Сепарация воздуха

Установка разделения воздуха разделяет атмосферный воздух на его основные компоненты, обычно азот и кислород , а иногда также аргон и другие редкие инертные газы .

Наиболее распространенным методом разделения воздуха является фракционная перегонка . Криогенные воздухоразделительные установки (ВРУ) предназначены для обеспечения азотом или кислородом и часто совместного производства аргона. Другие методы, такие как мембрана, адсорбция при переменном давлении (PSA) и адсорбция при переменном давлении в вакууме (VPSA), коммерчески используются для отделения одного компонента от обычного воздуха. высокой чистоты Кислород , азот и аргон , используемые для изготовления полупроводниковых приборов , требуют криогенной дистилляции. Точно так же единственным жизнеспособным источником редких газов неона , криптона и ксенона является перегонка воздуха с использованием как минимум двух дистилляционных колонн . Гелий также извлекается в усовершенствованных процессах разделения воздуха. ^[1]

Процесс криогенной дистилляции

Чистые газы можно отделить от воздуха, сначала охладив его до сжижения, а затем избирательно перегоняя компоненты при различных температурах кипения. Этот процесс может производить газы высокой чистоты, но является энергоемким. Этот процесс был впервые предложен Карлом фон Линде в начале 20 века и до сих пор используется для производства газов высокой чистоты. Он разработал его в 1895 году; этот процесс оставался чисто академическим в течение семи лет, прежде чем он был впервые использован в промышленных целях (1902 г.). ^[3]

Дистилляционная колонна криогенной установки разделения воздуха

Процесс криогенного разделения ^[4]^[5]^[6] требует очень тесной интеграции теплообменников и разделительных колонн для получения хорошей эффективности, а вся энергия для охлаждения обеспечивается за счет сжатия воздуха на входе в агрегат.

Для достижения низких температур дистилляции воздухоразделительная установка требует холодильного цикла , работающего за счет эффекта Джоуля-Томсона , а холодное оборудование должно храниться в изолированном корпусе (обычно называемом «холодным ящиком»). Охлаждение газов требует большого количества энергии для работы этого холодильного цикла и осуществляется воздушным компрессором . используются расширительные турбины В современных ВРУ для охлаждения ; Выходная мощность расширителя помогает приводить в действие воздушный компрессор, что повышает эффективность.Процесс состоит из следующих основных этапов: ^[7]

Перед сжатием воздух предварительно фильтруется от пыли.
Воздух сжимается, при этом конечное давление нагнетания определяется степенью восстановления и состоянием жидкости (газ или жидкость) продуктов. Типичное давление находится в диапазоне от 5 до 10 бар манометрического давления. Воздушный поток также может быть сжат до различного давления для повышения эффективности ВРУ. Во время сжатия вода конденсируется в межступенчатых охладителях.
Технологический воздух обычно пропускают через молекулярное сито , которое удаляет оставшийся водяной пар, а также углекислый газ , который может замерзнуть и закупорить криогенное оборудование. Молекулярные сита часто предназначены для удаления газообразных углеводородов из воздуха, поскольку они могут стать проблемой при последующей дистилляции воздуха, что может привести к взрывам. ^[8] Слой молекулярных сит необходимо регенерировать. Это достигается путем установки нескольких установок, работающих в попеременном режиме, и использования сухих попутно образующихся отходящих газов для десорбции воды.
Технологический воздух проходит через встроенный теплообменник (обычно пластинчатый теплообменник ) и охлаждается криогенными потоками продукта (и отходов). Часть воздуха сжижается с образованием жидкости, обогащенной кислородом. Оставшийся газ богаче азотом и перегоняется до почти чистого азота (обычно <1 ppm) в дистилляционной колонне высокого давления (ВД). Конденсатор этой колонны требует охлаждения , которое получается за счет дальнейшего расширения более обогащенного кислородом потока через клапан или через детандер (обратный компрессор).
В качестве альтернативы конденсатор может охлаждаться путем обмена тепла с ребойлером в дистилляционной колонне низкого давления (НД) (работающей при абс. 1,2–1,3 бар), когда ВРУ производит чистый кислород. Чтобы свести к минимуму стоимость сжатия, комбинированный конденсатор/ребойлер колонн ВД/НД должен работать с разницей температур всего 1-2 К, для чего требуются паяные алюминиевые теплообменники с пластинчатыми ребрами. Типичная чистота кислорода находится в диапазоне от 97,5% до 99,5% и влияет на максимальное восстановление кислорода. Холод, необходимый для производства жидких продуктов, достигается с помощью эффекта Джоуля-Томсона в детандере, который подает сжатый воздух непосредственно в колонну низкого давления. Следовательно, определенная часть воздуха не подлежит отделению и должна покинуть колонну низкого давления в виде отработанного потока из ее верхней части.
Поскольку температура кипения аргона (87,3 К при стандартных условиях) находится между температурой кипения кислорода (90,2 К) и азота (77,4 К), аргон накапливается в нижней части колонны низкого давления. При производстве аргона отбор паров осуществляется из колонны низкого давления, где концентрация аргона самая высокая. Его направляют в другую колонну для ректификации аргона до желаемой чистоты, из которой жидкость возвращается в то же место в колонне НД. Использование современных структурированных насадок с очень низкими перепадами давления позволяет использовать аргон с содержанием примесей менее 1 ppm. Хотя аргон присутствует менее чем в 1% входящего потока, колонна с воздушным аргоном требует значительного количества энергии из-за требуемого высокого флегмового числа (около 30) в колонне с аргоном. Охлаждение аргоновой колонны может осуществляться холодной расширенной насыщенной жидкостью или жидким азотом.
Наконец, продукты, произведенные в газовой форме, нагреваются за счет поступающего воздуха до температуры окружающей среды. Это требует тщательно продуманной тепловой интеграции, которая должна обеспечивать устойчивость к помехам (из-за переключения слоев молекулярных сит). ^[9] Во время запуска также может потребоваться дополнительное внешнее охлаждение.

Отделенные продукты иногда поставляются по трубопроводу крупным промышленным потребителям вблизи производственного предприятия. Транспортировка продукции на большие расстояния осуществляется путем перевозки жидкого продукта в больших количествах или в виде колб Дьюара или газовых баллонов для небольших количеств.

Некриогенные процессы

Адсорбция при переменном давлении обеспечивает отделение кислорода или азота от воздуха без сжижения. Процесс протекает при температуре окружающей среды; цеолит ( молекулярная губка) подвергается воздействию воздуха под высоким давлением, затем воздух высвобождается и выделяется адсорбированная пленка нужного газа. Размер компрессора значительно меньше, чем на заводе по сжижению газа, и портативные концентраторы кислорода изготавливаются таким образом, чтобы обеспечивать обогащенный кислородом воздух для медицинских целей. Адсорбция в вакууме представляет собой аналогичный процесс; Продуктовый газ выделяется из цеолита при давлении ниже атмосферного.

Мембранные технологии могут обеспечить альтернативные, менее энергетические подходы к разделению воздуха. Например, изучается ряд подходов к производству кислорода. Например, полимерные мембраны, работающие при температуре окружающей среды или при высоких температурах, могут производить воздух, обогащенный кислородом (25-50% кислорода). Керамические мембраны могут обеспечивать кислород высокой чистоты (90% и более), но для работы требуют более высоких температур (800-900 градусов Цельсия). Эти керамические мембраны включают мембраны для переноса ионов (ITM) и мембраны для переноса кислорода (OTM). Air Products and Chemicals Inc и Praxair разрабатывают плоские системы ITM и трубчатые системы OTM. ^{[ нужна ссылка ]}

Мембранное разделение газов используется для подачи газов с низким содержанием кислорода и богатых азотом вместо воздуха для заполнения топливных баков реактивных лайнеров, что значительно снижает вероятность случайных пожаров и взрывов. И наоборот, мембранное разделение газов в настоящее время используется для подачи обогащенного кислородом воздуха пилотам, летающим на больших высотах на самолетах без гермокабины.

Обогащенный кислородом воздух можно получить, используя разную растворимость кислорода и азота. Кислород более растворим в воде, чем азот, поэтому, если дегазировать воздух от воды, можно получить поток 35% кислорода. ^[10]

Приложения

Ракетная техника

Жидкий кислород для таких компаний, как SpaceX . ^[11]

Медицинский

Чистый кислород доставляется в крупные больницы для использования пациентами.

Сталь

В производстве стали кислород необходим для процесса производства стали с кислородным кислородом . В современном кислородно-конверторном производстве стали используется почти две тонны кислорода на тонну стали. ^[12]

Аммиак

Азот, используемый в процессе Габера для получения аммиака . ^[13]

Угольный газ

требуются большие количества кислорода Для проектов газификации угля ; В некоторых проектах встречаются криогенные установки производительностью 3000 тонн/день. ^[14]

Инертный газ

Инертизация азотом резервуаров судов и резервуаров для нефтепродуктов или для защиты пищевых нефтепродуктов от окисления . ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Хрз, Вацлав. «Восстановление гелия» (PDF) . ЦЕРН . ЦЕРН . Проверено 30 ноября 2022 г.
^ Информационный бюллетень НАСА о Земле (обновлено в ноябре 2007 г.)
^ «Крутые изобретения» (PDF) . Институт инженеров-химиков. Сентябрь 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 13 января 2014 г. Проверено 12 января 2014 г.
^ Латимер, RE (1967). «Дистилляция воздуха». Химический технологический прогресс . 63 (2): 35–59.
^ Агравал, Р. (1996). «Синтез конфигураций дистилляционных колонн для многокомпонентного разделения». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 35 (4): 1059–1071. дои : 10.1021/ie950323h .
^ Касл, WF (2002). «Сепарация воздуха и сжижение: последние события и перспективы на начало нового тысячелетия». Международный журнал холодильного оборудования . 25 : 158–172. дои : 10.1016/S0140-7007(01)00003-2 .
^ «Как работает разделение воздуха» . Мессер . Проверено 9 ноября 2022 г.
^ Твердые частицы от лесных пожаров вызвали взрыв в установке разделения воздуха на заводе по переработке газа в жидкость , см. Файнштейн, В.И. (2007). «Обеспечение взрывозащищенных воздухоразделительных установок в современных условиях». Химическое и нефтяное машиностроение . 43 (1–2): 96–101. дои : 10.1007/s10556-007-0018-8 . S2CID 110001679 .
^ Винсон, доктор медицинских наук (2006). «Технология управления разделением воздуха». Компьютеры и химическая инженерия . 30 (10–12): 1436–1446. doi : 10.1016/j.compchemeng.2006.05.038 .
^ Галли, Ф; Комацци, А; Превитали, Д; Маненти, Ф; Боццано, Дж; Бьянки, CL; Пирола, К. (2017). «Производство обогащенного кислородом воздуха путем десорбции из воды: экспериментальные данные, моделирование и экономическая оценка». Компьютеры и химическая инженерия . 102 : 11–16. doi : 10.1016/j.compchemeng.2016.07.031 .
^ Коупленд, Майк. «Messer построит газовый завод в МакГрегоре за 50 миллионов долларов» . Waco Tribune-Herald . Waco Tribune-Herald . Проверено 30 ноября 2022 г.
^ Фланк, Уильям Х.; Авраам, Мартин А.; Мэтьюз, Майкл А. (2009). Инновации в промышленной и технической химии: век достижений и перспективы на новое тысячелетие . Американское химическое общество. ISBN 9780841269637 .
^ Вингейт, Филиппа; Гиффорд, Клайв; Трейс, Ребекка (1992). Основная наука . Асборн. ISBN 9780746010112 . Жидкий азот, используемый в процессе Габера для получения аммиака.
^ Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (2-е изд.). Эльзевир. п. 324.

Внешние ссылки

Моделирование воздухоразделительных установок

[1] Хрз, Вацлав. «Восстановление гелия» (PDF) . ЦЕРН . ЦЕРН . Проверено 30 ноября 2022 г.

[2] Информационный бюллетень НАСА о Земле (обновлено в ноябре 2007 г.)

[Cool-3] «Крутые изобретения» (PDF) . Институт инженеров-химиков. Сентябрь 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 13 января 2014 г. Проверено 12 января 2014 г.

[4] Латимер, RE (1967). «Дистилляция воздуха». Химический технологический прогресс . 63 (2): 35–59.

[5] Агравал, Р. (1996). «Синтез конфигураций дистилляционных колонн для многокомпонентного разделения». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 35 (4): 1059–1071. дои : 10.1021/ie950323h .

[6] Касл, WF (2002). «Сепарация воздуха и сжижение: последние события и перспективы на начало нового тысячелетия». Международный журнал холодильного оборудования . 25 : 158–172. дои : 10.1016/S0140-7007(01)00003-2 .

[Messer_Air_Seperation-7] «Как работает разделение воздуха» . Мессер . Проверено 9 ноября 2022 г.

[8] Твердые частицы от лесных пожаров вызвали взрыв в установке разделения воздуха на заводе по переработке газа в жидкость , см. Файнштейн, В.И. (2007). «Обеспечение взрывозащищенных воздухоразделительных установок в современных условиях». Химическое и нефтяное машиностроение . 43 (1–2): 96–101. дои : 10.1007/s10556-007-0018-8 . S2CID 110001679 .

[9] Винсон, доктор медицинских наук (2006). «Технология управления разделением воздуха». Компьютеры и химическая инженерия . 30 (10–12): 1436–1446. doi : 10.1016/j.compchemeng.2006.05.038 .

[10] Галли, Ф; Комацци, А; Превитали, Д; Маненти, Ф; Боццано, Дж; Бьянки, CL; Пирола, К. (2017). «Производство обогащенного кислородом воздуха путем десорбции из воды: экспериментальные данные, моделирование и экономическая оценка». Компьютеры и химическая инженерия . 102 : 11–16. doi : 10.1016/j.compchemeng.2016.07.031 .

[Messer_Texas-11] Коупленд, Майк. «Messer построит газовый завод в МакГрегоре за 50 миллионов долларов» . Waco Tribune-Herald . Waco Tribune-Herald . Проверено 30 ноября 2022 г.

[12] Фланк, Уильям Х.; Авраам, Мартин А.; Мэтьюз, Майкл А. (2009). Инновации в промышленной и технической химии: век достижений и перспективы на новое тысячелетие . Американское химическое общество. ISBN 9780841269637 .

[13] Вингейт, Филиппа; Гиффорд, Клайв; Трейс, Ребекка (1992). Основная наука . Асборн. ISBN 9780746010112 . Жидкий азот, используемый в процессе Габера для получения аммиака.

[14] Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (2-е изд.). Эльзевир. п. 324.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]