Kolone za destilaciju rijetkih gasova

Uzorci koji su izazvali visoke cijene

Kripton i ksenon nisu baš poznata imena. Ali u nekim dijelovima industrije, oni imaju cijene koje čine zlato da izgleda skoro kao pešačka roba. Razlog je jednostavan: one su izuzetno rijetke u atmosferi. Kripton se nalazi na oko 1,1 dijelova na milion u okolnom vazduhu. Ksenon je još rijedak, sa 0,086 dijelova na milion. - Šta? Da to stavimo u perspektivu, obrada milion kubnih metara vazduha daje samo oko jednog kubnog metra kriptona i djelić tog u ksenonu.

Ipak, ovi gasovi su neophodni. Kripton ispunjava energetski efikasne prozore, pruža inertnu atmosferu za određeno specijalizovano osvetljenje i koristi se u izolaciji visokih performansi. Ksenon je preferirani pogon za ionske pogonske strojeve u pogonu satelita, radni gas u eksimerskim laserima za proizvodnju poluprovodnika i sredstvo za detekciju u eksperimentima tamne materije gdje zahtjevi čistoće graniče sa apsurdom.

Povratak ovih elemenata iz vazduha nije opcioni, nego je ekonomski neophodan jer njihova vrijednost opravdava složenost. Ali sam proces oporavka je jedna od najzahtjevnijih kriogenih destilacijskih operacija koje postoje.

Zašto obična destilacija neće uspjeti

Osnovni izazov je koncentracija. Ambientalni zrak je uglavnom dušik i kisik, a argon je sljedeća najzastupljenija manja komponenta. Kripton i ksenon su toliko razrijeđeni da se ne mogu registrovati ni u glavnim destilacijskim kolonama konvencionalne jedinice za odvajanje vazduha. Jednostavno prate tok kiseonika, akumulirajući se u tekućem dnu kiseonika.

Da bi se oni oporavili, proces mora početi sa tokom tečnog kisika koji se izvlači iz glavne ASU. Ovaj tok sadrži kripton i ksenon u obogaćenim koncentracijama, još uvijek sitne, ali barem mjerljive. U hladnoj kutiji za ekstrakciju se zatim uklanjaju zagađivači iz atmosfere kao što su dušikov oksid i ugljovodnici koji bi inače izazvali probleme nizvodno. .

Sama destilacija se odvija u više faza. Prvi set kolona obogaćuje rijetke gasove od dijelova na milion do sirovog koncentrata. Ova sirova mešavina obično sadrži nekoliko posto kryptona i ksenona zajedno, zajedno sa kiseonikom i drugim prenosima. Odatle, odjeljak za nadogradnju vrši konačno pročišćavanje. .

Teškoća leži u relativnoj nestabilnosti ovih komponenti. Kripton i ksenon imaju tačke ključanja blizu kiseonika, što znači da je za odvajanje potrebno mnogo teorijskih faza i visok refluks. Kolone su visoke, pad pritiska je pažljivo upravljen, a kontrola temperature mora biti precizna. Ovo nije proces opraštanja.

Konfiguracija stuba koja radi posao

U slučaju da je to moguće, potrebno je da se u skladu sa člankom 6. stavkom 2. Kolone za unapred koncentraciju rade na umerenom pritisku i obrađuju veći deo obogaćenja. Plinasti kisik iz ASU ulazi u prvu kolonu, gdje se kisik i lakše komponente oduzimaju iznad glave dok se kripton i ksenon koncentrišu na dnu.

Iz prekoncentratora, potok se kreće u kripton/ksenon kolonu gdje se dva rijetka gasa odvajaju jedna od druge. Ovdje proces postaje posebno komplikovan jer kripton i ksenon imaju različite nestabilnosti, ali faktor separacije nije veliki. Kolona mora raditi sa visokom efikasnošću i strogom kontrolom temperature.

Posljednja faza je kolona za pročišćavanje, koja uklanja ostatak kiseonika i sve tragove ugljovodonika. Proizvod koji napušta ovu kolonu može postići čistoću iznad 98% za kombinovani rijedak gasni tok, obično se razgrađuje na otprilike 91% kriptona, 7% ksenona i ravnotežu kiseonika - Šta? Odatle se gasovi komprimiraju u cilindre za konačnu izolaciju i pakovanje. .

Ceo vlak radi u hladnoj kutiji ispunjenoj izolacionim materijalom - perlitom ili sličnim - kako bi se minimizirao curenje toplote. Svi ventili, cevovod i instrumentacija moraju biti kvalificirani za kriogeni servis. Mehanički dizajn mora uzeti u obzir toplotnu kontrakciju, diferencijalno širenje i činjenicu da će bilo kakvo značajno curenje toplote smanjiti performanse separacije.

Gdje ekonomija zapravo izlazi

Ne može svaki ASU da bude kandidat za oporavak rijetkih gasova. Ekonomija radi samo na nivou. Izvori iz industrije sugerišu da je ASU koji obrađuje više od 3.000 do 4.000 tona dnevno prag kada oporavak postane ekonomski atraktivan - Šta? U skladu sa tim, u skladu sa člankom 107. stavkom 1.

Razlog je jednostavan. Oprema za oporavak značajno povećava kapitalne troškove ASU-a - kolone, hladnu kutiju, instrumentaciju, specijalizovane sisteme kontrole. Takođe povećava parazitsko opterećenje na glavnu ASU, jer ekstrakcija rijetkih gasova uzima tečni kisik koji bi inače bio proizvod, a rashladno potrebno za destilacijske kolone povećava ukupnu potrošnju energije.

Za velike ASU-ove koji služe industrijskim kompleksima na mega-skali, međutim, matematika se mijenja. Inkrementalni kapitalni troškovi raspoređeni su na mnogo veću bazu proizvoda, a priliv prihoda od rijetkog gasa daje značajan podsticaj ukupnoj ekonomiji projekta. Neki operatori smatraju da je vlak za oporavak retkog gasa zasebna poslovna jedinica unutar većeg poslovanja ASU-ai u nekim slučajevima, prihodi od retkog gasa mogu značajno poboljšati ukupni povrat ulaganja.

Realna instalacija koja vredi proučavati

Jedan objekat u istočnoj Aziji pruža korisnu studiju slučaja. ASU-a koja je domaćin obrađuje otprilike 4.000 tona vazduha dnevno, snabdevajući kompleks za proizvodnju čelika i hemijski park kiseonikom i azotom. Voz za oporavak rijetkih gasova je dodan kao investicija druge faze nakon što je glavni ASU radio nekoliko godina.

Instalacija se suočila sa nekoliko izazova. Potrošni tok kiseonika do vlak za oporavak morao je biti povučen iz određene tačke u hladnoj kutiji ASU, što je zahtijevalo planirano isključivanje i modifikacije postojećih cijevi. Nova hladna kutija je postavljena uz postojeću strukturu, ali integracija kontrola i zaključavanja zahtijevala je pažljivu koordinaciju između dobavljača prikupljanja vlakova i operativnog tima ASU.

Sam vlak za oporavak koristi konfiguraciju od tri kolone: pre-koncentrator, kripton/ksenon razdvajač i konačni pročišćavač. Sistem radi neprekidno, uz redovno uzorkovanje čistoće proizvoda kako bi se osiguralo ispunjavanje specifikacija. Operatori navode da je glavni operativni izazov upravljanje sadržajem ugljovodonika u hraniako sistemi za uklanjanje CO2 i N2O na ASU-u ne rade savršeno, čistilac vlak za oporavak može biti preopterećen.

U ovom pogonu se sada proizvodi kripton i ksenon u komercijalnoj čistosti, a proizvod se prodaje na tržište specijalnih plinova. U skladu sa tim, Komisija smatra da je u skladu sa načelom iz članka 107. stavka 1.

Ograničenja koja su važna

Postoje ograničenja koja svaka realna procena mora priznati. Sastav hrane je bitanako okolni vazduh sadrži neobične nivoe ugljovodonika ili drugih tragova zagađivača, opterećenje pročišćavanja se povećava. Efikasnost oporavka nije 100%; neki rijedak gas se neizbježno gubi u različitim dnom kolona i nadzemnim tokovima.

Također su važni zahtjevi za čistoću proizvoda. Neke aplikacije zahtijevaju ultra-visoke nivoe čistoće detekcija tamne materije, na primjer, zahtijeva koncentracije kriptona u ksenonu ispod 10−12 mol/mol. Dobijanje te razine čistoće zahtijeva dodatne korake obrade izvan standardnog povrata, što povećava troškove i složenost.

Tu je i pitanje pristupa tržištu. Rijetki plini nisu robni proizvodi; oni se prodaju kroz specijalizovane lance snabdevanja sa dugoročnim ugovorima i strogim specifikacijama kvaliteta. Postrojenje koje proizvodi rijetke gasove, ali nema komercijalnu infrastrukturu za njihovu prodaju, može se naći da drži zalihe umjesto da generiše prihod.

Tehnološka putanja

Osnovna tehnologija destilacije za oporavak retkih gasova je stabilna decenijama. Kolone, termodinamika, principi separacije - dobro su poznati i ne mijenjaju se dramatično. Ono što se razvija je integracija i optimizacija.

Moderni sistemi kontrole omogućavaju mnogo strožu kontrolu temperature i pritiska nego što je bilo moguće i prije deset godina. Napredni senzori pružaju podatke o sastavu u realnom vremenu koji omogućavaju strategije kontrole. Rezultat je poboljšana efikasnost iskorištavanja i doslednija kvaliteta proizvoda.

Postoji i kretanje ka modularnim, skid-montažnim dizajnima koji smanjuju vreme instalacije lokacije i pojednostavljuju integraciju sa ASU-om domaćinom. Proizvodno testiranje i pre-komisijacija mogu identificirati probleme pre nego što oprema stigne na mjesto, smanjujući rizik i trajanje isključenja.

Ekonomski pokretači ostaju jaki. Potražnja za specijalnim gasom raste u mnogim sektorima poluprovodnici, vazduhoplovstvo, zdravstvo i istraživanje. Pružanje retkih gasova iz tradicionalnih izvora je ograničeno, što podržava određivanje cijena. Za operatere velikih ASU-ova, dodavanje oporavka rijetkih plinova postaje sve standardniji dio područja projekta.

GreenFir je isporučio kriogenu destilacijsku opremu za primjene rijetkih gasova u više projekata, sa proizvodnim kapacitetima koji ispunjavaju standarde ASME i CE i iskustvom isporuke u zahtjevnim rasporedom - Šta? Inženjerska i proizvodna infrastruktura postoji da podrži ove specijalizovane kolone; pitanje za svaki projekat je da li obim i tržišni uslovi opravdavaju investiciju.