101 極低温空気分離のプロセスガイド

中規模から大規模の操作では、ガスおよび/または液体出力として窒素、酸素、およびアルゴンを生成するために、極低温空気分離技術が頻繁に利用されます。

超高純度の酸素と窒素を製造するには、低温空気分離が推奨される方法です。 生産率の高い施設では、最も経済的な手法です。 極低温技術は、液化工業用ガス商品を生産するすべての操作で使用されます。

生成されるガス状および液体状の出力の量、必要な製品の純度、必要な供給圧力はすべて、システムの複雑さに影響します。 極低温空気分離 手順、ギアの物理的なサイズ、およびそれを実行するために必要なエネルギー。

この記事には、極低温空気分離のプロセス ガイドが含まれます。 レッツ・ゲット！

極低温空気分離および蒸留とは何ですか?

空気から窒素と酸素を分離する技術は、極低温蒸留として知られています。 状況によっては、アルゴンも分離されます。 「極低温」という用語は低温を指し、「蒸留」は元素の沸点を使用して組み合わせから元素を切り離すことを指します。 その結果、極低温蒸留では、沸点が非常に低い成分が低温で優先的に抽出されます。 このプロセスは 高純度物質、しかし、エネルギー集約型でもあります。

コールドボックスは、極低温で作動する蒸留柱と熱交換器を収容する巨大な断熱容器です。 冷却ループでは、スロットリング効果とも呼ばれるジュール トムソン効果が使用されます。 ガスは、断熱されたゲートまたは断熱された透過性プラグを介してスロットル全体を通過し、ガスの温度は圧力が変化するにつれて変化します。

必要な材料

周囲空気は、含有量で最大 5% の水分と、空気の分離および排出の XNUMX つまたは複数の場所で除去する必要があるその他のさまざまなガス (通常は微量レベル) で構成されます。 精製のセットアップ.

極低温空気分離の手順とプロセス

空気の極低温蒸留：段階

1. 流入空気の前処理、圧縮、および冷却。
2. 二酸化炭素の排除。
3. 空気供給温度を極低温レベルまで下げるための熱伝導。
4. 空気蒸留。
5. 冷凍

1. 流入空気の前処理、圧縮、および冷却

に基づく 予定商品のブレンド 許容可能な製品力の場合、ほとんどの場合、空気は 5 ～ 8 bar (約 75 ～ 115 psig) に圧縮されます。 圧縮の最終段階の後、圧縮された空気は冷却され、空気が相間クーラーとアフタークーラーを通過する際に、気流中の蒸気の多くが凝縮されて除去されます。

得られる冷却チャネルの温度 (ほとんどの場合、周囲空気の湿球温度または乾球温度によって制限されます) によって、圧縮構造から出て行く空気の最後の温度が決まるため、圧縮空気の温度は理想よりもはるかに高いことがよくあります。最大の効果のための温度 下流ユニットの性能. その結果、空気を大幅に冷却するために機械式冷凍システムが頻繁に使用されます。

2. 二酸化炭素などの不純物の除去

製品の品質基準を達成するには、入ってくる気流の特定の要素を排除する必要があります。 水蒸気と二酸化炭素は、プラントの極低温蒸留セクションに入る前に空気から除去する必要があります。これは、これらが非常に低い温度で凝固し、処理装置の外部に蓄積するためです。

モレキュラーシーブ ユニットと逆交換器は、蒸気と二酸化炭素を除去するために最もよく使用される XNUMX つの方法です。

• モレキュラーシーブ前精製ユニットは、ほとんどすべての新しい空気切断施設で使用され、周囲温度に近い温度でこれらの粒子をモレキュラーシーブ物質の外部に吸着させることにより、気流から二酸化炭素と水を抽出します。 産業環境で遭遇する可能性のある炭化水素などの他の汚染物質は、 吸着物質 これらのシステムで。 吸着物質は、通常、XNUMX つの同一の容器に保管されます。XNUMX つは流入する空気を浄化するために使用され、もう XNUMX つはきれいな廃ガスで再生されます。 定期的にXNUMX枚のシートが入れ替わります。 高い窒素抽出率が求められる場合、モレキュラーシーブによる前精製が当然の選択です。
• もう 2 つのオプションは、「リバース」熱交換器を使用して水と COXNUMX を除去することです。 逆交換器はしばしば「古い」技術と見なされますが、製造速度が遅い窒素または酸素プラントでは、より費用対効果が高い可能性があります。 可逆熱交換器を使用するプラントでは、XNUMX 組のろう付けアルミニウム熱交換器で圧縮空気の供給を冷却します。

到着した空気は、「ウォーム エンド」熱伝達で冷却され、水蒸気と二酸化炭素が熱交換器の表面で凝固するのに十分なほど低い温度になります。 バルブのシステムは、一定の間隔で空気と廃ガスの通路を交互に切り替えます。 移行に続いて、非常に乾燥した、温度差のある排ガスが水を蒸発させ、空冷の間に形成された二酸化炭素の霜を昇華させます。 これらのガスは大気中に放出され、反転熱交換器は、それらが完全に除去された後、輸送義務の別の反転に備えます。

低温吸収システムは、逆熱交換器を使用して蒸留ユニットに侵入する炭化水素を除去する場合に使用されます。 （プレ精製ユニットでは、モレキュラーシーブ「フロントエンド」が利用されると、炭化水素汚染物質が水蒸気と二酸化炭素とともに除去されます。）

3. 空気供給温度を極低温レベルまで下げるための熱伝導

熱は、入ってくる空気供給と冷たい出力、およびロウ付けされたアルミニウム熱交換器で極低温蒸留手順を出る廃ガスの流れとの間で交換されます。 排出ガスチャネルは、周囲空気の温度に近い温度まで再加熱されます。 施設で生成する必要がある冷却の量は、気体製品チャネルおよび廃棄物の流れから冷却を回収することによって削減されます。

XNUMXつまたは複数の強化された圧力段階の流れの成長を組み込んだ冷凍技術は、極低温蒸留に必要な非常に低い温度を生み出します。

4. 空気蒸留

蒸留システムで副産物として酸素を生成するために、XNUMX つの蒸留柱が連続して使用されます。 「高」と「低」のテンション ピラー (または、「下」と「上」のピラー) は、最も一般的に使用される用語です。 窒素施設には、純度に応じて XNUMX つまたは XNUMX つのカラムがあります。 各蒸留柱は、上部から窒素を排出し、下部から酸素を排出します。 最初の (高圧の) ピラーで生成された汚染された酸素が目的の製品である場合、それは XNUMX 番目の低圧のピラーでさらに精製されます。 超高純度の窒素が必要な場合は、上部または低圧のピラーを利用して、蒸留の最初の段階で除去されなかった酸素をほぼすべて除去します。

アルゴンは酸素の沸点に匹敵する沸点を持っているため、酸素と窒素だけが副産物として必要な場合は、酸素出力にとどまることが望ましい. 従来の 97 本柱システムでは、これにより酸素純度が約 95% に制限されます。 低純度の酸素が許可されている場合 (たとえば、燃焼促進のため)、酸素の純度は XNUMX% まで低下する可能性があります。 ただし、高純度の酸素が必要な場合は、蒸留ユニットからアルゴンを除去する必要があります。

アルゴンが必要な場合は、アルゴン濃度が最大になる低圧流の位置で除去します。 抽出されたアルゴンは、低圧ピラーに組み込まれた「サイドドロー」粗製アルゴン蒸留塔で処理されます。 汚染されたアルゴンの流れは、排気され、現場で処理されて酸素と窒素の両方を除去して「純粋な」アルゴンを生成するか、液体として保存して遠くの「アルゴン蒸留所」に配送することができます。 このオプションは、利用可能なアルゴンの量と、さまざまなオプションの費用便益分析によって主に決定されます。 基本的なガイドラインとして、少なくとも 100 トンの酸素が毎日生成される場合、アルゴン精製は最も費用対効果が高くなります。

粗製アルゴンから純粋なアルゴンを製造するために、多段階技術が使用されます。 従来の方法では、「脱オキソ」コンポーネントを使用して、粗製アルゴンに存在する 2 ～ 3 % の酸素を除去します。 これは、触媒を含む容器内で酸素と水素を化学的に結合させ、その後の水を (冷却後) モレキュラーシーブ ドライヤー内で除去する小規模な多段階手順です。 次に、無酸素アルゴン流を蒸留して、「純粋なアルゴン」蒸留ユニットで残留窒素と不溶性水素を除去します。

充填塔蒸留技術の進歩の結果として、XNUMX 番目のアルゴン製造オプションが登場しました。これは、困難なアルゴン/酸素分離を達成するために、非常に背の高い (ただし直径が小さい) 蒸留塔を使用する完全極低温アルゴン回収です。 酸素とアルゴンの間の沸点の変動は比較的小さいため、アルゴンの蒸留には複数の段階が必要です。

蒸留システムで処理される酸素の量、および回収率に影響を与えるその他のさまざまな変数によって、施設が出力できるアルゴンの量が制限されます。 これらの要因には、生成される液体酸素の量と、施設の運用パラメーターの一貫性が含まれます。 アルゴンの生成は、空気中に自然に存在するガスの割合により、酸素供給速度 (体積) の 4.4% または重量で 5.5% を超えることはできません。

フロント エンドの熱交換器は、空気分離塔から発生する冷却ガス製品と廃棄物の流れをリダイレクトするために使用されます。 それらは、周囲温度に近い温度まで加熱されると、入ってくる空気を冷却します。 前述のように、入力ストリームと製品ストリームの間の熱伝達により、施設の正味の冷凍負荷が減少し、その結果、 エネルギー利用.

5。 冷凍

冷たい装置への熱の漏出と、出入りするガス流の間の熱交換が不十分であることを考慮して、極低温で冷凍が行われます。

極低温空気分離施設で使用される冷凍サイクルは、理論上、家庭用および自動車用の空調システムに適用されるものと同じです。 プラントの種類に応じて、XNUMX つまたは複数の高圧ストリーム (窒素、廃ガス、供給ガス、または出力ガス) の圧力を下げて、ストリームを冷却します。 圧力降下 (または膨張) はエキスパンダー内で発生し、冷却と産業エネルギー効率を高めます。 

ガス流の温度は、成長中にガス流からエネルギーが取り除かれると、バルブを介して単純に膨張する場合よりも低下します。 エキスパンダーのエネルギーは、プロシージャ コンデンサー、発電機、またはオイル ポンプや送風機などのエネルギーを消費する別のデバイスに電力を供給するために使用できます。

極低温酸素工場/空気分離システムからの気体出力は、通常、大気圧に近い温度で、減圧された状態で、コールド ボックス (蒸留セクションおよび非常に低温で機能する他の機械を含む断熱容器) を出ます。 多くの場合、XNUMX つのアンビエンス (絶対) のすぐ上にあります。 の 分離精製手順 一般に、吐出圧力が低いほど効率的です。

圧力が低いほど分離電力の需要は低くなりますが、出力をより高い圧力で供給しなければならない場合は、製品コンプレッサー、または窒素または酸素をより高い分配圧力でコールドボックスから直接供給するためのいくつかの代替サイクルの XNUMX つが必要になります。 これらのより高い供給圧力技術は、製品コンプレッサーやその電気を必要としないため、圧縮を伴う分離よりも費用対効果が高くなります。

効果的で安全なヒント

極低温システムまたはプロセスの構築と設計を開始する前に、正式なハザード分析を実施してください。 リスクとその対処方法を決定します。 「もしも​​」のシナリオを提示します。 機械が故障する可能性があること、極低温流体が急速に気体に変化する可能性があること、バルブが漏れたり不適切に取り扱われたりする可能性があること、真空が誤動作する可能性があることを覚えておいてください。 極低温システムのサイズや複雑さに関係なく、この評価を実施する必要があります。

最初から、機器と手順に安全性を含めてください。 設計段階の最後に安全要素を組み込むことは、コストと時間がかかる可能性があり、危険が見落とされる可能性があります。 ハザードを改善するよりも、工学的設計によってハザードを排除することが常に望ましいことは注目に値します。

専門家でさえ、何かを見落としたり、間違いを犯したりすることがあります。 安全なシステムの可能性を高めるために、他の同僚、外部の専門家、または正式な審査機関であるかどうかにかかわらず、他の人が低温システムの安全性を評価することが重要です。

極低温液体または不活性ガスを扱う場合は、量がどれほど少なくても、常に酸素欠乏の危険性を評価してください。 評価を通じてそのようなハザードが存在しないことを確認するか、関連する設計の改善または緩和を実施してハザードを排除または軽減します。 少量の極低温液体でも生成される大量のガスと、十分に低い酸素レベルでは、最初の生理学的症状が昏睡と死を伴う急速な意識喪失になる可能性があるため、ODH の問題は特に深刻です。

極低温では、それらの温度で機能することが示されている物質のみを使用してください。 周囲温度で機能するはずの物質 (真空容器の外壁など) は、ハザード評価中に特定の故障メカニズムで極低温に達する可能性があることに注意してください。

極低温機器の周囲で操作するすべての人が、たとえ常習的または不定期のユーザーであっても、必要な程度の極低温および酸素欠乏の危険に関する安全トレーニングを受けていることを確認してください。

常に適切な個人用保護具を着用し、確立された操作手順を順守してください。 近道をすると、しばしば事故につながります。

ボトムライン

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