У промисловому виробництві газу технологія кріогенного поділу повітря залишається основним методом велико{0}}виробництва-високочистого кисню. Багато людей знають, що це обладнання може перетворювати повітря на кисень, але мало хто справді розуміє, як воно досягає високої чистоти. У цій статті описано принципи процесу, логіку розділення та ключові контрольні точки, що стоять за кріогенними блоками розділення повітря. Як технічне підприємство, яке глибоко займається цією сферою, Shenger Gas накопичило практичний досвід у проектуванні та розробці кріогенних систем розділення повітря-досвідом, яким варто поділитися.
Основним принципом є не «фільтрування», а різниця в точках кипіння
По-перше, поширене помилкове уявлення потребує прояснення: кріогенне розділення повітря не покладається на фізичну фільтрацію для отримання кисню. Він використовує природні відмінності температур кипіння компонентів повітря. Під атмосферним тиском кисень кипить при -183 градусах, азот при -196 градусах і аргон при -186 градусах. Розділення компонентів стає можливим шляхом охолодження повітря до температури нижче -170 градусів для його зрідження, а потім збільшення масо- та теплообміну між газовою та рідкою фазами всередині дистиляційної колони.
Першим кроком до високо{0}}чистого кисню є стиснення, попереднє-охолодження та очищення повітря для видалення води, вуглекислого газу та вуглеводнів. Неповна обробка на цій стадії може легко замерзнути або заблокувати вихідні канали та теплообмінники, швидко погіршуючи продуктивність дистиляції. Таким чином, надійність передньої-системи очищення безпосередньо визначає, чи зможе кінцевий продукт стабільно досягати 99,6% чистоти або вище.
Координація між нижньою та верхньою колонами: основний відділ дистиляції
Типова система дистиляції з двома-колонами, також відома як дво{1}}колонний процес, є найбільш широко використовуваною структурою для кріогенного виробництва кисню. У нижній колонці виконується початкове завдання поділу. Після того, як зріджене повітря потрапляє в нижню колону, пара, що піднімається, і рідина, що опускається, постійно контактують один з одним. Азот поступово концентрується вгорі, тоді як багата киснем рідина- накопичується внизу. Ця багата киснем-рідина зазвичай містить від 38% до 42% кисню-що далеко від вимог-класу продукту.
Збагачена киснем рідина потім подається в середину верхньої колони як живлення для подальшої концентрації. Верхня колона одночасно отримує флегму рідкого азоту з верхньої частини нижньої колони, утворюючи секції повної ректифікації та відпарювання. Зрештою, кисень збирається в нижній частині верхньої колони, тоді як азот виходить у верхній частині. При правильній конструкції обладнання та стабільній роботі чистота кисню в нижній частині верхньої колони може досягати 99,6% до 99,8% або навіть вище.
Одна деталь, яку легко не помітити: наявність аргону значно обмежує підвищення чистоти кисню. Аргон становить близько 0,93% повітря, і його температура кипіння знаходиться між киснем і азотом. У звичайних процесах виробництва кисню без отвору-відведення аргону аргон накопичується в середині верхньої колони, при цьому частина надходить у кисневий продукт і знижує його чистоту. Тому для стабільного виробництва кисню високої-чистоти понад 99,8% зазвичай потрібна допоміжна аргонова колона або повна-дистиляційна-відновлення аргону без водню.
Чистота продукту не визначається одним параметром
Багато користувачів задаються схожим питанням: що, власне, гарантує чистоту кисню, якщо вже придбане обладнання? Відповідь полягає не в окремому показнику, а в динамічному балансі набору параметрів.
- Потужність охолодження розширювача. Недостатнє охолодження зменшує дефлегмацію рідини у верхній колоні, знижуючи ефективність дистиляції. Надмірне охолодження може переохолодити колонку, також порушуючи розділення.
- Швидкість і тиск подачі повітря. Великі коливання безпосередньо впливають на баланс газу-рідини всередині колони, спричиняючи коливання чистоти.
- Регулювання дефлегмації рідкого азоту в нижній колонці. Це один з найбільш поширених і чутливих методів контролю. Занадто низький зворотний холодильник зменшує вміст кисню в багатій на кисень рідині-нижньої колони. Занадто сильний рефлюкс фактично знижує чистоту кисню в нижній частині верхньої колони.
- Витягніть-позицію порту та отвір. Якщо швидкість вилучення кисню, рідкого кисню та відпрацьованого азоту не відповідає профілю внутрішнього складу колони, чистоту стає важко підтримувати.
У інженерній практиці операторам-ефективної кріогенної повітророзділювальної установки зазвичай потрібно лише точно-налаштувати два-три ключові клапани, щоб підтримувати стабільний стан. Але це передбачає, що ефективність лотків або розподіл пакування були належним чином розроблені з самого початку. Інакше жодні налаштування не зможуть легко досягти чистоти дизайну.
Де існує розрив між виробництвом кисню та стабільним виробництвом кисню високої-чистоти
Багато кріогенних повітророзділювачів на ринку можуть виробляти кисень приблизно на 99,5%, але досягнення стабільної продуктивності понад 99,8%-з підтримкою протягом місяців без відключення чи коливань-ставить вищі вимоги до кількох менш очевидних областей.
- Рівномірність розподілу рідини всередині колони. Незалежно від того, чи використовуються ситчасті лотки чи структурована упаковка, нерівномірний розподіл газу-рідини призводить до локальних сухих зон або затоплення, що безпосередньо знижує загальну чистоту. Це особливо критично для великих-установ, що переробляють тисячі чи навіть десятки тисяч нормальних кубічних метрів на годину.
- Ущільнення холодної коробки та контроль осідання перліту. Несправні ущільнювачі холодної коробки або осілий перліт дозволяють вологому зовнішньому повітрю проникати та замерзати, або спричиняють локальну втрату холоду, поступово змінюючи внутрішні умови.
- Точність і час відгуку аналітичних приладів. Якщо час відповіді онлайн-аналізатора кисню перевищує 10 секунд, це означає, що оператори вже працюють із застарілими даними-налаштування завжди відставатимуть.
Ці прогалини часто неможливо повністю усунути шляхом теоретичних розрахунків на папері. Вони значно більше залежать від досвіду роботи виробника та-можливостей введення в експлуатацію на місці. Ось чому Shenger Gas послідовно розглядає проектування, виробництво та введення в експлуатацію як замкнутий цикл виконання проекту, а не доставляє їх як окремі етапи.
Дві деталі, які легко не помітити під час реальної експлуатації
По-перше, вплив циклу-розігріву та розморожування на відновлення чистоти. Після того, як кріогенна установка поділу повітря працює протягом деякого часу, канали пластинчатого -ребристого теплообмінника поступово блокуються слідами накопичення вуглекислого газу або вологи. Це проявляється як збільшення різниці температур на гарячому кінці та підвищення тиску в нижньому стовпі. Багато команд поспішають перезапуститися після-розігріву, лише для того, щоб відновити чистоту, займає два-три дні. Правильний підхід полягає в тому, щоб спочатку створити достатню охолоджувальну здатність після-розігріву, запустити верхню колону з консервативним коефіцієнтом дефлегмації та лише поступово збільшувати виробництво кисню та чистоту, коли всі точки вимірювання температури стабілізуються.
По-друге, якість навколишнього повітря не безмежно хороша. Блоки поділу повітря, розташовані поблизу хімічних заводів або сталеливарних заводів, часто містять слідові кількості аміаку, сірководню або вуглеводнів. Ці домішки не лише впливають на термін служби молекулярного сита-деякі-компоненти з низькою температурою кипіння можуть потрапляти в дистиляційну колону та концентруватися разом із киснем, що зрештою знижує чистоту кисню та навіть створює ризик для безпеки. Для таких сценаріїв настійно рекомендується додавати цільові адсорбційні шари перед системою очищення.
Виробництво-кисню високої чистоти за допомогою кріогенного обладнання для розділення повітря — це, по суті, точне використання фізичних властивостей повітря. Від очищення, охолодження та зрідження до подвійної-дистиляції в колоні, кожен крок закладає основу для кінцевого потоку 99,8% кисню. Розуміння цього робить зрозумілим, чому різні виробники можуть отримувати такі різні фактичні результати чистоти завдяки, здавалося б, ідентичним схемам процесу. Справжня прогалина рідко полягає в самому процесі, а в обробці деталей, які впливають на дистиляційний баланс.
Якщо проект бореться з нестабільною чистотою кисню або вузькими місцями очищення, добре почати дослідження ключових контрольних точок, розглянутих вище. Технічні проблеми часто не вимагають надто складних рішень. Повернення до основних принципів часто дає найпряміші відповіді.
