In mittleren bis großen Betrieben werden häufig kryogene Luftzerlegungstechnologien eingesetzt, um Stickstoff, Sauerstoff und Argon als Gase und/oder flüssige Produkte zu erzeugen.
Für die Herstellung von hochreinem Sauerstoff und Stickstoff ist die kryogene Luftzerlegung die empfohlene Methode. Für Anlagen mit hoher Produktionsrate ist sie die wirtschaftlichste Technik. Die Kryotechnik wird in allen Betrieben eingesetzt, die verflüssigte Industriegase herstellen.
Die Menge der zu erzeugenden Gase und Flüssigkeiten, die erforderlichen Produktreinheiten und die erforderlichen Förderdrücke beeinflussen die Komplexität der kryogene Luftzerlegung Verfahren sowie die physischen Größen der Geräte und die für ihren Betrieb erforderliche Energie.
Dieser Artikel enthält den Verfahrensleitfaden zur kryogenen Luftzerlegung. Los geht's!
Was ist kryogene Luftzerlegung und Destillation?
Die Technik der Abtrennung von Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft wird als kryogene Destillation bezeichnet. Unter bestimmten Umständen wird auch Argon isoliert. Der Begriff "kryogen" bezieht sich auf kalte Temperaturen, während sich "Destillation" auf die Abtrennung von Elementen aus einer Kombination unter Ausnutzung des Siedepunkts der Elemente bezieht. Folglich werden bei kryogenen Destillationen Bestandteile mit sehr niedrigen Siedepunkten bevorzugt bei niedrigen Temperaturen extrahiert. Mit diesem Verfahren erhält man hochreine Stoffeaber sie ist auch sehr energieintensiv.
Die Cold Box ist ein riesiger isolierter Behälter, in dem die Destillationssäulen und Wärmetauscher untergebracht sind, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Der Joule-Thomson-Effekt, auch als Drosseleffekt bekannt, wird im Kühlkreislauf genutzt. Das Gas strömt während der Drosselung durch einen isolierten Schieber oder einen isolierten durchlässigen Stopfen, und die Temperatur des Gases ändert sich bei wechselndem Druck.
Benötigte Materialien
Die Umgebungsluft kann einen Feuchtigkeitsgehalt von bis zu 5% und eine Vielzahl anderer Gase (in der Regel in Spuren) enthalten, die an einer oder mehreren Stellen in der Luftzerlegung und -abgabe eliminiert werden müssen. Reinigungsanlage.
Schritte und Verfahren der kryogenen Luftzerlegung
Kryogenische Destillation von Luft: Etappen
- Vorbehandlung, Verdichtung und Kühlung der einströmenden Luft.
- Beseitigung von Kohlendioxid.
- Wärmeleitung, um die Temperatur der zugeführten Luft auf ein kryogenes Niveau zu senken.
- Luftdestillation.
- Kältetechnik
1. Vorbehandlung, Komprimierung und Kühlung der einströmenden Luft
Auf der Grundlage der geplante Produktmischung und einer akzeptablen Produktkraft wird die Luft in den meisten Fällen auf einen Druck zwischen 5 und 8 bar (ca. 75 bis 115 psig) komprimiert. Nach der letzten Verdichtungsstufe wird die eingeschnürte Luft abgekühlt, und ein Großteil des Dampfes im Luftstrom wird kondensiert und eliminiert, während die Luft eine Reihe von Zwischenphasenkühlern und einen Nachkühler durchläuft.
Da die Temperatur der erreichbaren Kühlkanäle (die fast immer durch die Feucht- oder Trockenkugeltemperatur der Umgebungsluft begrenzt ist) die letzte Temperatur der die Verdichtungsstruktur verlassenden Luft bestimmt, liegt die Temperatur der Druckluft häufig weit über der idealen Temperatur für eine maximale Wirksamkeit der Leistungen nachgelagerter Einheiten. Daher wird häufig ein mechanisches Kühlsystem verwendet, um die Luft deutlich abzukühlen.
2. Eliminierung von Kohlendioxid und anderen Verunreinigungen
Um die Kriterien für die Produktqualität zu erfüllen, müssen bestimmte Elemente des einströmenden Luftstroms eliminiert werden. Wasserdampf und Kohlendioxid sollten aus der Luft entfernt werden, bevor sie in den kryogenen Destillationsteil der Anlage eintritt, da sie sich bei extrem niedrigen Temperaturen verfestigen und an der Außenseite der Verfahrensausrüstung ansammeln würden.
Molekularsieb Anlagen und Umkehrwärmetauscher sind die beiden am häufigsten verwendeten Methoden zur Beseitigung von Dampf und Kohlendioxid.
- Eine Molekularsieb-Vorreinigungseinheit wird in fast allen neuen Lufttrennungsanlagen eingesetzt, um Kohlendioxid und Wasser aus dem Luftstrom zu extrahieren, indem diese Partikel bei nahezu Umgebungstemperatur an der Außenseite von Molekularsieben adsorbiert werden. Andere Schadstoffe, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, die in einem industriellen Umfeld vorkommen können, lassen sich leicht durch Anpassung der Zusammensetzung der adsorbierende Stoffe in diesen Systemen. Die Adsorptionsmittel werden in der Regel in zwei identischen Behältern aufbewahrt, von denen einer zur Reinigung der eintretenden Luft und der andere zur Regenerierung mit sauberem Abgas verwendet wird. In regelmäßigen Abständen wechseln die beiden Platten ihren Dienst. Wenn ein hohes Stickstoffextraktionsverhältnis angestrebt wird, ist die Molekularsieb-Vorreinigung die offensichtliche Wahl.
- Die andere Möglichkeit besteht darin, Wasser und CO2 mit Hilfe von Umkehrwärmetauschern zu eliminieren. Obwohl Umkehrwärmetauscher häufig als "uralte" Technologie angesehen werden, könnten sie für Stickstoff- oder Sauerstoffanlagen mit niedrigeren Produktionsraten kosteneffizienter sein. In Anlagen, die Umkehrwärmetauscher verwenden, wird die Druckluftzufuhr in zwei Paaren von gelöteten Aluminiumwärmetauschern gekühlt.
Die ankommende Luft wird in der "Warmend"-Wärmeübertragung auf eine Temperatur abgekühlt, die niedrig genug ist, damit Wasserdampf und Kohlendioxid an den Oberflächen des Wärmetauschers erstarren können. Ein System von Ventilen wechselt in regelmäßigen Abständen den Betrieb der Luft- und Abgaskanäle. Nach dem Übergang verdampft das sehr trockene, unterschiedlich erhitzte Abgas das Wasser und sublimiert den Kohlendioxid-Frost, der sich während der Luftkühlung gebildet hat. Diese Gase werden wieder an die Atmosphäre abgegeben, und der Umkehrwärmetauscher ist für eine weitere Umkehrung des Durchgangsbetriebs vorbereitet, nachdem sie vollständig beseitigt wurden.
Kaltabsorptionssysteme werden eingesetzt, wenn Umkehrwärmetauscher verwendet werden, um Kohlenwasserstoffe zu eliminieren, die in die Destillationseinheiten gelangen. (In den Vorreinigungseinheiten werden Kohlenwasserstoffverunreinigungen zusammen mit Wasserdampf und Kohlendioxid eliminiert, wenn ein Molekularsieb-"Frontend" verwendet wird.).
3. Wärmeleitung, um die Temperatur der zugeführten Luft auf kryogene Werte zu senken
Die Wärme wird zwischen der eintretenden Zuluft und dem kalten Ausgangs- und Abgasstrom, der das kryogene Destillationsverfahren verlässt, in gelöteten Aluminiumwärmetauschern ausgetauscht. Die abgehenden Gaskanäle werden wieder auf eine Temperatur nahe der der Umgebungsluft erwärmt. Die Menge an Kälte, die in der Anlage erzeugt werden muss, wird durch die Rückgewinnung von Kälte aus den gasförmigen Produktkanälen und den Abfallströmen reduziert.
Eine Kältetechnik, die das Wachstum eines oder mehrerer Ströme mit erhöhtem Druck beinhaltet, erzeugt die für die kryogene Destillation erforderliche extreme Kälte.
4. Luft-Destillation
Zwei Destillationssäulen werden nacheinander verwendet, um Sauerstoff als Nebenprodukt in der Destillationsanlage zu erzeugen. Die Bezeichnungen "Hoch-" und "Niederspannungssäule" (oder alternativ "untere" und "obere" Säule) sind die am häufigsten verwendeten Begriffe. Stickstoffanlagen können je nach ihrer Reinheit eine oder zwei Säulen haben. Aus jeder Destillationssäule tritt oben Stickstoff und unten Sauerstoff aus. Wenn der verunreinigte Sauerstoff, der in der ersten Säule (mit höherem Druck) produziert wird, ein gewünschtes Produkt ist, wird er in der zweiten Säule mit niedrigerem Druck noch weiter veredelt. Wenn hochreiner Stickstoff gewünscht wird, wird die obere Säule oder die Niederdrucksäule verwendet, um fast den gesamten Sauerstoff zu entfernen, der in der ersten Destillationsphase nicht entfernt wurde.
Argon hat einen Siedepunkt, der mit dem von Sauerstoff vergleichbar ist. Wenn also nur Sauerstoff und Stickstoff als Nebenprodukte benötigt werden, bleibt es vorzugsweise bei der Sauerstoffabgabe. In einem herkömmlichen Zwei-Säulen-System ist der Reinheitsgrad des Sauerstoffs daher auf etwa 97 Prozent begrenzt. Wenn Sauerstoff mit geringerem Reinheitsgrad zulässig ist (z. B. zur Verbesserung der Verbrennung), könnte der Reinheitsgrad des Sauerstoffs auf 95% reduziert werden. Allerdings sollte Argon aus der Destillationseinheit entfernt werden, wenn hochreiner Sauerstoff gewünscht wird.
Wenn Argon benötigt wird, wird es an einer Stelle des Niederdruckstroms entnommen, an der die Argonkonzentration am höchsten ist. Das entnommene Argon wird in einem "Side-Draw"-Destillationsturm für Rohargon behandelt, der in die Niederdrucksäule integriert ist. Der verunreinigte Argonstrom kann entlüftet, vor Ort behandelt werden, um sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff zu entfernen und "reines" Argon zu erzeugen, oder als Flüssigkeit gelagert und an eine weit entfernte "Argon-Destillerie" geliefert werden. Welche Option in Frage kommt, hängt in erster Linie von der Menge des verfügbaren Argons und einer Kosten-Nutzen-Analyse der verschiedenen Optionen ab. Grundsätzlich gilt, dass die Reinigung von Argon am kosteneffizientesten ist, wenn täglich mindestens 100 Tonnen Sauerstoff erzeugt werden.
Zur Herstellung von reinem Argon aus Rohargon wird ein mehrstufiges Verfahren eingesetzt. Bei der herkömmlichen Methode wird eine "De-Oxo"-Komponente verwendet, um den im Rohargon vorhandenen 2 - 3 % Sauerstoff zu entfernen. Dabei handelt es sich um ein kleines mehrstufiges Verfahren, bei dem der Sauerstoff in einem katalysatorhaltigen Behälter chemisch mit Wasserstoff kombiniert und das anschließende Wasser (nach Abkühlung) in einem Molekularsiebtrockner entfernt wird. Der sauerstofffreie Argonstrom wird anschließend in einer Destillationsanlage für "reines Argon" destilliert, um Stickstoffreste und unlöslichen Wasserstoff zu entfernen.
Eine zweite Möglichkeit der Argonherstellung hat sich durch Fortschritte in der Füllkörperdestillationstechnik herauskristallisiert: die vollständig kryogene Argonrückgewinnung, bei der eine sehr hohe Destillationskolonne (mit winzigem Durchmesser) verwendet wird, um die schwierige Argon-Sauerstoff-Entkopplung zu erreichen. Die relativ geringen Unterschiede zwischen den Siedepunkten von Sauerstoff und Argon machen mehrere Destillationsstufen für Argon erforderlich.
Die Menge des im Destillationssystem behandelten Sauerstoffs sowie eine Reihe anderer Variablen, die die Rückgewinnungsrate beeinflussen, schränken die Argonmenge ein, die eine Anlage ausgeben kann. Zu diesen Faktoren gehören das Volumen des produzierten Flüssigsauerstoffs und die Beständigkeit der Betriebsparameter der Anlage. Die Argonerzeugung darf aufgrund des natürlich vorhandenen Gasanteils in der Luft 4,4 % der Sauerstoffzufuhr (nach Volumen) bzw. 5,5 % nach Gewicht nicht überschreiten.
Die Wärmetauscher am vorderen Ende dienen zur Umleitung der kalten gasförmigen Produkte und Abfallströme, die aus den Luftzerlegungstürmen stammen. Sie kühlen die einströmende Luft, während sie sich auf nahezu Umgebungstemperatur erwärmt. Wie bereits erwähnt, wird durch die Wärmeübertragung zwischen den Eingangs- und den Produktströmen die Nettokältebelastung der Anlage reduziert, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt, Energienutzung.
5. Kühlung
Um den Wärmeverlust in kalte Apparate und den schlechten Wärmeaustausch zwischen eintretenden und austretenden Gasströmen auszugleichen, wird die Kälte bei kryogenen Temperaturen erzeugt.
Der in kryogenen Luftzerlegungsanlagen verwendete Kältekreislauf ist in der Theorie identisch mit dem, der in Klimaanlagen für Haushalte und Kraftfahrzeuge verwendet wird. Je nach Art der Anlage wird der Druck in einem oder mehreren Hochdruckströmen (Stickstoff, Abgas, Speisegas oder Ausgangsgas) gesenkt, wodurch der Strom abgekühlt wird. Der Druckabfall (oder die Expansion) findet in einem Expander statt, um die Kühlung und die industrielle Energieeffizienz zu verbessern.
Die Temperatur des Gasstroms wird stärker reduziert, wenn ihm während des Wachstums Energie entzogen wird, als wenn er einfach über ein Ventil entspannt wird. Die Energie des Expanders kann zum Betrieb eines Verfahrenskondensators, eines elektrischen Generators oder eines anderen energieintensiven Geräts wie einer Ölpumpe oder eines Luftgebläses verwendet werden.
Die gasförmigen Ausgänge einer kryogenen Sauerstofffabrik/Luftzerlegungsanlage verlassen die Cold Box (den isolierten Behälter, der die Destillationsabschnitte und andere bei sehr niedrigen Temperaturen arbeitende Maschinen enthält) in der Regel bei Temperaturen nahe der Atmosphäre, aber bei reduziertem Druck; oft nur knapp über einer Umgebungstemperatur (absolut). Die Trennungs- und Reinigungsverfahren ist im Allgemeinen effizienter, wenn der Förderdruck reduziert wird.
Ein niedrigerer Druck führt zwar zu einem geringeren Energiebedarf bei der Trennung, doch wenn die Ausgänge mit einem höheren Druck versorgt werden müssen, sind Produktkompressoren oder eine der verschiedenen Kreislaufalternativen erforderlich, um Stickstoff oder Sauerstoff mit einem höheren Verteilungsdruck direkt aus der Coldbox zuzuführen. Diese Techniken mit höherem Lieferdruck können kosteneffizienter sein als eine Trennung mit Kompression, da sie keinen Produktkompressor oder dessen Strom benötigen.
Wirksame und sichere Tipps
Bevor Sie mit der Konstruktion und dem Entwurf eines kryogenen Systems oder Prozesses beginnen, führen Sie eine formelle Gefahrenanalyse durch. Bestimmen Sie die Risiken und wie Sie sie angehen wollen. Stellen Sie "Was wäre wenn"-Szenarien auf. Denken Sie daran, dass Maschinen ausfallen können, dass sich kryogene Flüssigkeiten schnell in ein Gas umwandeln können, dass Ventile undicht sein oder falsch gehandhabt werden können und dass Vakuumsysteme versagen können. Unabhängig von der Größe oder Komplexität des kryogenen Systems sollte diese Bewertung durchgeführt werden.
Berücksichtigen Sie die Sicherheit von Anfang an in Ihren Anlagen und Verfahren. Die Einbeziehung von Sicherheitselementen am Ende der Entwurfsphase kann kostspielig und zeitaufwendig sein, und es ist möglich, dass Gefahren übersehen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass es immer besser ist, eine Gefahr durch technische Planung zu beseitigen, als sie zu vermindern.
Selbst Spezialisten können etwas übersehen oder einen Fehler machen. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Sicherheit Ihres kryogenen Systems von anderen Personen beurteilen zu lassen, seien es andere Mitarbeiter, externe Experten oder formelle Prüfstellen, um die Chancen für ein sicheres System zu erhöhen.
Beurteilen Sie beim Umgang mit kryogenen Flüssigkeiten oder Inertgasen immer die Wahrscheinlichkeit von Sauerstoffmangelgefahren, unabhängig davon, wie gering die Menge ist. Stellen Sie entweder durch eine Bewertung fest, dass eine solche Gefahr nicht besteht, oder führen Sie entsprechende konstruktive Verbesserungen oder Abhilfemaßnahmen ein, um die Gefahr zu beseitigen oder zu verringern. Aufgrund des enormen Gasvolumens, das selbst von kleinen Mengen kryogener Flüssigkeiten erzeugt wird, und der Möglichkeit, dass bei einem ausreichend niedrigen Sauerstoffgehalt das erste physiologische Symptom eine schnelle Bewusstlosigkeit sein kann, die von Koma und Tod begleitet wird, sind ODH-Probleme besonders ernst.
Verwenden Sie bei kryogenen Temperaturen nur Stoffe, die nachweislich bei diesen Temperaturen funktionieren. Bedenken Sie, dass Stoffe, die bei Umgebungstemperaturen funktionieren sollen (z. B. die Außenwände von Vakuumbehältern), bei bestimmten Versagensmechanismen während der Gefährdungsbeurteilung kryogene Temperaturen erreichen können.
Vergewissern Sie sich, dass alle Personen, die mit oder in der Nähe von kryogenen Anlagen arbeiten, auch Gelegenheitsnutzer, das erforderliche Maß an Sicherheitsschulung in Bezug auf kryogene Anlagen und Sauerstoffmangel erhalten haben.
Tragen Sie immer die entsprechende persönliche Schutzausrüstung und halten Sie sich an die festgelegten Arbeitsabläufe. Abkürzungen führen oft zu Missgeschicken.
Die Quintessenz
Im kryogenen Luftzerlegungsprozess sind Trockenmittel eine Notwendigkeit. Sie müssen mit einem Produktionsstätte die Ihnen hochwertige Produkte anbieten können. Kontakt und wir werden Ihnen gerne unsere Dienste anbieten.
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