Разделение воздуха - Air separation
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c9/Atmosphere3.svg/400px-Atmosphere3.svg.png)
An разделение воздуха растение отделяется атмосферный воздух на его основные компоненты, обычно азот и кислород, а иногда и аргон и другие редкие инертные газы.
Наиболее распространенный метод разделения воздуха - фракционная перегонка. Установки криогенного разделения воздуха (ВРУ) предназначены для подачи азота или кислорода и часто для совместного производства аргона. Другие методы, такие как мембранные, адсорбция при переменном давлении (PSA) и адсорбция при переменном давлении (VPSA) коммерчески используются для отделения отдельных компонентов от обычного воздуха. Высокая чистота кислород, азот, и аргон, используется для изготовление полупроводниковых приборов, требуют криогенной перегонки. Точно так же единственный жизнеспособный источник инертные газы неон, криптон, и ксенон дистилляция воздуха с использованием как минимум двух ректификационные колонны.
Процесс криогенной дистилляции
Чистые газы можно отделить от воздуха, сначала охладив его до сжижения, а затем выборочно. дистилляция компоненты при различных температурах кипения. Этот процесс позволяет получать газы высокой чистоты, но требует больших затрат энергии. Пионером этого процесса стал Карл фон Линде в начале 20 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 г.).[2]
Процесс криогенной сепарации[3][4][5] требует очень плотной интеграции теплообменников и разделительных колонн для получения хорошего КПД, а вся энергия для охлаждения обеспечивается за счет сжатия воздуха на входе в установку.
Для достижения низких температур дистилляции воздухоразделительной установке требуется цикл охлаждения который действует посредством Эффект Джоуля – Томсона, а холодное оборудование должно храниться в изолированный корпус (обычно называемый «холодным ящиком»). Охлаждение газов требует большого количества энергии для работы этого холодильного цикла и осуществляется воздушным потоком. компрессор. Современные ВРУ используют турбодетандеры для охлаждения; выход расширителя помогает управлять воздушным компрессором, повышая его эффективность. Процесс состоит из следующих основных этапов:[нужна цитата ]
- Перед сжатием воздух предварительно фильтруется от пыли.
- Воздух сжимается, при этом конечное давление подачи определяется восстановлением и жидкость состояние (газ или жидкость) продуктов. Типичное давление составляет от 5 до 10 бар. Воздушный поток также может быть сжат до различных давлений для повышения эффективности ASU. Во время сжатия вода конденсируется в межступенчатых охладителях.
- Технологический воздух обычно проходит через молекулярная решетка кровать, которая удаляет оставшийся водяной пар, а также углекислый газ, что могло бы заморозить и заблокировать криогенное оборудование. Молекулярные сита часто предназначены для удаления любых газообразных углеводороды из воздуха, поскольку они могут стать проблемой при последующей перегонке воздуха, что может привести к взрывам.[6] Слой молекулярных сит необходимо регенерировать. Это достигается путем установки нескольких агрегатов, работающих в попеременном режиме, и использования сухого отходящего газа, образующегося при совместном производстве, для десорбции воды.
- Технологический воздух проходит через встроенный теплообменник (обычно пластинчато-ребристый теплообменник ) и охлаждение от криогенных потоков продукта (и отходов). Часть воздуха разжижается с образованием жидкости, обогащенной кислородом. Оставшийся газ более богат азотом и перегоняется до почти чистого азота (обычно <1 ppm) в ректификационной колонне высокого давления (HP). Конденсатор этой колонки требует охлаждение который получается за счет расширения потока, более богатого кислородом, через клапан или через Расширитель, (реверсивный компрессор).
- В качестве альтернативы конденсатор можно охладить путем обмена теплом с ребойлером в дистилляционной колонне низкого давления (LP) (работающей при 1,2–1,3 бар абс.), Когда ASU производит чистый кислород. Чтобы свести к минимуму затраты на сжатие, комбинированный конденсатор / ребойлер колонн ВД / НД должен работать при разнице температур всего 1-2 К, что требует паяных пластинчатых ребер 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 помощью Эффект Джоуля – Томсона в детандере, который подает сжатый воздух непосредственно в колонну низкого давления. Следовательно, определенная часть воздуха не подлежит разделению и должна покидать колонну низкого давления в виде потока отходов 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 отвод паров осуществляется из колонны низкого давления, где концентрация аргона самая высокая. Его направляют в другую колонку, очищая аргон до желаемой чистоты, из которой жидкость возвращается в то же место в колонне LP. Использование современных структурированных насадок с очень низкими перепадами давления позволяет аргону иметь примеси менее 1 ppm. Хотя аргон присутствует в количестве менее 1% входящего потока, воздушная колонна с аргоном требует значительного количества энергии из-за высокой степени дефлегмации (около 30), необходимой в колонне с аргоном. Охлаждение аргонной колонны может осуществляться от холодной расширенной богатой жидкости или жидким азотом.
- Наконец, продукты, произведенные в газовой форме, нагреваются от поступающего воздуха до температуры окружающей среды. Для этого требуется тщательно продуманная интеграция тепла, которая должна обеспечивать устойчивость к помехам (из-за переключения слоев молекулярного сита[7]). Также может потребоваться дополнительное внешнее охлаждение во время запуска.
Разделенные продукты иногда поставляются по трубопроводу крупным промышленным потребителям рядом с производственным предприятием. Транспортировка продукции на дальние расстояния осуществляется отгрузкой жидкого продукта в больших количествах или в виде колбы Дьюара или же газовые баллоны для небольших количеств.
Некриогенные процессы
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4e/Gas_Control_Systems%2C_INC_PSA.jpg/220px-Gas_Control_Systems%2C_INC_PSA.jpg)
Адсорбция при переменном давлении обеспечивает отделение кислорода или азота от воздуха без разжижения. Процесс происходит примерно при температуре окружающей среды; а цеолит (молекулярная губка) подвергается воздействию воздуха под высоким давлением, затем воздух выпускается и высвобождается адсорбированная пленка желаемого газа. Размер компрессора намного меньше, чем у установки для сжижения, и портативные концентраторы кислорода сделаны таким образом, чтобы обеспечить использование воздуха, обогащенного кислородом, в медицинских целях. Вакуумная адсорбция аналогичный процесс; газообразный продукт выделяется из цеолита при давлении ниже атмосферного.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8b/Membrane_nitrogen_generator.jpg/220px-Membrane_nitrogen_generator.jpg)
Мембранные технологии может предоставить альтернативные подходы к разделению воздуха с меньшим энергопотреблением. Например, изучается ряд подходов к производству кислорода. Полимерные мембраны, работающие, например, 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 требуются более высокие температуры (800-900 ° C). Эти керамические мембраны включают мембраны для переноса ионов (ITM) и мембраны для переноса кислорода (OTM). Air Products and Chemicals Inc и Praxair разрабатывают плоские ITM и трубчатые системы OTM,.
Мембранное разделение газов используется для подачи бедных кислородом и богатых азотом газов вместо воздуха для заполнения топливных баков лайнеров реактивных двигателей, что значительно снижает вероятность случайных пожаров и взрывов. И наоборот, мембранное разделение газов в настоящее время используется для обеспечения воздуха, обогащенного кислородом, пилотам, летящим на больших высотах в самолетах без герметичных кабин.
Воздух, обогащенный кислородом, можно получить, используя различную растворимость кислорода и азота. Кислород более растворим в воде, чем азот, поэтому при дегазации воздуха из воды можно получить поток с 35% -ным содержанием кислорода.[8]
Приложения
Стали
В сталеплавильное производство кислород необходим для кислородное производство стали. Сегодня при производстве стали с кислородным фильтром используется почти две тонны кислорода на тонну стали.[9]
Аммиак
Азот, используемый в Процесс Габера сделать аммиак.[10]
Угольный газ
Большое количество кислорода требуется для газификация угля проекты; криогенные установки производительностью 3000 т / сутки встречаются в некоторых проектах.[11]
Инертный газ
Инертизация резервуаров для хранения азота на судах и резервуаров для нефтепродуктов или для защиты пищевых масел от окисления.[нужна цитата ]
Смотрите также
- Луи Поль Кайлете
- Криогенная азотная установка
- Криогенная кислородная установка
- Разделение газов
- Газ в жидкости
- Цикл Хэмпсона – Линде
- Промышленные газы
- Сжижение газов
- Жидкий воздух
- Кислородный концентратор
- Цикл Сименса
Рекомендации
- ^ Информационный бюллетень НАСА о Земле, (обновлено в ноябре 2007 г.)
- ^ «Крутые изобретения» (PDF). Институт инженеров-химиков. Сентябрь 2010. Архивировано с оригинал (PDF) на 2014-01-13. Получено 2014-01-12.
- ^ Латимер, Р. Э. (1967). «Перегонка воздуха». Прогресс химического машиностроения. 63 (2): 35–59.
- ^ Агравал Р. (1996). «Синтез конфигураций ректификационных колонн для многокомпонентного разделения». Промышленные и инженерные химические исследования. 35 (4): 1059. Дои:10.1021 / ie950323h.
- ^ Замок, В. Ф. (2002). «Разделение и ожижение воздуха: последние события и перспективы на начало нового тысячелетия». Международный журнал холода. 25: 158–172. Дои:10.1016 / S0140-7007 (01) 00003-2.
- ^ Твердые частицы от лесных пожаров вызвали взрыв в блоке разделения воздуха Газ в жидкость завод, смотри Файнштейн, В. И. (2007). «Предоставление взрывозащищенных воздухоразделительных устройств в современных условиях». Химическая и нефтяная инженерия. 43: 96–101. Дои:10.1007 / s10556-007-0018-8.
- ^ Винсон, Д. Р. (2006). «Технология контроля разделения воздуха». Компьютеры и химическая инженерия. 30 (10–12): 1436–1446. Дои:10.1016 / j.compchemeng.2006.05.038.
- ^ Галли, Ф; Комацци, А; Превитали, Д; Manenti, F; Bozzano, G; Bianchi, C.L .; Пирола, К. (2017). «Производство воздуха, обогащенного кислородом, путем десорбции из воды: экспериментальные данные, моделирование и экономическая оценка». Компьютеры и химическая инженерия. 102: 11–16. Дои:10.1016 / j.compchemeng.2016.07.031.
- ^ Фланк, Уильям Х .; Abraham, Martin A .; Мэтьюз, Майкл А. (2009). Инновации в промышленной и инженерной химии: век достижений и перспективы нового тысячелетия. Американское химическое общество. ISBN 9780841269637.
- ^ Вингейт, Филиппа; Гиффорд, Клайв; Treays, Ребекка (1992). Основная наука. Usborne. ISBN 9780746010112.
жидкий азот, используемый в процессе Габера для производства аммиака.
- ^ Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (2-е издание). Эльзевир. п. 324.