Rūpnieciskajā gāzu separācijā kriogēnā gaisa atdalīšana jau sen ir bijusi galvenais risinājums liela mēroga skābekļa, slāpekļa un argona ražošanai. Process notiek, atdzesējot gaisu līdz kriogēnai temperatūrai un atdalot komponentus, pamatojoties uz viršanas temperatūras atšķirībām, iegūstot augstas-tīrības skābekli, slāpekli un inertās gāzes. Ķīmisko vielu, metalurģijas, elektronikas un veselības aprūpes inženieriem procesa loģikas un zemas temperatūras atdalīšanas principu izpratne ir svarīga{{5}ne tikai aprīkojuma izvēlei, bet arī darbības efektivitātei un ilgtermiņa uzticamībai.
Shenger Gas ir uzkrājusi daudzu gadu praktisko pieredzi gaisa kriogēnās atdalīšanas jomā. Šajā rakstā ir aprakstīta tipiskā procesa plūsma un galvenie mehānismi, pamatojoties uz reālu inženiertehnisko praksi, lai sniegtu noderīgu tehnisko informāciju nozares profesionāļiem.
Pamatprincips: fiziska atdalīšana pēc viršanas temperatūras
Kriogēnās gaisa atdalīšanas teorija ir vienkārša. Gaiss sastāv galvenokārt no slāpekļa (78,09%), skābekļa (20,95%), argona (0,93%), kā arī nelielā daudzumā CO₂, neona, hēlija, kriptona un ksenona. Atmosfēras spiedienā viršanas punkti ievērojami atšķiras:
-
Slāpeklis: -195,8 grādi
-
Argons: -185,9 grādi
-
Skābeklis: -183,0 grādi
Kad gaiss tiek atdzesēts zem -170 grādiem un pakāpeniski tiek sašķidrināts, augstākas-viršanas komponenti vispirms kondensējas, bet zemāk verdošie- paliek gāzveida. Izmantojot tvaiku-šķidruma kontaktu un siltuma apmaiņu destilācijas kolonnā, vieglie komponenti (slāpeklis) koncentrējas augšpusē un smagie komponenti (skābeklis) apakšā. Kriogēnā destilācija principā ir identiska destilācijai apkārtējā vidē, tikai daudz zemākā temperatūrā.
Galvenais inženieriem: kriogēnā gaisa atdalīšana nav filtrēšana vai adsorbcija. Tā ir nepārtraukta atdalīšana, kuras pamatā ir fāzes līdzsvars. Paplātes efektivitāte, atteces koeficients un aukstuma līdzsvars tieši ietekmē produkta tīrību un atjaunošanos.
Tipiska procesa plūsma (zema{0}}spiediena cikls)
Mūsdienās visizplatītākā rūpnieciskā konfigurācija ir zema{0}}spiediena molekulārā sieta attīrīšanas pastiprināšanas cikls. Tālāk ir sniegts detalizēts sadalījums-pa-solim:
1. Gaisa saspiešana un iepriekšēja-dzesēšana
Apkārtējais gaiss iet caur pašattīrošos{0}}filtru, pēc tam nonāk centrbēdzes vai aksiālajā kompresorā, sasniedzot 0,5–0,7 MPa atkarībā no procesa. Saspiestais gaiss uzsilst līdz aptuveni 100 grādiem, pēc tam nonāk gaisa dzesēšanas vai ūdens dzesēšanas tornī, kur tas apmaina siltumu ar dzesēšanas ūdeni, nokrītot līdz 10–15 grādiem. Šis solis samazina pakārtotās attīrīšanas sistēmas slodzi un samazina mitruma pārnesi.
Izplatīta inženiertehniskā problēma: nepietiekama iepriekšēja{0}}dzesēšana var izraisīt molekulārā sieta ūdens pārnešanu un kļūmi. Nepieciešama stingra līmeņa kontrole dzesēšanas tornī un atdzesēta ūdens plūsmas vadība.
2. Molekulārā sieta attīrīšana
Iepriekš atdzesētais gaiss nokļūst mainīgos molekulāro sietu adsorberos, lai noņemtu mitrumu, CO₂, acetilēnu un dažus ogļūdeņražus. Tipiskā adsorbenta kombinācija ir 13X molekulārais siets un aktivēts alumīnija oksīds, kas samazina CO₂ izplūdi zem 1 ppm. Divi adsorberi darbojas mainīgos adsorbcijas/reģenerācijas ciklos, parasti pārslēdzoties ik pēc 4–8 stundām, ar apsildāmu reģenerāciju.
Pieredze uz vietas liecina, ka nepietiekama reģenerācijas temperatūra ir biežs CO₂ izplūdes un galvenā siltummaiņa piesārņojuma cēlonis,{0}}īpaši aukstā klimatā vai ja kompresora siltuma atgūšana nav pietiekama.
3. Gaisa dzesēšana un sašķidrināšana
Attīrīts gaiss sadalās divās plūsmās: viena tiek virzīta uz galveno siltummaini, ko atdzesē, atgriežot produkta slāpekli un izlietoto slāpekli līdz gandrīz sašķidrināšanai (aptuveni . -170 grādi līdz -175 grādiem); otrs nonāk pastiprinātāja kompresorā (ja tāds ir konfigurēts), pēc tam izplešas caur paplašinātāju, nodrošinot dzesēšanu galvenajam siltummainim un destilācijas kolonnai.
Šeit ir kritisks punkts: saldēšanas avots. Lielāko daļu dzesēšanas nodrošina adiabātiska izplešanās paplašinātājā, ko dažkārt papildina Džoula-Tomsona efekts no droseļvārsta. Aukstā līdzsvars ir stabilas darbības pamats. Pārmērīgs aukstuma zudums izraisa šķidruma līmeņa pazemināšanos un tīrības svārstības.
4. Kriogēnā destilācija
Atdzesētais, gandrīz{0}}sašķidrinātais gaiss nonāk apakšējās kolonnas (spiediena kolonnas) apakšā. Apakšējā kolonna parasti darbojas ar 0,5–0,6 MPa ar sietu paplātēm vai strukturētu iepakojumu, kas nodrošina tvaiku -šķidrumu kontaktu. Apakšējās kolonnas iekšpusē slāpeklis koncentrējas augšpusē, veidojot augstas -tīrības pakāpes gāzveida slāpekli (vairāk nekā 99,99%); Ar skābekli -bagātināts šķidrums sakrājas apakšā ar aptuveni 38–40% skābekļa saturu.
Kondensators augšpusē izmanto šķidro slāpekli kā aukstuma avotu, kondensējot augošos slāpekļa tvaikus atteces šķidrumā. Apakšējais ar skābekli -bagātināts šķidrums tiek izņemts, atdzesēts un padots uz augšējo kolonnu (zema-spiediena kolonnu) turpmākai destilācijai. Augšējā kolonna darbojas tuvu atmosfēras spiedienam (aptuveni . 0.11–0,13 MPa). Produkta skābeklis tiek ņemts no apakšas, produkta slāpeklis no augšas, un argonu{7}}bagātu frakciju var iegūt no vidus līdz neapstrādāta argona kolonnai.
Izplatīts jautājums: kāpēc divas kolonnas? Viena kolonna var sasniegt tikai vienu tvaiku{0}}šķidruma līdzsvara stadiju un nevar vienlaikus ražot augstas-tīrības skābekli un slāpekli. Apakšējā kolonna veic aptuvenu atdalīšanu, pēc tam augšējā kolonna pabeidz attīrīšanu. Šī ir šodien visrentablākā konfigurācija-.
5. Aukstuma atjaunošana un produktu piegāde
Zema -spiediena slāpeklis no augšējās kolonnas augšdaļas un izlietotais slāpeklis no sānu pieplūdes iet caur galveno siltummaini, apmainot siltumu ar ienākošo augstspiediena gaisu, pēc tam sasildot līdz apkārtējās vides temperatūrai, pirms tiek izvadīts vai izmantots kā reģenerācijas gāze molekulārajiem sietiem. Galvenais siltummainis apstrādā lielāko daļu aukstuma rekuperācijas-tā efektivitāte tieši nosaka iekārtas enerģijas patēriņu.
Produkta skābekli un slāpekli var piegādāt kā gāzi vai nosūtīt uz šķidruma uzglabāšanas tvertnēm atkarībā no lietotāja vajadzībām. Šķidrā slāpekļa ražošanai ir nepieciešama papildu sašķidrināšanas iekārta.
Zemas temperatūras{0}}atdalīšanas pamatmehānisms: destilācija un termodinamiskā kontrole
Neizprotot destilācijas pamatprincipus, jūs redzat tikai daļu no attēla. Zemas-temperatūras atdalīšanas kodols ir tvaiku-līdzsvara līknē un atteces koeficienta kontrolē.
Uz katras teorētiskās paplātes augošais tvaiks saskaras ar krītošu šķidrumu. Tvaika komponenti ar augstu viršanas temperatūru-kondensējas šķidrā fāzē, savukārt šķidrumā esošās sastāvdaļas ar zemu viršanas temperatūru iztvaiko gāzes fāzē. Palielinoties paplāšu skaitam, atdalīšana uzlabojas. Tipiskai augšējai kolonnai ir vajadzīgas 60–80 teorētiskās paplātes, lai ražotu gan augstas-tīrības skābekli, gan slāpekli.
Trīs parametri galvenokārt ietekmē atdalīšanas veiktspēju:
- Atteces koeficients: atteces šķidruma plūsma, kas dalīta ar augošo tvaiku plūsmu. Augstāka atteces attiecība nodrošina tīrāku produktu, bet palielina enerģijas patēriņu.
- Darba spiediens: augstāks spiediens samazina relatīvo nepastāvību starp skābekli un slāpekli, padarot atdalīšanu grūtāku. Tātad augšējā kolonna ir paredzēta darbam ar pēc iespējas zemāku spiedienu.
- Padeves vieta: barības sastāvam ir jāatbilst tvaiku{0}}šķidruma sastāvam padeves paplātē; pretējā gadījumā efektivitāte samazinās.
Bieži sastopamas darbības problēmas, piemēram, kolonnas spiediena svārstības, nepareizs sadalījums vai applūšana, bieži vien ir saistītas ar vārstu vadības parametriem, iepakojuma stāvokli vai barības sastāva izmaiņām. Operatoriem ir jāapvieno temperatūras profili ar spiediena krituma datiem, lai veiktu pareizu diagnozi.
Inženiertehniskie izaicinājumi un praktiskās problēmas
Reālā rūpnīcas darbībā vienmēr pastāv plaisa starp teoriju un praksi. Tālāk ir norādītas bieži sastopamās problēmas:
Aukstuma līdzsvaru ir visgrūtāk pārvaldīt. Paplašinātāja dzesēšanai ir jāatbilst sistēmas aukstuma zudumiem, produkta aukstuma pārnesei un siltās gala temperatūras atšķirībām. Pārāk maza dzesēšana samazina šķidruma līmeni un pasliktina tīrību; pārāk daudz paaugstina šķidruma līmeni un var izraisīt plūdus. Vadības metodes ietver paplašinātāja sprauslas atvēršanas un pastiprinātāja kompresora apvada regulēšanu.
Molekulārā sieta pārvaldība ir darbības bāzes līnija. Kad molekulārie sieti kļūst piesātināti vai saindēti, CO₂ un mitrums iekļūst galvenajā siltummainī un kolonnā, izraisot kanālu bloķēšanu, palielinātu spiediena kritumu un galu galā piespiedu izslēgšanu siltai attīrīšanai. Reģenerācijas temperatūra, cikla laiks un reģenerācijas gāzes plūsma ir trīs neapspriežami -parametri.
Brīdinājums par galvenā siltummaiņa aizsērēšanu. Ja siltā -beigu temperatūras starpība turpina palielināties vai neparasti pieaug uz priekšu/atgriešanās spiediena starpība, ir iespējama ledus vai sausa ledus veidošanās. Agrīna reakcija: pārbaudiet attīrīšanas sistēmu. Smagos gadījumos augs ir jāiesilda-.
Argona sistēmas ietekme uz skābekļa tīrību. Ja nepieciešama produkta skābekļa tīrība virs 99,6%, jāapsver argona frakcionēšana. Argona-bagātīgā frakcija, kas iegūta no augšējās kolonnas vidus, nonāk neapstrādātā argona kolonnā. Pretējā gadījumā argons uzkrājas augšējā kolonnā, pazeminot skābekļa tīrību. Bet argona kolonna palielina dzesēšanas pieprasījumu un paplātes, palielinot gan kapitāla, gan darbības izmaksas.
Procesu uzlabošanas virzieni un efektivitātes idejas
Nozare turpina pētīt efektīvākus kriogēnās gaisa atdalīšanas risinājumus. Galvenie virzieni ietver:
- Paplašinātāja veiktspējas optimizēšana: izentropiskās efektivitātes un plūsmas diapazona uzlabošana, lai samazinātu dzesēšanas atkritumus
- Augstas{0}}efektivitātes strukturēta iepakojuma pieņemšana: zemāks spiediena kritums un plašāks apgriešanas diapazons salīdzinājumā ar sietu paplātēm, piemērots mainīgas slodzes darbībai
- Iepazīstinām ar viedo vadību: kolonnu temperatūras profilu un sastāva datu izmantošana, lai automātiski optimizētu atteces koeficientu un paplašinātāja slodzi
- Atkritumu siltuma atgūšana: starppakāpju kompresora siltumu un molekulārā sieta reģenerācijas atkritumu siltumu var izmantot litija bromīda saldēšanai vai ziemas apkurei
Šie uzlabojumi ir ekonomiski svarīgi kriogēnās gaisa atdalīšanas iekārtām, kurās elektrība veido 60–70% no ekspluatācijas izmaksām. Tipiskai skābekļa stacijai ar jaudu 6000 Nm³/h var būt ikgadējas elektroenerģijas izmaksas simtiem tūkstošu USD-katrs 1% enerģijas samazinājums dod ievērojamus ietaupījumus.
Kriogēnās gaisa atdalīšanas tehnoloģija pastāv jau vairāk nekā gadsimtu, taču pamatprincips nav mainījies: viršanas temperatūras atšķirību izmantošana, lai atdalītu gāzes, izmantojot zemas temperatūras{0}}destilāciju. Inženieri uzskata, ka katra posma apgūšana-saspiešana, iepriekšēja dzesēšana, attīrīšana, sašķidrināšana, destilācija, aukstā atgūšana-ir galvenais, lai prognozētu iekārtas darbību, diagnosticētu defektus un veiktu mērķtiecīgu optimizāciju.
Shenger Gas integrē inženiertehniskos principus ar lauka realitāti kriogēnās gaisa atdalīšanas iekārtu projektēšanā, ražošanā un darbības atbalstā. Katra iekārta-no procesa simulācijas un kolonnu iekšējās konstrukcijas līdz kontroles stratēģijai- ir balstīta uz iteratīvu atgriezenisko saiti no faktiskajiem darbības datiem. Ja jums ir papildu jautājumi par konkrētiem parametriem vai darbības problēmām, sazinieties ar mūsu tehnisko komandu.
