Как производится кислород в промышленных масштабах? Полное руководство по процессу

Вопрос промышленного получения кислорода очень важен, поскольку кислород используется во многих отраслях, включая здравоохранение, производство, сварку, производство электроэнергии и т.д. Процесс промышленного получения кислорода основан на извлечении и очистке кислорода из воздуха, чтобы затем удовлетворить определенные требования. Более того, на этом этапе происходит не только выделение кислорода, но и обеспечение его качества, чистоты и эффективности.

В этом руководстве мы рассмотрим основные методы промышленного получения кислорода, трудности, возникающие в процессе производства, и технологии, которые определят будущее. В конце этой статьи вы сможете разобраться во всех этапах производства кислорода.

Что такое промышленное производство кислорода?

Промышленное производство кислорода - это процесс получения и очистки кислорода для нужд различных отраслей промышленности из воздуха. Хотя кислород присутствует в атмосферном воздухе Земли в виде примерно 21%, он не может быть использован в большинстве промышленных процессов как таковой. Для этого обычно используется метод отделения кислорода от других элементов, составляющих воздух, где основными компонентами являются азот, аргон и другие остаточные газы, и получения чистого и нужного объема кислорода.

Таким образом, цель промышленного производства кислорода заключается в обеспечении кислородом в необходимых количествах и с подходящим уровнем чистоты для использования в таких смежных отраслях, как медицина, металлургия, химическая промышленность и энергетика. Например, медицинский кислород, используемый в больнице, должен иметь чистоту выше 99,5%, в то время как промышленный кислород для сварки или процессов горения не требует такого высокого уровня чистоты.

Для этого в установках по производству кислорода используется несколько сложных систем и аппаратов. К наиболее распространенным относятся:

Воздухоразделительный блок (ASU): Это основная часть многих крупных установок по производству кислорода. В АСУ используются такие технологии, как криогенная дистилляция, для охлаждения воздуха и последующей изоляции отдельных газов. В АСО также используются холодильные камеры, позволяющие поддерживать крайне низкий температурный режим, необходимый для сжижения воздуха.

Компрессоры: Они используются для сжатия атмосферного воздуха перед его разделением на составляющие элементы того или иного газа. Эти машины также полезны для достижения заданного давления воздуха для последующих функций, таких как адсорбция или криогенная дистилляция.

Адсорбционные башни (для систем PSA): В системах адсорбции под давлением (PSA) адсорбционные башни должны быть заполнены такими материалами, как цеолиты, благодаря которым молекулы азота избирательно адсорбируются, а кислород остается высвобожденным.

Мембранные системы: В тех случаях, когда требуются меньшие объемы или кислород более низкой чистоты, используются системы мембранного разделения. В таких системах используются мембраны, селективные по отношению к кислороду, что позволяет пропускать через них кислород, а не другие газы.

Криогенные резервуары для хранения: Жидкий кислород, в частности, после выработки хранится в криогенных резервуарах. В этих резервуарах поддерживается очень низкая температура, которая сохраняет кислород в жидком состоянии до тех пор, пока он не понадобится для использования или пока он не будет перекачан через процесс преобразования в газ.

Вышеперечисленное оборудование работает в связке, чтобы гарантировать, что производство кислорода будет настолько эффективным, насколько это необходимо для данной отрасли. Решение этого вопроса и выбор оборудования, а также метода зависит от сферы применения, масштабов производства, а также требуемой степени чистоты.

Поэтому промышленное производство кислорода - это комплексный проект, который является неотъемлемой частью современной экономики. Таким образом, получить необходимое количество кислорода, его чистоту и достичь необходимого уровня эффективности производства промышленные предприятия могут с помощью самых современных технологий и оборудования.

Основные методы промышленного производства кислорода

Производство кислорода в промышленных масштабах основывается на трех основных методах: криогенный метод получения кислорода, адсорбция под давлением (PSA) и мембранное разделение. Все они имеют свои особенности и используются в соответствующем режиме в зависимости от масштаба, чистоты и стоимости необходимого материала.

Криогенное производство кислорода: Использование процесса сжижения воздуха и дистилляции для выделения кислорода

Криогенное производство кислорода - наиболее распространенный метод получения кислорода для крупномасштабного производства кислорода благодаря его высокой чистоте. В этом процессе используется криогенная дистилляция, которая представляет собой процесс охлаждения воздуха до температуры ниже точки его сжижения. При таких температурах воздух переходит в жидкое состояние, и различные компоненты воздуха могут быть разделены на основе их точек кипения. Например, кислород кипит при -183 градусах Цельсия, а азот - при -196 градусах Цельсия.

Однако перед сжижением воздух необходимо очистить, чтобы удалить водяной пар и другие загрязняющие вещества, такие как CO₂. Этот шаг очень важен, поскольку при криогенных условиях даже небольшое количество воды или CO₂ конденсируется, образуя лед или твердый CO₂, который закупоривает оборудование и затрудняет процесс разделения. На этом этапе очень важны молекулярные сита, такие как 4A и 13X. Они способны адсорбировать воду и CO₂ с высокой селективностью, и концентрация этих компонентов снижается до уровня менее 1 ppm. Молекулярные сита также уникальны своей способностью одновременно удалять влагу и CO₂, а также своей производительностью в течение нескольких циклов регенерации. Другие осушители, такие как силикагель и активированный глинозем, могут использоваться до молекулярных сит для обработки большого количества влаги, но они не могут сравниться с тонкой и глубокой сушкой, обеспечиваемой молекулярными ситами, особенно для криогенных применений.

После осушения и очистки воздух охлаждается до температуры сжижения, а затем перекачивается в холодный бокс. Здесь дистилляционные колонны отделяют кислород от азота, аргона и других незначительных компонентов. Конечный продукт - жидкий кислород очень высокой чистоты, который можно использовать как таковой или испарять для применения в медицинском кислороде, сварочном производстве и производстве стали. Этот метод больше подходит для приложений, где требуется кислород с чистотой более 99%, и для крупномасштабного производства кислорода, что делает его фундаментальной технологией для отраслей с высокой потребностью в кислороде.

Однако криогенное производство кислорода не лишено проблем. Криогенные температуры трудно достичь и поддерживать, а системы охлаждения, необходимые для этой цели, очень энергоемки и дороги. Но для отраслей, где требуется большая и постоянная поставка кислорода, таких как сталелитейная промышленность, газовая сварка или здравоохранение, этот метод по-прежнему очень полезен благодаря своей надежности и способности производить большие объемы кислорода.

Адсорбция с поворотом давления (PSA)

Адсорбция под давлением (PSA) - один из самых эффективных и экономичных способов получения кислорода. Он основан на использовании таких материалов, как цеолиты, для селективной адсорбции азота и одновременного пропускания кислорода. Работающие при сравнительно низком давлении, системы PSA подходят для производства кислорода на месте, особенно в таких отраслях, как здравоохранение, где наличие кислорода имеет большое значение.

В системах PSA сжатый воздух сначала проходит через адсорбирующий материал, который улавливает азот и другие загрязнения, такие как CO₂ и влага. Если не очищать эти примеси, они могут значительно снизить эффективность и срок службы системы. Молекулярные сита, такие как 5A и 13X, используются в этом процессе, поскольку они являются основными адсорбентами, которые применяются как для отделения азота, так и для глубокой сушки. Молекулярные сита помогают поддерживать производительность системы и постоянное производство кислорода, снижая содержание влаги и CO₂ до уровня менее 1 ppm. На некоторых этапах предварительной обработки используются сушильные агенты, такие как активированный глинозем и силикагель, которые справляются с объемной влагой и защищают молекулярные сита. Однако молекулярные сита абсолютно необходимы для достижения уровня точности и проникновения, необходимого для операций PSA.

Когда давление в системе сбрасывается, азот десорбируется, а адсорбирующий материал готов к следующему циклу работы. PSA не может достичь такого же уровня чистоты, как криогенная дистилляция, но он может производить кислород с чистотой 90-95%, что вполне достаточно для таких целей, как газовая сварка или медицинские нужды.

PSA также можно масштабировать, что является одним из значительных преимуществ. Они могут быть разработаны для малого или среднего производства и, таким образом, доступны для отраслей промышленности, которым не требуются большие объемы, производимые криогенными установками. Однако адсорбирующий материал требует частой регенерации для поддержания высокой эффективности и действенности в долгосрочной перспективе.

Вакуумная адсорбция под давлением (VPSA)

VPSA - это модификация PSA, которая повышает эффективность, поскольку для удаления азота в процессе десорбции используется вакуум. Это снижает потребление энергии и повышает общую производительность системы, делая VPSA экономически эффективным выбором для производства кислорода средней чистоты при больших расходах. Широко используется в производстве стали, водоподготовке и в системах сжигания.

Для обеспечения стабильной работы систем VPSA необходимо использовать воздух, не содержащий влаги и CO₂, поскольку эти компоненты могут повредить адсорбенты или снизить производительность системы. Молекулярные сита типов 5A, 13X и усовершенствованные LiX играют важную роль в этом процессе. Особенно молекулярные сита LiX обладают более высокой адсорбционной способностью по азоту, лучшей эффективностью удаления воды и CO₂, а также лучшей стабильностью в условиях высокого давления и многократной регенерации.

Предварительная обработка обычно состоит из активированного глинозема и силикагеля для удаления грубой влаги и минимизации работы молекулярных сит. Тем не менее, молекулярные сита жизненно необходимы для достижения чрезвычайно низких точек росы и сохранения производительности систем VPSA в долгосрочной перспективе. Хотя VPSA имеет более низкие энергетические затраты на объем вырабатываемого кислорода по сравнению с PSA, капитальные затраты выше из-за вакуумных систем. В связи с этим VPSA наиболее подходит для отраслей, где требуется одновременно высокая эффективность и большая производительность.

Мембранное разделение: Извлечение кислорода через проницаемость специфических мембран

Мембранное разделение - относительно новая технология производства кислорода. В ней используются селективные полимерные мембраны, которые позволяют пропускать молекулы кислорода, а не молекулы азота, чтобы получить концентрированный поток кислорода. Этот метод отличается небольшими размерами, низким энергопотреблением и подходит для применений, не требующих высокого уровня чистоты кислорода.

Мембранные системы особенно выгодны для удаленных или мобильных установок благодаря своей простоте и неприхотливости в обслуживании. Например, в газосварочной промышленности или химическом производстве этот метод используется благодаря своей гибкости. Однако из-за невозможности достичь такого же уровня чистоты кислорода, как в PSA или криогенных процессах, применение этого метода несколько ограничено умеренными требованиями к чистоте кислорода.

Прежде чем воздух попадет в мембраны, его необходимо осушить, чтобы добиться наилучших результатов. Вода и CO₂ могут снизить эффективность мембраны и сократить срок службы системы. Активированный глинозем используется в качестве основного сушильного агента в этих системах для удаления объемной влаги до уровня, достаточного для большинства процессов. Для более сложных применений, где требуется более глубокая сушка или удаление CO₂, используются молекулярные сита, поскольку они обладают более высокой адсорбционной способностью. Молекулярные сита типа 4A или 13X могут удалять влагу и CO₂ до сверхвысоких уровней. Таким образом, мембраны хорошо защищены, и система может стабильно работать при высоких рабочих условиях. Силикагель применяется реже, но иногда его используют на первом этапе, чтобы удалить большую часть влаги и уменьшить работу активированного глинозема и молекулярных сит.

Хотя мембранное разделение не может обеспечить такой же уровень чистоты, как PSA или криогенные методы, низкое энергопотребление, компактность и простота метода позволяют использовать его там, где достаточно умеренного уровня чистоты кислорода.

Заключение

Промышленное производство кислорода основывается на различных методах, отвечающих конкретным потребностям: Криогенная дистилляция для получения кислорода высокой чистоты, адсорбция под давлением (PSA) и вакуумная адсорбция под давлением (VPSA) для средней чистоты и мембранное разделение для компактных растворов средней чистоты. Во всех этих методах необходима воздушная сушка, поэтому молекулярные сита имеют большое значение. Это связано с тем, что они обладают более высокой способностью адсорбировать влагу и CO₂, что повышает надежность и эффективность системы. Благодаря своей точности, прочности и универсальности молекулярные сита по-прежнему являются важной частью современного производства кислорода и помогают различным отраслям промышленности добиваться надежных результатов.

Молекулярные сита Jalon обеспечивают эффективное и надежное производство кислорода

Компания Jalon занимается производством молекулярных сит уже более 20 лет, имеет 112 зарегистрированных патентов и экспортирует свою продукцию в 86 стран. Мы сертифицированы по стандартам ISO 9001 и ISO 14001, что гарантирует нашим клиентам качество, надежность и устойчивость нашей продукции к их потребностям.

Помимо обычных молекулярных сит, компания Jalon разработала усовершенствованные продукты для повышения эффективности промышленного производства кислорода. Новое поколение наших молекулярных сит, JLOX-500 и JLOX-103, увеличивает адсорбцию азота и селективность азота по отношению к кислороду. Это гарантирует более высокую эффективность производства кислорода, что идеально подходит для промышленных систем производства кислорода PSA и VPSA.

Опираясь на современную научно-исследовательскую лабораторию с инвестициями в 14,5 млн юаней, Jalon гарантирует постоянное улучшение характеристик продукции. Будь то медицинское применение или промышленное разделение газов, молекулярные сита Jalon предлагают надежные и эффективные решения, отвечающие требованиям современного производства кислорода.

Потенциальные проблемы и решения в промышленном производстве кислорода

Существует несколько проблем, связанных с промышленным производством кислорода, и они заключаются в следующем: эти проблемы можно разделить на четыре основные области: потребление энергии, чистота, эксплуатация, хранение и транспортировка.

Потребление энергии

Применяемая обычно криогенная дистилляция требует много энергии для охлаждения воздуха до температуры ниже -183°C для сжижения. В связи с этим производители ищут способы использования энергоэффективных технологий охлаждения и включения возобновляемых источников энергии в производственные процессы.

Поддержание чистоты

Углекислый газ, вода или аргон могут загрязнять кислород, а это нежелательно для применений, требующих высокого уровня чистоты кислорода, например, в медицинских учреждениях. Высокоэффективные системы осушения, такие как молекулярные сита, а также непрерывный мониторинг и фильтрация гарантируют, что поставляемый кислород будет надлежащего качества.

Непрерывность работы

Системы PSA требуют периодической регенерации адсорбента, что приводит к остановке производства. Дублированные системы и современные материалы адсорбентов, включая молекулярные сита высокой емкости, сокращают время выхода оборудования из строя и повышают производительность.

Хранение и транспортировка

Для хранения и транспортировки кислорода также требуются специальные емкости, такие как баллоны высокого давления или криогенные цистерны, которые нуждаются в частой проверке. Достижения в области легких и прочных средств хранения и генерации кислорода на месте устраняют проблемы управления цепочкой поставок.

Несмотря на эти трудности, промышленное производство кислорода все еще способно удовлетворить потребности различных отраслей промышленности с помощью современных технологий и эффективных методов.

Новые технологии и инновации в промышленном производстве кислорода

Будущее промышленного производства кислорода - это инновации, когда усилия направлены на то, чтобы сделать процессы более эффективными, устойчивыми и дешевыми. Новые разработки в области криогенной дистилляции направлены на снижение энергопотребления, которое является одним из самых больших факторов расхода. Разрабатываются новые технологии охлаждения, позволяющие снизить мощность, необходимую для достижения отрицательных температур ниже -183°C, чтобы повысить эффективность крупномасштабного производства кислорода.

В технологии PSA разрабатываются новые и более совершенные адсорбирующие материалы, такие как молекулярные сита, для улучшения адсорбции азота и селективности по кислороду. Эти материалы повышают выход кислорода, продлевают срок службы систем и снижают расходы на обслуживание. Также предпринимаются попытки использовать комбинацию PSA и криогенных технологий для достижения высокой чистоты и относительно низкой стоимости эксплуатации.

Новые решения для мониторинга на основе искусственного интеллекта уже меняют индустрию производства кислорода, обеспечивая анализ данных в режиме реального времени и предиктивное обслуживание. Такие системы сокращают количество отходов, гарантируют необходимый уровень производительности и способствуют достижению экологических целей.

Наконец, развитие технологии мембранного разделения расширяет возможности получения кислорода. Эти системы малогабаритны и энергоэффективны, что делает их подходящими для отраслей, где требуются небольшие системы по разумным ценам.

Совершенствуя существующие технологии и разрабатывая новые методы производства промышленного кислорода, мы обеспечиваем мир газом более эффективным и экологичным способом.