Vloeibare luchtscheidingseenheid: Proces en toepassingen

Hoe vloeibaar Luchtscheidingseenheden Werkt: Het cryogene destillatieproces

Liquefactie en differentiatie op basis van kookpunten: scheiding van stikstof, zuurstof en argon

Het proces van cryogene destillatie werkt door stikstof, zuurstof en argon te scheiden op basis van het verschil in kooktemperatuur van elk gas. Eerst wordt normale lucht gecomprimeerd tot ongeveer 6 bar druk en vervolgens afgekoeld tot ongeveer -175 graden Celsius totdat het overgaat in vloeibare vorm, klaar voor scheiding. Bij opnieuw verwarmen begint stikstof als eerste te koken, bij ongeveer -195,8 graden Celsius, gevolgd door argon bij -185,9 graden Celsius, terwijl zuurstof als laatste overblijft en pas bij -183 graden Celsius kookt. Er is eigenlijk een vrij belangrijk temperatuurverschil van 13 graden tussen het kookpunt van stikstof en dat van zuurstof, wat het verschil maakt bij het verkrijgen van schone resultaten uit de destillatietorens. Door deze zorgvuldige temperatuurregeling kunnen moderne Luchtscheidingseenheden (ASU’s) betrouwbaar zuurstof en stikstof produceren met zuiverheidsniveaus van meer dan 99,5%, terwijl meer dan 95% van het beschikbare argon tijdens het proces wordt teruggewonnen.

Waarom vloeibare lucht de essentiële grondstof is — thermodynamica en energie-integratie

Vloeibare lucht fungeert als de essentiële uitgangsstof voor grote ASU-installaties, niet alleen vanwege het gemak, maar ook vanwege de thermodynamische werking. Wanneer we lucht vloeibaar maken, verkleinen we haar volume ongeveer 700 keer, wat betekent dat we deze op kleinere ruimtes kunnen opslaan, warmte effectiever kunnen overdragen en de destillatiekolommen soepel kunnen laten blijven draaien. Het comprimeren van stoffen vergt inderdaad veel energie, maar slimme systemen zijn ontwikkeld om een deel van die koude terug te winnen uit producten zoals vloeibare zuurstof- en stikstofstromen. Dit helpt het totale energieverbruik met ongeveer 30% tot zelfs 40% te verminderen. Vanwege deze efficiëntie blijft cryogene destillatie de standaardmethode voor zeer grootschalige installaties met een capaciteit van meer dan ongeveer 100 ton per dag, aangezien andere methoden zoals membraan- of PSA-technologie eenvoudigweg niet kunnen concurreren op zowel productiecapaciteit als vereiste zuiverheidsniveaus. Bekijk het zo: installaties die tot 5.000 Nm³/u zuurstof produceren, passen comfortabel op een oppervlakte van een halve acre, wat met alternatieve technologieën onmogelijk zou zijn.

Kernprocesfasen van luchtscheidingseenheden

Compressie en zuivering: verwijdering van CO₂, vocht en koolwaterstoffen om bevriezing te voorkomen

Luchtscheidingseenheden (ASU’s) beginnen met het comprimeren van omgevingslucht tot ca. 150 psia (≈10 bar), waardoor de dichtheid stijgt voor effectieve verdere verwerking. Deze onder druk staande lucht wordt vervolgens geleid door een meertalige zuiveringsinstallatie die is ontworpen om verontreinigingen te verwijderen die bij cryogene temperaturen zouden bevriezen of reageren:

• Particulate Filters verwijdering van stof en mechanisch puin
• Coalescerende filters verwijdering van olieaërosolen uit compressorolie
• Adsorptiebedden waarin actieve aluminia en zeolieten vocht en CO₂ absorberen

Deze trapsgewijze aanpak voorkomt ijsvorming in warmtewisselaars en elimineert acetyleenopstapeling — een bekend explosiegevaar in zuurstofrijke omgevingen. Een juiste zuivering verlengt de levensduur van moleculaire zeven met 30–40%, wat de onderhoudskosten gedurende de levenscyclus aanzienlijk verlaagt.

Koeling, expansie en fractionering: van gasvormige lucht naar hoogzuivere vloeibare producten

Na zuivering komt de lucht de cryogene sectie binnen, waar deze via tegenstroomwarmtewisseling in gelaste aluminium plaat- en vinnewarmtewisselaars wordt afgekoeld tot ongeveer −185 °C. Een deel ondergaat een gecontroleerde expansie via turbines, waarbij het Joule-Thomson-effect wordt benut om gedeeltelijke vloeibaring te bewerkstelligen. Het resulterende tweefasenmengsel wordt toegevoerd aan een destillatiesysteem met twee kolommen:

Door continue condensatie- en herverwarmingscycli worden de componenten met grote precisie gescheiden. Tijdens de expansie wordt 65–75% van de compressie-energie teruggewonnen — waardoor het proces zowel thermodynamisch verantwoord als operationeel duurzaam is.

Belangrijke industriële toepassingen van luchtscheidingsinstallaties

Hoge vraag in zware industrie: staalproductie, chemische synthese en raffinage met gasvormige en vloeibare zuurstof/stikstof

Luchtontbindingsinstallaties (ASU’s) leveren zowel gasvormige als vloeibare zuurstof en stikstof aan vele kernindustrieën binnen de productiesector. Neem bijvoorbeeld staalproductie. Wanneer fabrikanten zuurstof direct in hoogovens of basische zuurstofovens injecteren, bereiken ze een betere verbranding. Dit leidt doorgaans tot een vermindering van het kookgebruik met ongeveer 20 tot 30 procent en verlaagt ook de uitstoot van koolstofdioxide per ton geproduceerd staal. Voor chemische processen die moeten worden beschermd tegen zuurstofverontreiniging speelt vloeibare stikstof een cruciale rol. Denk hierbij aan de productie van ethyleenoxide, aangezien zelfs sporen zuurstof gevaarlijke ontledingsreacties kunnen veroorzaken. Ook raffinaderijen profiteren van het gebruik van zuurstof met een hoge zuiverheid (ongeveer 99,5% of hoger). Dergelijke zuiverheidsniveaus verbeteren katalytische krakprocessen en ondersteunen een effectieve hydrodesulfurisatie, zonder dat men zich zorgen hoeft te maken over langzame desactivering van katalysatoren. Het voordeel van de vloeibare vorm gaat echter verder dan alleen prestaties. Aangezien vloeistoffen meer energie per volume-eenheid bevatten en grotere logistieke flexibiliteit bieden, zien bedrijven die ASU’s integreren in hun activiteiten vaak een daling van de transportkosten met ongeveer 40% ten opzichte van uitsluitend afhankelijk zijn van pijpleidingen voor gaslevering.

Toepassingen in de niche met hoge zuiverheid: medische zuurstof, verpakte atmosfeer en halfgeleiderproductie

Luchtontbindingsinstallaties doen veel meer dan alleen grote hoeveelheden gas produceren. Ze produceren in feite ultrazuivere gassen die essentieel zijn voor een aantal zeer belangrijke toepassingen. Neem bijvoorbeeld medische zuurstof: volgens de USP/EP-normen moet deze ten minste 99,5% zuiver zijn en is deze absoluut cruciaal voor patiënten die ademhalingsondersteuning nodig hebben of die op intensive-careafdelingen liggen. Tijdens de laatste grote gezondheidscrisis steeg de vraag met ongeveer 25%. Ook de voedingsmiddelenindustrie is sterk afhankelijk van de eigenschappen van stikstof. Wanneer verpakte levensmiddelen worden bewaard in veranderde-atmosfeerverpakking (MAP), voorkomt stikstof bederf door oxidatie en microbiele groei te remmen. Dit verlengt de houdbaarheid aanzienlijk en vermindert het probleem van voedselverspilling, dat in deze sector ongeveer 30% bedraagt. En dan is er nog de productie van halfgeleiders, waarbij de eisen nog strenger worden. Voor deze toepassingen moet stikstof een zuiverheidsgraad van 99,999% bereiken (ook wel ‘5N-zuiverheid’ genoemd), terwijl de verontreiniging met zuurstof onder 1 deel per miljoen mag blijven. Cryogene destillatie blijft de enige methode die in staat is om een dergelijke precisie te bereiken — en dat maakt het verschil wanneer foutloze siliciumwafers worden geproduceerd.

Ontwerp en betrouwbaarheid in moderne luchtscheidingseenheden

ASU's van vandaag zijn gebouwd om continu te draaien, zelfs wanneer de omstandigheden in industriële omgevingen zwaar zijn. De systemen zijn uitgerust met reservecompressoren en speciale regelmechanismen die de zeer koude kolommen op een temperatuur houden die slechts ±0,5 °C afwijkt. Deze temperatuurstabiliteit is van groot belang, omdat deze ervoor zorgt dat het scheidingsproces correct verloopt en de eindproducten schoon en zuiver blijven. Voor structurele stevigheid gebruiken fabrikanten dubbelwandige tanks met vacuümisolatie, vervaardigd uit speciale staallegeringen die zelfs bij −196 °C niet barsten of slijten. Wat energiebesparing betreft, recyclen moderne ASU's warmte van de compressiedelen, waardoor het stroomverbruik met ongeveer 15 tot 20 procent lager ligt dan bij oudere modellen. Onderzoek gepubliceerd in tijdschriften zoals het Journal of Cleaner Production ondersteunt dit. Een andere slimme functie is het modulaire ontwerp, waarmee installaties hun capaciteit stap voor stap kunnen uitbreiden en componenten kunnen vervangen zonder de bedrijfsvoering stil te leggen. Al deze doordachte technische keuzes resulteren in een beschikbaarheid van ongeveer 99,6 %, wat betekent dat ziekenhuizen, halfgeleiderfabrieken en andere essentiële faciliteiten op elk gewenst moment kunnen rekenen op een constante levering van vloeibare stikstof, zuurstof en argon.

Veelgestelde vragen

• Hoe werkt cryogene destillatie?
  Cryogene destillatie werkt door samengeperste lucht af te koelen tot een vloeibare toestand en deze vervolgens te verwarmen om gassen te scheiden op basis van hun kookpunten.
• Wat zijn enkele industriële toepassingen voor gezuiverde gassen uit luchtontgassingsinstallaties (ASU’s)?
  Gezuiverde gassen worden gebruikt in de staalproductie, chemische synthese, raffinage, medische toepassingen, verpakkingsmethoden met gewijzigde atmosfeer en de productie van halfgeleiders.
• Wat is het belang van modulair ontwerp bij moderne luchtontgassingsinstallaties (ASU’s)?
  Modulair ontwerp maakt capaciteitsuitbreiding en vervanging van componenten mogelijk zonder de bedrijfsvoering stil te leggen, wat de efficiëntie en betrouwbaarheid verbetert.
• Waarom is zuurstofzuiverheid belangrijk in industriële toepassingen?
  Hoge zuurstofzuiverheid is cruciaal voor processen zoals catalytische kraking en om desactivering van katalysatoren in raffinaderijen te voorkomen.
• Welke zijn de belangrijkste gassen die worden gescheiden in Luchtscheidingseenheden (ASU’s)?
  Stikstof, zuurstof en argon zijn de primaire gassen die in ASU’s worden gescheiden.