หน่วยแยกอากาศแบบไครโอเจนิกส์บรรลุ-การผลิตออกซิเจนบริสุทธิ์สูงได้อย่างไร

ในการผลิตก๊าซอุตสาหกรรม เทคโนโลยีการแยกอากาศแบบแช่แข็งยังคงเป็นวิธีการหลักสำหรับการผลิตออกซิเจนบริสุทธิ์สูง-ในระดับสูง- หลายคนรู้ดีว่าอุปกรณ์นี้สามารถเปลี่ยนอากาศให้เป็นออกซิเจนได้ แต่มีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจอย่างแท้จริงว่าอุปกรณ์นี้มีความบริสุทธิ์สูงได้อย่างไร บทความนี้จะอธิบายหลักการของกระบวนการ ตรรกะในการแยก และจุดควบคุมหลักเบื้องหลังหน่วยแยกอากาศแบบแช่แข็ง ในฐานะองค์กรด้านเทคนิคที่มีส่วนร่วมอย่างลึกซึ้งในสาขานี้ Shenger Gas ได้สั่งสมประสบการณ์เชิงปฏิบัติในการออกแบบและวิศวกรรมของระบบแยกอากาศแบบแช่แข็ง-ซึ่งคุ้มค่าแก่การแบ่งปัน

หลักการพื้นฐานไม่ใช่ "การกรอง" แต่เป็นความแตกต่างของจุดเดือด

ประการแรก ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยจำเป็นต้องได้รับการแก้ไข: การแยกอากาศด้วยความเย็นไม่ต้องอาศัยการกรองทางกายภาพเพื่อให้ได้ออกซิเจน โดยจะใช้ความแตกต่างตามธรรมชาติของจุดเดือดระหว่างส่วนประกอบของอากาศ ภายใต้ความดันบรรยากาศ ออกซิเจนจะเดือดที่ -183 องศา ไนโตรเจนที่ -196 องศา และอาร์กอนที่ -186 องศา ด้วยการทำให้อากาศเย็นลงที่อุณหภูมิต่ำกว่า -170 องศาเพื่อทำให้เป็นของเหลว จากนั้นใช้ประโยชน์จากมวลและการถ่ายเทความร้อนระหว่างเฟสของก๊าซและของเหลวภายในคอลัมน์การกลั่น การแยกส่วนประกอบจึงเป็นไปได้

ขั้นตอนแรกสู่-ออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูงคือการอัด -การทำให้เย็นลง และการทำให้อากาศบริสุทธิ์เพื่อกำจัดน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรคาร์บอน การบำบัดที่ไม่สมบูรณ์ในขั้นตอนนี้สามารถแช่แข็งหรือปิดกั้นทางเดินปลายน้ำและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนได้อย่างง่ายดาย ส่งผลให้ประสิทธิภาพการกลั่นลดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้น ความน่าเชื่อถือของระบบการทำให้บริสุทธิ์ส่วนหน้า-จะกำหนดโดยตรงว่าผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะมีความบริสุทธิ์ถึง 99.6% หรือสูงกว่าได้อย่างเสถียรหรือไม่

การประสานงานระหว่างคอลัมน์ล่างและคอลัมน์บน: แผนกหลักของการกลั่น

ระบบการกลั่นแบบสองคอลัมน์-โดยทั่วไปหรือที่เรียกว่ากระบวนการสอง-คอลัมน์เป็นโครงสร้างที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดสำหรับการผลิตออกซิเจนแช่แข็ง คอลัมน์ด้านล่างจัดการงานการแยกเริ่มต้น หลังจากที่อากาศเหลวเข้าสู่คอลัมน์ด้านล่าง ไอที่เพิ่มขึ้นและของเหลวจากมากไปน้อยจะสัมผัสกันซ้ำๆ ไนโตรเจนจะค่อยๆ เข้มข้นที่ด้านบน ขณะที่ของเหลวที่มีออกซิเจน-เข้มข้นจะสะสมที่ด้านล่าง ของเหลวที่อุดมด้วยออกซิเจนนี้-มักประกอบด้วยออกซิเจน 38% ถึง 42% -ซึ่งห่างไกลจากข้อกำหนดเกรดผลิตภัณฑ์

จากนั้นของเหลวที่มีออกซิเจนสูง-นี้จะถูกป้อนเข้าตรงกลางของคอลัมน์ด้านบนเพื่อเป็นอาหารเพื่อให้มีความเข้มข้นมากขึ้น คอลัมน์ด้านบนจะรับการไหลย้อนของไนโตรเจนเหลวจากด้านบนของคอลัมน์ด้านล่างไปพร้อมๆ กัน กลายเป็นส่วนการแก้ไขและการแยกส่วนที่สมบูรณ์ ในที่สุดออกซิเจนจะสะสมที่ด้านล่างของคอลัมน์ด้านบน ในขณะที่ไนโตรเจนจะออกจากด้านบน ด้วยการออกแบบอุปกรณ์ที่เหมาะสมและการทำงานที่มั่นคง ความบริสุทธิ์ของออกซิเจนที่ด้านล่างของคอลัมน์ด้านบนอาจสูงถึง 99.6% ถึง 99.8% หรือสูงกว่านั้นด้วยซ้ำ

รายละเอียดประการหนึ่งที่ถูกมองข้ามได้ง่าย: การมีอยู่ของอาร์กอนจำกัดการปรับปรุงความบริสุทธิ์ของออกซิเจนอย่างมาก อาร์กอนประกอบด้วยอากาศประมาณ 0.93% และมีจุดเดือดอยู่ระหว่างออกซิเจนกับไนโตรเจน ในกระบวนการผลิตออกซิเจนทั่วไปที่ไม่มีช่องดึงอาร์กอน- อาร์กอนจะสะสมที่ตรงกลางของคอลัมน์ด้านบน โดยบางส่วนจะเข้าสู่ผลิตภัณฑ์ออกซิเจนและทำให้ความบริสุทธิ์ลดลง ดังนั้น เพื่อที่จะผลิต-ออกซิเจนบริสุทธิ์สูงเกินกว่า 99.8% ได้อย่างเสถียร โดยปกติแล้วต้องใช้คอลัมน์อาร์กอนเสริมหรือ-ไฮโดรเจนกลั่นเต็มรูปแบบ-โดยกระบวนการนำอาร์กอนอิสระกลับคืนมา

ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ไม่ได้ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ตัวเดียว

ผู้ใช้หลายคนถามคำถามที่คล้ายกัน: เมื่อซื้ออุปกรณ์แล้ว อะไรรับประกันความบริสุทธิ์ของออกซิเจนได้จริง คำตอบไม่ใช่ตัวบ่งชี้เดียว แต่เป็นความสมดุลแบบไดนามิกของชุดพารามิเตอร์

• ความสามารถในการทำความเย็นของตัวขยาย การระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอจะช่วยลดของเหลวไหลย้อนในคอลัมน์ด้านบน ทำให้ประสิทธิภาพการกลั่นลดลง การระบายความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้คอลัมน์เย็นเกินไป และยังรบกวนการแยกตัวอีกด้วย
• อัตราการไหลของอากาศและความดัน ความผันผวนอย่างมากส่งผลโดยตรงต่อสมดุลของก๊าซ-ของเหลวภายในคอลัมน์ ส่งผลให้ความบริสุทธิ์เปลี่ยนไป
• การปรับกรดไหลย้อนของไนโตรเจนเหลวคอลัมน์ล่าง นี่เป็นหนึ่งในวิธีการควบคุมที่ใช้กันทั่วไปและละเอียดอ่อนที่สุด กรดไหลย้อนน้อยเกินไปจะลดปริมาณออกซิเจนในของเหลวที่มีออกซิเจนสูง-ในคอลัมน์ด้านล่าง กรดไหลย้อนมากเกินไปจะลดความบริสุทธิ์ของออกซิเจนที่ด้านล่างของคอลัมน์ด้านบน
• ดึง-ตำแหน่งพอร์ตและช่องเปิดออก หากอัตราการดึงออกซิเจน ออกซิเจนเหลว และไนโตรเจนเสียไม่ตรงกับโปรไฟล์องค์ประกอบภายในของคอลัมน์ การรักษาความบริสุทธิ์ก็จะทำได้ยาก

ในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรม ผู้ปฏิบัติงานของ-หน่วยแยกอากาศแบบแช่แข็งที่มีประสิทธิภาพดี โดยทั่วไปจะต้อง-ปรับแต่งวาล์วหลักสองหรือสามวาล์วอย่างละเอียดเพื่อรักษาสถานะคงที่ แต่สิ่งนี้สันนิษฐานว่าประสิทธิภาพของถาดหรือการกระจายการบรรจุได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมตั้งแต่เริ่มต้น มิฉะนั้น จะไม่มีการปรับเปลี่ยนใดๆ ที่จะบรรลุความบริสุทธิ์ของการออกแบบได้อย่างง่ายดาย

โดยที่ช่องว่างอยู่ระหว่างการผลิตออกซิเจนกับการผลิตออกซิเจนบริสุทธิ์สูง-อย่างเสถียร

หน่วยแยกอากาศแช่แข็งจำนวนมากในตลาดสามารถผลิตออกซิเจนได้ประมาณ 99.5% แต่ได้รับประสิทธิภาพที่เสถียรเหนือ 99.8%-เก็บรักษาไว้เป็นเวลาหลายเดือนโดยไม่มีการปิดเครื่องหรือผันผวน-ทำให้เกิดความต้องการที่สูงขึ้นในพื้นที่ที่ไม่ชัดเจนหลายแห่ง

• ความสม่ำเสมอของการกระจายของของไหลภายในคอลัมน์ ไม่ว่าจะใช้ถาดตะแกรงหรือการบรรจุแบบมีโครงสร้าง การกระจายก๊าซ-ที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดพื้นที่แห้งหรือน้ำท่วมในท้องถิ่น ซึ่งส่งผลให้ความบริสุทธิ์โดยรวมลดลงโดยตรง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งใน-หน่วยขนาดใหญ่ที่จัดการลูกบาศก์เมตรปกติหลายพันหรือหลายหมื่นลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง
• การปิดผนึกกล่องเย็นและการควบคุมการตกตะกอนของเพอร์ไลต์ การปิดผนึกกล่องเย็นหรือเพอร์ไลต์ที่ล้มเหลวทำให้อากาศภายนอกที่มีความชื้นเข้ามาและกลายเป็นน้ำแข็ง หรือทำให้เกิดการสูญเสียความเย็นเฉพาะที่ และค่อยๆ เคลื่อนตัวสภาพภายใน
• ความแม่นยำและเวลาตอบสนองของเครื่องมือวิเคราะห์ หากเวลาตอบสนองของเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบออนไลน์เกิน 10 วินาที ผู้ปฏิบัติงานกำลังทำงานกับข้อมูลที่ล้าสมัยอยู่แล้ว-การปรับค่าจะล่าช้าเสมอ

ช่องว่างเหล่านี้มักไม่สามารถแก้ไขได้ทั้งหมดด้วยการคำนวณทางทฤษฎีบนกระดาษ พวกเขาขึ้นอยู่กับประสบการณ์ในกระบวนการของผู้ผลิตและ-ความสามารถในการทดสอบการใช้งานที่ไซต์มากกว่ามาก นั่นคือเหตุผลที่ Shenger Gas ปฏิบัติต่อการออกแบบ การผลิต และการทดสอบการทำงานแบบวงปิดในการดำเนินโครงการอย่างต่อเนื่อง แทนที่จะส่งมอบเป็นขั้นตอนที่แยกจากกัน

รายละเอียดสองประการที่มองข้ามได้ง่ายในการใช้งานจริง

ประการแรก ผลกระทบของ-วงจรการอุ่นเครื่องและการละลายน้ำแข็งต่อการนำความบริสุทธิ์กลับคืนมา หลังจากใช้งานหน่วยแยกอากาศแบบแช่แข็งมาระยะหนึ่งแล้ว ช่อง-แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบจะค่อยๆ ถูกปิดกั้นเนื่องจากการสะสมของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์หรือความชื้น สิ่งนี้จะแสดงเป็นความแตกต่างของอุณหภูมิที่กว้างขึ้นที่ปลายอุ่นและความดันคอลัมน์ล่างที่เพิ่มขึ้น หลายทีมรีบรีสตาร์ทหลังจากวอร์มเครื่อง- เพียงแต่พบว่าการฟื้นฟูความบริสุทธิ์นั้นใช้เวลาสองหรือสามวัน วิธีที่ถูกต้องคือขั้นแรกให้สร้างความสามารถในการทำความเย็นที่เพียงพอหลังจากการอุ่นเครื่อง- จากนั้นดำเนินการคอลัมน์ด้านบนด้วยอัตราส่วนกรดไหลย้อนแบบอนุรักษ์นิยม และค่อยๆ เพิ่มการผลิตออกซิเจนและความบริสุทธิ์เมื่อจุดวัดอุณหภูมิทั้งหมดคงที่เท่านั้น

ประการที่สอง คุณภาพอากาศโดยรอบไม่ดีอย่างไม่มีที่สิ้นสุด หน่วยแยกอากาศที่ตั้งอยู่ใกล้กับโรงงานเคมีหรือโรงงานเหล็กมักจะมีแอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์ หรือไฮโดรคาร์บอนในปริมาณเล็กน้อย สิ่งเจือปนเหล่านี้ไม่เพียงส่งผลต่ออายุการใช้งานของตะแกรงโมเลกุล-ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดต่ำ-บางส่วนเท่านั้นที่สามารถเข้าไปในคอลัมน์การกลั่นและรวมตัวไปพร้อมกับออกซิเจน ซึ่งท้ายที่สุดจะลดความบริสุทธิ์ของออกซิเจนและยังก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยอีกด้วย สำหรับสถานการณ์ดังกล่าว ขอแนะนำอย่างยิ่งให้เพิ่มชั้นการดูดซับเป้าหมายที่ต้นน้ำของระบบการทำให้บริสุทธิ์

การผลิตออกซิเจนบริสุทธิ์สูง-ด้วยอุปกรณ์แยกอากาศแบบแช่แข็งถือเป็นการนำคุณสมบัติทางกายภาพของอากาศไปใช้อย่างแม่นยำ ตั้งแต่การทำให้บริสุทธิ์ การทำความเย็น และการทำให้เป็นของเหลว ไปจนถึงการกลั่นแบบคอลัมน์- ทุกขั้นตอนถือเป็นรากฐานสำหรับออกซิเจน 99.8% สุดท้าย การเข้าใจสิ่งนี้ทำให้ชัดเจนว่าทำไมผู้ผลิตหลายรายจึงสามารถให้ผลลัพธ์ความบริสุทธิ์ที่แท้จริงที่แตกต่างกันเช่นนั้นจากแผนผังกระบวนการที่ดูเหมือนจะเหมือนกัน ช่องว่างที่แท้จริงมักไม่ค่อยอยู่ที่ตัวกระบวนการ แต่อยู่ที่การจัดการรายละเอียดที่ส่งผลต่อความสมดุลของการกลั่น

หากโครงการกำลังดิ้นรนกับความบริสุทธิ์ของออกซิเจนที่ไม่เสถียรหรือปัญหาคอขวดในการทำให้บริสุทธิ์ การตรวจสอบจุดควบคุมหลักที่กล่าวถึงข้างต้นถือเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี ปัญหาทางเทคนิคมักไม่ต้องการวิธีแก้ปัญหาที่ซับซ้อนจนเกินไป การกลับไปสู่หลักการพื้นฐานมักให้คำตอบที่ตรงประเด็นที่สุด