Понятие о воздухоразделительных установках: Принцип работы и области применения

В связи с растущей потребностью промышленных предприятий в газах высокой чистоты воздухоразделительные установки (ВРУ) стали необходимостью. Они являются экономически эффективным средством получения кислорода, азота и аргона требуемой чистоты в больших количествах. По сравнению с другими методами подачи газа криогенная сепарация воздуха более эффективна, обходится дешевле в расчете на единицу газа и более приспособлена для крупномасштабного производства.

Но что такое ASU, как они работают и почему актуальны в различных областях? В этой статье мы расскажем о том, как они работают, из чего состоят и где используются в промышленности.

Что такое воздухоразделительная установка (ASU)?

Воздухоразделительная установка, или ВРУ, - это промышленное оборудование, которое используется для отделения отдельных газов от воздуха. Воздух, который можно рассматривать как чистое вещество, на самом деле представляет собой смесь газов, в основном азота, кислорода и аргона, а также некоторых других газов.

Основная задача ASU - разделить эту смесь на составляющие. Это делается не только в академических целях: полученные на выходе азот, кислород и аргон являются необходимыми ингредиентами для широкого спектра промышленных применений. Азот используется в качестве инертного газа в химической и электронной промышленности, кислород - в горениях и медицине, а аргон - в сварочном производстве и светотехнике.

Таким образом, АСУ - это не просто оборудование, а фундаментальная технология, поддерживающая многие отрасли современной экономики. Она является основополагающей для таких разных отраслей, как сталелитейное производство и здравоохранение, преобразуя воздух в ценные промышленные продукты. Важно понять АСУ, чтобы понять основу многих производственных процессов в современном мире.

Объяснение ключевых технологий и принципов ASU

В установках разделения воздуха используются принципы термодинамики и материаловедения, в основном с помощью криогенной дистилляции, управляя низкотемпературными циклами, усиленными эффектом Джоуля-Томсона, для эффективного сжижения воздуха для разделения газов.

Однако криогенная дистилляция по-прежнему остается наиболее распространенным методом разделения воздуха, несмотря на наличие других методов, таких как мембранное разделение и адсорбционные процессы. Он является наиболее эффективным и широко используется для крупномасштабного и высокочистого разделения.

Принцип криогенной дистилляции

Криогенная дистилляция - наиболее распространенный рабочий процесс большинства воздухоразделительных установок. Этот метод основан на разнице в температурах кипения основных компонентов воздуха.

После охлаждения и сжатия воздуха он подается в дистилляционные колонны. Это очень высокие и специализированные конструкции, которые используются для дробной дистилляции. Азот, который из-за низкой температуры кипения испаряется первым, поднимается в колонну, а остальные компоненты остаются у основания. Кислород, имеющий более высокую температуру кипения, остается в жидком состоянии и собирается в нижней части. Аргон, который присутствует в меньшем количестве, обычно собирается в средней части колонны.

Процесс разделения - это не одностадийный процесс, а процесс, включающий в себя испарение и конденсацию в колонне. Можно представить себе противоточный режим течения, при котором паровая и жидкая фазы взаимодействуют, обогащаясь нужными компонентами на разных уровнях.

Градиенты температуры и давления в этих дистилляционных колоннах должны контролироваться на необходимом уровне для достижения требуемой чистоты отделяемых газов. Таким образом, криогенная дистилляция - это более современный и эффективный способ отделения газов от воздуха с высокой степенью чистоты.

Эффект Джоуля-Томсона в охлаждении

Охлаждение газа до криогенных температур в АСУ в основном основано на эффекте Джоуля-Томсона. Этот термодинамический принцип относится к изменению температуры реального газа или пара при прохождении его через клапан или пористую пробку и предотвращении передачи всего тепла в окружающую среду.

В частности, когда сжатому газу дают возможность свободно расширяться, он охлаждается. Этот эффект охлаждения происходит потому, что в реальных газах существуют межмолекулярные силы. При расширении газа приходится прилагать усилия, чтобы противостоять этим силам притяжения, и эта энергия берется из внутренней энергии газа, что приводит к снижению температуры.

В системах ASU эффект Джоуля-Томсона очень эффективно используется в циклах охлаждения. Сжатый воздух проходит через расширительное устройство, например, клапан или турбину. Это расширение приводит к значительному снижению температуры. Затем охлажденный газ используется для предварительного охлаждения поступающего сжатого воздуха в теплообменнике, образуя регенеративный цикл охлаждения. Этот процесс расширения и теплообмена происходит циклически, и температура снижается до точки, где достигается сжижение, а конечными продуктами являются жидкий кислород и жидкий азот.

Поэтому эффект Джоуля-Томсона является важнейшим компонентом криогенных технологий, которые используются для сжижения воздуха с целью его дальнейшего разделения.

Ключевые компоненты в системах ASU

ASU состоит из нескольких систем, объединенных в единое целое: воздушные компрессоры для повышения давления, предварительное охлаждение для снижения температуры и молекулярные сита для очистки. Дистилляционные колонны необходимы для разделения газов, а сжижатели используются для поддержания газов при криогенных температурах.

Эти интегрированные и контролируемые компоненты позволяют разделять воздух на азот, кислород и аргон высокой чистоты, которые необходимы для работы АСУ.

Воздушный компрессор и предварительное охлаждение

Воздушный компрессор - это первая и самая основная часть АСУ. Его задача - всасывать воздух из окружающей среды и сжимать его до высоких давлений, необходимых для процесса криогенного сжижения. В основном это многоступенчатые промышленные компрессоры, рассчитанные на постоянное и эффективное использование. Однако сам процесс сжатия повышает температуру воздуха, поскольку в ходе него выделяется тепло. Такой горячий сжатый воздух не подходит для криогенной обработки материала. Таким образом, неизбежна стадия предварительного охлаждения.

Системы предварительного охлаждения используются для охлаждения сжатого воздуха до более низкой температуры с помощью механических холодильников и теплообменников перед его охлаждением в криогенной секции. Предварительное охлаждение выполняет несколько важных функций: снижает охлаждающую нагрузку на криогенную холодильную систему, повышает эффективность последующего процесса сжижения и, самое главное, помогает удалить значительную часть водяного пара, содержащегося во всасываемом воздухе. Удаление водяного пара на этом этапе важно для того, чтобы избежать образования льда в экстремально холодных секциях АСУ, который может стать причиной засорения и помех в работе. Воздушный компрессор и система предварительного охлаждения, работая в тандеме, подготавливают воздушный поток к последующим деликатным и энергоемким стадиям криогенного разделения.

Система очистки с молекулярным ситом

Эффективное разделение воздуха при криогенных температурах требует тщательной очистки входящего воздушного потока. Воздух, являющийся источником азота, кислорода и аргона, содержит не только полезные компоненты, но и нежелательные примеси, такие как водяной пар, углекислый газ и углеводороды. Эти примеси, если их не удалить, могут выпасть в осадок при криогенных температурах, что приведет к таким эксплуатационным проблемам, как засорение оборудования, ухудшение теплопередачи и качества продукции.

Система очистки с помощью молекулярных сит предназначена для удовлетворения этой важной потребности. В ней используются специальные молекулярное сито Адсорбенты (4A, 5A, 13X и т.д.) для селективной адсорбции этих примесей. Эти материалы выбираются благодаря четко определенному размеру пор, которые могут избирательно фильтровать на молекулярном уровне. Это позволяет им задерживать молекулы воды, углекислого газа и углеводородов, свободно пропуская остальные компоненты воздуха.

Системы очистки ASU обычно имеют несколько слоев адсорбента, работающих в циклическом режиме, для чего используется адсорбция под давлением (PSA или VPSA) или адсорбция с изменением температуры (TSA). Такая циклическая работа позволяет постоянно обеспечивать высокоэффективное удаление загрязняющих веществ. Система очистки с помощью молекулярных сит очень важна для долгосрочной работы АСУ и достижения требуемой чистоты отделяемых газов, что в свою очередь приводит к получению газов высокой чистоты. Поэтому необходимо обеспечить правильную и эффективную систему очистки с помощью молекулярного сита для наилучшей и надежной работы ASU.

Почему стоит выбрать молекулярные сита Jalon?

Когда речь заходит о важнейшем этапе очистки с помощью молекулярного сита в воздухоразделительных установках, Джалон Молекулярные сита - это разумный выбор. Являясь ведущим производителем адсорбентов на основе молекулярных сит, компания Jalon предлагает материалы, специально разработанные для удовлетворения жестких требований систем ASU.

Наши молекулярные сита обладают исключительной способностью удалять водяной пар, углекислый газ и углеводороды, обеспечивая сверхвысокую чистоту газа и предотвращая засорение системы. Имея более чем 20-летний опыт работы в отрасли, 112 зарегистрированных патентов и международные сертификаты качества ISO 9001 и ISO 14001, компания Jalon является надежным партнером в области очистки АСО.

Мы предлагаем индивидуальные решения на основе молекулярных сит, разработанные с учетом особенностей работы ASU, обеспечивая стабильную очистку, стабильное качество газа и эффективное удаление загрязняющих веществ.

Сотрудничество с ДжалономВы инвестируете в сердце системы очистки ASU, обеспечивая превосходную производительность, эффективность и долгосрочную стабильность работы.

Дистилляционные колонны и разжижители

Дистилляционные колонны являются основой АСУ, поскольку именно в них происходит фактическое разделение сжиженного воздуха. Это не просто каналы, а сложные инженерные конструкции, которые могут содержать лотки или структурированную упаковку для обеспечения эффективного контакта паровой и жидкой фаз с целью разделения.

Разжижители являются частью интегрированного оборудования, работающего в тандеме с дистилляционными колоннами. Их основная задача - поддерживать низкие температуры, необходимые для дистилляции, и постоянно поддерживать воздух в жидком состоянии. В разжижителях используются хладагенты и расширительные циклы для отвода тепла из системы и обеспечения нужных низких температур в дистилляционных колоннах. В этих колоннах процесс разделения контролируется градиентами температуры и давления, которые поддерживаются внутри колонны. Азот, будучи более летучим, испаряется и движется вверх по колонне, а кислород и аргон с более высокой температурой кипения конденсируются и движутся вниз.

Технические характеристики дистилляционных колонн и сжижателей имеют решающее значение для определения эффективности процесса разделения и чистоты отделяемых газов. Они являются ключевой технологией, преобразующей сжиженный воздух в ценные промышленные газы высокой чистоты.

Разнообразные промышленные применения ASU

Газы, образующиеся в АСУ, - это не нишевые продукты; они являются основными требованиями в широком спектре отраслей промышленности и задействованы практически во всех аспектах современного мира. Области их применения многочисленны и важны, и многие из них требуют использования значительного количества кислорода.

В сталелитейной промышленности кислород из АСО помогает повысить эффективность сжигания топлива в печах. Химическая промышленность использует азот, полученный с помощью АСО, для создания инертной атмосферы и в качестве реактива в таких процессах, как производство аммиака. Здравоохранение нуждается в медицинском кислороде для лечения и ухода за пациентами. Кроме того, АСО полезны в производстве электроники, пищевой промышленности и во многих других отраслях, например на электростанциях, где кислород позволяет повысить эффективность сгорания и снизить выбросы в некоторых технологиях, таких как газификация.

От крупномасштабного производства до сложных операций в сфере здравоохранения - технологии ASU крайне важны, поскольку процессы, которые они поддерживают, имеют решающее значение для современного индустриального мира.

АСУ в металлургической промышленности

Сталелитейная промышленность - одна из важнейших отраслей современного мира и один из крупнейших потребителей продукции воздухоразделительных установок. Кислород, который является основным продуктом ASU для сталелитейного производства, полезен для повышения эффективности доменных печей и печей с основным кислородом. Дополнение этих печей кислородом высокой чистоты увеличивает скорость горения и, следовательно, скорость производства стали, а также снижает количество топлива, используемого на тонну стали. Это не только ускоряет процесс выплавки стали, но и снижает себестоимость производства, делая его более экономичным и экологичным.

Кроме того, азот, образующийся в АСО, используется в сталелитейной промышленности для инертизации и продувки, чтобы избежать любых форм окисления в процессе производства и обработки стали. АСО и сталелитейная промышленность взаимозависимы: АСО поставляют кислород, необходимый для эффективного производства стали, а с другой стороны, крупные масштабы сталелитейной промышленности создают спрос и необходимость в развитии технологии АСО.

АСУ являются, по сути, стратегическими активами для современной сталелитейной промышленности, поскольку позволяют производить этот важнейший инженерный материал.

АСУ в химической промышленности

Химическая промышленность - это высокочувствительная отрасль, в которой происходит множество химических реакций, и поэтому ей необходимы инертные и реактивные свойства газов, генерируемых воздухоразделительными установками. Азот, который является наиболее распространенным газом, отделяемым в установках ASU, представляет собой критически важный элемент безопасности и управления процессом в химической промышленности. Он используется в качестве инертного газа для предотвращения реакций с кислородом или влагой в резервуарах, трубопроводах и химических реакторах. Эта инертная атмосфера особенно важна при работе с легковоспламеняющимися, взрывоопасными или чувствительными к кислороду химическими веществами для обеспечения безопасных условий производства и хранения.

Помимо инертизации, кислород из АСУ используется в качестве реагента в различных процессах химического синтеза, включая реакции окисления в крупномасштабном химическом производстве и стадии окисления в тонкой химии и фармацевтике. Это связано с тем, что в химической промышленности чистота и надежность подачи газа из АСО должны быть очень высокими, поскольку даже незначительные примеси могут нарушить химическое равновесие и повлиять на качество конечного продукта.

Газы ASU - это универсальные приборы, которые необходимы инженерам-химикам и химической промышленности: от улучшения мер безопасности до облегчения сложных химических реакций.

АСУ в здравоохранении

В сфере здравоохранения АГУ - это уже не просто промышленные инструменты, а жизненно важные устройства, поставляющие кислород медицинского качества, необходимый для лечения пациентов и вентиляции легких. Больницы, клиники и другие медицинские учреждения нуждаются в постоянном кислороде высокой чистоты для различных целей своей деятельности. Это респираторная терапия для пациентов с легочными заболеваниями, анестезия во время операций, кислородные инкубаторы для новорожденных и сердечно-легочная реанимация.

Медицинский кислород, вырабатываемый на АГУ, проходит дополнительную очистку и тестирование на соответствие стандартам чистого кислорода для дыхания человека, которые обычно составляют 99,5% или выше, чтобы обеспечить безопасность пациентов и эффективность кислорода в процессе лечения.

Помимо кислорода, азот, получаемый с помощью АГУ, используется для сохранения биологических образцов, таких как кровь и ткани, а также при проведении некоторых хирургических операций. В медицинских учреждениях обязательным условием является непрерывное и постоянное наличие медицинского кислорода, производимого АСО; любой перерыв может привести к неблагоприятным последствиям для состояния пациентов. АСО в здравоохранении обычно строятся с резервными системами, чтобы работать круглосуточно, 365 дней в году, как невидимые защитники здоровья дыхательных путей в медицинских учреждениях по всему миру.

Оптимизация работы АСУ: Ключевые факторы

Оптимальная производительность ASU зависит от нескольких ключевых факторов. К ним относятся: требования к чистоте и скорости потока, энергоэффективность и стоимость, а также выбор молекулярного сита. Этими факторами необходимо оптимально управлять, чтобы повысить эффективность ASU и ее экономическую ценность.

Требования к чистоте и скорости потока

Условия эксплуатации и конструктивные характеристики воздухоразделительной установки в первую очередь определяются уровнем чистоты и расходом воздуха в тех областях применения, которые она должна обслуживать. Например, для применения медицинского кислорода требуются очень высокие уровни чистоты кислорода, часто выше 99,999% с определенными нормативными ограничениями по допустимым примесям. Для удовлетворения этих высоких требований к чистоте в ASU требуются дополнительные и, возможно, более энергоемкие ступени очистки и дистилляции, что требует очень тесной интеграции теплообменников для достижения оптимальной производительности.

С другой стороны, для некоторых промышленных применений, например, для азота, используемого в инертных системах, могут требоваться более низкие уровни чистоты, что позволяет использовать более простые и менее энергоемкие методы разделения. Аналогичным образом, требования к скорости потока зависят от размера конечного применения. Крупному интегрированному сталелитейному заводу потребуется огромное и постоянное количество кислорода и, следовательно, большая производительность ASU, в то время как небольшой исследовательской лаборатории может потребоваться лишь небольшое количество азота высокой чистоты.

Поэтому важно, чтобы точное определение требований к чистоте и скорости потока было четко определено на начальном этапе проектирования и эксплуатации ASU. Это означает, что производительность ASU будет точно соответствовать потребностям конечного пользователя, что исключает возможность чрезмерного проектирования и возможных проблем с производительностью.

Энергоэффективность и стоимость

По своей конструкции ASU требуют большого количества электрической энергии для приведения в действие процесса сжатия. Процесс сжижения и дистилляции воздуха требует низких температур, которые достигаются за счет использования большого количества энергии для сжатия воздуха и охлаждения. Таким образом, энергоэффективность - это не только экологический фактор для операторов АСУ, но и деловая необходимость, влияющая на итоговый результат. Снижение энергопотребления равносильно сокращению расходов и повышению конкурентоспособности компании.

Существует множество инженерных решений, которые используются для повышения энергоэффективности АГУ. К ним относятся улучшение характеристик воздушных компрессоров, использование систем рекуперации тепла для улавливания отработанного тепла от различных процессов и его повторного использования, применение более совершенных и эффективных холодильных циклов, а также использование энергоэффективных компонентов на заводе ASU.

Кроме того, новые разработки в области проектирования процессов АСО, включая объединение технологических стадий и оптимизацию конструкций дистилляционных колонн, помогают минимизировать общее энергопотребление. Постоянный спрос на повышение энергоэффективности технологии ASU обусловлен экономическими выгодами и растущей заботой об окружающей среде, а также ужесточением стандартов, регулирующих энергопотребление в промышленности. Это непрерывный процесс совершенствования, направленный на повышение эффективности технологии ASU в стремлении снизить затраты на производство в будущем.

Выбор молекулярного сита

Выбор подходящего адсорбента на основе молекулярных сит для системы очистки воздухоразделительной установки - это решение, оказывающее существенное влияние на производительность, надежность работы и общие эксплуатационные расходы. Различные типы молекулярных сит отличаются друг от друга адсорбционной способностью, селективностью по конкретным загрязняющим веществам (водяной пар, углекислый газ, углеводороды) и характеристиками регенерации.

Выбор оптимального типа и марки молекулярного сита для конкретной установки ASU требует тщательного учета таких факторов, как состав всасываемого окружающего воздуха, требуемые характеристики чистоты отделяемых газов и конкретные условия эксплуатации системы очистки.

Правильно подобранное молекулярное сито не только обеспечит эффективное и надежное удаление целевых загрязнителей, предотвратит засорение системы и сохранит чистоту продуктового газа, но и будет способствовать увеличению срока службы адсорбента и снижению энергопотребления во время циклов регенерации.

И наоборот, неоптимальный выбор молекулярных сит может привести к снижению эффективности очистки, увеличению времени простоя из-за загрязнения, повышению затрат на электроэнергию, связанных с более частой регенерацией, и, в конечном итоге, к ухудшению качества продуктового газа. Поэтому выбор молекулярного сита - это не рутинное решение, а стратегическое инженерное соображение, которое напрямую влияет на долгосрочный эксплуатационный успех и экономические показатели установок ASU.

Достижения и будущее технологии ASU

Технология воздухоразделительных установок (ВРУ) быстро развивается, что обусловлено растущими требованиями к эффективности, экологичности и новым областям применения. Будущие системы ASU будут более энергоэффективными, в них будут использоваться передовые материалы, оптимизированные технологические схемы и интеллектуальные системы управления для минимизации потребления энергии и максимального извлечения газа.

Все большее распространение получают модульные и малогабаритные АГУ, позволяющие производить газ на месте для небольших производств и в удаленных местах. Кроме того, цифровизация и искусственный интеллект повышают эффективность работы АГУ: интеллектуальные датчики, аналитика данных и системы предиктивного обслуживания обеспечивают оптимальную производительность и сокращают время простоя.

Постоянное совершенствование технологии молекулярных сит также вносит свой вклад в развитие АСО. Молекулярные сита играют важнейшую роль в очистке АСО, обеспечивая высокую чистоту газа за счет эффективного удаления загрязняющих веществ. В настоящее время исследователи активно разрабатывают более селективные и эффективные молекулярные сита для повышения адсорбционной способности, увеличения срока службы и снижения энергозатрат. Если вы хотите внедрить инновации в очистку АСО, сотрудничество с компанией Jalon поможет разработать молекулярные сита нового поколения, повышающие производительность и устойчивость.

Помимо традиционных сфер применения, технология ASU расширяет сферу производства водородной энергии и улавливания, утилизации и хранения углерода (CCUS), играя решающую роль в декарбонизации и переходе к более устойчивой энергетике будущего. Поскольку промышленность во всем мире продолжает полагаться на промышленные газы высокой чистоты, будущее технологии ASU остается блестящим - она предлагает более эффективные, универсальные и эффективные решения для быстро развивающегося мира.