Mis on õhueraldusseade (ASU)? Põhimõtted, protsessid ja rakendused

Sissejuhatus
Kaasaegse rasketööstuse, keemiatööstuse ja arstiabi maastikul on teatud alusgaase vaja tohututes kogustes. Sellised elemendid nagu kõrge-puhtusastmega hapnik, lämmastik ja argoon on asendamatud terase-, elektroonika-, gaasistamisprotsesside ja elu toetavate süsteemide jaoks. Kuid need gaasid ei eksisteeri Maa atmosfääris nende puhastel elementaarsetel vormidel. Selle asemel on need lukustatud homogeensesse segusse, mis koosneb ligikaudu seitsmekümnest -kaheksast protsendist lämmastikust, 20-ühest protsendist hapnikust ja ühest protsendist argoonist koos süsinikdioksiidi, veeauru, neooni, heeliumi, krüptooniga ja ksenooni jälgedega.
Nende gaaside ekstraheerimiseks kaubanduslikus mahus on vaja spetsiaalset ja kõrgetasemelist tööstusettevõtet, mida tuntakse õhueraldusüksusena (ASU). Õhueraldusseade töötab krüogeense destilleerimise põhimõtetel, võttes ümbritseva õhu õhu ja jahutades selle vedeliku temperatuurini, kus üksikuid komponente saab eraldada nende erinevate keemispunktide alusel. Õhueraldusüksuse termodünaamiliste põhimõtete, -etapilise töötlemisetappide ja mitmesuguste tööstuslike rakenduste mõistmine on oluline keemiainseneridele, tehaste operaatoritele ja tööstusstrateegidele, kes toetuvad katkematule gaasivarustusele. See põhjalik artikkel uurib õhu eraldamise taga olevat tehnilist imet, kirjeldades üksikasjalikult, kuidas välisõhk muudetakse kõrge puhtusastmega tööstusgaasideks, mis toetavad ülemaailmseid tarneahelaid.

 

Õhu eraldamise termodünaamilised põhimõtted
Õhueraldusüksuse töö sõltub suuresti termodünaamika põhiseadustest, faasimuutustest ja mitmekomponentsete gaasisegude keerulisest käitumisest krüogeensetel temperatuuridel. Kuigi lihtsat gaasieraldust saab saavutada membraanfiltratsiooni või rõhumuutumisega adsorptsiooniga (PSA), mis tagab madalamate puhtusnõuete-, jääb krüogeenne destilleerimine ainsaks tehnoloogiaks, mis suudab toota suures kaubanduslikus mahus üheaegselt kõrge puhtusastmega hapnikku, lämmastikku ja argooni.
Fraktsiooniline destilleerimine krüogeensetel temperatuuridel
Iga õhueraldusseadme keskmes on fraktsioneeriva destilleerimise põhimõte, mis eraldab keemilised segud nende keemispunktide erinevuste alusel teatud töörõhul. Standardse atmosfäärirõhu korral on õhu põhikomponentidel väga erinevad keemispunktid: lämmastik keeb umbes miinus üheksakümmend-kuus kraadi Celsiuse järgi, argoon miinus kaheksakümmend-kuus kraadi Celsiuse järgi ja hapnik miinus kaheksakümmend-kolme kraadi Celsiuse järgi. Kuna need keemispunktid on äärmiselt madalad, tuleb enne destilleerimist õhku esmalt äärmusliku jahutamise teel veeldada. ASU sees olevad krüogeensed destilleerimiskolonnid kasutavad mitmeid struktureeritud pakendeid või sõelaaluseid, mis hõlbustavad intiimset ja pidevat kontakti tõusvate aurude ja langevate vedeliku tagasivooluvoogude vahel. See massiülekandemehhanism võimaldab madalama keemistemperatuuriga komponentidel, nagu lämmastik, tõusta kolonni ülaossa, samal ajal kui kõrgema keemistemperatuuriga komponendid, nagu hapnik, kogunevad kolonni põhja.
Joule{0}}Thomsoni efekt ja jahutustsüklid
Õhu veeldamiseks vajalike krüogeensete temperatuuride saavutamiseks kasutab õhueraldusseade täiustatud jahutustsükleid, mis põhinevad termodünaamikal, millest kõige olulisem on Joule{0}}Thomsoni efekt ja paisuturbiini jahutus. Kuna kõrgsurvegaasil lastakse ventiili või paisuturbiini kaudu kiiresti paisuda ilma keskkonnaga soojust vahetamata, langeb selle temperatuur entalpiamuutuste tõttu märkimisväärselt. Kaasaegsed ASU-d kasutavad Claude'i või ümberpööratud Braytoni jahutustsükleid, kus osa suruõhust paisutakse läbi suure -tõhusate turbopaisutajate, et luua vajalik jahutusvõimsus destilleerimiskolonnides krüogeensete tingimuste säilitamiseks. See tagab, et tehas saab pärast esmase käivitamisjahutuse lõppemist pidevalt töötada stabiilses olekus, ilma et oleks vaja välist vedelat krüogeeni.

 

Mitmeetapiline{0}}protsess: kuidas õhueraldusseade töötab
Ümbritseva atmosfääriõhu muutmine üli-puhasteks vedelateks või gaasilisteks toodeteks on pidev, mitme-etapiline tehniline protsess, mis nõuab rõhu, temperatuuri ja massivoolukiiruste täpset kontrolli. Tüüpiline tööstuslik õhueraldusseade läbib mitu erinevat tööfaasi alates sisselaskest kuni lõpliku jaotamiseni.
Kompressioon ja puhastamine
Protsess algab atmosfääriõhu sisselaskmisega läbi suurte ilmastikukindlate{0}}filtrimajade, mis on loodud tahkete osakeste, tolmu, õietolmu ja õhus levivate saasteainete eemaldamiseks, mis võivad allavoolu seadmeid rikkuda. Pärast filtreerimist tõstab massiivne mitmeastmeline tsentrifugaal- või aksiaalõhukompressor õhurõhku, mis jääb tavaliste madalrõhu{3}}seadmete puhul tavaliselt vahemikku viis kuni kümme baari või spetsiaalsete kõrgrõhutsüklite korral kõrgem. Kompressioon soojendab adiabaatilise töö tõttu õhku oluliselt, nii et see peab läbima vahejahuteid ja järeljahuteid, et temperatuur langeks tagasi peaaegu -ümbritseva tasemeni. Pärast jahutamist siseneb suruõhk eelpuhastusüksusesse (PPU). PPU kasutab ülejäänud niiskuse, süsinikdioksiidi ja lenduvate süsivesinike eemaldamiseks kahte vahelduvat aktiveeritud alumiiniumoksiidi ja molekulaarsõelte kihti. Vee ja süsinikdioksiidi eemaldamine on kriitilise tähtsusega, kuna need ühendid külmuksid krüogeensetel temperatuuridel koheselt, ummistades sisemised soojusvahetid ja kujutades endast tõsist ohtu, eriti seoses süsivesinike plahvatusohtliku kogunemisega.
Soojusvahetus ja veeldamine
Pärast põhjalikku puhastamist siseneb puhas ja kuiv õhk kõvajoodisega alumiiniumplaat{0}}soojusvahetisse, mida tavaliselt nimetatakse peamiseks soojusvahetiks. Siin jahutatakse õhk krüogeense temperatuurini vastuvoolu soojusvahetuse teel külmade tootevoogudega, sealhulgas destilleerimiskolonnidest tõusvate puhta lämmastiku ja hapniku voogudega. See termiline integratsioon maksimeerib termodünaamilise efektiivsuse ja minimeerib välise energia sisendi. Selleks ajaks, kui õhk põhisoojusvahetist väljub, on oluline osa sellest jahtunud veelduspunktini ja on valmis sisenema eralduskolonnidesse fraktsioneeriva destilleerimise jaoks.
Kahe{0}}kolonni destilleerimine (The Linde Double Column)
Südamiku eraldamine toimub külmkastis, tugevalt isoleeritud korpuses, milles asuvad destilleerimiskolonnid, kondensaatorid ja torustikud. Enamik tööstuslikke õhueraldusseadmeid kasutab kahe-kolonni paigutust, mis koosneb kõrgrõhu-kolonnist ja madalrõhu{3}}kolonnist, mis on termiliselt ühendatud kondensaator-aurustiga. Kõrgrõhukolonnis, mis töötab umbes viis kuni kuus baari, eraldatakse õhk osaliselt ülaosas lämmastikgaasiks ja alumises osas hapnikuga -rikastatud vedelikuks. See hapnikuga{9}}rikastatud vedelik kantakse madala rõhu{10}}kolonni. Kuna lämmastiku keemistemperatuur on madalam kui hapnikul, tõmmatakse kõrge -puhtusastmega lämmastik madalarõhu{13}}kolonni ülaosast, kõrge{14}}puhtusastmega vedel või gaasiline hapnik aga kogutakse põhjast. Kui argooni taaskasutamine on vajalik, integreeritakse süsteemi spetsiaalne külg{16}}kolonn, mis eraldab argooni hapniku{17}}lämmastiku segust, kasutades ära selle vahepealset keemistemperatuuri.

 

ASU toodete peamised tööstuslikud rakendused
Õhueraldusüksuse toodetud gaasid on põhilised toorained ja kommunaalteenused paljudes ülemaailmsetes tööstusharudes, mis juhivad majanduslikku tootmist, tehnoloogilist tootmist ja tervishoiu infrastruktuuri.
Terase- ja metallitööstus
Metallurgiatööstus on ajalooliselt suurim õhueraldusüksuse toodangu tarbija. Kõrgahjudesse ja põhihapnikuahjudesse (BOF) süstitakse kõrge-puhtusastmega hapnikku, et sularaud kiiresti dekarburiseerida ja muuta see kvaliteetseks-teraseks, tõstes oluliselt põlemistemperatuuri ja parandades tootmise efektiivsust, ilma et tekiks lämmastiku lisandeid, mis põhjustavad struktuurset haprust. Lämmastikku kasutatakse laialdaselt inertse kaitsegaasina lõõmutamise, kuumtöötluse ja metalli lõikamise protsessides, et vältida oksüdatsiooni ja katlakivi teket. Lisaks toimib argoon olulise kaitsegaasina gaas-volframkaarkeevitusel (GTAW) ja gaas-metallkaarkeevitusel (GMAW), et kaitsta sulakeevitusvanne atmosfääri lämmastiku ja hapniku saastumise eest, tagades kõrge -tervikliku keevisliidete.
Keemiline ja naftakeemiline töötlemine
Keemiline süntees ja naftakeemia rafineerimine sõltuvad suurel määral{0}}suuremahulistest õhueraldusseadmetest, et tagada tuumareagendid ja kaitsekeskkond. Hapnik on esmane reagent osalises oksüdatsiooniprotsessis, mida kasutatakse sünteesigaasi (sünteesgaasi) tootmiseks, vesiniku ja süsinikmonooksiidi segu, mis seejärel muundatakse ammoniaagiks, metanooliks ja sünteetilisteks vedelkütusteks. Hapnikku kasutatakse ka väärtuslike keemiliste vaheühendite, nagu etüleenoksiid ja propüleenoksiid, tootmiseks. Lämmastik mängib sama olulist rolli keemiatehastes, kus seda kasutatakse hoiupaakide katmiseks, torujuhtmete puhastamiseks, tuleohtlike aurude väljatõrjumiseks, et vältida katastroofilisi tulekahjusid ja plahvatusi, ning toimida kandegaasina tundlikes keemilistes reaktsioonides.
Tervishoid, elektroonika ja puhas energia
Lisaks rasketööstusele puudutavad õhueraldusüksuse väljundid kriitilisi kõrgtehnoloogilisi-- ja ühiskondlikke sektoreid. Tervishoius tarnitakse haiglatesse meditsiinilist hapnikku torujuhtmevõrkude või krüogeensete mahutite kaudu, et toetada patsiendi hingamist, kirurgilisi protseduure ja erakorralist abi. Pooljuhtide ja elektroonikatööstuses on üli-kõrge-puhtusastmega lämmastikku vaja tohututes kogustes, et luua puutumatu, inertne keskkond vahvlite puhastamise, fotolitograafia ja ränikiibi pakendamise ajal, kus üks mikroskoopiline saaste võib rikkuda kogu tootmispartii. Lisaks kasutavad arenevad rohelise energia tehnoloogiad ASU-toodetud hapnikku puhta söe gaasistamise, süsiniku kogumise süsteemide ja täiustatud vesiniku tootmisrajatiste jaoks, asetades tööstuslikud gaasitehased üleilmse säästvate energialahenduste poole pöördumise esirinnas.

 

Järeldus
Õhueraldusseade on rakendusliku termodünaamika ja keemiatehnoloogia üks tähelepanuväärsemaid saavutusi. Kasutades krüogeensetel temperatuuridel atmosfäärigaaside füüsikalisi omadusi, muudab õhueraldusseade pidevalt tavalise välisõhu erakordse puhtusastmega oluliseks tööstuslikuks kaubaks. Alates esialgsest mitmeastmelisest kokkusurumise ja täpse puhastamise faasist kuni keeruka fraktsioneeriva destilleerimiseni, mis toimub isoleeritud külmkastides, on iga alamsüsteem loodud optimaalse töötõhususe, töökindluse ja ohutuse tagamiseks. Kuna ülemaailmsed tööstuslikud nõudmised laienevad arenenud tootmise, puhta energia algatuste ja laienenud tervishoiu infrastruktuuri suunas, kasvab õhueraldusüksuse strateegiline tähtsus ainult edasi, tagades kaasaegse tsivilisatsiooni jaoks vajalike elementaarsete ehitusplokkide usaldusväärse tarnimise.