Процесс криогенной дистилляции: Руководство по разделению воздуха

Введение в криогенную дистилляцию

В области разделения воздуха криогенная дистилляция является важным процессом, позволяющим получать высокочистые азот, кислород и аргон. Эта передовая технология, одна из ключевых криогенных технологий, работает на основе фракционной дистилляции и опирается на чрезвычайно низкие температуры при разделении компонентов воздуха из-за их различных точек кипения. Криогенная дистилляция широко используется во многих отраслях промышленности, включая производство промышленных газов, обогащение горения и производство специальных газов.

Криогенные воздухоразделительные установки (ВРУ) или воздухоразделительные заводы - это места, где происходит криогенная дистилляция путем сжатия атмосферного воздуха, его охлаждения и разделения на основные составляющие. Процесс включает в себя комбинацию теплообменников, колонн для фракционирования смеси с различными уровнями состава жидкостей, а также систем охлаждения, которые работают вместе для достижения заданных требований к чистоте. Эти криогенные технологии также используются при сжижении и разделении природного газа. Молекулярные сита являются жизненно важными элементами этой системы, поскольку они помогают удалять такие примеси, как водяной пар, углекислый газ и углеводороды, как из входного, так и из продуктового потоков. Согласно отчету Grand View Research, объем мирового рынка воздухоразделительных установок оценивается в $4,8 млрд в 2020 году и, как ожидается, будет расти в период 2021-2028 годов с темпом CAGR 5,2%.

Основные компоненты системы криогенной дистилляции

Сжатие и охлаждение воздуха

Криогенная дистилляция начинается со сжатия и охлаждения воздуха. Сначала воздух фильтруется для удаления любых примесей, а затем сжимается до высокого давления, часто составляющего 6-8 бар. Сжатый воздух проходит ряд теплообменных процессов, которые снижают его температуру до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Основная цель этой начальной стадии охлаждения - подготовить воздух к дальнейшей обработке и обеспечить более эффективное использование криогенных стадий.

Теплообменники в криогенном охлаждении

Сеть теплообменников, в свою очередь, охлаждает сжатый воздух до криогенного уровня после начальной стадии охлаждения. Эти теплообменники достигают постепенного снижения входящей температуры за счет использования холодных отработанных газов из дистилляционных колонн. При температуре около -180°C воздух достигает точки, где начинается его сжижение. Сжижение является основным процессом в криогенной дистилляции, поскольку оно позволяет разделить фракцию на составляющие ее компоненты через их различные точки кипения.

Дистилляционные колонны и охлаждение

Сердце процесса криогенной дистилляции находится в дистилляционных колоннах, где происходит разделение воздуха на его основные компоненты. Богатый азотом пар и богатая кислородом жидкость образуются, когда сжиженный воздух поступает в дистилляционную колонну высокого давления. После этого богатый азотом газ проходит дальнейшую очистку в дистилляционной колонне низкого давления, а богатая кислородом жидкость избавляется от других примесей и восстанавливает аргон.

Охлаждение играет важную роль в поддержании криогенных условий, необходимых для эффективного разделения атмосферы. В замкнутых системах охлаждения, используемых в процессах криогенной дистилляции, обычно применяется цикл расширения азота или смешанный цикл хладагента. Системы охлаждения обеспечивают работу колонн при температурах, необходимых для качественного разделения нескольких компонентов воздуха.

Роль молекулярных сит в криогенной дистилляции

Установки предварительной очистки с молекулярным ситом

Процесс криогенной дистилляции в основном заключается в использовании молекулярных сит для предварительной очистки воздуха. Сжатый воздух проходит через слой молекулярных сит перед поступлением в основной блок разделения воздуха, что позволяет удалить примеси, которые могут помешать криогенному процессу или испортить качество продукта.

Одна из важных функций молекулярных сит на этом этапе - удаление водяного пара и углекислого газа из сжатого воздуха. Если не удалять эти примеси, они могут замерзать и блокировать теплообменники, а также дистилляционные колонны, что приводит к прерыванию процесса и снижению эффективности. Молекулярные сита способны задерживать водяной пар и углекислый газ благодаря своей избирательной адсорбционной способности, обеспечивая тем самым подачу чистого сухого воздуха для криогенной дистилляции.

Установки предварительной очистки с использованием молекулярных сит имеют ряд преимуществ перед классическими реверсивными теплообменниками. Однако реверсивные теплообменники не способны эффективно удалять углекислый газ, хотя они компетентны в удалении водяного пара. В отличие от последних, молекулярные сита могут одновременно удалять и водяной пар, и углекислый газ, обеспечивая тем самым комплексную очистку. Во-вторых, молекулярные сита обладают лучшей адсорбционной способностью и работают при более высоких температурах, чем реверсивные теплообменники, что приводит к повышению энергоэффективности и снижению затрат на обслуживание.

Применение молекулярных сит для разделения воздуха

Для производства чистых продуктов при криогенной дистилляции очень важны молекулярные сита. Молекулярные сита удаляют из воздушного потока такие вещества, как водяной пар, углекислый газ и углеводороды, чтобы получить азот, кислород и аргон высокой чистоты.

Молекулярные сита также защищают последующее оборудование при криогенной дистилляции. Удаляя примеси, которые могут повредить или ухудшить работу теплообменников, дистилляционных колонн и других ключевых компонентов, молекулярные сита продлевают срок службы оборудования и сокращают объем технического обслуживания. В криогенных установках такая защита очень важна, поскольку крайне низкие температуры приводят к быстрому износу оборудования из-за наличия примесей.

Процесс криогенной дистилляции

Дистилляционные колонны высокого и низкого давления

В процессе криогенной дистилляции используется несколько дистилляционных колонн высокого и низкого давления для разделения воздуха на основные компоненты. Колонна высокого давления работает при давлении около 6-8 бар, где воздух разделяется на пар, богатый азотом, и жидкость, богатую кислородом. На вершине колонны высокого давления находится богатый азотом пар, который поступает в колонну низкого давления с рабочим давлением около 1-1,5 бар. В колонне низкого давления происходит дальнейшая очистка азота с выделением кислорода и аргона.

Разделение азота, кислорода и аргона

В процессе криогенной дистилляции разделение азота, кислорода и аргона зависит от их различных температур кипения: Азот имеет самую низкую температуру кипения (-195,8°C), за ним следует аргон (-185,8°C), затем кислород (-183°C). В колонне высокого давления пары, богатые азотом, отделяются от жидкого кислорода, а в колонне низкого давления они очищаются для последующей конденсации в высокоочищенный азот. Примеси удаляются из нижней части колонны высокого давления, где из них снова собирается чистый аргон.

Процессы охлаждения и расширения

Процессы охлаждения и расширения являются ключевыми для поддержания криогенных температур, необходимых для эффективного разделения воздуха. Как правило, в процессе криогенной дистилляции используются замкнутые системы охлаждения, включающие либо цикл расширения азота, либо смешанные циклы хладагентов, соответственно. Например, некоторое количество азота, находящегося под давлением в дистилляционных колоннах, расширяется за счет турбин, создавая охлаждающий эффект, необходимый для достижения криогенных температур (цикл расширения азота). В качестве альтернативы, смешанный цикл хладагента использует различные хладагенты, такие как метан или этан, вместе с газообразным азотом для достижения эффективности.

Очистка продукта и восстановление аргоном

Процесс криогенной дистилляции включает в себя разделение воздуха на основные компоненты, очистку продукта и регенерацию аргона. Дальнейшая очистка насыщенного азотом пара из колонны низкого давления происходит для удаления любых других примесей, таких как кислород и аргон, чтобы получить азот высокой чистоты. Эта очистка осуществляется с помощью других этапов дистилляции или адсорбционных методов.

Восстановление аргона является одним из важных этапов криогенной дистилляции, поскольку он представляет собой ценный компонент, получаемый при разделении воздуха. Восстановление аргона через ряд этапов дистилляции и процессов ректификации происходит в богатой кислородом жидкости в самой нижней части колонны высокого давления. Сырой аргон сначала концентрируется в аргоновой колонне, а затем подвергается дальнейшей очистке в колонне с чистым аргоном для достижения необходимого уровня чистоты. Регенерация аргона не только повышает экономическую эффективность процесса разделения воздуха, но и помогает удовлетворить растущий промышленный спрос на него в различных отраслях.

Роль молекулярных сит в постобработке

Кроме того, молекулярные сита играют важную роль на этапе последующей обработки при криогенной дистилляции. После разделения воздуха на первичные компоненты и первичной очистки молекулярные сита используются для очистки оставшихся загрязнений, которые все еще могут присутствовать в потоках продукта. Это может быть остаточный водяной пар, диоксид углерода и углеводороды, которые не были полностью удалены на этапе предварительной очистки или могли быть добавлены в процессе дистилляции.

Использование молекулярных сит на этапах последующей обработки незаменимо для достижения высоких уровней чистоты, требуемых в различных промышленных областях. Таким образом, они обеспечивают соответствие конечных потоков продукции строгим спецификациям чистоты в соответствии с требованиями заказчика за счет селективной адсорбции любых остаточных примесей. Например, при производстве азота высокой чистоты для электронной промышленности могут использоваться молекулярные сита для удаления следовых примесей, которые в противном случае могут снизить его качество и негативно повлиять на производственные процессы.

Энергоэффективность и снижение затрат

Поскольку процесс разделения воздуха является весьма энергоемким, энергоэффективность становится критически важным вопросом в криогенной дистилляции. Постоянное повышение энергоэффективности важно для снижения эксплуатационных расходов и уменьшения влияния изменений окружающей среды, которые происходят с воздухоразделительными установками. Чтобы сделать процесс криогенной дистилляции более энергоэффективным, можно более эффективно использовать тепло. Энергия может быть сэкономлена за счет использования холодных потоков азота и кислорода из процесса для предварительного охлаждения поступающего воздуха. Кроме того, нагрузка на криогенное оборудование, расположенное ниже по потоку, может быть снижена, если на стадии предварительной очистки используются высокоэффективные молекулярные сита, что позволяет сократить количество дополнительных этапов очистки.

Альтернативным методом минимизации затрат при криогенной дистилляции является использование передовых систем управления процессом. Они имеют сложные алгоритмы и анализируют данные в режиме реального времени для оптимальной работы воздухоразделительных установок, чтобы параметры процесса поддерживались в требуемых диапазонах. Передовые системы управления процессом снижают энергопотребление, улучшают качество продукции и повышают общую эффективность установки. В отчете Международного энергетического агентства говорится, что переход на передовые системы управления процессом на воздухоразделительных установках может снизить потребление энергии до 10%, что указывает на большой потенциал для снижения затрат при криогенной дистилляции (Международное энергетическое агентство).

Применение криогенной дистилляции в промышленности

Во многих отраслях промышленности криогенная дистилляция используется для получения газов высокой чистоты. Прежде чем рассматривать конкретные области применения, важно рассмотреть, как криогенная дистилляция сопоставляется с другими методами разделения воздуха с точки зрения потребляемой энергии, чистоты продукта и мощности установки. В следующей таблице приведено сравнение трех основных методов разделения воздуха:

Как видно из приведенной выше таблицы, криогенная дистилляция лучше всего подходит для получения газов сверхвысокой чистоты (>99,999%) и для массового производства (5000 тонн/день). Именно эти преимущества делают криогенную дистилляцию популярной в ряде отраслей промышленности, о чем будет рассказано далее в этом документе.

Промышленная добыча газа

Метод криогенной дистилляции широко используется в этой отрасли для разделения больших количеств азота, кислорода и аргона высокой чистоты. Эти промышленные газы применяются в различных отраслях, таких как химическая промышленность, металлургия, электроника, здравоохранение и т.д. С помощью криогенной дистилляции можно удовлетворить самые строгие требования, предъявляемые этими отраслями промышленности, поскольку она позволяет получать газы с чистотой более 99,999%.

Обогащение при сжигании

В области обогащения горения криогенная дистилляция также играет большую роль. Процессы сгорания могут быть оптимизированы за счет применения процесса криогенной дистилляции, в результате которого получается воздух, обогащенный кислородом. Использование обогащенного кислородом воздуха приводит к повышению эффективности сгорания, снижению расхода топлива и уменьшению выбросов загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx) и диоксид углерода (CO2).

Производство специальных газов

Кроме того, при производстве специальных газов используется процесс криогенной дистилляции, в ходе которого выделяются очень малые количества высокочистых газов, необходимых для конкретных целей. К таким специальным газам относятся азот, кислород и аргон сверхвысокой чистоты (UHP), а также редкие газы - неон, криптон и ксенон. Для производства специальных газов требуются уровни чистоты гораздо выше, чем у промышленных газов, поскольку они могут достигать 99,9999%. Криогенная дистилляция в сочетании с передовыми методами очистки, такими как адсорбция на молекулярных ситах или каталитическая очистка, представляет собой один из путей производства этих газов сверхвысокой чистоты для полупроводников, солнечных батарей или исследовательских приложений, которые в них нуждаются.

Заключение

Процесс криогенной дистилляции широко используется для производства и выпуска промышленных газов, обогащения горючих веществ и подготовки специальных газов. Возможность получения газов чистотой более 99,999% делает эту технологию незаменимой в различных отраслях промышленности, таких как химическая обработка, металлургия, электроника и здравоохранение.

Молекулярные сита играют важнейшую роль в процессе криогенной дистилляции как на стадии предварительной очистки, так и в процессе последующей обработки. В этой связи криогенное разделение воздуха с помощью процессов дистилляции будет приобретать все большее значение в связи с постоянным ростом спроса на высокочистые промышленные газы.