В производстве промышленных газов технология криогенного разделения воздуха остается основным методом крупномасштабного-производства кислорода высокой-чистоты. Многие люди знают, что это оборудование может превращать воздух в кислород, но мало кто по-настоящему понимает, как оно достигает высокой чистоты. В этой статье рассматриваются принципы процесса, логика разделения и ключевые точки управления криогенными установками разделения воздуха. Как техническое предприятие, активно работающее в этой области, компания Shenger Gas накопила практический опыт проектирования и проектирования криогенных систем разделения воздуха-, которым стоит поделиться.
Основной принцип — не «фильтрация», а разница в температуре кипения.
Во-первых, необходимо прояснить распространенное заблуждение: криогенное разделение воздуха не основано на физической фильтрации для получения кислорода. Он использует естественные различия в температурах кипения компонентов воздуха. При атмосферном давлении кислород кипит при -183 градусах, азот при -196 градусах, аргон при -186 градусах. Разделение компонентов становится возможным за счет охлаждения воздуха ниже -170 градусов для его сжижения, а затем использования массо- и теплопереноса между газовой и жидкой фазами внутри ректификационной колонны.
Первым шагом к получению кислорода высокой-чистоты является сжатие, предварительное-охлаждение и очистка воздуха от воды, углекислого газа и углеводородов. Незавершенная обработка на этом этапе может легко заморозить или заблокировать выходные каналы и теплообменники, что приведет к быстрому снижению производительности дистилляции. Таким образом, надежность системы предварительной-очистки напрямую определяет, сможет ли конечный продукт стабильно достигать чистоты 99,6 % или выше.
Координация между нижней и верхней колоннами: основное подразделение дистилляции
Типичная система дистилляции с двумя-колоннами, также известная как процесс с двумя-колоннами, является наиболее широко используемой структурой для производства криогенного кислорода. Нижний столбец отвечает за первоначальную задачу разделения. После того, как сжиженный воздух попадает в нижнюю колонну, поднимающийся пар и нисходящая жидкость неоднократно контактируют друг с другом. Азот постепенно концентрируется вверху, а жидкость,-богатая кислородом, скапливается внизу. Эта жидкость,-богатая кислородом, обычно содержит от 38 % до 42 % кислорода,-что далеко от требований-класса продукта.
Эта богатая кислородом-жидкость затем подается в середину верхней колонны в качестве сырья для дальнейшего концентрирования. В верхнюю колонну одновременно поступает жидкий азотный рефлюкс из верхней части нижней колонны, образуя полные секции ректификации и отгонки. Кислород в конечном итоге собирается внизу верхней колонны, а азот выходит сверху. При правильной конструкции оборудования и стабильной работе чистота кислорода в нижней части верхней колонны может достигать 99,6–99,8% и даже выше.
Одна деталь, которую легко упустить из виду: присутствие аргона существенно ограничивает повышение чистоты кислорода. Аргон составляет около 0,93% воздуха, а его температура кипения находится между кислородом и азотом. В обычных процессах производства кислорода без отверстия для отбора аргона-аргон накапливается в середине верхней колонны, при этом некоторая его часть попадает в кислородный продукт и снижает его чистоту. Поэтому для стабильного производства кислорода высокой-чистотой выше 99,8 % обычно требуется вспомогательная аргоновая колонна или процесс полной-перегонки водорода-с извлечением свободного аргона.
Чистота продукта не определяется одним параметром
Многие пользователи задаются аналогичным вопросом: что на самом деле гарантирует чистоту кислорода после приобретения оборудования? Ответ – не какой-то один показатель, а динамический баланс набора параметров.
- Охлаждающая способность расширителя. Недостаточное охлаждение уменьшает количество флегмы в верхней колонне, снижая эффективность дистилляции. Чрезмерное охлаждение может привести к переохлаждению колонки, что также приведет к нарушению разделения.
- Расход и давление подачи воздуха. Большие колебания напрямую влияют на баланс газа-жидкости внутри колонны, вызывая колебания чистоты.
- Регулировка рециркуляции жидкого азота нижней колонны. Это один из самых распространенных и чувствительных методов контроля. Слишком малое количество рециркуляции снижает содержание кислорода в богатой кислородом жидкости нижней колонны-. Слишком большое количество рециркуляции фактически снижает чистоту кислорода в нижней части верхней колонны.
- Отрисуйте-положение и открытие порта. Если скорости вывода кислорода, жидкого кислорода и отходящего азота не соответствуют профилю внутреннего состава колонны, поддерживать чистоту становится сложно.
В инженерной практике операторам хорошо работающей-криогенной установки разделения воздуха обычно достаточно точно-настроить только два или три ключевых клапана для поддержания устойчивого режима. Но это предполагает, что эффективность лотков или распределение упаковки были правильно спроектированы с самого начала. В противном случае никакие корректировки не позволят легко добиться чистоты конструкции.
В чем заключается разница между производством кислорода и стабильным производством кислорода высокой-чистоты
Многие криогенные установки разделения воздуха, представленные на рынке, могут производить кислород с содержанием кислорода около 99,5 %, но достижение стабильной производительности выше 99,8 %,-поддерживаемой в течение нескольких месяцев без остановок или колебаний-, предъявляет более высокие требования к нескольким менее очевидным областям.
- Равномерность распределения жидкости внутри колонны. Независимо от того, используются ли ситчатые тарелки или структурированная насадка, неравномерное распределение газа-жидкости приводит к локальным засушливым зонам или затоплению, что напрямую снижает общую чистоту. Это особенно важно для крупных-установок, обрабатывающих тысячи или даже десятки тысяч нормальных кубических метров в час.
- Герметизация холодного бокса и контроль оседания перлита. Неисправные уплотнения холодного ящика или осевший перлит позволяют влажному наружному воздуху проникать и замерзать или вызывают локальную потерю холода, постепенно изменяя внутренние условия.
- Точность и время отклика аналитических приборов. Если время отклика онлайн-анализатора кислорода превышает 10 секунд, операторы уже работают с устаревшими данными,-корректировки всегда будут отставать.
Эти пробелы часто не могут быть полностью устранены теоретическими расчетами на бумаге. Они в гораздо большей степени зависят от опыта производителя и от возможностей-ввода в эксплуатацию на объекте. Вот почему Shenger Gas последовательно рассматривает проектирование, производство и ввод в эксплуатацию как замкнутый цикл реализации проекта, а не представляет их как отдельные этапы.
Две детали, которые легко упустить из виду в реальной эксплуатации
Во-первых, влияние цикла-прогрева и размораживания на восстановление чистоты. После работы криогенной воздухоразделительной установки в течение некоторого времени каналы пластинчатого-ребристого теплообменника постепенно закупориваются следами скоплений углекислого газа или влаги. Это проявляется в увеличении разницы температур на теплом конце и повышении нижнего давления в колонне. Многие команды спешат перезапустить игру после прогрева-только для того, чтобы обнаружить, что восстановление чистоты занимает два или три дня. Правильный подход заключается в том, чтобы сначала создать достаточную охлаждающую способность после прогрева-, запустить верхнюю колонну с консервативным флегмовым числом и постепенно увеличивать производство кислорода и его чистоту только после того, как все точки измерения температуры стабилизируются.
Во-вторых, качество окружающего воздуха не всегда хорошее. Установки разделения воздуха, расположенные вблизи химических заводов или сталелитейных заводов, часто содержат следовые количества аммиака, сероводорода или углеводородов. Эти примеси не только влияют на срок службы молекулярных сит,-некоторые низкокипящие компоненты-могут попадать в дистилляционную колонну и концентрироваться вместе с кислородом, что в конечном итоге снижает чистоту кислорода и даже создает угрозу безопасности. В таких случаях настоятельно рекомендуется добавлять целевые адсорбционные слои перед системой очистки.
Производство кислорода высокой-чистоты с помощью криогенного оборудования для разделения воздуха, по сути, представляет собой точное использование физических свойств воздуха. От очистки, охлаждения и сжижения до двойной-колонной дистилляции — каждый шаг закладывает основу для конечного потока кислорода с содержанием 99,8%. Понимание этого проясняет, почему разные производители могут получать такие разные фактические результаты чистоты при, казалось бы, одинаковых схемах процесса. Настоящий пробел редко заключается в самом процессе, а в деталях, влияющих на баланс дистилляции.
Если проект сталкивается с нестабильной чистотой кислорода или узкими местами в очистке, хорошим началом будет исследование ключевых контрольных точек, описанных выше. Технические проблемы часто не требуют слишком сложных решений. Возвращение к базовым принципам часто дает самые прямые ответы.
