Separacja powietrza - Air separation

Rozdzielania powietrza roślina wydziela się z powietrzem atmosferycznym w swoich podstawowych składników, zwykle azotu i tlenu , a czasami także argon i inne rzadkie gazów obojętnych .

Najpopularniejszą metodą separacji powietrza jest destylacja frakcyjna . Jednostki kriogenicznej separacji powietrza (ASU) są zbudowane w celu dostarczania azotu lub tlenu i często współtworzą argon. Inne metody, takie jak membrana, adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) i adsorpcja zmiennociśnieniowa próżni (VPSA), są komercyjnie wykorzystywane do oddzielania pojedynczego składnika od zwykłego powietrza. Tlen , azot i argon o wysokiej czystości , używane do produkcji urządzeń półprzewodnikowych , wymagają destylacji kriogenicznej. Podobnie, jedynym realnym źródłem neonów , kryptonu i ksenonu rzadkich gazów jest destylacja powietrza przy użyciu co najmniej dwóch kolumn destylacyjnych .

Proces destylacji kriogenicznej

Skład suchego powietrza atmosferycznego

Czyste gazy można oddzielić od powietrza, najpierw schładzając je do upłynnienia, a następnie selektywnie destylując składniki w różnych temperaturach wrzenia. Proces może wytwarzać gazy o wysokiej czystości, ale jest energochłonny. Proces ten został zapoczątkowany przez Carla von Linde na początku XX wieku i nadal jest używany do produkcji gazów o wysokiej czystości. Opracował go w 1895 roku; proces pozostawał czysto akademicki przez siedem lat, zanim został po raz pierwszy zastosowany w zastosowaniach przemysłowych (1902).

Kolumna destylacyjna w kriogenicznej instalacji rozdzielania powietrza

Proces separacji kriogenicznej wymaga bardzo ścisłej integracji wymienników ciepła i kolumn rozdzielających, aby uzyskać dobrą wydajność, a cała energia do chłodzenia jest dostarczana przez sprężanie powietrza na wlocie do urządzenia.

Aby osiągnąć niskie temperatury destylacji, jednostka separacji powietrza wymaga cyklu chłodniczego, który działa z wykorzystaniem efektu Joule-Thomsona , a zimny sprzęt musi być przechowywany w izolowanej obudowie (powszechnie nazywanej „zimną skrzynką”). Chłodzenie gazów wymaga dużej ilości energii, aby ten cykl chłodniczy działał, i jest dostarczana przez sprężarkę powietrza . Nowoczesne ASU wykorzystują turbiny rozprężne do chłodzenia; wyjście ekspandera pomaga napędzać sprężarkę powietrza w celu poprawy wydajności. Proces składa się z następujących głównych kroków:

  1. Przed sprężeniem powietrze jest wstępnie filtrowane z pyłu.
  2. Powietrze jest sprężane, gdy końcowe ciśnienie tłoczenia jest określane przez odzysk i stan płynny (gaz lub ciecz) produktów. Typowe ciśnienia mieszczą się w zakresie od 5 do 10 barów nadciśnienia. Strumień powietrza może być również sprężany do różnych ciśnień w celu zwiększenia wydajności ASU. Podczas sprężania woda skrapla się w chłodnicach międzystopniowych.
  3. Powietrze procesowe jest zwykle przepuszczane przez złoże sita molekularnego , które usuwa pozostałą parę wodną, ​​a także dwutlenek węgla , który zamarzałby i zatykał sprzęt kriogeniczny. Sita molekularne są często zaprojektowane do usuwania wszelkich gazowych węglowodorów z powietrza, ponieważ mogą one stanowić problem podczas późniejszej destylacji powietrznej, co może prowadzić do eksplozji. Złoże sit molekularnych należy zregenerować. Odbywa się to poprzez zainstalowanie wielu jednostek pracujących w trybie naprzemiennym i wykorzystanie suchego współprodukowanego gazu odlotowego do desorbowania wody.
  4. Powietrze procesowe przepuszczane jest przez zintegrowany wymiennik ciepła (zwykle płytowy wymiennik ciepła ) i chłodzone względem strumieni kriogenicznych produktu (i odpadów). Część powietrza skrapla się, tworząc ciecz wzbogaconą w tlen. Pozostały gaz jest bogatszy w azot i jest destylowany do prawie czystego azotu (zwykle <1 ppm) w wysokociśnieniowej (HP) kolumnie destylacyjnej. Skraplacz tej kolumny wymaga chłodzenia, które uzyskuje się poprzez rozprężanie bardziej bogatego w tlen strumienia przez zawór lub przez ekspandera (sprężarkę rewersyjną).
  5. Alternatywnie, skraplacz może być chłodzony poprzez zamianę ciepła z reboilerem w niskociśnieniowej (LP) kolumnie destylacyjnej (pracującej pod ciśnieniem abs. 1,2-1,3 bara), gdy ASU wytwarza czysty tlen. Aby zminimalizować koszt sprężania, połączony skraplacz / reboiler kolumn wysokiego / niskiego ciśnienia musi pracować przy różnicy temperatur tylko 1-2 K, co wymaga aluminiowych wymienników ciepła lutowanych płytowo. Typowe czystości tlenu mieszczą się w zakresie od 97,5% do 99,5% i wpływają na maksymalny odzysk tlenu. Chłodzenie wymagane do wytwarzania produktów płynnych uzyskuje się za pomocą efektu Joule-Thomsona w ekspanderze, który doprowadza sprężone powietrze bezpośrednio do kolumny niskiego ciśnienia. W związku z tym pewna część powietrza nie ma być oddzielana i musi opuścić kolumnę niskiego ciśnienia jako strumień ścieków z jej górnej części.
  6. Ponieważ temperatura wrzenia argonu (87,3 K w standardowych warunkach) leży pomiędzy temperaturą tlenu (90,2 K) a azotem (77,4 K), argon gromadzi się w dolnej części kolumny niskiego ciśnienia. Podczas produkcji argonu pobór od strony pary pobierany jest z kolumny niskiego ciśnienia, w której stężenie argonu jest najwyższe. Jest przesyłany do innej kolumny rektyfikującej argon do pożądanej czystości, z której ciecz jest zawracana do tego samego miejsca w kolumnie LP. Zastosowanie nowoczesnych uszczelnień strukturalnych, które charakteryzują się bardzo małymi spadkami ciśnienia, umożliwia stosowanie argonu z zanieczyszczeniami mniejszymi niż 1 ppm. Chociaż argon jest obecny w mniej niż 1% dopływu, kolumna powietrzna z argonem wymaga znacznej ilości energii ze względu na wymagany wysoki współczynnik powrotu (około 30) w kolumnie argonowej. Chłodzenie kolumny argonu może być dostarczane z zimnej rozszerzonej bogatej cieczy lub ciekłego azotu.
  7. Wreszcie produkty wytwarzane w postaci gazu są podgrzewane w stosunku do napływającego powietrza do temperatury otoczenia. Wymaga to starannie wykonanej integracji ciepła, która musi zapewnić odporność na zakłócenia (ze względu na przełączanie złóż sit molekularnych). Może również wymagać dodatkowego zewnętrznego chłodzenia podczas rozruchu.

Oddzielone produkty są czasami dostarczane rurociągiem do dużych użytkowników przemysłowych w pobliżu zakładu produkcyjnego. Transport produktów na duże odległości polega na wysyłaniu płynnych produktów w dużych ilościach lub w postaci kolb Dewara lub butli gazowych w przypadku małych ilości.

Procesy nie kriogeniczne

Generator azotu
Butelka z sitami molekularnymi 4Å

Adsorpcja zmiennociśnieniowa zapewnia oddzielenie tlenu lub azotu z powietrza bez skraplania. Proces przebiega w temperaturze otoczenia; zeolit (gąbka cząsteczkowa) poddaje się działaniu powietrza o wysokim ciśnieniu, to powietrze zostaje uwolnione i folię adsorbowany pożądanego uwolnienia gazu. Rozmiar sprężarki jest znacznie zmniejszony w porównaniu z instalacją do skraplania, a przenośne koncentratory tlenu są wykonane w ten sposób, aby zapewnić powietrze wzbogacone w tlen do celów medycznych. Adsorpcja próżniowa wahadłowa jest podobnym procesem; produkt gazowy wydziela się z zeolitu pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego.

Generator azotu membranowego

Technologie membranowe mogą zapewnić alternatywne, mniej energochłonne podejścia do separacji powietrza. Na przykład, badanych jest wiele podejść do wytwarzania tlenu. Na przykład membrany polimerowe działające w temperaturach otoczenia lub wysokich temperaturach mogą wytwarzać powietrze wzbogacone tlenem (25-50% tlenu). Membrany ceramiczne mogą dostarczać tlen o wysokiej czystości (90% lub więcej), ale do działania wymagają wyższych temperatur (800-900 ° C). Te ceramiczne membrany obejmują membrany transportujące jony (ITM) i membrany transportujące tlen (OTM). Air Products and Chemicals Inc i Praxair opracowują płaskie systemy ITM i rurowe OTM,.

Separacja gazów membranowych służy do dostarczania ubogich w tlen i bogatych w azot gazów zamiast powietrza do napełniania zbiorników paliwa w wykładzinach odrzutowych, co znacznie zmniejsza ryzyko przypadkowych pożarów i eksplozji. Odwrotnie, separacja gazów membranowych jest obecnie stosowana do dostarczania powietrza wzbogaconego tlenem pilotom lecącym na dużych wysokościach w samolotach bez kabin ciśnieniowych.

Powietrze wzbogacone w tlen można uzyskać wykorzystując różną rozpuszczalność tlenu i azotu. Tlen jest lepiej rozpuszczalny w wodzie niż azot, więc jeśli powietrze zostanie odgazowane z wody, można uzyskać strumień 35% tlenu.

Aplikacje

Stal

W stalownictwie tlen jest niezbędny do podstawowego wytwarzania stali tlenem . Obecnie nowoczesne hutnictwo tlenowe zużywa prawie dwie tony tlenu na tonę stali.

Amoniak

Azot używany w procesie Habera do produkcji amoniaku .

Gaz węglowy

Do projektów zgazowania węgla potrzebne są duże ilości tlenu ; W niektórych projektach znajdują się instalacje kriogeniczne produkujące 3000 ton / dobę.

Gaz obojętny

Inertyzacja za pomocą zbiorników magazynowych azotu na statkach i zbiorników na produkty ropopochodne lub w celu ochrony jadalnych produktów naftowych przed utlenianiem.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne