A Sustainable Approach to the Supply of Nitrogen

Význam tématu

Nitrogen je klíčový plyn v průmyslových i analytických aplikacích, kde se používá ke zbavení vzduchu kyslíku a vlhkosti. Tradiční výroba dusíku destilací vzduchu je energeticky náročná a generuje významné emise CO2 nejen při výrobě, ale také při následné dopravě plynů v lahvích či cisternách. Přechod na lokální systémy pro separaci dusíku na bázi membrán nebo adsorpce přináší výrazné snížení energetické náročnosti a tím i uhlíkové stopy.

Cíle a přehled studie / článku

Hlavním cílem je ukázat, že in‐house generátory dusíku založené na dutých vláknových membránách a technologii PSA (Pressure Swing Adsorption) poskytují čistý dusík za nižší spotřeby energie než klasická frakční destilace. Studie porovnává energetickou náročnost, emise CO2, bezpečnost a ekonomiku obou přístupů.

Použitá metodika a instrumentace

Pro výrobu dusíku v místě spotřeby byly použity dvě technologie:

• Membránový systém s dutými vlákny: stlačený vzduch je postupně zbaven vlhkosti, oleje a částic, prochází aktivním uhlíkem a nakonec membránovou modulem, který propouští O2 a H2O a zadržuje N2.
• PSA jednotka: vzduch je veden přes karbonová molekulová síta, která při vysokém tlaku selektivně pohlcují kyslík. Při poklesu tlaku dojde k desorpci zachyceného O2 a regeneraci sorbentu.

Hlavní výsledky a diskuse

Porovnání energetické náročnosti ukázalo:

• Frakční destilace: 1976 kJ elektrické energie na 1 kg dusíku (99,9 % čistota).
• PSA: 1420 kJ/kg (úspora 28 % energie a emisí CO2) při 99,9 % čistotě.
• PSA pro 98 % dusík (např. LC-MS): pouze 759 kJ/kg (62 % úspora).

Eliminace dopravy z velkovýrobených plynáren dále snižuje emise, např. kamion na 104 400 mil/rok produkuje až 163 tun CO2.

Přínosy a praktické využití metody

In‐house systémy generují dusík:

• Za nižší cenu díky snížené spotřebě energie a absenci vratných lahví.
• S vyšší bezpečností – eliminuje manipulaci s tlakovými lahvemi.
• S nezávislostí na externích dodavatelích a s rychlou dostupností plynu.

Budoucí trendy a možnosti využití

V rozvoji technologií se očekávají:

• Optimalizace membránových materiálů pro vyšší selektivitu a propustnost.
• Integrace s obnovitelnými zdroji energie k dalšímu snížení uhlíkové stopy.
• Digitalizace a inteligentní monitoring provozu pro úsporu energie a prediktivní údržbu.
• Decentralizovaná řešení pro menší provozy a mobilní aplikace.

Závěr

Lokální generátory dusíku na bázi membrán a PSA představují udržitelnou alternativu ke konvenční frakční destilaci. S až o 62 % nižší spotřebou energie a bez emisí spojených s dopravou přispívají k ochraně klimatu, snižují provozní náklady a zvyšují bezpečnost laboratoří i průmyslových provozů.

Reference

• EIGA Position Paper PP-33 (December 2010), European Industrial Gas Association
• Roadnet Carbon Emissions Calculator