En la fabricació de gas industrial, la tecnologia de separació criogènica d'aire segueix sent el mètode bàsic per a la producció d'oxigen d'alta puresa a gran-escala-. Molta gent sap que aquest equip pot convertir l'aire en oxigen, però pocs entenen realment com aconsegueix una gran puresa. Aquest article explica els principis del procés, la lògica de separació i els punts de control clau darrere de les unitats de separació d'aire criogènic. Com a empresa tècnica profundament compromesa en aquest camp, Shenger Gas ha acumulat experiència pràctica en el disseny i l'enginyeria de sistemes de separació d'aire criogènic-experiència que val la pena compartir.
El principi bàsic no és la "filtració" sinó la diferència de punt d'ebullició
En primer lloc, cal aclarir un error comú: la separació de l'aire criogènic no depèn de la filtració física per obtenir oxigen. Utilitza les diferències naturals en els punts d'ebullició entre els components de l'aire. Sota pressió atmosfèrica, l'oxigen bull a -183 graus, el nitrogen a -196 graus i l'argó a -186 graus. En refredar l'aire per sota de -170 graus per liquar-lo, i després aprofitar la transferència de massa i calor entre les fases gasoses i líquides dins d'una columna de destil·lació, es fa possible la separació de components.
El primer pas cap a l'oxigen d'alta-puresa és comprimir, pre-refredar i purificar l'aire per eliminar l'aigua, el diòxid de carboni i els hidrocarburs. Un tractament incomplet en aquesta etapa pot congelar o bloquejar fàcilment els passos aigües avall i els intercanviadors de calor, degradant ràpidament el rendiment de la destil·lació. Per tant, la fiabilitat del sistema de purificació-frontal determina directament si el producte final pot arribar de manera estable a una puresa del 99,6% o superior.
Coordinació entre les columnes inferior i superior: la divisió bàsica de la destil·lació
El típic sistema de destil·lació de dues-columnes, també conegut com el procés de dues-columnes, és l'estructura més utilitzada per a la producció d'oxigen criogènic. La columna inferior gestiona la tasca de separació inicial. Després que l'aire liquat entri a la columna inferior, el vapor ascendent i el líquid descendent en contacte repetidament. El nitrogen es concentra gradualment a la part superior, mentre que el líquid ric-oxigen s'acumula a la part inferior. Aquest líquid-ric en oxigen normalment conté entre un 38% i un 42% d'oxigen-allunyat dels requisits-de qualitat del producte.
A continuació, aquest líquid-ric en oxigen s'introdueix al centre de la columna superior com a alimentació per a una major concentració. La columna superior rep simultàniament el reflux de nitrogen líquid de la part superior de la columna inferior, formant seccions completes de rectificació i eliminació. Finalment, l'oxigen es recull a la part inferior de la columna superior, mentre que el nitrogen surt per la part superior. Amb un disseny adequat de l'equip i un funcionament estable, la puresa de l'oxigen a la part inferior de la columna superior pot arribar al 99,6% al 99,8% o fins i tot més.
Un detall fàcil de passar per alt: la presència d'argó limita significativament la millora de la puresa de l'oxigen. L'argó constitueix al voltant del 0,93% de l'aire i el seu punt d'ebullició es troba just entre l'oxigen i el nitrogen. En els processos convencionals de producció d'oxigen sense un port d'extracció-d'argó, l'argó s'acumula al centre de la columna superior, una part entra al producte d'oxigen i redueix la seva puresa. Per tant, per produir de manera estable oxigen d'alta -puresa per sobre del 99,8%, normalment es requereix una columna auxiliar d'argó o un procés de recuperació d'argó lliure d'hidrogen-destil·lació completa-.
La puresa del producte no està determinada per un únic paràmetre
Molts usuaris fan una pregunta semblant: un cop comprat l'equip, què garanteix realment la puresa de l'oxigen? La resposta no és un únic indicador sinó l'equilibri dinàmic d'un conjunt de paràmetres.
- Capacitat de refrigeració expansora. Un refredament insuficient redueix el líquid de reflux a la columna superior, reduint l'eficiència de la destil·lació. Un refredament excessiu pot refredar excessivament la columna, i també pertorba la separació.
- Caudal i pressió d'alimentació d'aire. Les grans fluctuacions afecten directament l'equilibri de gas-líquid dins de la columna, fent que la puresa oscil·li.
- Ajust del reflux de nitrogen líquid de la columna inferior. Aquest és un dels mètodes de control més comuns i sensibles. Massa poc reflux redueix el contingut d'oxigen al líquid ric en oxigen-de la columna inferior. Massa reflux en realitat redueix la puresa d'oxigen a la part inferior de la columna superior.
- Dibuixa-la posició i l'obertura del port. Si les taxes de retirada d'oxigen, oxigen líquid i nitrogen residual no coincideixen amb el perfil de composició interna de la columna, la puresa es fa difícil de mantenir.
En la pràctica de l'enginyeria, els operadors d'una unitat de separació d'aire criogènica-per un bon rendiment normalment només han d'ajustar-dues o tres vàlvules clau per mantenir l'estat estacionari. Però això pressuposa que l'eficiència de la safata o la distribució de l'embalatge es va dissenyar correctament des del principi. En cas contrari, cap ajust no aconseguirà fàcilment la puresa del disseny.
On es troba la bretxa entre la producció d'oxigen i la producció estable d'oxigen d'alta -puresa
Moltes unitats de separació d'aire criogènica del mercat poden produir oxigen al voltant del 99,5%, però assolir un rendiment estable superior al 99,8%-mantingut durant mesos sense tancament ni fluctuació-exigeix més exigències en diverses àrees menys evidents.
- Uniformitat de la distribució del fluid a l'interior de la columna. Tant si s'utilitzen safates de tamís o envasos estructurats, la distribució irregular del gas-líquid provoca zones seques locals o inundacions, arrossegant directament la puresa general. Això és especialment important en unitats a gran-escala que gestionen milers o fins i tot desenes de milers de metres cúbics normals per hora.
- Segellat de caixa freda i control de sedimentació de perlita. Els segells de caixa freda fallits o la perlita assentada permeten que l'aire exterior humit entri i es congeli, o provoquen pèrdues de fred localitzades, amb una deriva gradual de les condicions internes.
- Precisió i temps de resposta dels instruments analítics. Si el temps de resposta de l'analitzador d'oxigen en línia supera els 10 segons, els operadors ja estan treballant amb dades obsoletes-ajustaments sempre quedaran enrere.
Aquests buits sovint no es poden resoldre completament mitjançant càlculs teòrics en paper. Depenen molt més de l'experiència de procés del fabricant i de les-capacitats de posada en marxa del lloc. És per això que Shenger Gas tracta constantment el disseny, la fabricació i la posada en marxa com un cicle tancat en l'execució del projecte, en lloc de lliurar-los com a etapes separades.
Dos detalls fàcils de passar per alt en el funcionament real
En primer lloc, l'impacte del cicle d'escalfament-i descongelació en la recuperació de la puresa. Després que una unitat de separació d'aire criogènica hagi estat en funcionament durant un temps, els canals de l'intercanviador de calor de plaques-aletes es bloquegen gradualment per acumulacions de traces de diòxid de carboni o humitat. Això es mostra com una diferència de temperatura creixent a l'extrem càlid i una pressió de columna més baixa en augment. Molts equips s'afanyen a reiniciar després de l'escalfament-, només per trobar que la recuperació de la puresa triga dos o tres dies. L'enfocament correcte és crear primer una capacitat de refrigeració suficient després de l'escalfament-, executar la columna superior amb una proporció de reflux conservadora i augmentar gradualment la producció i la puresa d'oxigen un cop s'estabilitzin tots els punts de mesura de la temperatura.
En segon lloc, la qualitat de l'aire ambient no és infinitament bona. Les unitats de separació d'aire situades a prop de plantes químiques o fàbriques d'acer sovint contenen traces d'amoníac, sulfur d'hidrogen o hidrocarburs. Aquestes impureses no només afecten la vida del tamís molecular-alguns components de baix-ebullició poden entrar a la columna de destil·lació i concentrar-se al costat de l'oxigen, reduint en última instància la puresa de l'oxigen i fins i tot suposant riscos per a la seguretat. Per a aquests escenaris, es recomana afegir capes d'adsorció dirigides aigües amunt del sistema de purificació.
La producció d'oxigen d'alta -puresa amb equips de separació d'aire criogènic és essencialment una utilització precisa de les propietats físiques de l'aire. Des de la purificació, el refredament i la liqüefacció fins a la destil·lació de doble-columna, cada pas estableix les bases per al corrent final d'oxigen al 99,8%. Entendre això deixa clar per què diferents fabricants poden produir resultats de puresa real tan diferents a partir d'esquemes de procés aparentment idèntics. La bretxa real rarament es troba en el procés en si, sinó en el maneig de detalls que afecten l'equilibri de la destil·lació.
Si un projecte està lluitant amb una puresa d'oxigen inestable o colls d'ampolla de purificació, investigar els punts de control clau comentats anteriorment és un bon lloc per començar. Els problemes tècnics sovint no requereixen solucions massa complexes. Tornar als principis bàsics sovint dóna les respostes més directes.
