گاز نیتروژن: ویژگی‌ها، کاربردها و فرآیندهای پرژینگ و اکسیژن‌زدایی

گاز نیتروژن یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در جو زمین است که به دلیل واکنش پذیری پایین و بی اثر بودن، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کد خبر: ۱۳۰۵۱۳۱

تاریخ: ۲۲ ارديبهشت ۱۴۰۴ - ۱۹:۱۵

گاز نیتروژن یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در جو زمین است که به دلیل واکنش پذیری پایین و بی اثر بودن، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. این گاز در صنایعی مانند نفت و گاز، صنایع غذایی، پزشکی، الکترونیک و شیمیایی کاربردهای گسترده‌ای دارد. یکی از مهم‌ترین فرآیندهای مرتبط با نیتروژن، پرژینگ و اکسیژن‌زدایی است که به حذف اکسیژن و گازهای ناخواسته از سیستم‌ها و تجهیزات کمک می‌کند.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی نیتروژن

فرمول شیمیایی : N2

جرم مولکولی: ۲۸٫۰۱۳۴ گرم بر مول

نقطه جوش: ۱۹۵٫۷۹- درجه سلسیوس

نقطه ذوب: ۲۱۰٫۰۰- درجه سلسیوس

چگالی: در فاز گاز و شرایط STP ، ۱٫۲۵۰۶ گرم بر لیتر و در فاز مایع و در نقطه جوش آن، 0.808 گرم بر سانتی متر مکعب

واکنش‌پذیری: نیتروژن بسیار پایدار است و معمولاً در شرایط عادی با مواد دیگر واکنش نمی‌دهد، مگر در دماهای بالا یا در حضور کاتالیزورها.

روش‌های تولید گاز نیتروژن

1. تقطیر هوای مایع: هوا فشرده و سرد شده تا به مایع تبدیل شود. سپس با تقطیر جزء به جزء، نیتروژن از اکسیژن و دیگر گازها جدا می‌شود. این روش پرکاربرد و مقرون به صرفه است.

2. جذب سطحی (PSA): از جاذب‌های خاص مانند زئولیت برای جداسازی نیتروژن از هوا استفاده می‌شود. هوا از بستر جاذب عبور کرده و اکسیژن جذب می‌شود، در حالی که نیتروژن خالص باقی می‌ماند.

3. غشایی: با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا، نیتروژن از هوا جدا می‌شود. مولکول‌های کوچک‌تر مانند اکسیژن سریع‌تر از غشا عبور می‌کنند و نیتروژن خالص جمع‌آوری می‌شود. این روش ساده و کم‌هزینه است.

فرآیند پرژینگ (Purging) و اکسیژن‌زدایی (Deoxygenation)

۱. پرژینگ چیست؟

پرژ فرآیندی است که در آن از یک گاز بی‌اثر مانند نیتروژن برای حذف گازهای ناخواسته، بخارات، آلاینده‌ها یا اکسیژن از سیستم‌ها و تجهیزات صنعتی و تست نشت یابی خطوط انتقال استفاده می‌شود. این فرآیند برای ایمن‌سازی خطوط لوله، مخازن ذخیره، راکتورها و سیستم‌های تحت‌فشار قبل از راه‌اندازی یا تعمیرات کاربرد دارد.

۲. چرا از نیتروژن برای پرژینگ استفاده می‌شود؟

خنثی بودن و عدم واکنش پذیری: نیتروژن با سایر مواد واکنش نشان نمی‌دهد، بنابراین محیطی ایمن ایجاد می‌کند.

کاهش ریسک انفجار و احتراق: حذف اکسیژن و سایر گازهای قابل‌اشتعال از سیستم‌ها.

حفظ کیفیت محصولات: در صنایع غذایی و دارویی، نیتروژن از اکسیداسیون و فساد محصولات جلوگیری می‌کند.

۳. روش‌های پرژینگ با نیتروژن

الف) پرژینگ فشارمثبت (Positive Pressure Purging)

در این روش، گاز نیتروژن با فشار وارد سیستم شده و گازهای ناخواسته را به بیرون می‌راند. این روش برای مخازن ذخیره، خطوط لوله و راکتورها مناسب است.

ب) پرژینگ با فشار منفی (Vacuum Purging)

در این روش، ابتدا فشار داخل سیستم کاهش یافته و سپس با نیتروژن پر می‌شود. این فرآیند معمولاً در صنایع دارویی و الکترونیک استفاده می‌شود.

ج) پرژینگ تعویضی (Displacement Purging)

این روش با استفاده از جریان کنترل‌شده نیتروژن، گازهای ناخواسته را به تدریج از سیستم خارج می‌کند.

۴. فرآیند اکسیژن‌زدایی (Deoxygenation)

اکسیژن‌زدایی فرآیندی است که در آن مقدار اکسیژن موجود در محیط یا داخل یک سیستم کاهش می‌یابد تا از واکنش‌های ناخواسته، اکسیداسیون و خطرات ایمنی جلوگیری شود. نیتروژن نقش کلیدی در این فرآیند ایفا می‌کند.

کاربردهای گاز نیتروژن در صنایع مختلف

۱. صنایع غذایی

نیتروژن در صنایع غذایی به ‌عنوان گاز بی‌اثر برای افزایش ماندگاری محصولات استفاده می‌شود. با جایگزینی اکسیژن، از فساد و اکسیداسیون مواد غذایی جلوگیری می‌کند. همچنین در بسته‌بندی، انجماد سریع (فریز کردن) و تولید نوشیدنی‌های گازدار کاربرد دارد. این گاز طعم و کیفیت غذاها را حفظ می‌کند.

۲. صنایع نفت و گاز

گاز نیتروژن در صنایع نفت و گاز کاربردهای زیادی دارد. از آن برای پاک‌سازی لوله‌ها و تجهیزات استفاده می‌شود تا اکسیژن و گازهای قابل اشتعال خارج شوند و خطر انفجار کاهش یابد. همچنین در فرآیندهای فشارسازی برای جابجایی سیالات در لوله‌ها به‌کار می‌رود، چون بدون اینکه واکنش شیمیایی بدهد، فشار لازم را تأمین می‌کند.

در برخی میدان‌های نفتی، نیتروژن را به درون مخزن تزریق می‌کنند تا فشار داخل آن بالا برود و نفت بیشتری استخراج شود. از نیتروژن هم‌چنین برای خنثی‌سازی فضاهای بسته استفاده می‌شود؛ یعنی آن را جایگزین اکسیژن می‌کنند تا محیطی امن و غیرقابل اشتعال ایجاد شود. در تست فشار تجهیزات و نیز برای خنک‌سازی سریع بعضی از قسمت‌ها هم از نیتروژن، به‌ویژه نیتروژن مایع، بهره می‌گیرند

۳. صنایع شیمیایی و دارویی

در صنعت شیمیایی، نیتروژن برای پوشش‌دهی یا تزریق به مخازن، راکتورها و خطوط تولید استفاده می‌شود تا اکسیژن و رطوبت از محیط حذف شود و واکنش‌های ناخواسته یا خطرناک مثل انفجار یا آتش‌سوزی رخ ندهد. همچنین هنگام انتقال مواد شیمیایی حساس یا قابل‌اشتعال، نیتروژن محیط را پایدار نگه می‌دارد.

در صنایع دارویی، از نیتروژن برای محافظت از ترکیبات دارویی در برابر اکسید شدن یا آلودگی استفاده می‌شود. مثلاً هنگام بسته‌بندی قرص‌ها یا پودرهای دارویی، نیتروژن به داخل بسته تزریق می‌شود تا ماندگاری دارو بالا برود. در فرآیندهای تولید استریل، نیز نیتروژن نقش مهمی دارد، چون محیط تمیز و خشک ایجاد می‌کند.

۴. صنعت الکترونیک

نیتروژن در صنعت الکترونیک به‌عنوان گاز محافظ در فرآیندهای تولید و مونتاژ قطعات استفاده می‌شود. این گاز از اکسید شدن و آلودگی قطعات حساس جلوگیری کرده و در ساخت تراشه‌ها، LEDها و نمایشگرها کاربرد دارد. همچنین در خنک‌سازی سیستم‌ها و ایجاد محیط خنثی برای جوشکاری و لحیم‌کاری استفاده می‌شود.

۵. صنایع جوشکاری و فلزات

بهبود کیفیت جوشکاری و کاهش میزان اکسیداسیون.

اثرات زیست‌محیطی و ملاحظات ایمنی

۱. اثرات زیست‌محیطی

افزایش نیتروژن در محیط زیست، ناشی از فعالیت‌های انسانی مانند استفاده از کودهای شیمیایی، سوخت‌های فسیلی و فاضلاب‌ها، اثرات منفی گسترده‌ای دارد. این افزایش منجر به آلودگی آب‌ها، اسیدی شدن خاک و انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند نیتروس اکسید می‌شود. همچنین، ورود نیتروژن به آب‌ها باعث رشد بیش از حد جلبک‌ها و کاهش اکسیژن در آب‌ها (یوتریفیکاسیون) می‌گردد که حیات آبزیان را تهدید می‌کند. این تغییرات تنوع زیستی را کاهش داده و تعادل اکوسیستم‌ها را بر هم می‌زند.

۲. ملاحظات ایمنی

نیتروژن گاز و مایع خطراتی مانند خفگی (به دلیل کاهش اکسیژن)، سوختگی شدید (در تماس با نیتروژن مایع) و انفجار (به دلیل افزایش فشار در ظروف بسته) دارد. برای ایمنی، از تجهیزات حفاظتی مانند دستکش، عینک و لباس مخصوص استفاده کنید. در محیط‌های بسته، تهویه مناسب ضروری است. از تماس مستقیم با نیتروژن مایع خودداری کرده و ظروف نگهداری آن را به درستی بررسی و نگهداری کنید.

نیتروژن مایع و کاربردهای آن

"نیتروژن مایع"، یکی از حالتهای پرکاربرد نیتروژن است که در دمای بسیار پایین (حدود 196- درجه سانتیگراد) به حالت مایع تبدیل میشود. این ماده، به دلیل دمای بسیار پایین خود در بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی استفاده میشود

کاربردهای نیتروژن مایع

نیتروژن مایع (LN2) کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. در پزشکی، برای انجماد و نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی مانند خون، اسپرم و جنین استفاده می‌شود. در صنایع غذایی، برای انجماد سریع و حفظ کیفیت مواد غذایی به کار می‌رود. در صنعت، برای خنک‌سازی تجهیزات، شکنندگی سرد مواد و کنترل دما در فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شود. همچنین، در تحقیقات علمی و فناوری‌های پیشرفته مانند ابررسانایی و کرایوژنیک نقش کلیدی دارد.

مزیت نیتروژن مایع نسبت به گاز

نیتروژن مایع (LN2) نسبت به نیتروژن گاز مزایای قابل توجهی دارد. اولاً، حجم کمتری اشغال می‌کند و ذخیره و انتقال آن آسان‌تر است. ثانیاً، دمای بسیار پایین آن (۱۹۶- درجه سانتیگراد) امکان استفاده در کاربردهای سرمایشی شدید مانند انجماد سریع مواد غذایی، نگهداری نمونه‌های بیولوژیکی و خنک‌سازی تجهیزات پزشکی و صنعتی را فراهم می‌کند. همچنین، در فرآیندهای شیمیایی و تحقیقاتی، کنترل دقیق‌تری روی دما امکان‌پذیر می‌سازد.

انتهای رپرتاژ آگهی/