การแยกอากาศด้วยไครโอเจนิก: ผังกระบวนการและการกลั่นด้วยอุณหภูมิต่ำ-

ในการแยกก๊าซอุตสาหกรรม การแยกอากาศด้วยความเย็นจัดเป็นโซลูชันหลักสำหรับการผลิตออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอนขนาดใหญ่-มายาวนาน กระบวนการนี้ทำงานโดยการทำให้อากาศเย็นลงจนถึงอุณหภูมิแช่แข็ง และแยกส่วนประกอบตามความแตกต่างของจุดเดือด ทำให้เกิด-ออกซิเจน ไนโตรเจน และก๊าซหายากที่มีความบริสุทธิ์สูง สำหรับวิศวกรด้านเคมี โลหะวิทยา อิเล็กทรอนิกส์ และการดูแลสุขภาพ การทำความเข้าใจตรรกะของกระบวนการและ-หลักการแยกอุณหภูมิต่ำถือเป็นสิ่งสำคัญ-ไม่เพียงแค่การเลือกอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังเพื่อประสิทธิภาพในการดำเนินงานและ-ความน่าเชื่อถือในระยะยาว

Shenger Gas สั่งสมประสบการณ์หลายปีในด้านการแยกอากาศด้วยความเย็นจัด บทความนี้จะอธิบายผังกระบวนการทั่วไปและกลไกหลัก ซึ่งอิงตามการปฏิบัติงานจริงทางวิศวกรรม เพื่อให้ข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคที่เป็นประโยชน์สำหรับมืออาชีพในอุตสาหกรรม

หลักการพื้นฐาน: การแยกทางกายภาพด้วยจุดเดือด

ทฤษฎีเบื้องหลังการแยกอากาศด้วยความเย็นจัดนั้นตรงไปตรงมา อากาศประกอบด้วยไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่ (78.09%) ออกซิเจน (20.95%) อาร์กอน (0.93%) รวมทั้งปริมาณ CO₂ นีออน ฮีเลียม คริปทอน และซีนอนอีกเล็กน้อย ที่ความดันบรรยากาศ จุดเดือดจะแตกต่างกันอย่างมาก:

• ไนโตรเจน: -195.8 องศา

• อาร์กอน: -185.9 องศา

• ออกซิเจน: -183.0 องศา

เมื่ออากาศเย็นลงต่ำกว่า -170 องศา และค่อยๆ กลายเป็นของเหลว ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดสูง-จะควบแน่นก่อน ในขณะที่องค์ประกอบที่มีจุดเดือดต่ำกว่า-ยังคงเป็นก๊าซ ผ่านการสัมผัสไอ-ของเหลวและการแลกเปลี่ยนความร้อนภายในคอลัมน์การกลั่น ส่วนประกอบที่เบา (ไนโตรเจน) เข้มข้นที่ด้านบน และส่วนประกอบหนัก (ออกซิเจน) ที่ด้านล่าง นี่เป็นการกลั่นแบบไครโอเจนิกในหลักการเหมือนกับการกลั่นแบบแวดล้อม เพียงแต่ใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่ามาก

ประเด็นสำคัญสำหรับวิศวกร: การแยกอากาศด้วยความเย็นจัดไม่ใช่การกรองหรือการดูดซับ เป็นการแยกอย่างต่อเนื่องตามสมดุลของเฟส ประสิทธิภาพของถาด อัตราส่วนการไหลย้อน และความสมดุลความเย็นส่งผลโดยตรงต่อความบริสุทธิ์และการคืนสภาพของผลิตภัณฑ์

ผังกระบวนการทั่วไป (รอบความดันต่ำ-)

โครงสร้างทางอุตสาหกรรมที่พบบ่อยที่สุดในปัจจุบันคือ-วงจรการเพิ่มการทำให้บริสุทธิ์ด้วยตะแกรงโมเลกุลความดันต่ำ ต่อไปนี้คือรายละเอียด-ทีละ-ทีละขั้นตอน:

1. การอัดอากาศและการทำความเย็นล่วงหน้า-

อากาศโดยรอบจะไหลผ่านตัวกรองที่ทำความสะอาดตัวเอง- จากนั้นเข้าสู่คอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงหรือแนวแกน ซึ่งมีปริมาณถึง 0.5–0.7 MPa ขึ้นอยู่กับกระบวนการ อากาศอัดมีความร้อนสูงถึงประมาณ 100 องศา จากนั้นไปที่หอระบายความร้อนด้วยอากาศหรือน้ำหล่อเย็น โดยอากาศอัดจะแลกเปลี่ยนความร้อนกับน้ำหล่อเย็น โดยลดลงเหลือ 10–15 องศา ขั้นตอนนี้จะช่วยลดภาระในระบบการทำให้บริสุทธิ์ขั้นปลายน้ำ และลดการดูดซึมความชื้นให้เหลือน้อยที่สุด

ปัญหาทางวิศวกรรมทั่วไป: การระบายความร้อนก่อน-ไม่เพียงพออาจทำให้เกิดการลำเลียงน้ำของตะแกรงโมเลกุลและความล้มเหลวได้ จำเป็นต้องมีการควบคุมระดับอย่างเข้มงวดในหอทำความเย็นและการจัดการการไหลของน้ำเย็น

2. การทำให้บริสุทธิ์ด้วยตะแกรงโมเลกุล

อากาศเย็นก่อน-จะเข้าสู่ตัวดูดซับตะแกรงโมเลกุลสลับเพื่อขจัดความชื้น CO₂ อะเซทิลีน และไฮโดรคาร์บอนบางชนิด ส่วนผสมของตัวดูดซับโดยทั่วไปคือตะแกรงโมเลกุล 13X และอลูมินากัมมันต์ ซึ่งช่วยลด CO₂ ทางออกให้ต่ำกว่า 1 ppm ตัวดูดซับสองตัวทำงานในวงจรการดูดซับ/การสร้างใหม่สลับกัน โดยทั่วไปจะสลับทุกๆ 4-8 ชั่วโมงด้วยการสร้างใหม่ด้วยความร้อน

ประสบการณ์ภาคสนามแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิการฟื้นฟูที่ไม่เพียงพอเป็นสาเหตุที่พบบ่อยของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทะลุทะลวง และทำให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลักเกิดความเปรอะเปื้อน-โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพอากาศหนาวเย็นหรือเมื่อการนำความร้อนเหลือทิ้งของคอมเพรสเซอร์กลับมาใช้ไม่เพียงพอ

3. การระบายความร้อนด้วยอากาศและการทำให้เป็นของเหลว

อากาศบริสุทธิ์จะถูกแยกออกเป็นสองกระแส: สายหนึ่งไปยังตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก ระบายความร้อนด้วยการคืนไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์และไนโตรเจนเสียจนเกือบกลายเป็นของเหลว (ประมาณ. -170 องศา ถึง -175 องศา ) ส่วนอีกเครื่องจะเข้าสู่บูสเตอร์คอมเพรสเซอร์ (หากกำหนดค่าไว้) จากนั้นจะขยายตัวผ่านเครื่องขยาย เพื่อทำความเย็นให้กับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลักและคอลัมน์การกลั่น

นี่คือจุดวิกฤติ: แหล่งทำความเย็น การระบายความร้อนส่วนใหญ่มาจากการขยายตัวแบบอะเดียแบติกในส่วนขยาย ซึ่งบางครั้งเสริมด้วยจูล-เอฟเฟกต์ของทอมสันจากวาล์วปีกผีเสื้อ สมดุลความเย็นเป็นรากฐานของการทำงานที่มั่นคง การสูญเสียความเย็นที่มากเกินไปทำให้ระดับของเหลวลดลงและความบริสุทธิ์เปลี่ยนแปลงไป

4. การกลั่นด้วยไครโอเจนิกส์

อากาศเย็นใกล้-เหลวจะเข้าสู่ด้านล่างของคอลัมน์ด้านล่าง (คอลัมน์ความดัน) โดยทั่วไปคอลัมน์ด้านล่างจะทำงานที่ 0.5–0.6 MPa โดยมีถาดตะแกรงหรือบรรจุภัณฑ์ที่มีโครงสร้างทำให้สามารถสัมผัสกับไอ-ของเหลวได้ ภายในคอลัมน์ด้านล่าง ไนโตรเจนเข้มข้นที่ด้านบน ทำให้เกิดก๊าซไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง- ( มากกว่าหรือเท่ากับ 99.99%); ของเหลวเสริมออกซิเจน-สะสมอยู่ที่ด้านล่าง โดยมีปริมาณออกซิเจนประมาณ 38–40%

คอนเดนเซอร์ที่ด้านบนใช้ไนโตรเจนเหลวเป็นแหล่งความเย็น โดยควบแน่นไอไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้นเป็นของเหลวไหลย้อน ของเหลวเสริมออกซิเจนด้านล่าง-จะถูกถอนออก ทำให้เย็นลง และป้อนไปที่คอลัมน์ด้านบน (คอลัมน์ความดันต่ำ-) เพื่อการกลั่นต่อไป คอลัมน์ด้านบนทำงานใกล้กับความดันบรรยากาศ (ประมาณ. 0.11–0.13 MPa) ออกซิเจนของผลิตภัณฑ์ถูกดึงมาจากด้านล่าง ไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์จากด้านบน และเศษส่วนที่มีอาร์กอน-สามารถสกัดจากตรงกลางไปยังคอลัมน์อาร์กอนดิบได้

คำถามทั่วไป: ทำไมต้องมีสองคอลัมน์ คอลัมน์เดียวสามารถบรรลุ-ระยะสมดุลของเหลวของไอได้เพียงระยะเดียวเท่านั้น และไม่สามารถผลิตออกซิเจนและไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-ไปพร้อมๆ กันได้ คอลัมน์ด้านล่างเป็นการแยกคร่าวๆ จากนั้นคอลัมน์ด้านบนจะทำให้การทำให้บริสุทธิ์เสร็จสิ้น นี่คือการกำหนดค่าที่คุ้มค่าที่สุด-ในปัจจุบัน

5. การกู้คืนความเย็นและการส่งมอบผลิตภัณฑ์

ไนโตรเจนความดันต่ำ-จากด้านบนของคอลัมน์ด้านบนและไนโตรเจนเสียจากด้านข้างที่ดึงผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก แลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศแรงดันสูง-ที่เข้ามา จากนั้นทำให้อุ่นจนถึงอุณหภูมิโดยรอบก่อนที่จะระบายหรือใช้เป็นก๊าซฟื้นฟูสำหรับตะแกรงโมเลกุล เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลักจัดการการนำความเย็นกลับมาใช้ใหม่เป็นส่วนใหญ่-ประสิทธิภาพของเครื่องจะกำหนดการใช้พลังงานของพืชโดยตรง

ออกซิเจนและไนโตรเจนของผลิตภัณฑ์สามารถส่งเป็นก๊าซหรือส่งไปยังถังเก็บของเหลวได้ ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้ การผลิตไนโตรเจนเหลวจำเป็นต้องมีหน่วยทำให้เป็นของเหลวเพิ่มเติม

กลไกหลักของการแยกอุณหภูมิต่ำ-: การกลั่นและการควบคุมทางอุณหพลศาสตร์

หากไม่เข้าใจหลักการพื้นฐานในการกลั่น คุณจะเห็นเพียงส่วนหนึ่งของภาพเท่านั้น แกนกลางของการแยก-อุณหภูมิต่ำอยู่ที่เส้นโค้งสมดุลของไอ-ไอและการควบคุมอัตราส่วนกรดไหลย้อน

ในแต่ละถาดตามทฤษฎี ไอที่เพิ่มขึ้นจะสัมผัสกับของเหลวที่ตกลงมา ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดสูง-ในไอระเหยจะควบแน่นเป็นสถานะของเหลว ในขณะที่ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดต่ำ-ในของเหลวจะระเหยกลายเป็นไอเป็นสถานะก๊าซ เมื่อจำนวนถาดเพิ่มขึ้น การแยกจะดีขึ้น คอลัมน์ด้านบนโดยทั่วไปต้องใช้ถาดตามทฤษฎี 60-80 ถาดเพื่อผลิตทั้งออกซิเจนและไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-

พารามิเตอร์สามตัวส่วนใหญ่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการแยก:

• อัตราส่วนการไหลย้อน: การไหลของของเหลวไหลย้อนหารด้วยการไหลของไอที่เพิ่มขึ้น อัตราส่วนกรดไหลย้อนที่สูงขึ้นจะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้นแต่ยังเพิ่มการใช้พลังงานอีกด้วย
• แรงดันใช้งาน: แรงดันที่สูงขึ้นจะช่วยลดความผันผวนสัมพัทธ์ระหว่างออกซิเจนและไนโตรเจน ทำให้การแยกตัวยากขึ้น ดังนั้นคอลัมน์ด้านบนจึงได้รับการออกแบบให้ทำงานโดยใช้แรงดันต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• ตำแหน่งฟีด: องค์ประกอบของฟีดควรตรงกับองค์ประกอบของไอ-ของเหลวที่ถาดป้อน มิฉะนั้นประสิทธิภาพจะลดลง

ปัญหาการปฏิบัติงานทั่วไป เช่น ความผันผวนของแรงดันคอลัมน์ การกระจายตัวไม่ถูกต้อง หรือน้ำท่วม มักเชื่อมโยงกับพารามิเตอร์ควบคุมวาล์ว สภาพการบรรจุ หรือการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบฟีด ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องรวมโปรไฟล์อุณหภูมิเข้ากับข้อมูลแรงดันตกเพื่อการวินิจฉัยที่ถูกต้อง

ความท้าทายทางวิศวกรรมและข้อกังวลในทางปฏิบัติ

ในการดำเนินงานโรงงานจริง มักจะมีช่องว่างระหว่างทฤษฎีและการปฏิบัติเสมอ นี่คือปัญหาที่พบบ่อย:

ความสมดุลของความเย็นนั้นจัดการได้ยากที่สุด การทำความเย็นของเครื่องขยายจะต้องตรงกับการสูญเสียความเย็นของระบบ การลำเลียงความเย็นของผลิตภัณฑ์ และ-ความแตกต่างของอุณหภูมิปลายอุ่น การระบายความร้อนน้อยเกินไปจะทำให้ระดับของเหลวลดลงและลดความบริสุทธิ์ลง ทำให้ระดับของเหลวเพิ่มขึ้นมากเกินไปและอาจทำให้เกิดน้ำท่วมได้ วิธีการควบคุมประกอบด้วยการปรับช่องขยายหัวฉีดและบายพาสคอมเพรสเซอร์บูสเตอร์

การจัดการตะแกรงโมเลกุลเป็นพื้นฐานการปฏิบัติงาน เมื่อตะแกรงโมเลกุลมีน้ำขังหรือเป็นพิษ CO₂ และความชื้นจะเข้าสู่ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลักและคอลัมน์ ทำให้เกิดการอุดตันของช่อง ความดันลดลงมากขึ้น และในที่สุดก็ถูกบังคับให้ปิดเครื่องเพื่อไล่อากาศแบบอุ่น อุณหภูมิการฟื้นฟู ระยะเวลาของวงจร และการไหลของก๊าซการฟื้นฟูเป็นพารามิเตอร์สามตัวที่-ไม่สามารถต่อรองได้

คำเตือนการเสียบปลั๊กตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก หากความแตกต่างของอุณหภูมิที่อบอุ่น-ขยายกว้างขึ้นเรื่อยๆ หรือแรงกดดันส่วนต่างไปข้างหน้า/กลับเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติ ก็มีแนวโน้มว่าจะเกิดน้ำแข็งหรือน้ำแข็งแห้ง การตอบสนองตั้งแต่เนิ่นๆ: ตรวจสอบระบบฟอกอากาศ กรณีที่รุนแรงจำเป็นต้องอบอุ่นต้นไม้-

ระบบอาร์กอนส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของออกซิเจน หากต้องการความบริสุทธิ์ของออกซิเจนในผลิตภัณฑ์สูงกว่า 99.6% จะต้องพิจารณาการแยกส่วนอาร์กอน เศษส่วนที่มีปริมาณอาร์กอน-ที่ดึงมาจากตรงกลางของคอลัมน์ด้านบนไปยังคอลัมน์อาร์กอนดิบ มิฉะนั้นอาร์กอนจะสะสมอยู่ในคอลัมน์ด้านบน ส่งผลให้ความบริสุทธิ์ของออกซิเจนลดลง แต่คอลัมน์อาร์กอนเพิ่มความต้องการเครื่องทำความเย็นและถาด ทำให้ทั้งต้นทุนและต้นทุนการดำเนินงานเพิ่มขึ้น

ทิศทางการปรับปรุงกระบวนการและแนวคิดด้านประสิทธิภาพ

อุตสาหกรรมยังคงสำรวจโซลูชันการแยกอากาศด้วยความเย็นที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทิศทางหลัก ได้แก่ :

• การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของส่วนขยาย: ปรับปรุงประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกและช่วงการไหลเพื่อลดของเสียจากการทำความเย็น
• ใช้การบรรจุแบบมีโครงสร้างประสิทธิภาพสูง-: แรงดันตกที่ลดลงและช่วงการหมุนที่กว้างกว่าเมื่อเทียบกับถาดตะแกรง เหมาะสำหรับการดำเนินการโหลดแบบแปรผัน
• ขอแนะนำการควบคุมอัจฉริยะ: การใช้โปรไฟล์อุณหภูมิคอลัมน์และข้อมูลองค์ประกอบเพื่อปรับอัตราส่วนการไหลย้อนและโหลดของส่วนขยายให้เหมาะสมโดยอัตโนมัติ
• การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่: ความร้อนเหลือทิ้งของคอมเพรสเซอร์ระหว่างขั้นตอนและความร้อนเหลือทิ้งจากการฟื้นฟูตะแกรงโมเลกุลสามารถใช้สำหรับการทำความเย็นลิเธียมโบรไมด์หรือการทำความร้อนในฤดูหนาว

การปรับปรุงเหล่านี้มีความสำคัญในเชิงเศรษฐกิจสำหรับโรงแยกอากาศแบบไครโอเจนิกส์ ซึ่งไฟฟ้าคิดเป็น 60–70% ของต้นทุนการดำเนินงาน โรงผลิตออกซิเจนทั่วไปขนาด 6,000 Nm³/ชม. อาจมีค่าไฟฟ้าต่อปีเป็นหลายแสนดอลลาร์สหรัฐฯ- ทุกๆ การลดพลังงาน 1% จะช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างมาก

เทคโนโลยีการแยกอากาศแบบไครโอเจนิกส์มีมานานนับศตวรรษแล้ว แต่หลักการพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม นั่นคือการใช้จุดเดือดที่แตกต่างกันเพื่อแยกก๊าซผ่านการกลั่นด้วยอุณหภูมิต่ำ- สำหรับวิศวกร การเรียนรู้แต่ละขั้นตอน-การบีบอัด การ-ทำความเย็น การทำให้บริสุทธิ์ การทำให้เป็นของเหลว การกลั่น การนำความเย็นกลับคืนมา-เป็นกุญแจสำคัญในการทำนายพฤติกรรมของพืช การวินิจฉัยข้อผิดพลาด และทำการเพิ่มประสิทธิภาพตามเป้าหมาย

Shenger Gas ผสมผสานหลักการทางวิศวกรรมเข้ากับความเป็นจริงภาคสนามในการออกแบบ การผลิต และการสนับสนุนการปฏิบัติงานของโรงแยกอากาศแบบไครโอเจนิก โรงงานแต่ละแห่ง-ตั้งแต่การจำลองกระบวนการและการออกแบบภายในคอลัมน์ไปจนถึงกลยุทธ์การควบคุม-สร้างขึ้นจากการตอบสนองซ้ำๆ จากข้อมูลการปฏิบัติงานจริง หากคุณมีคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับพารามิเตอร์เฉพาะหรือปัญหาการปฏิบัติงาน โปรดติดต่อทีมเทคนิคของเรา