами) в лаборатории применяют тот же способ, что Кавендиш и Пристли. Кислород воздуха, реагируя с углем, превращается в углекислый газ, который поглощается щелочью. А остающееся вещество состоит в основном из азота. Самый чистый азот в условиях лаборатории получают реакцией разложения нитридов металлов I, II группы, нагревая их в атмосфере воздуха или в кислородной среде.

В промышленных масштабах азот стали получать только в прошлом веке. Атмосферный воздух, содержащий 78% азота, стал источником для его получения. Способ разделения азота и кислорода за счет разницы в температуре кипения, долгое время оставался недоступным из-за несовершенства техники охлаждения. Данную проблему смогли решить английский физик Джек Дьюар и физики из Краковского университета (Польша) – Врублевский и Ольшевский. И польские физики, и Дьюар применили принцип каскадного охлаждения, в результате которого происходило сжижение азота и кислорода. Каскадное охлаждение подразумевает поэтапное снижение температуры с помощью компрессионных рефрижераторов.

На сегодняшний день существует три основных экономически выгодных способа получения азота в промышленных масштабах: с помощью азотных криогенных линий, адсорбционных и мембранных установок.

Криогенные линии
Данный метод получения жидких газов называют методом глубокого охлаждения. Современные криогенные установки позволяют сжижать воздух и разделять его на кислород, азот и аргон. Разделение основано на различии температур кипения жидких газов.
Суть процесса сводится к следующему: воздух сжимают, затем сжатый воздух очищают от различных примесей, далее подвергают обратному расширению, в результате чего происходит охлаждение и сжижение составляющих воздух газов. Полученная жидкость постепенно испаряется, и первым испаряется азот (у него самая низкая температура кипения, — 196 градусов).
Материалы, используемые, как в процессе производства криогенных жидкостей, так и для их хранения и транспортировки, меняют свои физико-механические свойства, поэтому обслуживание криогенных линий требует особого внимания.
Таким способом получают особо чистый азот – с массовой (объемной) долей 99,999% и выше.

Идея и разработка данного способа принадлежит бизнесмену и выдающемуся изобретателю Карлу фон Линде. В 1870 году была назначена премия за изобретение холодильной машины, с помощью которой можно было бы выкристаллизовать парафин – это и побудило профессора Мюнхенской Высшей политехнической школы заняться вопросом холодильной отрасли. В 1895 году фон Линде разрабатывает технологию сжижения газов и получает патент. В 1902 году – разрабатывает метод разделения воздуха.

Адсорбционные установки
В качестве адсорбента применяются молекулярные углеродные сита. Молекулы кислорода задерживаются этими ситами. Размер пор составляет 3 ангстрема. Кинетический диаметр молекулы азота равен 3,1 ангстрем (один ангстрем равен одной десятимиллиардной доле метра), а у молекулы кислорода – 2,9 ангстрем. Принцип основан на том, что молекулы азота, чей кинетический диаметр больше, чем у молекул кислорода, проходят беспрепятственно через сито, а молекулы кислорода проникают в адсорбент, где и «застревают» в его порах. Адсорбционные установки позволяют получать и азот высокой чистоты (99,999% и выше), и «грязный» азот – с массовой долей 95%.

Мембранные установки
В установках данного типа происходит процесс разделения сжатого воздуха, основанный на диффузии кислорода через мембраны. Мембранные установки представляют собой модули разделения воздуха цилиндрической формы, заполненные волокнами полимеров. Сжатый воздух подается в модуль, где попадает на внутреннюю сторону волокон. Молекулы газов с наименьшим диаметром молекулы легче всего проходят наружу, кислород проходит со средней скоростью, а азот остается на внутренней поверхности. Максимальная степень чистоты азота, получаемого на установках данного типа, составляет 99,5%.

Человек относительно недавно научился получать азот, природой вопрос его получения решен давно.

Азот, являясь одним из 4-х биогенных элементов, содержится во всех живых организмах, но общее его содержание в биосфере очень незначительно. Изначально в составе первичной атмосферы Земли азота не было, были лишь его соединения. Чистый азот в составе атмосферы появился в результате жизнедеятельности самих организмов. Растения в процессе фотосинтеза образуют кислород, который вступает в реакции соединения с аммиаком атмосферы, высвобождая молекулы азота.
С корнями растений семейства бобовых в тесном симбиозе существуют особые клубеньковые бактерии, которые обеспечивают растение азотом, фиксируя его из воздуха.
Вулканическая деятельность обеспечивает атмосферу азотом, который поступает на поверхность в составе вулканического газа.
Азот по распространенности во Вселенной занимает 7-ое место. Он образуется в результате сложных многоступенчатых ядерных реакций, которые происходят при гибели звезд.

Сегодня ученые уделяют особое внимание биологической фиксации азота. Данный вопрос является приоритетным исследованием во всех развитых странах. Фиксация азота биологическим способом – технология будущего.

Компания «DP Air Gas», девиз которой «Безопасность и качество», является поставщиком азота газообразного технического с объемной долей более 99,6%, азота газообразного повышенной чистоты с объемной долей более 99,95% и азота газообразного особой чистоты с объемной долей 99,999%. Более подробно с продукцией можно ознакомится здесь.