Разделение воздуха криогенным способом

Криогенные воздухоразделительные установки: принцип работы ВРУ криогенного типа

Криогенная воздухоразделительная установка используется для разделения кислорода на компоненты. Воздухоразделительные установки криогенного типа получили широкое распространение и используются на различных предприятиях, задействуются в производственных процессах, а также устанавливаются на складах, на которых должны выдерживаться особенные условия хранения. Как устроена криогенная воздухоразделительная установка? По какому принципу работают воздухоразделительные установки криогенного типа? Разбираемся с техническими и эксплуатационными вопросами.

Для получения основных продуктов разделения воздуха – азота и кислорода -используются воздухоразделительные установки, которые по принципу работы разделены на три основных категории:

1. криогенные — с разделением воздуха методом низкотемпературной ректификации;
2. адсорбционные — работающие при температуре окружающей среды и обеспечивающие разделение воздуха с помощью адсорбентов;
3. мембранные — работающие при температуре окружающей среды и обеспечивающие разделение воздуха с помощью полимерных мембран (молекулярных сит), выполненных в виде капиллярных трубок.

Критерием выбора типа ВРУ является необходимый продукт, его состояние (сжиженное или газообразное), чистота, давление продуктового газа, производительность и экономичность.

Криогенные воздухоразделительные установки (ВРУ)

Принцип работы криогенных воздухоразделительных установок основан на низкотемпературной ректификации сжиженного воздуха. Установки состоят из следующих основных компонентов:

1. компрессора;
2. технологического оборудования;
3. вспомогательной аппаратуры.

Упрощенная технологическая схема работы воздухоразделительных установок криогенного типа выглядит следующим образом: воздух после сжатия в компрессоре проходит блоки очистки, где освобождается от влаги, углекислоты и углеводородов, расширяется в детандере с понижением температуры, проходит через теплообменники, сжижается и попадает в ректификационную колонну на разделение, после чего, в зависимости от режима, выдается азот или кислород в жидком или газообразном состоянии.

Криогенные ВРУ технически достаточно сложны, требуют значительного времени для выхода на режим, смену режима и отогрев, включают в себя энергоемкую систему очистки, металлоемкое тепло- и массообменное оборудование, детандер, систему автоматики. Криогенные воздухоразделительные установки требуют высококвалифицированного обслуживания и достаточно энергоемки. Эти недостатки компенсируются возможностью получения сжиженных продуктов разделения воздуха и чистого медицинского кислорода. Воздухоразделительные установки криогенного типа предназначены для получения газообразного азота или кислорода под давлением, сжиженного азота или кислорода а также сухого воздуха высокого давления, свободного от примесей.

Где применяются криогенные воздухоразделительные установки

Сфера применения воздухоразделительных установок криогенного типа достаточно широка. Оборудование выпускается в разных размерах – от достаточно компактных и мобильных модулей до масштабных воздухоразделительных установок криогенного типа.

Криогенные воздухоразделительные установки применяются для выполнения следующих задач:

• для получения кислорода для автогенных работ (за исключением автоматической резки металлов);
• в силикатной промышленности и целлюлозно-бумажном производстве;
• в рыбоводстве;
• для обработки сточных вод и обеспечения кислородом озонаторных установок;
• в процессе переработки органических отходов (пиролиз);
• в микробиологических производствах;
• в пищевой и фармацевтической промышленностях, в сельском хозяйстве;
• в других областях для интенсификации технологических процессов.
• Установки КБА для производства азота
• для обеспечения пожарной и взрывобезопасности во время проведения монтажных, профилактических и ремонтных работ на установках, блоках и элементах нефтегазового комплекса;
• для создания «азотной подушки» при переливе и транспортировке нефтепродуктов;
• для создания инертной среды в химических производствах при разделении сложных растворов и смесей, в том числе в лакокрасочной промышленности;
• для создания инертных сред в электронной промышленности;
• в качестве средств пожаротушения и прекращения процессов тления в технологических процессах;
• для упаковки пищевых продуктов;
• в других областях для создания нейтральных сред.

Это далеко не полный перечень сфер использования криогенных воздухоразделительных установок. Современные воздухоразделительные установки криогенного типа могут применяться для решения самых разных вопросов.

Типы криогенных воздухоразделительных установок по рабочему давлению

Воздухоразделительные установки криогенного типа принципиально делятся на две категории в зависимости от рабочего давления. Рассмотрим особенности оборудования каждой группы.

Воздухоразделительные установки криогенного типа низкого давления (0,6 МПа)

Криогенные воздухоразделительные установки низкого давления предназначены для производства газообразного кислорода в качестве основного продукта, азота и аргона, а также небольшой доли этих продуктов (до 3% от объема перерабатываемого воздуха) в жидком виде или под высоким давлением (до 4,0 МПа). Дополнительно могут быть получены редкие газы – криптон-ксеноновый концентрат и неоно-гелиевая смесь.

Воздухоразделительные установки криогенного типа выпускаются двух основных типов:

1. установки типа АКАр осуществляют комплексное разделение воздуха производительностью по кислороду от 1000 до 35000 м3/ч чистотой 99,5-99,8%.
2. установки типа Кт (АКт) – позволяют получить газообразный кислород пониженной чистоты (80-95%) и чистый газообразный азот.

Криогенные воздухоразделительные установки с внутренним сжатием

Предназначены для выдачи продуктов разделения под давлением непосредственно из установки (кислород до 4,0 МПа, азот – до 6,0 МПа). Удельное энергопотребление – по кислороду 0,6-0,7 кВт*ч/м3.

Мобильные криогенные воздухоразделительные установки

Криогенные мобильные воздухоразделительные установки UNIT предназначены для производства кислорода и азота в жидком или газообразном виде из атмосферного воздуха. Практичные воздухоразделительные установки криогенного типа могут производить не только технические газы, но также газы высокой чистоты и обеспечивать кислородом и азотом клиники, НИИ, лаборатории и другие учреждения. Работа криогенных воздухоразделительных установок основана на принципе разделения воздуха методом глубокого охлаждения, что позволяет использовать атмосферный воздух в качестве бесплатного сырьевого материала.

Атмосферный воздух засасывается пятиступенчатым компрессором криогенной воздухоразделительной установки через воздушный фильтр, в котором очищается от механических примесей. После сжатия и предварительного охлаждения, воздух поступает в блок с баллонами с цеолитом, где происходит очистка воздуха от влаги, углекислого газа и ацетилена. Затем воздух высокого давления направляется в блок разделения воздуха, включающий в себя воздухоразделительные колонны и теплообменную аппаратуру. Там происходит сжижение и разделение воздуха методом ректификации на жидкие кислород или азот, которые затем через сливной штуцер периодически сливаются в специальные емкости, не входящие в комплект поставки криогенного комплекса.

Для получения газообразного продукта жидкий продукт засасывается насосом сжиженных газов воздухоразделительной установки криогенного типа и направляется на наполнительную рампу с предварительной газификацией в теплообменнике за счет тепла воздуха высокого давления.

Криогенная воздухоразделительная установка требует монтажа на месте эксплуатации, подключения к источнику электроэнергии и водоснабжения. Устанавливается ВРУ криогенного типа на ровную бетонную площадку, огороженную по периметру металлической сеткой.

Источник

Криогенная технология

Криогенная технология-разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты

ИА Neftegaz.RU. Технология разделения воздуха с помощью криогенных температур на основные газовые компоненты известна очень давно.

Принцип работы криогенных установок основан на сжижении воздуха и последующем его разделении на азот, кислород и аргон.
Такой способ получения газов называется разделением воздуха методом глубокого охлаждения.
Криогенными считаются температуры ниже 120 К (-153 o С).
Сначала воздух сжимается компрессором, затем, после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 °K и превращается в жидкость.
Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов: кислорода — 90,18 °K, азота — 77,36 °K.
При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом.

Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн, получают жидкие кислород, азот и аргон нужной чистоты.
При относительно высокой стоимости криогенные блоки очень надежны, просты в эксплуатации, обладают высокими техническими характеристиками и позволяют получать газы высокой чистоты в очень больших объемах, например, газообразный азот сверхвысокой чистоты (до 1 ppb), который не может быть получен в адсорбционных и мембранных системах.

В то же время криогенные блоки являются экономически эффективными при долгосрочной эксплуатации за счет низкого удельного энергопотребления и низких эксплуатационных затрат.
Широкое применение нержавеющей стали, особенно для трубопроводов и клапанов, позволяет использовать простые и надежные сварные соединения, а также обеспечивает противокоррозионную стойкость. Кроме этого, само по себе сварные соединения нержавеющих трубопроводов как внутри холодного блока, так и в не его, обеспечивают долговечную плотность и не допускают протечек.
Основными техническими преимуществами криогенного способа являются гарантированная высокая чистота продукта при неизменном расходе, а также низкое удельное энергопотребление в течение всего срока эксплуатации.
Минимизация вращающихся и движущихся механизмов обеспечивает долгий ресурс работы криогенных установок.
При соблюдении проектных условий эксплуатации блока комплексной очистки (БКО) не требуется замена адсорбентов в течение всего срока службы установки.

Процесс генерации жидкого азота

1. Система очистки от примесей: в основном через воздушный фильтр и другие поглотители — молекулярные сита для очистки от механических примесей, влаги, углекислого газа, ацетилена, смешанных в воздухе.
2. Воздушное охлаждение и сжижение: в основном, воздух с глубокой заморозкой играет роль воздушного компрессора, теплообменника, расширительной машины, воздушного дроссельного клапана и т. Д.
3. Система дистилляции воздуха: основным компонентом является ректификационная колонна (верхняя колонна, нижняя колонна), испаритель конденсата, переохладитель, жидкий воздух и дроссель жидкого азота. Играет роль в разделении различных компонентов воздуха.
4. Нагревательная система продувки: В дополнение к использованию метода теплового обдува производится регенерация системы очистки.
5. Система управления прибором: с помощью разнообразных приборов для контроля всего процесса. При криогенном разделении воздуха азот принимает воздух в качестве сырья, благодаря сжатию, очистке, сжижение воздуха с помощью теплообменной жидкости превращается в жидкий воздух. Жидкий воздух в основном представляет собой смесь жидкого кислорода и жидкого азота, жидкий кислород и жидкий азот имеют разные точки кипения, путем дистилляции, так что они разделяются для получения азота.

Криогенная кислородно-азотная машина с 2 колоннами, рабочее давление всей системы составляет менее 0,7 MPa.
Операция проста, гибка и безопасна, а потребление энергии очень низкое.
Основными частями являются:

• воздушный компрессор,
• осушитель воздуха (предварительный охладитель),
• фильтры,
• адсорбционные колонны с молекулярными ситами для предварительной обработки,
• система оборотной охлаждающей воды,
• расширитель газового подшипника,
• расширение с положительным потоком и охлаждение,
• перегонка с 2 мя колоннами.

Общая скорость извлечения высока.
Кислород и азот высокой чистоты могут быть получены одновременно.
Определенное количество жидкого аргона также может быть произведено одновременно.
Выход газообразного кислорода может составлять от 50 Nm3 / h до 60000 Nm3 / h при чистоте кислорода более 99,6% и азота — более 99,99%.

Источник

24 Августа 2016 — Промышленное разделение воздуха на компоненты

Разделение воздуха осуществляется тремя основными способами: криогенным, адсорбционным и мембранным. Первый вариант считается классическим, поскольку позволяет получать не только чистый кислород и азот, но и аргон, гелий, неон и прочие составляющие.

Адсорбционный способ считается одним из самых прогрессивных. Он основан на способности некоторых материалов поглощать газы из атмосферного воздуха. Процесс протекает при обычной температуре, и аппарат быстро выходит на проектную мощность. Является идеальным вариантом для получения кислорода или азота чистотой до 95 %.

Мембранный способ основан на разной скорости проникновения компонентов атмосферного воздуха под определенным давлением через тело мембраны. Применяется в тех случаях, когда не требуются большие объемы газа.

Криогенная технология разделения воздуха

Разделение воздуха осуществляется на специальных промышленных установках методом криогенной ректификации. Данный способ основан на разной температуре кипения газов, входящих в состав атмосферного воздуха. Например, жидкий азот испаряется при −196 °C, а кислород — при −183 °C. Разумеется, для этого воздух необходимо охладить до температуры перехода в жидкое состояние. Это делается в специальных криогенных установках.

Технологический процесс начинается с подготовки атмосферного воздуха. На данной стадии выполняются следующие шаги:

• компрессионное сжатие воздушных масс до 6-7 атмосфер (сопровождается грубой очисткой от механических примесей посредством системы фильтрации);
• предварительное охлаждение воздуха до низкой температуры;
• очистка от паров влаги и углекислого газа по технологии «молекулярного сита».

Далее наступает второй этап охлаждения воздуха в главном теплообменнике криогенной камеры. При этом его температура опускается до −175 °С. Дальнейшее охлаждение достигается частичным сбросом давления, при котором воздушная масса переходит в жидкое состояние.

После таких манипуляций сжиженный воздух достигает температуры −200 °C и готов к сепарации. Для этого используются две разделительные колонны: одна среднего и одна низкого давления. Принцип разделения основан на разной температуре кипения основных составляющих компонентов:

• жидкий азот испаряется при −196 °C;
• кислород — при −183 °С.

Таким образом, азот испаряется и концентрируется в верхней части сепарационной колонны. Однако существующая температура недостаточна для кипения жидкого кислорода, который и занимает нижнюю часть сосуда.

Для получения аргона и других составляющих используются дополнительные колонны, специализированные для отделения конкретных газов.

Основным преимуществом метода криогенной ректификации является повышенная чистота конечного продукта. Кроме этого, данный способ позволяет получать такие газы, как неон, аргон, гелий и др.

Использование концентраторов кислорода в медучреждениях, в частности в реанимационных отделениях, давно доказало свою эффективность по сравнению с применением кислорода из баллонов со сжатым газом.

Источник