101 극저온 공기 분리 공정 가이드

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중대형 작업에서 극저온 공기 분리 기술은 가스 및/또는 액체 출력으로 질소, 산소 및 아르곤을 생성하는 데 자주 사용됩니다.

초순도의 산소와 질소를 제조하기 위해서는 극저온 공기 분리가 권장되는 방법입니다. 제조율이 높은 설비의 경우 가장 경제적인 기술입니다. 극저온 기술은 액화 산업용 가스 상품을 생산하는 모든 작업에 사용됩니다.

생성될 기체 및 액체 출력의 양, 필요한 제품 순도 및 필요한 전달 압력은 모두 제품의 복잡성에 영향을 미칩니다. 극저온 공기 분리 절차, 장비의 물리적 크기 및 장비를 작동하는 데 필요한 에너지.

이 문서에는 극저온 공기 분리에 대한 프로세스 가이드가 포함되어 있습니다. 가자!

극저온 공기 분리 및 증류란 무엇입니까?

공기에서 질소와 산소를 분리하는 기술을 극저온 증류라고 합니다. 아르곤은 또한 일부 상황에서 분리됩니다. "극저온"이라는 용어는 저온을 의미하는 반면, "증류"는 원소의 끓는점을 사용하여 조합에서 원소를 분리하는 것을 의미합니다. 그 결과 극저온 증류에서 매우 낮은 끓는점을 가진 성분이 낮은 온도에서 우선적으로 추출됩니다. 이 과정은 고순도 물질, 그러나 또한 매우 에너지 집약적입니다.

콜드 박스는 매우 낮은 온도에서 작동하는 증류 기둥과 열교환기를 수용하는 거대한 단열 용기입니다. 조절 효과라고도 하는 줄 톰슨 효과는 냉동 루프에 사용됩니다. 가스는 스로틀 전체에 걸쳐 절연 게이트 또는 절연 투과성 플러그를 통과하고 가스의 온도는 압력이 변경됨에 따라 변경됩니다.

필요한 자료

주변 공기는 공기 분리 및 출력에서 하나 이상의 위치에서 제거되어야 하는 함량 및 기타 다양한 가스(일반적으로 미량 수준)로 최대 5%의 수분을 구성할 수 있습니다. 정화 설정.

극저온 공기 분리의 단계 및 과정

공기의 극저온 증류: 단계

들어오는 공기 전처리, 압축 및 냉각.
이산화탄소 제거.
공기 공급 온도를 극저온 수준으로 낮추기 위한 열 전도.
공기 증류.
냉각

1. 유입 공기 전처리, 압축 및 냉각

에 기초 계획된 제품 혼합 허용 가능한 제품 힘, 공기는 대부분의 상황에서 5~8bar(약 75~115psig)로 제한됩니다. 압축의 마지막 단계 후에 압축된 공기가 차가워지고 공기가 연속적인 간기 냉각기와 애프터쿨러를 통과할 때 기류의 많은 증기가 응축되어 제거됩니다.

얻을 수 있는 냉각 채널의 온도(거의 항상 주변 공기의 습구 또는 건구 온도에 의해 제한됨)가 압축 구조를 떠나는 공기의 마지막 온도를 결정하기 때문에 압축 공기의 온도는 종종 이상적인 온도보다 훨씬 높습니다. 최대 효과를 위한 온도 다운스트림 유닛 퍼포먼스. 그 결과, 공기를 상당히 냉각시키기 위해 기계식 냉동 시스템이 자주 사용됩니다.

2. 이산화탄소 및 기타 불순물 제거

제품 품질 기준을 달성하려면 유입되는 공기 흐름의 특정 요소를 제거해야 합니다. 수증기와 이산화탄소는 매우 낮은 온도에서 절차 장비 외부에 고형화 및 축적되기 때문에 플랜트의 극저온 증류 섹션에 들어가기 전에 공기에서 제거해야 합니다.

분 자체 장치와 역 교환기는 증기와 이산화탄소를 제거하는 데 가장 많이 사용되는 두 가지 방법입니다.

분자체 사전 정화 장치는 거의 모든 새로운 공기 차단 시설에 사용되어 대기 흐름에서 이산화탄소와 물을 주변 온도에 가까운 온도에서 분자체 물질의 외부에 흡착하여 공기 흐름에서 이산화탄소와 물을 추출합니다. 산업 환경에서 접할 수 있는 탄화수소와 같은 기타 오염 물질은 구성을 조정하여 쉽게 제거할 수 있습니다. 흡착제 이러한 시스템에서. 흡착제 물질은 일반적으로 두 개의 동일한 용기에 보관되며, 그 중 하나는 유입되는 공기를 정화하는 데 사용되고 다른 하나는 깨끗한 폐가스로 재생됩니다. 정기적으로 두 장이 서비스를 전환합니다. 높은 질소 추출 비율을 원하는 경우 분자체 사전 정제가 확실한 선택입니다.
다른 옵션은 "역전" 열교환기를 사용하여 물과 CO2를 제거하는 것입니다. 역 교환기는 종종 "고대" 기술로 간주되지만 제조 속도가 낮은 질소 또는 산소 플랜트의 경우 더 비용 효율적일 수 있습니다. 압축 공기 공급은 역방향 열교환기를 사용하는 공장에서 두 쌍의 납땜 알루미늄 열교환기에서 냉각됩니다.

도착한 공기는 "따뜻한 끝" 열 전달에서 수증기와 이산화탄소가 열교환기 표면에서 응고되기에 충분히 낮은 온도로 냉각됩니다. 밸브 시스템은 일정한 간격으로 공기 및 폐가스 통로의 역할을 교대로 합니다. 전환 후 매우 건조하고 차등 가열된 폐가스는 물을 증발시키고 공기 냉각 간격 동안 형성된 이산화탄소 서리를 승화시킵니다. 이 가스는 다시 대기로 방출되고 역열 교환기는 완전히 제거된 후 통과 의무의 또 다른 역전을 위해 준비됩니다.

냉각 흡수 시스템은 역열 교환기를 사용하여 증류 장치로 들어가는 탄화수소를 제거할 때 사용됩니다. (Pre-Purification Units에서는 분자체 "프런트 엔드"가 활용될 때 수증기 및 이산화탄소와 함께 탄화수소 오염물질이 제거됩니다.)

3. 공기 공급 온도를 극저온 수준으로 낮추기 위한 열 전도

열은 유입되는 공기 공급과 냉각 출력 및 폐가스 흐름 사이에서 교환되며 납땜 알루미늄 열 교환기에서 극저온 증류 절차를 떠납니다. 나가는 가스 채널은 주변 공기에 가까운 온도로 재가열됩니다. 시설에서 생성해야 하는 냉각의 양은 기체 제품 채널 및 폐기물 흐름에서 냉각을 회수하여 감소됩니다.

하나 이상의 강화된 압력 단계 스트림의 성장을 통합하는 냉각 기술은 극저온 증류에 필요한 극도로 낮은 온도를 생성합니다.

4. 공기 증류

두 개의 증류 기둥이 연속적으로 사용되어 증류 시스템에서 부산물로 산소를 생성합니다. "높은" 및 "낮은" 장력 기둥(또는 "하부" 및 "상부" 기둥)이 가장 일반적으로 사용되는 용어입니다. 질소 시설은 순도에 따라 하나 또는 두 개의 컬럼을 가질 수 있습니다. 각 증류 기둥은 질소를 상단으로, 산소를 하단으로 배출합니다. 첫 번째(고압) 필러에서 생성된 오염된 산소가 원하는 제품일 때 두 번째, 낮은 압력 필러에서 더욱 정제됩니다. 초순도 질소가 필요한 경우 상부 또는 저압 기둥을 사용하여 증류의 첫 번째 단계에서 제거되지 않은 산소를 거의 모두 제거합니다.

아르곤은 산소와 비슷한 끓는점을 가지므로 부산물로 산소와 질소만 필요한 경우 산소 출력과 함께 유지하는 것이 바람직합니다. 기존의 97개 기둥 시스템에서 이는 산소 순도를 약 95%로 제한합니다. 낮은 순도의 산소가 허용되는 경우(예: 연소 향상을 위해), 산소의 순도는 XNUMX%까지 감소될 수 있습니다. 그러나 고순도 산소가 필요한 경우 증류 장치에서 아르곤을 제거해야 합니다.

아르곤이 필요한 경우 저압 흐름에서 아르곤 농도가 최대인 위치에서 제거됩니다. 추출된 아르곤은 저압 기둥과 통합된 "사이드 드로우(side-draw)" 조 아르곤 증류탑에서 처리됩니다. 오염된 아르곤 스트림은 배기되거나 현장에서 처리되어 산소와 질소를 모두 제거하여 "순수한" 아르곤을 생성하거나 액체로 저장하여 멀리 떨어진 "아르곤 증류소"로 전달할 수 있습니다. 옵션은 주로 접근 가능한 아르곤의 양과 다양한 옵션의 비용 편익 분석에 의해 결정됩니다. 기본 지침으로 아르곤 정화는 매일 최소 100톤의 산소가 생성될 때 가장 비용 효율적입니다.

다단계 기술은 조 아르곤에서 순수한 아르곤을 제조하는 데 사용됩니다. 기존의 방법은 아르곤에 존재하는 2~3%의 산소를 제거하기 위해 "탈옥소" 성분을 사용하는 것입니다. 이것은 촉매 함유 용기에서 산소와 수소를 화학적으로 결합한 다음 분자체 건조기에서 후속 물(냉각 후)을 제거하는 소규모 다단계 절차입니다. 무산소 아르곤 스트림은 다음으로 "순수한 아르곤" 증류 장치에서 남은 질소와 불용성 수소를 제거하기 위해 증류됩니다.

두 번째 아르곤 제조 옵션은 충전식 컬럼 증류 기술의 발전으로 인해 나타났습니다. 완전 극저온 아르곤 회수는 매우 높은(그러나 직경은 작은) 증류 컬럼을 사용하여 어려운 아르곤/산소 분리를 달성합니다. 산소와 아르곤 사이의 비등점의 비교적 작은 변화는 아르곤에 대해 여러 단계의 증류를 필요로 합니다.

증류 시스템에서 처리되는 산소의 양과 회수율에 영향을 미치는 다양한 기타 변수는 시설에서 출력할 수 있는 아르곤의 양을 제한합니다. 이러한 요인에는 생산된 액체 산소의 양과 시설 운영 매개변수의 일관성이 포함됩니다. 아르곤 생성은 공기 중에 자연적으로 존재하는 가스 비율로 인해 산소 공급 속도(부피 기준)의 4.4% 또는 중량 기준 5.5%를 초과할 수 없습니다.

프런트 엔드 열 교환기는 공기 분리 타워에서 발생하는 차가운 기체 제품 및 폐기물 흐름을 재지정하는 데 사용됩니다. 그들은 거의 주변 온도로 가열되면서 들어오는 공기를 냉각시킵니다. 앞서 언급한 바와 같이 투입물과 제품 흐름 사이의 열 전달은 시설의 순 냉동 부하를 줄여 결과적으로 에너지 활용.

5. 냉각

냉각 장치로의 열 누출 및 기체 스트림의 유입 및 유출 사이의 열 교환을 설명하기 위해 냉동은 극저온에서 생성됩니다.

극저온 공기 분리 시설에서 사용되는 냉동 사이클은 이론상 가정 및 자동차 공조 시스템에 적용되는 것과 동일합니다. 플랜트의 종류에 따라 하나 이상의 고압 스트림(질소, 폐가스, 공급 가스 또는 출력 가스)이 압력을 낮추어 스트림을 냉각시킵니다. 냉각 및 산업 에너지 효율성을 향상시키기 위해 팽창기 내부에서 압력 강하(또는 팽창)가 발생합니다.

가스 흐름의 온도는 밸브를 통해 단순히 팽창될 때보다 성장 중에 에너지가 제거될 때 더 많이 감소합니다. 팽창기의 에너지는 절차 콘덴서, 발전기 또는 오일 펌프나 송풍기와 같이 에너지를 많이 사용하는 다른 장치에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

극저온 산소 공장/공기 분리 시스템의 가스 출력은 일반적으로 대기에 가까운 온도에서 감압 상태인 콜드 박스(증류 섹션 및 매우 낮은 온도에서 작동하는 기타 기계를 포함하는 단열 용기)를 떠납니다. 종종 한 분위기(절대) 바로 위에 있습니다. 그만큼 분리 및 정제 절차 일반적으로 전달 압력이 감소할 때 더 효율적입니다.

더 낮은 압력은 더 낮은 분리 전력 요구를 촉진하지만 출력이 더 높은 압력에서 공급되어야 하는 경우 제품 압축기 또는 더 높은 분배 압력에서 냉각 상자에서 직접 질소 또는 산소를 공급하기 위한 여러 사이클 대안 중 하나가 필요할 것입니다. 이러한 더 높은 전달 압력 기술은 제품 압축기나 전기가 필요하지 않기 때문에 압축을 동반한 분리보다 비용 효율적일 수 있습니다.

효과적이고 안전한 팁

극저온 시스템 또는 공정에 대한 건설 및 설계를 시작하기 전에 공식적인 위험 분석을 수행하십시오. 위험과 이를 해결하는 방법을 결정합니다. "만약에" 시나리오를 제시합니다. 기계가 고장날 수 있고, 극저온 유체가 가스로 빠르게 변할 수 있고, 밸브가 누출되거나 잘못 취급될 수 있으며, 진공이 오작동할 수 있음을 기억하십시오. 극저온 시스템의 크기나 복잡성에 관계없이 이 평가를 수행해야 합니다.

처음부터 장비와 절차에 안전을 포함하십시오. 설계 단계의 마지막에 안전 요소를 통합하는 것은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요될 수 있으며 위험 요소를 간과할 가능성이 있습니다. 위험을 개선하는 것보다 엔지니어링 설계를 통해 위험을 제거하는 것이 항상 바람직하다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

전문가라도 무언가를 놓치거나 실수할 수 있습니다. 안전한 시스템의 가능성을 높이려면 다른 동료, 외부 전문가 또는 공식 검토 기관 등 다른 사람들이 극저온 시스템의 안전성을 평가하는 것이 중요합니다.

극저온 액체 또는 불활성 가스를 다룰 때는 양이 적더라도 항상 산소 결핍 위험 가능성을 평가하십시오. 평가를 통해 그러한 위험 요소가 존재하지 않음을 확인하거나 위험 요소를 제거하거나 줄이기 위해 관련 설계 개선 또는 완화를 구현합니다. 적은 양의 극저온 액체에서도 대량의 가스가 생성되고 산소 수준이 충분히 낮을 때 첫 번째 생리학적 증상이 혼수 상태와 사망을 동반한 빠른 의식 상실이 될 수 있는 가능성 때문에 ODH 장애는 특히 심각합니다.

극저온에서는 해당 온도에서 작동하는 것으로 확인된 물질만 사용하십시오. 주변 온도에서 기능해야 하는 물질(예: 진공 용기의 외벽)은 위험 평가 중에 특정 고장 메커니즘에서 극저온 온도에 도달할 수 있습니다.

극저온 장비를 사용하거나 주변에서 작동하는 모든 사람(일반 사용자 또는 비정기 사용자 포함)이 필요한 수준의 극저온 및 산소 결핍 위험 안전 교육을 받았는지 확인합니다.

항상 적절한 개인 보호 장비를 착용하고 확립된 작동 절차를 준수하십시오. 지름길을 택하면 종종 사고가 발생합니다.