Nitrogenos – Mobilna Wytwornica Ciekłego Azotu
Celem projektu było stworzenie mobilnej instalacji zasilanej powietrzem atmosferycznym, służącej do wytwarzania ciekłego azotu metodą Lindego. Prace nad projektem objęły wykonanie obliczeń projektowych poszczególnych elementów instalacji, ich weryfikację poprzez symulacje komputerowe, a następnie budowę instalacji na podstawie sporządzonej dokumentacji.
Powstała instalacja służy nie tylko do wytwarzania ciekłego azotu na potrzeby Koła Naukowego i pracowników wydziału, ale dzięki mobilności całej instalacji może być również prezentowana w trakcie imprez masowych, na których pojawia się Koło (np. targi i pikniki naukowe), a także w czasie zajęć edukacyjnych organizowanych przez Koło Naukowe Inżynierii Chemicznej i Procesowej.
Schemat instalacji
Opis pracy instalacji
- Powietrze na wlocie trafia na filtr gazu, a następnie jest sprężane do ciśnienia około 10 [bar] za pomocą sprężarki bezolejowej.
- Powietrze następnie jest podawane na filtr cząstek stałych oraz odkraplacz w którym następuje wykroplenie części wilgoci z powietrza atmosferycznego.
- Tak przygotowany gaz trafia na moduł membranowy gdzie na zasadzie różnic w dyfuzyjności następuje separacja azotu i tlenu. Znajdujący się w retentacie azot pod ciśnieniem około 7 [bar] jest następnie podawany na zawór redukcyjny.
- Osuszony i oczyszczony do około 90% azot jest następnie rozprężany i mieszany ze strumieniem powracającym z wymiennika ciepła pod ciśnieniem bliskim ciśnieniu atmosferycznemu.
- Po uzyskaniu azotu odpowiedniej czystości jest on podawany do kompresora wysokiego ciśnienia o wydajności około 100 [l/min]. Ciśnienie gazu na wylocie to 200-225 [bar], a sprężony gaz jest podawany dalej do kapilary.
- Gaz pod wysokim ciśnieniem ze względu na charakterystykę sprężarki oraz własności termodynamiczne ma wysoką temperaturę i trzeba go ochłodzić. W pierwszym wymienniku ciepła gaz jest chłodzony przez chłodnicę ociekową. Kapilara jest omywana wodą spływającą ze zbiornika naporowego. Zamontowany u góry chłodnicy wentylator wymusza ruch powietrza w przeciwprądzie do spływającej wody. W wyniku tego procesu temperatura zostanie obniżona do ok. 30 o
- Azot jest następnie podawany na kolejny wymiennik ciepła, który stanowi układ z cieczą chłodzącą (roztworem wodnym glikolu etylenowego) o temperaturze -20 o Temperatura w wymienniku jest utrzymywana za pomocą parownika zatopionego w roztworze. Parownik jest częścią obiegu chłodniczego o mocy chłodniczej około 230 [W]. Przewiduje się, że temperatura gazu na wylocie będzie wynosić w przybliżeniu -20 oC.
- Następnie gaz pod wysokim ciśnieniem będzie podawany do przeciwprądowego wymiennika ciepła, gdzie czynnikiem chłodniczym będzie nieskroplony azot (ok. -196 oC). Przewiduje się uzyskanie temperatury na końcu wymiennika około -108o Duża różnica temperatur pomiędzy wymiennikiem a otoczeniem wymusza zastosowanie grubej warstwy izolacji w postaci wełny mineralnej bądź piany poliuretanowej/polistyrenu, która będzie otaczać układ.
- Schłodzony gaz będzie podawany na zawór dławiący, gdzie będzie zachodzić efekt Joule’a-Thomsona, czyli zmiany temperatury przepływającego medium w skutek nagłej zmiany przekroju przewodu (dławienie). Będzie tu zastosowany zawór iglicowy do pracy pod wysokimi ciśnieniami, który obniży je z 200-225 [bar] do około 6 [bar]. W skutek obniżenia się temperatury do około -196 oC nastąpi częściowe wykroplenie azotu, który zostanie zgromadzony w naczyniu Dewara. Nieskroplony gaz zostanie skierowany do wymiennika ciepła (punkt 8), a następnie ogrzany gaz będzie mieszany przed wlotem do kompresora.
Ciekły azot ma gęstość 807 [g/dm3]. Po ustaleniu się warunków pracy instalacji będzie możliwe wykroplenie około 1000 [g/h] = 1,24 [dm3/h] cieczy o składzie około 90% azotu i 10% tlenu.
Efekt Joule’a-Thomsona
Odwzorowanie obiegu na wykresie T-S:
1-2 Sprężanie (pkt 4 opisu), 2-3 obniżanie temperatury (punkty: 5,6,7 opisu), 3-4 dławienie (punkt 8 opisu), 4-5 rozdział faz w naczyniu dewara, 5-1 ogrzanie nieskroplonego azotu w wymienniku ciepła.
Procesem, dzięki któremu uzyskuje się obniżenie temperatury czynnika w chłodziarce Joule’a-Thomsona jest dławienie. Dławieniem nazywa się taki proces, który realizuje się w przepływającym płynie wskutek nagłej zmiany przekroju przewodu. Zaburzenie jakie powstaje w płynie w miejscu przewężenia przekroju powoduje niestatyczność procesu i tym samym nieokreśloność parametrów i funkcji stanu przepływającego płynu. Jeśli przewód, w którym zachodzi dławienie, jest adiabatycznie izolowany, wtedy proces jest izoenergetyczny.
Fanpage projektu: https://www.facebook.com/wytwornica.cieklego.azotu/
Koordynator projektu:
- inż. Michał Wojtalik
Zespół projektowy:
- inż. Patryk Baran
- inż. Michał Fedoryk
- Eliza Grzymkowska
- Łukasz Górski
Partnerzy projektu:
