Separace vzduchu - Air separation

Zařízení na separaci vzduchu odděluje atmosférický vzduch na jeho primární složky, obvykle dusík a kyslík , a někdy také argon a jiné vzácné inertní plyny .

Nejběžnější metodou pro separaci vzduchu je frakční destilace . Kryogenické separační jednotky vzduchu (ASU) jsou konstruovány tak, aby poskytovaly dusík nebo kyslík a často koprodukovaly argon. K oddělení jedné složky od běžného vzduchu se komerčně používají jiné metody, jako je membrána, adsorpce kolísáním tlaku (PSA) a vakuová kolísání tlaku (VPSA). Vysoce čistý kyslík , dusík a argon , který se používá k výrobě polovodičových součástek , vyžaduje kryogenní destilaci. Podobně jediným životaschopným zdrojem vzácných plynů neon , krypton a xenon je destilace vzduchu pomocí alespoň dvou destilačních kolon .

Proces kryogenní destilace

Složení suchého atmosférického vzduchu

Čisté plyny lze oddělit od vzduchu tak, že se nejprve ochladí, dokud nezkapalní, a potom se při různých teplotách varu složky selektivně destilují . Tento proces může produkovat vysoce čisté plyny, ale je energeticky náročný. Tento proces byl průkopníkem Carl von Linde na počátku 20. století a dodnes se používá k výrobě vysoce čistých plynů. Vyvinul jej v roce 1895; proces zůstal čistě akademický po dobu sedmi let, než byl poprvé použit v průmyslových aplikacích (1902).

Destilační kolona v zařízení na separaci kryogenního vzduchu

Proces kryogenní separace vyžaduje velmi těsnou integraci tepelných výměníků a separačních kolon, aby se dosáhlo dobré účinnosti a veškerá energie pro chlazení je poskytována kompresí vzduchu na vstupu jednotky.

K dosažení nízkých destilačních teplot vyžaduje jednotka pro oddělování vzduchu chladicí cyklus, který pracuje pomocí Joule-Thomsonova jevu , a chladicí zařízení musí být udržováno v izolovaném prostoru (běžně nazývaném „studený box“). Chlazení plynů vyžaduje, aby tento chladicí cyklus fungoval, velké množství energie a je dodáváno vzduchovým kompresorem . Moderní ASU používají pro chlazení expanzní turbíny ; výstup expandéru pomáhá pohánět vzduchový kompresor, což zvyšuje účinnost. Proces se skládá z následujících hlavních kroků:

  1. Před kompresí je vzduch předfiltrován od prachu.
  2. Vzduch je stlačován tam, kde je konečný dodávací tlak určen zpětným získáním a tekutým stavem (plyn nebo kapalina) produktů. Typické tlaky se pohybují mezi 5 a 10 bar. Proud vzduchu může být také stlačen na různé tlaky, aby se zvýšila účinnost ASU. Během stlačování voda kondenzuje v mezistupňových chladičích.
  3. Procesní vzduch obvykle prochází vrstvou molekulárního síta , která odstraňuje veškerou zbývající vodní páru, stejně jako oxid uhličitý , který by zmrazil a ucpal kryogenní zařízení. Molekulární síta jsou často navržena tak, aby odstranila veškeré plynné uhlovodíky ze vzduchu, protože to může být problém při následné destilaci vzduchu, který by mohl vést k výbuchům. Musí být regenerováno lože molekulárních sít. To se provádí instalací více jednotek pracujících ve střídavém režimu a použitím suchého společně vyrobeného odpadního plynu k desorpci vody.
  4. Procesní vzduch prochází integrovaným tepelným výměníkem (obvykle deskovým výměníkem tepla ) a ochlazuje se proti kryogenním proudům produktu (a odpadu). Část vzduchu zkapalňuje za vzniku kapaliny obohacené kyslíkem. Zbývající plyn je bohatší na dusík a destiluje se na téměř čistý dusík (obvykle <1 ppm) ve vysokotlaké (HP) destilační koloně. Kondenzátor této kolony vyžaduje chlazení, které se získává expanzí proudu bohatšího na kyslík dále přes ventil nebo přes Expander (reverzní kompresor).
  5. Alternativně může být kondenzátor chlazen výměnou tepla s vařičem v destilační koloně s nízkým tlakem (LP) (pracující při absenci 1,2 - 1,3 bar), když ASU produkuje čistý kyslík. Aby se minimalizovaly náklady na kompresi, musí kombinovaný kondenzátor / vařič kolon HP / LP pracovat s teplotním rozdílem pouze 1–2 K, což vyžaduje hliníkové tepelné výměníky pájené deskou. Typická čistota kyslíku se pohybuje v rozmezí od 97,5% do 99,5% a ovlivňuje maximální výtěžnost kyslíku. Chlazení potřebné pro výrobu kapalných produktů se získává pomocí Joule-Thomsonova efektu v expandéru, který dodává stlačený vzduch přímo do nízkotlaké kolony. Určitá část vzduchu tedy nesmí být oddělena a musí z nízkotlaké kolony odcházet jako proud odpadu z její horní části.
  6. Protože teplota varu argonu (87,3 K za standardních podmínek) leží mezi bodem varu kyslíku (90,2 K) a dusíku (77,4 K), argon se hromadí ve spodní části nízkotlaké kolony. Když se vyrábí argon, odebírá se strana páry z nízkotlaké kolony, kde je nejvyšší koncentrace argonu. Je odeslán do jiné kolony usměrňující argon na požadovanou čistotu, ze které se kapalina vrací na stejné místo v LP koloně. Použití moderních strukturovaných náplní, které mají velmi nízké tlakové ztráty, umožňuje argon s méně než 1 ppm nečistot. I když je argon přítomen v méně než 1% přiváděného, ​​vyžaduje vzduchová argonová kolona značné množství energie kvůli vysokému požadovanému poměru zpětného toku (asi 30) v argonové koloně. Chlazení argonové kolony lze zajistit ze studené expandované kapaliny bohaté na kapalinu nebo kapalným dusíkem.
  7. Nakonec se produkty vyrobené v plynné formě ohřívají proti přicházejícímu vzduchu na teplotu okolí. To vyžaduje pečlivě vytvořenou tepelnou integraci, která musí umožňovat odolnost proti rušení (kvůli přepnutí ložísk molekulárního síta). To může také vyžadovat další externí chlazení během spouštění.

Oddělené produkty se někdy dodávají potrubím velkým průmyslovým uživatelům v blízkosti výrobního závodu. Přeprava produktů na velké vzdálenosti je přepravou kapalných produktů pro velká množství nebo jako Dewarovy baňky nebo lahve na plyn pro malá množství.

Nekryogenní procesy

Generátor dusíku
Láhev 4Å molekulárních sít

Adsorpce kolísání tlaku zajišťuje oddělení kyslíku nebo dusíku ze vzduchu bez zkapalňování. Proces probíhá kolem teploty okolí; zeolit (molekulární houba) je vystaven vysokým tlakem vzduchu, pak se vzduch uvolňuje a adsorbovaný film požadovaného plynu se uvolní. Velikost kompresoru je oproti zkapalňovacímu zařízení mnohem menší a přenosné koncentrátory kyslíku se vyrábějí tímto způsobem, aby poskytovaly vzduch obohacený kyslíkem pro lékařské účely. Adsorpce pomocí vakuového výkyvu je podobný proces; produktový plyn se ze zeolitu uvolňuje při subatmosférickém tlaku.

Membránový generátor dusíku

Membránové technologie mohou poskytnout alternativní nízkoenergetické přístupy k oddělování vzduchu. Například se zkoumá řada přístupů ke generování kyslíku. Například polymerní membrány pracující při okolních nebo vysokých teplotách mohou být schopné produkovat vzduch obohacený kyslíkem (25-50% kyslíku). Keramické membrány mohou poskytovat vysoce čistý kyslík (90% nebo více), ale pro svou činnost vyžadují vyšší teploty (800-900 ° C). Tyto keramické membrány zahrnují iontové transportní membrány (ITM) a kyslíkové transportní membrány (OTM). Air Products and Chemicals Inc a Praxair vyvíjejí ploché ITM a trubkové systémy OTM,.

Membránová separace plynů se používá k zajištění plynů chudých na kyslík a bohatých na dusík namísto vzduchu k plnění palivových nádrží tryskových vložek, čímž se výrazně snižuje pravděpodobnost náhodných požárů a výbuchů. Naopak, membránová separace plynů se v současné době používá k zajištění kyslíkem obohaceného vzduchu pro piloty létající ve velkých výškách v letadlech bez přetlakových kabin.

Vzduch obohacený kyslíkem lze získat využitím odlišné rozpustnosti kyslíku a dusíku. Kyslík je ve vodě rozpustnější než dusík, takže pokud je vzduch odplyněn z vody, lze získat proud 35% kyslíku.

Aplikace

Ocel

Při výrobě oceli je pro základní výrobu kyslíku vyžadován kyslík . Dnes se v moderní základní kyslíkové výrobě oceli používají téměř dvě tuny kyslíku na tunu oceli.

Amoniak

Dusík používaný při Haberově procesu k výrobě amoniaku .

Svítiplyn

Pro projekty zplyňování uhlí je zapotřebí velké množství kyslíku ; v některých projektech se nacházejí kryogenní rostliny produkující 3000 tun denně.

Inertní plyn

Inertizace se zásobníky dusíku na lodích a nádržích na ropné produkty nebo k ochraně jedlých ropných produktů před oxidací.

Viz také

Reference

externí odkazy