Схема технологічного процесу кріогенного розділення повітря: пояснення

Як працює кріогенне Установки розділення повітря Розділення: покрокова технологічна схема

Стиснення повітря та його очищення: видалення CO₂, вологи та вуглеводнів

Повітря з навколишнього середовища надходить у ці багатоступеневі компресори, де його стискають до тиску приблизно 0,6–0,8 МПа. Після стискання повітря проходить через так звані молекулярно-ситові шари. Ці спеціальні матеріали адсорбують такі речовини, як вуглекислий газ, волога та різні вуглеводні. Видалення цих забруднювачів є дуже важливим, оскільки в іншому разі пізніше, у холодних частинах системи, виникатимуть проблеми з утворенням льоду та корозією. Більшість сучасних установки розділення повітря справді використовують технологію адсорбції зі зміною температури. Така установка зазвичай складається з двох башт, що працюють у парі. Поки одна башта очищає повітря, друга регенерується — або за рахунок продування її відпрацьованим азотом, або за рахунок нагрівання матеріалу для вивільнення захоплених домішок.

Глибоке охолодження та зрідження за допомогою розширювальних турбін та ефекту Джоуля–Томсона

Очищений і стиснений повітря спочатку охолоджується в тих великих теплообмінниках шляхом пропускання його через холодні потоки продукту, що повертаються з інших частин системи. Після цього етапу температура знижується до приблизно мінус 175 градусів Цельсія. Фактичне зрідження відбувається переважно всередині турбоекспандерів — це досить ефективні машини, у яких газ швидко розширюється, перетворюючи енергію тиску на механічну роботу одночасно з охолодженням завдяки так званому ефекту Джоуля–Томсона. Азот кипить приблизно при мінус 196 градусах, а кисень — при мінус 183, тому їх різні температури кипіння сприяють розділенню на фази ще до стадії ректифікації.

Кріогенна ректифікація в подвійній колоні Лінде: розділення потоків кисню, азоту та аргону

Коли рідкий повітря надходить у так звану двоколонкову установку для дистиляції, це означає один із ключових етапів сучасних установок розділення повітря. У колонці високого тиску, що працює при тиску близько 5–6 бар, азот, як правило, піднімається нагору у вигляді пари, тоді як рідина, збагачена киснем, стікає вниз. Ця рідина потім подається в колонку низького тиску приблизно 1,2–1,3 бар, де й відбувається фактичне розділення за рахунок точно контрольованих умов рефлюксу. Аргон виділяється тим, що його температура кипіння становить близько мінус 186 °C, тому він природним чином накопичується в спеціальному проміжному секційному відділі, розташованому між цими двома колонками. У результаті безперервного процесу отримують кисень із чистотою близько 99,5 % та азот із чистотою майже 99,999 %. Ці показники відповідають вимогам стандарту ISO 8573-1 і стали загальноприйнятою практикою в різних галузях, зокрема в закладах охорони здоров’я, металургійних підприємствах та виробництвах напівпровідників.

Ключове обладнання сучасних установок розділення повітря: холодильна камера та інтеграція тепла

Конструкція холодильної камери: компактна інтеграція колон, теплообмінників та трубопроводів

У центрі установки для розділення повітря розташований так званий холодильний блок — це, по суті, добре ізольована камера, яка об’єднує всі компоненти в єдиному великому вакуумному корпусі. Усередині цього простору розміщені колони ректифікації поряд із спеціалізованими паяними алюмінієвими теплообмінниками та різноманітними кріогенними трубопроводами. Уся конструкція дійсно досить ефективна: оскільки всі елементи розташовані надзвичайно щільно, ймовірність несанкціонованого проникнення тепла значно зменшується — що має вирішальне значення при температурах нижче мінус 180 °C. Спеціалісти з технічного обслуговування також високо оцінюють цю конструкцію, оскільки ремонт займає приблизно на 30 % менше часу порівняно зі старими системами, де компоненти були розкидані по всьому обладнанню. Такі блоки виготовлені переважно з міцної нержавіючої сталі з додаванням деяких алюмінієвих сплавів, що дозволяє їм природним чином компенсувати різницю в коефіцієнтах розширення та стискання. Найважливіше — вони забезпечують повну роздільність потоків кисню, азоту та аргону протягом усього процесу, запобігаючи будь-якому змішуванню й забезпечуючи надійну роботу системи з року в рік.

Основні мережі теплообмінників та стратегії відновлення енергії

Сучасні установки розділення повітря значною мірою залежать від складних систем теплообміну, які вловлюють цінне охолодження з відпрацьованого азоту та холодних потоків продуктів. Конструкція з протиточним рухом робочих середовищ також працює досить ефективно: вона одночасно охолоджує надходжуючий повітряний потік і підігріває відпрацьований, зводячи різницю температур до приблизно 3 °C. Цього вражаючого результату вдається досягти завдяки сучасним теплообмінникам з алюмінію, виготовленим методом паяння, що з’явилися в останні роки. Згідно з даними реального експлуатаційного застосування, такі сучасні установки, як правило, скорочують загальні енерговитрати на 40–50 % порівняно з попередніми моделями. Для великих промислових підприємств, що працюють у кількох змінах щодня, це означає економію близько 2,8 млн дол. США щорічно лише на експлуатаційних витратах, згідно з даними, отриманими в рамках Ініціативи промислових технологій Міністерства енергетики США у 2022 році.

Чому кріогеніка? Різниця температур кипіння дозволяє отримувати гази високої чистоти

Кріогенне розділення повітря досі залишається, по суті, єдиним промисловим способом отримання таких надчистих газів, як кисень, азот і аргон, у великих обсягах. Цей процес працює завдяки тому, що ці гази мають різні температури кипіння, що дозволяє виробникам розділяти їх досить чисто, досягаючи чистоти, яка часто перевищує 99,5 %. Стандартні організації, такі як ASTM та ISO, підтверджують це в своїх специфікаціях D1946 та 8573-1. Якщо подивитися на реальні цифри, то азот кипить приблизно при −196 °C, аргон — близько −186 °C, а кисень досягає точки кипіння приблизно при −183 °C. Ці незначні різниці температур мають велике практичне значення, оскільки саме вони визначають, як кожен газ розділяється під час процесу зрідження з наступною фракційною перегонкою. Бажаєте зрозуміти, чому це працює саме так? Перегляньте наведену нижче таблицю з усіма важливими термодинамічними деталями цієї селективної техніки розділення.

Це різке скорочення обсягу 710875 також дозволяє ефективно зберігати і транспортувати рідкісні гази, що робить криогену незамінною для секторів, які вимагають постійного, високоспеціфікування постачання, включаючи виробництво напівпровідників, аерокосмічні та лікарняні системи кисню