هوا ماده خام صنعتی است که اکثر مردم به آن توجه نمی کنند. دارای 78 درصد نیتروژن، 21 درصد اکسیژن، به علاوه آرگون، CO2 و بخار آب است. جداسازی این اجزاء شیمی نیست{4}}ترمودینامیک کاربردی است. جداسازی هوا برودتی، فناوری غالب برای-تا{{7} گیاهان متوسط تا-در سراسر جهان، اساساً تقطیر با دقت 0.1 درجه کنترل می شود.
ورودی هوا: فیلتراسیون و فشرده سازی
هوای محیط از طریق یک فیلتر{0}}خود تمیز شونده وارد می شود. هدف در اینجا جداسازی نیست، بلکه حفاظت از تجهیزات-ذرات میتوانند روتورهای کمپرسور با سرعت بالا-را فرسایش دهند و بستهبندی تقطیر را مسدود کنند.
هوای فیلتر شده به یک کمپرسور گریز از مرکز چند مرحله ای منتقل می شود، جایی که فشار به 0.5-0.8 مگاپاسکال افزایش می یابد (بسته به طراحی فرآیند). فشردهسازی گرما تولید میکند (حدود 100 تا 120 درجه)، بنابراین خنککنندههای بین مرحلهای دما را نزدیک به محیط بازمیگردانند. از این کار صرف نظر کنید و غربالهای مولکولی پایین دست در اثر گرمای بیش از حد تخریب میشوند.
یک نکته مهم: فشرده سازی حجم هوا را کاهش می دهد و انرژی فشار مورد نیاز برای جداسازی تبرید و تقطیر را فراهم می کند. بدون این پایه انرژی، کل چرخه برودتی نمی تواند شروع شود.
تصفیه: از بین بردن ناخالصی هایی که منجمد می شوند
هوای فشرده و سرد شده همچنان حاوی بخار آب، CO2 و هیدروکربن است. در دماهای برودتی، اینها منجمد می شوند و بسته بندی ستون تقطیر یا کانال های مبدل حرارتی اصلی را مسدود می کنند. پس از رسوب، افزایش مقاومت و عملکرد تقطیر از بین می رود.
گیاهان مدرن از سیستم های جذب الک مولکولی استفاده می کنند (معمولاً بسترهای دو لایه-: آلومینا فعال + 13 غربال مولکولی X). دو جاذب به طور متناوب کار می کنند: یکی ناخالصی ها را در 0.5-0.8 مگاپاسکال و دمای محیط جذب می کند، در حالی که دیگری با نیتروژن زباله 200 درجه بازسازی می شود.
معیار اصلی: CO2 پساب زیر 1 ppm، نقطه شبنم آب زیر 65- درجه. این آستانه عملیاتی برای تقطیر پایدار است.
خنک سازی تا مایع سازی: حلقه تبرید
هوای تصفیه شده وارد مبدل حرارتی اصلی (صفحه آلومینیومی معمولی لحیم کاری شده-نوع پره) میشود، که در برابر جریانهای محصول سرد برگشتی جریان مییابد. دما به تدریج به حدود -170 درجه کاهش می یابد و به خط روانگرایی نزدیک می شود.
اما تبادل حرارتی به تنهایی نمی تواند به دمای تقطیر برسد (بالای ستون بالایی حدود -196 درجه، پایین ستون پایین حدود -175 درجه). تبرید از منبسط کننده توربو{5}}: هوای پرفشار از کمپرسور تقویت کننده، پس از خنک شدن، تا حدی وارد منبسط کننده می شود تا دمای انبساط آدیاباتیک تا -165-~170 درجه در حین تولید کار خارجی کاهش یابد.
این جریان گاز سرد به ستون بالایی وارد می شود و تبرید مورد نیاز برای تقطیر را تامین می کند. تعادل سرمای کل سیستم یک تطابق زمانی واقعی- بین خروجی منبسط کننده و بار حرارتی ستون است.
مرحله اصلی: تقطیر دو ستونی
این قلب واحد جداسازی هوا است. استاندارد صنعت پیکربندی ستون پایین + ستون بالایی است (اگر بازیابی آرگون شامل سه ستون باشد).
ستون پایین: جداسازی مقدماتی
هوای نیمه مایع به پایین ستون پایین وارد می شود. ستون شامل بسته بندی ساختار یافته است (مثلاً، انواع گاز ملاپاک یا سیم{3}). مایع در امتداد سطوح بسته بندی به سمت پایین جریان می یابد. بخار از طریق لایه های مایع به سمت بالا بالا می رود.
استفاده از اختلاف نقطه جوش (در جو استاندارد: اکسیژن -183.0 درجه، نیتروژن -195.8 درجه):
- نیتروژن که فرارتر است، تبخیر میشود و بالا میآید و در نهایت در بالای آن به نیتروژن مایع خالص متراکم میشود (خلوص تا 99.999% +).
- اکسیژن، کمتر فرار، متراکم میشود و به سمت پایین جریان مییابد و در پایین بهعنوان هوای مایع غنی از اکسیژن (35 تا 40 درصد اکسیژن) جمع میشود.
رفلاکس در بالای ستون پایین از کندانسور بالا{0}}که توسط اکسیژن مایع یا نیتروژن مایع از سیستم فوقانی خنک میشود، ایجاد میشود.
ستون بالایی: جداسازی نهایی
هوای مایع غنی از اکسیژن-از پایین ستون پایین گاز گرفته شده و به بخش میانی- ستون بالایی (به عنوان رفلاکس) وارد میشود. بخشی از نیتروژن مایع از بالای ستون پایینی نیز به بالای ستون بالایی هدایت می شود (به عنوان رفلاکس سرد).
در داخل ستون بالایی، بخار و مایع دهها مرحله نظری انتقال جرم را پشت سر می گذارند:
- بخار در حال افزایش اکسیژن شسته شده است. قسمت بالایی گاز نیتروژن خالص (بیشتر یا مساوی 99.999٪) را ارائه می دهد.
- مایع پایینی اکسیژن مایع (بیشتر یا مساوی 99.6٪) است که در کندانسور اصلی (تبدیل حرارت با نیتروژن گازی از بالای ستون پایین) تبخیر شده و به عنوان اکسیژن محصول خارج میشود.
کندانسور اصلی-جوشدهنده اتصال انرژی است-از اکسیژن مایع پایینی برای متراکم کردن نیتروژن بالای سر استفاده میکند، در حالی که خود اکسیژن مایع تبخیر میشود تا بخار در حال افزایش تولید کند. این طراحی همراه به شدت تقاضای خنک کننده خارجی را کاهش می دهد.
تحویل محصول و ذخیره سازی
نیتروژن خالص (بالای ستون بالایی) و اکسیژن محصول (از کندانسور اصلی یا پایین ستون بالایی) از مبدل حرارتی اصلی عبور میکنند تا قبل از خروج از واحد، دوباره{0}}به دمای محیط گرم شوند.
کاربران می توانند انتخاب کنند:
- محصولات گازی: مستقیماً به نقاط استفاده{0} (سنتز شیمیایی، جوشکاری محافظ، نقشه مواد غذایی) لوله میشوند.
- محصولات مایع: تا حدی بیشتر در مایعساز مایع میشوند و در مخازن مایع برودتی ذخیره میشوند (فشار کاری 0.2 تا 1.0 مگاپاسکال، دماهای -183 درجه برای LOX، -196 درجه برای LIN)، برای حمل و نقل کامیون یا پیک تراشیدن در دسترس هستند.
یک نکته کاربردی: ذخیرهسازی برودتی «پر کردن و فراموش کردن» نیست-تلفات تبخیر مداوم رخ میدهد (جوش روزانه-تقریباً 0.3٪ تا 0.8٪ بسته به نوع عایق مخزن). اندازه مناسب مخزن باید با الگوهای مصرف پایین دست مطابقت داشته باشد.
مصرف انرژی: چه چیزی باعث افزایش هزینه عملیاتی می شود
قدرت کمپرسور 70٪ تا 80٪ از کل هزینه عملیاتی را تشکیل می دهد. ارقام مصرف برق واحد معمولی:
- اکسیژن (گاز، 0.2 مگاپاسکال): ~ 0.35-0.45 کیلووات ساعت/Nm³
- نیتروژن (گاز، 0.6 مگاپاسکال): ~ 0.18-0.25 کیلووات ساعت/Nm³
اهرم اصلی انتخاب فشار تقطیر است. چرخههای فشار پایین{{1} (ستون پایین در ~0.5-0.6 مگاپاسکال) بر نیروگاههای بزرگ غالب است-علیرغم کار جداسازی نظری کمی بالاتر، کار فشردهسازی به طور قابلتوجهی کاهش مییابد و کمترین انرژی کل را به همراه دارد. کارخانههای کوچک نیتروژن با خلوص بالا همچنان از چرخههای فشار متوسط (1.0 تا 1.5 مگاپاسکال) برای چیدمان سادهتر با هزینه کارآیی استفاده میکنند.
دو محرک مستقیم دیگر: راندمان ایزنتروپیک منبسط کننده (اکنون 88% ~ 92% در واحدهای پیشرفته) و دمای نزدیک مبدل حرارتی (هدف زیر 1.5 درجه)-هر دو بر محل فرود عدد مصرف واقعی تأثیر میگذارند.
خاموش-عملیات طراحی: چالش واقعی-جهانی
اکثر واحدهای جداسازی هوا در تمام سال-به ندرت در نقطه طراحی پلاک کار می کنند. کاربران پاییندستی نرخهای تخفیف{2}}را با تغییر، فصل و نگهداری تغییر میدهند. عملکرد به دور از طراحی به موارد زیر بستگی دارد:
- تنظیم پره راهنمای منبسط-خروجی تبرید را تغییر میدهد.
- نرخ استخراج محصول{0}}تعادل خلوص در برابر موجودی سرد را تغییر میدهد.
- تنظیم نسبت رفلاکس-از طریق دریچههای گاز نیتروژن مایع که بر عملکرد ستون بالایی تأثیر میگذارد.
خطر در عملیات طراحی خارج از-: نوسانات خلوص و عدم تعادل سرما به یکدیگر وارد می شوند. استفاده نادرست می تواند باعث "سیل نیتروژن" یا سقوط خلوص اکسیژن شود که بهبود آن ساعت ها طول می کشد. اپراتورهای شایسته به تحلیلگرهای آنلاین (غلظت اکسیژن، ردیابی اکسیژن در نیتروژن، ردیابی رطوبت) و DCS با قابلیت تغییر خودکار-بار-تکیه دارند.
برای استفاده کنندگان گاز صنعتی، یک واحد جداسازی هوا یک دستگاه واحد نیست. این یک سیستم ترمودینامیکی محکم جفت شده است. فشردهسازی، خالصسازی، تبادل حرارت، انبساط و تقطیر بهصورت سری به هم مرتبط میشوند-یک افست در هر نقطه در زنجیره منتشر میشود. به همین دلیل است که مهندسان باتجربه می گویند: "راه اندازی یک چاه ASU برای خواندن موقعیت سوپاپ نیست، بلکه درک مثلث دینامیکی دما، فشار و ترکیب است."
Shenger Gas بر طراحی مهندسی و بهینهسازی عملیاتی سیستمهای جداسازی هوای برودتی، مبتنی بر دادههای ترمودینامیکی اندازهگیری شده میدانی- تمرکز دارد. پارامترهای فنی ارائهشده در اینجا از کتابهای مهندسی در دسترس عموم و گزارشهای عملیاتی که برای مرجع و بحث همتا ارائه شدهاند، مشتق شدهاند.
