101 руководство по процессу криогенного разделения воздуха

В средних и крупных производствах часто используются технологии криогенного разделения воздуха для получения азота, кислорода и аргона в виде газов и/или жидких продуктов.

Для производства сверхчистого кислорода и азота рекомендуется использовать криогенное разделение воздуха. Для высокопроизводительных производств это наиболее экономичный метод. Криогенная технология используется во всех производствах, выпускающих сжиженные промышленные газы.

Количество генерируемых газообразных и жидких продуктов, их необходимая чистота и давление подачи - все это влияет на сложность конструкции. криогенное разделение воздуха процедура, а также физические размеры оборудования и энергия, необходимая для его работы.

Эта статья содержит руководство по процессу криогенного разделения воздуха. Приступим!

Что такое криогенная сепарация и дистилляция воздуха?

Метод выделения азота и кислорода из воздуха известен как криогенная дистилляция. В некоторых случаях также выделяют аргон. Термин "криогенный" относится к низким температурам, а "дистилляция" - к отсоединению элементов от комбинации с использованием температуры кипения элементов. В результате при криогенной дистилляции компоненты с очень низкой температурой кипения извлекаются преимущественно при низких температурах. Этот процесс позволяет получить высокочистые веществаНо это также очень энергоемкий процесс.

Холодильный бокс - это огромный изолированный контейнер, в котором размещены дистилляционные колонны и теплообменники, работающие при экстремально низких температурах. В холодильном контуре используется эффект Джоуля-Томсона, также известный как эффект дросселирования. При дросселировании газ проходит через изолированный затвор или изолированную проницаемую пробку, и температура газа меняется при изменении давления.

Необходимые материалы

Окружающий воздух может содержать до 5% влаги и множество других газов (обычно в следовых количествах), которые должны быть удалены в одном или нескольких местах разделения и вывода воздуха. очистительная установка.

Этапы и процесс криогенного разделения воздуха

Криогенная дистилляция воздуха: Этапы

1. Предварительная обработка, сжатие и охлаждение поступающего воздуха.
2. Устранение двуокиси углерода.
3. Теплопроводность для снижения температуры подаваемого воздуха до криогенного уровня.
4. Воздушная дистилляция.
5. Охлаждение

1. Предварительная обработка, сжатие и охлаждение поступающего воздуха

На основе планируемая смесь продуктов и приемлемого давления, воздух в большинстве случаев сжимается до давления от 5 до 8 бар (примерно от 75 до 115 фунтов на кв. дюйм). После последней ступени сжатия сжатый воздух охлаждается, и большая часть паров в воздушном потоке конденсируется и удаляется, поскольку воздух проходит через последовательность межфазных охладителей и доохладитель.

Поскольку температура охлаждающего канала (которая почти всегда ограничена влажной или сухой температурой окружающего воздуха) определяет последнюю температуру воздуха, выходящего из компрессионной конструкции, температура сжатого воздуха часто намного выше идеальной температуры для максимальной эффективности. производительность агрегатов на нижнем уровне. Поэтому для значительного охлаждения воздуха часто используется механическая система охлаждения.

2. Устранение диоксида углерода и других примесей

Для достижения критериев качества продукции необходимо устранить некоторые элементы входящего воздушного потока. Водяной пар и углекислый газ должны быть удалены из воздуха до того, как он попадет в секцию криогенной дистилляции установки, поскольку при экстремально низких температурах они застывают и накапливаются на внешней поверхности технологического оборудования.

Молекулярное сито Установки и реверсивные теплообменники - два наиболее распространенных метода удаления паров и углекислого газа.

• Практически во всех новых установках предварительного очищения воздуха используется блок предварительной очистки с молекулярным ситом, который извлекает углекислый газ и воду из воздушного потока путем адсорбции этих частиц на внешней поверхности молекулярных сит при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Другие загрязняющие вещества, такие как углеводороды, которые могут встречаться в промышленных условиях, могут быть легко удалены путем корректировки состава адсорбирующие вещества в этих системах. Адсорбирующие вещества обычно хранятся в двух одинаковых контейнерах, один из которых используется для очистки поступающего воздуха, а другой регенерируется чистым отработанным газом. Через определенные промежутки времени оба листа сменяют друг друга. Когда требуется высокий коэффициент извлечения азота, предварительная очистка с помощью молекулярных сит является очевидным выбором.
• Другой вариант - удаление воды и CO2 с помощью "реверсивных" теплообменников. Хотя реверсивные теплообменники часто считаются "древней" технологией, они могут быть более экономически эффективными для азотных или кислородных установок с низкой производительностью. В установках с реверсивными теплообменниками подача сжатого воздуха охлаждается в двух парах паяных алюминиевых теплообменников.

Поступающий воздух охлаждается в процессе теплообмена до температуры, достаточно низкой для того, чтобы водяной пар и углекислый газ затвердели на поверхности теплообменника. Система клапанов через регулярные промежутки времени чередует работу проходов для воздуха и отходящих газов. При переключении очень сухой, дифференциально нагретый отходящий газ испаряет воду и разжижает углекислый газ, образовавшийся во время охлаждения воздуха. Эти газы выбрасываются обратно в атмосферу, а реверсивный теплообменник подготавливается к очередному изменению транзитного режима после их полного удаления.

Системы холодной абсорбции применяются при использовании обратных теплообменников для удаления любых углеводородов, попадающих в дистилляционные установки. (В блоках предварительной очистки углеводородные загрязнители удаляются вместе с водяным паром и углекислым газом при использовании "передней части" молекулярного сита).

3. Теплопроводность для снижения температуры подаваемого воздуха до криогенного уровня

Теплообмен между поступающим воздухом и холодным потоком выходного и отработанного газа, выходящего из криогенной дистилляции, осуществляется в паяных алюминиевых теплообменниках. Выходящие газовые каналы повторно нагреваются до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха. Количество холода, которое необходимо генерировать в установке, снижается за счет рекуперации холода из каналов газообразных продуктов и потоков отходов.

Технология охлаждения, включающая рост одного или нескольких ступенчатых потоков повышенного давления, позволяет получить чрезвычайно низкую температуру, необходимую для криогенной дистилляции.

4. Воздушная дистилляция

Для получения кислорода в качестве побочного продукта в системе дистилляции последовательно используются две перегонные колонны. Наиболее часто используются термины "колонны высокого" и "низкого" напряжения (или, наоборот, "нижняя" и "верхняя" колонны). Азотные установки могут иметь одну или две колонны, в зависимости от их чистоты. Каждая дистилляционная колонна выпускает азот сверху, а кислород - снизу. Если загрязненный кислород, полученный в первой колонне (под более высоким давлением), является желаемым продуктом, его еще больше очищают во второй колонне, под более низким давлением. Если требуется получить сверхчистый азот, то верхняя колонна низкого давления используется для удаления почти всего кислорода, который не был удален на первой стадии дистилляции.

Температура кипения аргона сопоставима с температурой кипения кислорода, поэтому, если в качестве побочных продуктов требуются только кислород и азот, он предпочтительно остается на выходе кислорода. В обычной двухкомпонентной системе это ограничивает чистоту кислорода примерно 97 процентами. Если допускается использование кислорода низкой чистоты (например, для улучшения горения), чистота кислорода может быть снижена до 95%. Однако при желании получить кислород высокой чистоты аргон следует исключить из дистилляционной установки.

Когда требуется аргон, он удаляется из потока низкого давления в месте, где концентрация аргона максимальна. Извлеченный аргон обрабатывается в "боковой" дистилляционной колонне для сырого аргона, которая встроена в колонну низкого давления. Загрязненный поток аргона может быть выпущен, обработан на месте для удаления кислорода и азота с получением "чистого" аргона или сохранен в виде жидкости и доставлен на удаленный "аргоновый завод". Выбор варианта в основном определяется количеством доступного аргона и анализом затрат и выгод различных вариантов. Как правило, очистка аргона наиболее рентабельна, если ежедневно вырабатывается не менее 100 тонн кислорода.

Для производства чистого аргона из сырого аргона используется многоступенчатая технология. Традиционный метод включает в себя использование компонента "де-оксо" для удаления 2 - 3 % кислорода, содержащегося в сыром аргоне. Это небольшая многоступенчатая процедура, в ходе которой кислород химически соединяется с водородом в контейнере, содержащем катализатор, а затем удаляется последующая вода (после охлаждения) в сушилке с молекулярными ситами. Далее бескислородный поток аргона подвергается дистилляции для удаления остатков азота и нерастворимого водорода в установке для дистилляции "чистого аргона".

Второй вариант производства аргона появился в результате развития технологии дистилляции в насадочных колоннах: полностью криогенное восстановление аргона, при котором используется очень высокая (но небольшого диаметра) дистилляционная колонна для достижения сложного отсоединения аргона от кислорода. Относительно небольшая разница в температурах кипения кислорода и аргона требует многоступенчатой дистилляции аргона.

Количество кислорода, очищенного в системе дистилляции, а также ряд других переменных, влияющих на скорость регенерации, ограничивают объем аргона, который может выработать установка. Эти факторы включают объем производимого жидкого кислорода и постоянство рабочих параметров установки. Производство аргона не может превышать 4,4 процента от скорости подачи кислорода (по объему) или 5,5 процента по весу из-за естественного соотношения газов в воздухе.

Передние теплообменники используются для перенаправления холодных газообразных продуктов и отходов, поступающих из воздухоразделительных колонн. Они охлаждают поступающий воздух по мере его нагрева до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Как уже говорилось выше, теплообмен между входным и продуктовым потоками снижает чистую холодильную нагрузку установки и, как следствие, использование энергии.

5. Охлаждение

Чтобы учесть утечку тепла в холодный аппарат и плохой теплообмен между входящими и выходящими газообразными потоками, охлаждение производят при криогенных температурах.

Холодильный цикл, используемый в установках криогенного разделения воздуха, теоретически идентичен тому, что применяется в бытовых и автомобильных системах кондиционирования. В зависимости от типа установки один или несколько потоков высокого давления (азот, отработанный газ, сырьевой или выходной газ) понижаются в давлении, охлаждая поток. Падение давления (или расширение) происходит внутри расширителя для повышения эффективности охлаждения и промышленного энергопотребления. 

Температура газового потока снижается в большей степени, когда из него удаляется энергия в процессе роста, чем когда он просто расширяется с помощью клапана. Энергия расширителя может быть использована для питания процедурного конденсатора, электрогенератора или другого энергоемкого устройства, например масляного насоса или воздуходувки.

Газообразные продукты, выходящие из криогенного кислородного завода/системы разделения воздуха, обычно покидают холодный бокс (изолированный контейнер, содержащий секции дистилляции и другие механизмы, работающие при очень низких температурах) при температурах, близких к атмосферным, но при пониженном давлении; часто чуть выше одного атмосферного (абсолютного). Сайт процедура разделения и очистки в целом более эффективен при снижении давления подачи.

Хотя более низкое давление способствует снижению энергопотребления при сепарации, если на выходе необходимо обеспечить более высокое давление, потребуются компрессоры для продукта или один из нескольких вариантов цикла для подачи азота или кислорода под более высоким давлением прямо из холодильной камеры. Эти технологии с более высоким давлением подачи могут быть более экономичными, чем разделение, сопровождаемое сжатием, поскольку они не требуют компрессора продукта и его электроэнергии.

Эффективные и безопасные советы

Перед началом строительства и проектирования любой криогенной системы или процесса проведите формальный анализ опасностей. Определите риски и способы их устранения. Разработайте сценарии "что будет, если". Помните, что оборудование может выйти из строя, криогенные жидкости могут быстро превратиться в газ, клапаны могут протечь или неправильно эксплуатироваться, а пылесосы могут не сработать. Независимо от размера или сложности криогенной системы, такая оценка должна быть проведена.

С самого начала включите вопросы безопасности в свое оборудование и процедуры. Включение элементов безопасности на завершающем этапе проектирования может быть дорогостоящим и длительным, и есть вероятность, что опасные факторы будут упущены из виду. Стоит отметить, что всегда предпочтительнее устранить опасность с помощью инженерного проектирования, чем смягчать ее.

Даже специалисты могут что-то упустить или допустить ошибку. Очень важно, чтобы безопасность вашей криогенной системы оценивали другие люди, будь то коллеги, внешние эксперты или официальные органы экспертизы, чтобы повысить шансы на создание безопасной системы.

Всегда оценивайте вероятность возникновения опасности кислородной недостаточности при работе с криогенными жидкостями или инертными газами, независимо от того, насколько мало их количество. Либо установите, что такой опасности не существует, проведя оценку, либо внедрите соответствующие конструктивные усовершенствования или смягчения для устранения или уменьшения опасности. Из-за огромного объема газа, выделяемого даже небольшими объемами криогенной жидкости, и возможности того, что при достаточно низком уровне кислорода первым физиологическим симптомом может стать быстрая потеря сознания, сопровождающаяся комой и смертью, трудности с ODH являются особенно серьезными.

При криогенных температурах используйте только те вещества, которые, как было доказано, работают при этих температурах. Помните, что вещества, которые должны работать при температуре окружающей среды (например, внешние стенки вакуумных контейнеров), могут достигать криогенных температур при определенных механизмах разрушения во время оценки опасности.

Убедитесь, что все, кто работает с криогенным оборудованием или рядом с ним, даже случайные или нерегулярные пользователи, прошли необходимый курс обучения по безопасности при работе с криогенным оборудованием и опасностям, связанным с недостатком кислорода.

Всегда надевайте соответствующие средства индивидуальной защиты и соблюдайте установленные технологические процессы. Использование коротких путей часто приводит к несчастным случаям.

Итоги

В процессе криогенного разделения воздуха без сушильных агентов не обойтись. Вам необходимо работать с производственный завод которые могут предложить вам высококачественную продукцию. Свяжитесь с нами и мы будем более чем рады предложить вам свои услуги.