Воздухоразделительная установка разделяет атмосферный воздух на основные компоненты, как правило, азот и кислород , а иногда также аргон и другие редкие инертные газы .
Чистые газы можно отделить от воздуха, сначала охладив его до сжижения, а затем селективно перегнав компоненты при различных температурах их кипения. Этот процесс может производить газы высокой чистоты, но он энергоемкий. Этот процесс был впервые предложен Карлом фон Линде в начале 20-го века и до сих пор используется для производства газов высокой чистоты. Он разработал его в 1895 году; процесс оставался чисто академическим в течение семи лет, прежде чем он был впервые использован в промышленных приложениях (1902). [3]
Ректификационная колонна в криогенной воздухоразделительной установке
Процесс криогенного разделения [4] [5] [6] требует очень тесной интеграции теплообменников и разделительных колонн для получения хорошей эффективности, а вся энергия для охлаждения обеспечивается сжатием воздуха на входе в установку.
Для достижения низких температур дистилляции воздухоразделительная установка требует холодильного цикла , работающего на эффекте Джоуля-Томсона , а холодное оборудование должно находиться в изолированном корпусе (обычно называемом «холодильной камерой»). Охлаждение газов требует большого количества энергии для работы этого холодильного цикла и осуществляется воздушным компрессором . Современные ВРУ используют турбины расширения для охлаждения; выход детандера помогает приводить в действие воздушный компрессор для повышения эффективности. Процесс состоит из следующих основных этапов: [7]
Перед сжатием воздух предварительно очищается от пыли.
Воздух сжимается, где конечное давление подачи определяется восстановлением и состоянием текучести (газ или жидкость) продуктов. Типичные значения давления находятся в диапазоне от 5 до 10 бар. Поток воздуха также может сжиматься до различных давлений для повышения эффективности ASU. Во время сжатия вода конденсируется в промежуточных охладителях.
Технологический воздух обычно пропускается через слой молекулярного сита , который удаляет все оставшиеся пары воды, а также углекислый газ , который может замерзнуть и закупорить криогенное оборудование. Молекулярные сита часто проектируются для удаления любых газообразных углеводородов из воздуха, поскольку они могут стать проблемой при последующей перегонке воздуха, что может привести к взрывам. [8] Слой молекулярного сита необходимо регенерировать. Это делается путем установки нескольких блоков, работающих в попеременном режиме, и использования сухого совместно произведенного отработанного газа для десорбции воды.
Технологический воздух проходит через встроенный теплообменник (обычно пластинчато-ребристый теплообменник ) и охлаждается криогенными потоками продукта (и отходов). Часть воздуха сжижается, образуя жидкость, обогащенную кислородом. Оставшийся газ более богат азотом и перегоняется до почти чистого азота (обычно < 1 ppm) в дистилляционной колонне высокого давления (ВД). Конденсатор этой колонны требует охлаждения , которое достигается путем дальнейшего расширения потока, богатого кислородом, через клапан или через расширитель (обратный компрессор).
В качестве альтернативы конденсатор может охлаждаться путем обмена теплом с ребойлером в дистилляционной колонне низкого давления (НД) (работающей при 1,2–1,3 бар абс.), когда ВРУ производит чистый кислород. Для минимизации затрат на сжатие комбинированный конденсатор/ребойлер колонн ВД/НД должен работать с разницей температур всего 1–2 К, требуя пластинчато-ребристых паяных алюминиевых теплообменников. Типичная чистота кислорода составляет от 97,5% до 99,5% и влияет на максимальное извлечение кислорода. Охлаждение, необходимое для производства жидких продуктов, достигается с использованием эффекта Джоуля–Томсона в расширителе, который подает сжатый воздух непосредственно в колонну низкого давления. Следовательно, определенная часть воздуха не должна разделяться и должна покидать колонну низкого давления в виде потока отходов из ее верхней секции.
Поскольку температура кипения аргона (87,3 К при стандартных условиях) лежит между температурами кипения кислорода (90,2 К) и азота (77,4 К), аргон накапливается в нижней части колонны низкого давления. При производстве аргона из колонны низкого давления, где концентрация аргона самая высокая, отбирается боковой отвод пара. Он направляется в другую колонну, ректификующую аргон до желаемой чистоты, из которой жидкость возвращается в то же место в колонне низкого давления. Использование современных структурированных насадок, которые имеют очень низкие перепады давления, позволяет получать аргон с примесями менее 1 ppm. Хотя аргон присутствует в количестве менее 1% от поступающего потока, воздушно-аргоновая колонна требует значительного количества энергии из-за требуемого высокого коэффициента орошения (около 30) в аргоновой колонне. Охлаждение аргоновой колонны может осуществляться от холодной расширенной богатой жидкости или жидким азотом.
Наконец, продукты, произведенные в газообразной форме, нагреваются против входящего воздуха до температуры окружающей среды. Это требует тщательно продуманной тепловой интеграции, которая должна обеспечивать устойчивость к помехам (из-за переключения слоев молекулярных сит). [9] Также может потребоваться дополнительное внешнее охлаждение во время запуска.
Отделенные продукты иногда поставляются по трубопроводу крупным промышленным потребителям вблизи производственного предприятия. Транспортировка продуктов на большие расстояния осуществляется путем перевозки жидкого продукта для больших количеств или в виде сосудов Дьюара или газовых баллонов для малых количеств.
Некриогенные процессы
Генератор азотаБутылка с молекулярными ситами 4Å
Адсорбция при переменном давлении обеспечивает отделение кислорода или азота от воздуха без сжижения. Процесс происходит при температуре окружающей среды; цеолит (молекулярная губка) подвергается воздействию воздуха высокого давления, затем воздух выпускается, и адсорбированная пленка желаемого газа высвобождается. Размер компрессора значительно уменьшен по сравнению с установкой по сжижению, и портативные концентраторы кислорода изготавливаются таким образом, чтобы обеспечивать обогащенный кислородом воздух для медицинских целей. Адсорбция при вакуумном переменном давлении представляет собой аналогичный процесс; продукт-газ выделяется из цеолита при давлении ниже атмосферного.
Мембранный генератор азота
Мембранные технологии могут обеспечить альтернативные, менее энергозатратные подходы к разделению воздуха. Например, изучается ряд подходов для получения кислорода. Полимерные мембраны, работающие при комнатной или высокой температуре, например, могут производить обогащенный кислородом воздух (25-50% кислорода). Керамические мембраны могут обеспечивать кислород высокой чистоты (90% или более), но требуют более высоких температур (800-900 °C) для работы. Эти керамические мембраны включают ионно-транспортные мембраны (ITM) и кислородно-транспортные мембраны (OTM). Air Products and Chemicals Inc и Praxair разрабатывают плоские ITM и трубчатые OTM системы. [ необходима цитата ]
Мембранное газоразделение используется для подачи бедных кислородом и богатых азотом газов вместо воздуха для заполнения топливных баков реактивных лайнеров, что значительно снижает вероятность случайных пожаров и взрывов. С другой стороны, мембранное газоразделение в настоящее время используется для подачи обогащенного кислородом воздуха пилотам, летающим на больших высотах в самолетах без герметичных кабин.
Обогащенный кислородом воздух можно получить, используя различную растворимость кислорода и азота. Кислород более растворим в воде, чем азот, поэтому, если воздух дегазировать из воды, можно получить поток 35% кислорода. [10]
Приложения
Ракетостроение
Жидкий кислород для таких компаний, как SpaceX . [11]
Медицинский
Чистый кислород поставляется в крупные больницы для использования пациентами.
Для проектов по газификации угля требуются большие объемы кислорода ; в некоторых проектах используются криогенные установки производительностью 3000 тонн в день. [14]
Инертный газ
Инертизация азотом резервуаров для хранения на судах и цистерн для нефтепродуктов или для защиты пищевых масляных продуктов от окисления . [ необходима ссылка ]
^ Chrz, Vaclav. "Helium Recovery" (PDF) . CERN . CERN . Получено 30 ноября 2022 г. .
^ NASA Earth Fact Sheet (обновлено в ноябре 2007 г.)
^ "Cool Inventions" (PDF) . Институт инженеров-химиков. Сентябрь 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-01-13 . Получено 2014-01-12 .
^ Латимер, Р. Э. (1967). «Дистилляция воздуха». Chemical Engineering Progress . 63 (2): 35–59.
^ Агравал, Р. (1996). «Синтез конфигураций дистилляционных колонн для многокомпонентного разделения». Industrial & Engineering Chemistry Research . 35 (4): 1059–1071. doi :10.1021/ie950323h.
^ Castle, WF (2002). «Разделение и сжижение воздуха: последние разработки и перспективы начала нового тысячелетия». International Journal of Refrigeration . 25 : 158–172. doi :10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
^ "Как работает разделение воздуха". Messer . Получено 9 ноября 2022 г. .
^ Твердые частицы от лесных пожаров стали причиной взрыва в воздухоразделительной установке завода по производству газа в жидкость , см. Файнштейн, В.И. (2007). «Обеспечение взрывобезопасных воздухоразделительных установок в современных условиях». Химическая и нефтяная инженерия . 43 (1–2): 96–101. doi :10.1007/s10556-007-0018-8. S2CID 110001679.
^ Винсон, DR (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, Г.; Бьянки, К. Л.; Пирола, К. (2017). «Производство воздуха, обогащенного кислородом, 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 стоимостью 50 миллионов долларов в Макгрегоре». Waco Tribune-Herald . Waco Tribune-Herald . Получено 30 ноября 2022 г. .
^ Фланк, Уильям Х.; Абрахам, Мартин А.; Мэтьюз, Майкл А. (2009). Инновации в промышленной и инженерной химии: столетие достижений и перспективы нового тысячелетия. Американское химическое общество. ISBN9780841269637.
^ Уингейт, Филиппа; Гиффорд, Клайв; Трейс, Ребекка (1992). Essential Science . Usborne. ISBN9780746010112. жидкий азот, используемый в процессе Габера для производства аммиака.
^ Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (2-е изд.). Эльзевир. п. 324.
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Разделение воздуха» .
