În producția industrială de gaze, tehnologia de separare criogenică a aerului rămâne metoda de bază pentru producția de oxigen la scară mare-puritate ridicată-. Mulți oameni știu că acest echipament poate transforma aerul în oxigen, dar puțini înțeleg cu adevărat cum atinge puritatea ridicată. Acest articol prezintă principiile procesului, logica de separare și punctele cheie de control din spatele unităților de separare a aerului criogenic. Fiind o întreprindere tehnică profund implicată în acest domeniu, Shenger Gas a acumulat experiență practică în proiectarea și ingineria sistemelor criogenice de separare a aerului-experiență care merită împărtășită.
Principiul de bază nu este „filtrarea”, ci diferența de punct de fierbere
În primul rând, o concepție greșită comună trebuie clarificată: separarea criogenică a aerului nu se bazează pe filtrarea fizică pentru a obține oxigen. Utilizează diferențele naturale ale punctelor de fierbere dintre componentele aerului. Sub presiunea atmosferică, oxigenul fierbe la -183 de grade, azotul la -196 de grade și argonul la -186 de grade. Prin răcirea aerului sub -170 de grade pentru a-l lichefia și apoi prin valorificarea transferului de masă și căldură între fazele gazoase și lichide în interiorul unei coloane de distilare, separarea componentelor devine posibilă.
Primul pas către oxigenul de{0}}puritate ridicată este comprimarea, pre-răcirea și purificarea aerului pentru a elimina apa, dioxidul de carbon și hidrocarburile. Tratamentul incomplet în această etapă poate îngheța sau bloca cu ușurință pasajele din aval și schimbătoarele de căldură, degradând rapid performanța de distilare. Prin urmare, fiabilitatea sistemului de purificare frontal-determină în mod direct dacă produsul final poate atinge în mod stabil o puritate de 99,6% sau mai mare.
Coordonarea între coloanele inferioare și superioare: Divizia de bază a distilare
Sistemul tipic de distilare cu două-coloane, cunoscut și sub numele de procesul cu două-coloane, este cea mai utilizată structură pentru producerea de oxigen criogenic. Coloana inferioară se ocupă de sarcina inițială de separare. După ce aerul lichefiat intră în coloana inferioară, vaporii în creștere și lichidul care coboară se contactează în mod repetat. Azotul se concentrează treptat în partea de sus, în timp ce lichidul bogat în oxigen-se acumulează în partea de jos. Acest lichid bogat în oxigen-conține de obicei 38% până la 42% oxigen-departe de cerințele-de calitate a produsului.
Acest lichid bogat-de oxigen este apoi introdus în mijlocul coloanei superioare ca hrană pentru o concentrare suplimentară. Coloana superioară primește simultan reflux de azot lichid din partea superioară a coloanei inferioare, formând secțiuni complete de rectificare și stripare. Oxigenul se colectează în cele din urmă în partea de jos a coloanei superioare, în timp ce azotul iese din partea de sus. Cu un design adecvat al echipamentului și o funcționare stabilă, puritatea oxigenului din partea inferioară a coloanei superioare poate ajunge la 99,6% până la 99,8% sau chiar mai mult.
Un detaliu ușor de trecut cu vederea: prezența argonului limitează semnificativ îmbunătățirea purității oxigenului. Argonul reprezintă aproximativ 0,93% din aer, iar punctul său de fierbere se află chiar între oxigen și azot. În procesele convenționale de producere a oxigenului fără un orificiu de aspirare-argonului, argonul se acumulează în mijlocul coloanei superioare, o parte intră în produsul de oxigen și scade puritatea acestuia. Prin urmare, pentru a produce în mod stabil oxigen de înaltă puritate peste 99,8%, este de obicei necesară o coloană auxiliară de argon sau un proces de recuperare a argonului fără hidrogen de distilare completă-hidrogen-.
Puritatea produsului nu este determinată de un singur parametru
Mulți utilizatori pun o întrebare similară: odată ce echipamentul este achiziționat, ce garantează de fapt puritatea oxigenului? Răspunsul nu este un singur indicator, ci echilibrul dinamic al unui set de parametri.
- Capacitate de răcire expansor. Răcirea insuficientă reduce lichidul de reflux în coloana superioară, scăzând eficiența distilarii. Răcirea excesivă poate suprarăci coloana, perturbând și separarea.
- Debitul de alimentare și presiunea aerului. Fluctuațiile mari au un impact direct asupra echilibrului de gaz-lichide din interiorul coloanei, determinând o schimbare a purității.
- Reglarea refluxului de azot lichid în coloana inferioară. Aceasta este una dintre cele mai comune și mai sensibile metode de control. Prea puțin reflux reduce conținutul de oxigen din lichidul bogat în oxigen-coloana inferioară. Prea mult reflux scade de fapt puritatea oxigenului în partea de jos a coloanei superioare.
- Desenați-poziția și deschiderea portului. Dacă ratele de extragere a oxigenului, oxigenului lichid și azotului rezidual nu se potrivesc cu profilul compoziției interne al coloanei, puritatea devine dificil de menținut.
În practica ingineriei, operatorii unei unități de separare a aerului criogenic cu performanțe bune-de obicei trebuie doar să regleze-două sau trei supape cheie pentru a menține starea de echilibru. Dar aceasta presupune că eficiența tăvii sau distribuția ambalajului a fost proiectată corespunzător încă de la început. În caz contrar, nicio cantitate de ajustare nu va atinge cu ușurință puritatea designului.
Unde este decalajul dintre producerea de oxigen și producerea stabilă a oxigenului de{0}}puritate ridicată
Multe unități criogenice de separare a aerului de pe piață pot produce oxigen în jur de 99,5%, dar obținerea unei performanțe stabile peste 99,8%-menținute luni de zile fără oprire sau fluctuație-pune cerințe mai mari în câteva zone mai puțin evidente.
- Uniformitatea distribuției fluidelor în interiorul coloanei. Indiferent dacă folosiți tăvi cu sită sau ambalaje structurate, distribuția neuniformă a gazului-lichidelor duce la zone uscate locale sau la inundații, trage direct în jos puritatea generală. Acest lucru este deosebit de critic în cazul unităților la scară mare-care manipulează mii sau chiar zeci de mii de metri cubi normali pe oră.
- Sigilarea cutiei la rece și controlul tasării perlitului. Sigiliile eșuate ale cutiei reci sau perlitul sedimentat permit aerului umed exterior să pătrundă și să înghețe sau provoacă pierderi de frig localizate, determinând treptat condițiile interne.
- Precizia și timpul de răspuns al instrumentelor analitice. Dacă timpul de răspuns al analizorului de oxigen online depășește 10 secunde, operatorii lucrează deja cu ajustări învechite-de date vor rămâne întotdeauna în urmă.
Aceste lacune adesea nu pot fi rezolvate pe deplin prin calcule teoretice pe hârtie. Acestea depind mult mai mult de experiența de proces a producătorului și de capacitățile de punere în funcțiune-la locație. De aceea, Shenger Gas tratează în mod constant proiectarea, producția și punerea în funcțiune ca pe o buclă închisă în execuția proiectului, mai degrabă decât să le livreze ca etape separate.
Două detalii ușor trecute cu vederea în funcționarea reală
În primul rând, impactul ciclului de încălzire-și dezghețare asupra recuperării purității. După ce o unitate criogenică de separare a aerului a funcționat de ceva timp, canalele schimbătorului de căldură cu plăci-din aripioare devin treptat blocate de acumulări de urme de dioxid de carbon sau umiditate. Aceasta se manifestă ca o diferență de temperatură în creștere la capătul cald și creșterea presiunii inferioare a coloanei. Multe echipe se grăbesc să repornească după-încălzire, doar pentru a constata că recuperarea purității durează două sau trei zile. Abordarea corectă este să creați mai întâi o capacitate de răcire suficientă după încălzire-, să rulați coloana superioară la un raport de reflux conservator și să creșteți treptat producția și puritatea de oxigen numai după ce toate punctele de măsurare a temperaturii se stabilesc.
În al doilea rând, calitatea aerului înconjurător nu este infinit de bună. Unitățile de separare a aerului situate în apropierea fabricilor chimice sau a fabricilor de oțel conțin adesea urme de amoniac, hidrogen sulfurat sau hidrocarburi. Aceste impurități nu numai că afectează viața sită moleculară-unii componente cu punct de fierbere scăzut-poate intra în coloana de distilare și se pot concentra alături de oxigen, scăzând în cele din urmă puritatea oxigenului și chiar punând riscuri pentru siguranță. Pentru astfel de scenarii, se recomandă cu tărie adăugarea de straturi de adsorbție vizate în amonte de sistemul de purificare.
Producția de oxigen de înaltă puritate-cu echipamentele criogenice de separare a aerului este în esență o utilizare precisă a proprietăților fizice ale aerului. De la purificare, răcire și lichefiere până la distilarea în coloană dublă-, fiecare pas pune bazele curentului final de oxigen 99,8%. Înțelegerea acestui lucru arată clar de ce diferiți producători pot produce rezultate atât de diferite de puritate reală din scheme de proces aparent identice. Decalajul real este rareori în procesul în sine, ci în manipularea detaliilor care afectează echilibrul de distilare.
Dacă un proiect se confruntă cu o puritate instabilă a oxigenului sau cu blocaje de purificare, investigarea punctelor cheie de control discutate mai sus este un loc bun pentru a începe. Problemele tehnice nu necesită adesea soluții prea complexe. Revenirea la principiile de bază aduce adesea cele mai directe răspunsuri.
