چگونه واحدهای جداسازی هوای برودتی به تولید اکسیژن با خلوص بالا- دست می‌یابند

در تولید گاز صنعتی، فناوری جداسازی هوای برودتی روش اصلی برای تولید اکسیژن با خلوص{{0} در مقیاس بزرگ است. بسیاری از مردم می دانند که این تجهیزات می تواند هوا را به اکسیژن تبدیل کند، اما تعداد کمی واقعاً درک می کنند که چگونه به خلوص بالا می رسد. این مقاله به اصول فرآیند، منطق جداسازی و نقاط کنترل کلیدی در پشت واحدهای جداسازی هوای برودتی می پردازد. به عنوان یک شرکت فنی که عمیقاً در این زمینه درگیر است، Shenger Gas تجربه عملی در طراحی و مهندسی سیستم‌های جداسازی هوای برودتی{5}}تجربیتی که ارزش به اشتراک گذاشتن دارد، به دست آورده است.

اصل اساسی "فیلتراسیون" نیست، بلکه تفاوت نقطه جوش است

اول، یک تصور غلط رایج نیاز به پاکسازی دارد: جداسازی هوای برودتی برای به دست آوردن اکسیژن به فیلتراسیون فیزیکی متکی نیست. از تفاوت های طبیعی در نقاط جوش بین اجزای هوا استفاده می کند. تحت فشار اتمسفر، اکسیژن در 183- درجه، نیتروژن در 196- درجه و آرگون در 186- درجه می جوشد. با خنک کردن هوای زیر 170- درجه برای مایع شدن آن و سپس اعمال نفوذ جرم و انتقال حرارت بین فازهای گاز و مایع در داخل یک ستون تقطیر، جداسازی اجزا ممکن می شود.

اولین قدم به سوی اکسیژن با خلوص بالا، فشرده کردن، پیش-سرد کردن و تصفیه هوا برای حذف آب، دی اکسید کربن و هیدروکربن ها است. تصفیه ناقص در این مرحله می تواند به راحتی گذرگاه های پایین دست و مبدل های حرارتی را مسدود یا مسدود کند و به سرعت عملکرد تقطیر را کاهش دهد. بنابراین، قابلیت اطمینان سیستم{4}}تصفیه جلویی به طور مستقیم تعیین می کند که آیا محصول نهایی می تواند به خلوص 99.6 درصد یا بالاتر برسد.

هماهنگی بین ستون های پایین و بالایی: بخش اصلی تقطیر

سیستم تقطیر دو ستونی معمولی، که به عنوان فرآیند دو ستونی نیز شناخته می‌شود، پرکاربردترین ساختار برای تولید اکسیژن برودتی است. ستون پایین وظیفه جداسازی اولیه را انجام می دهد. پس از ورود هوای مایع به ستون پایینی، بخار بالارونده و مایع نزولی به طور مکرر با یکدیگر تماس می گیرند. نیتروژن به تدریج در بالا متمرکز می شود، در حالی که اکسیژن{5}}مایع غنی در پایین تجمع می یابد. این مایع غنی از اکسیژن معمولاً حاوی 38% تا 42% اکسیژن{10}}به دور از نیازهای درجه محصول{11}}است.

این مایع غنی از اکسیژن{0}} سپس به وسط ستون بالایی به عنوان خوراک برای غلظت بیشتر وارد می‌شود. ستون بالایی به طور همزمان رفلاکس نیتروژن مایع را از بالای ستون پایین دریافت می کند و بخش های یکسوسازی و جداسازی کامل را تشکیل می دهد. در نهایت اکسیژن در پایین ستون بالایی جمع می شود، در حالی که نیتروژن از بالا خارج می شود. با طراحی مناسب تجهیزات و عملکرد پایدار، خلوص اکسیژن در پایین ستون بالایی می تواند به 99.6٪ تا 99.8٪ یا حتی بیشتر برسد.

یکی از جزئیاتی که به راحتی نادیده گرفته می شود: وجود آرگون به طور قابل توجهی بهبود خلوص اکسیژن را محدود می کند. آرگون حدود 0.93 درصد هوا را تشکیل می دهد و نقطه جوش آن دقیقاً بین اکسیژن و نیتروژن قرار دارد. در فرآیندهای تولید اکسیژن معمولی بدون درگاه تخلیه-آرگون، آرگون در وسط ستون بالایی تجمع می‌یابد و مقداری از آن وارد محصول اکسیژن شده و خلوص آن را کاهش می‌دهد. بنابراین، برای تولید پایدار اکسیژن با خلوص بالا و بالاتر از 99.8 درصد، معمولاً به یک ستون آرگون کمکی یا یک فرآیند بازیابی آرگون رایگان-هیدروژن تقطیر کامل- نیاز است.

خلوص محصول با یک پارامتر مشخص نمی شود

بسیاری از کاربران سؤال مشابهی می پرسند: پس از خرید تجهیزات، چه چیزی خلوص اکسیژن را تضمین می کند؟ پاسخ یک شاخص واحد نیست بلکه تعادل پویا مجموعه ای از پارامترها است.

• ظرفیت خنک کننده گسترش دهنده خنک کننده ناکافی مایع رفلاکس را در ستون بالایی کاهش می دهد و راندمان تقطیر را کاهش می دهد. خنک شدن بیش از حد می تواند ستون را بیش از حد خنک کند و همچنین جداسازی را مختل کند.
• سرعت و فشار جریان هوا. نوسانات زیاد مستقیماً بر تعادل مایع-گاز در داخل ستون تأثیر می‌گذارد و باعث نوسان خلوص می‌شود.
• تنظیم رفلاکس نیتروژن مایع ستون پایین. این یکی از رایج ترین و حساس ترین روش های کنترل است. رفلاکس خیلی کم باعث کاهش محتوای اکسیژن در مایع غنی از اکسیژن ستون پایین می شود. رفلاکس بیش از حد در واقع خلوص اکسیژن را در پایین ستون بالایی کاهش می دهد.
• موقعیت و باز کردن درگاه را{0}}خاموش کنید. اگر میزان خروج اکسیژن، اکسیژن مایع و نیتروژن زائد با مشخصات ترکیب داخلی ستون مطابقت نداشته باشد، حفظ خلوص دشوار می شود.

در عمل مهندسی، اپراتورهای یک چاه-که واحد جداسازی هوای برودتی را انجام می‌دهند، معمولاً فقط نیاز به تنظیم دقیق-دو یا سه دریچه کلیدی برای حفظ حالت ثابت دارند. اما این مستلزم این است که کارایی سینی یا توزیع بسته بندی از ابتدا به درستی طراحی شده باشد. در غیر این صورت، هیچ مقدار تنظیم به راحتی خلوص طراحی را به دست نخواهد آورد.

جایی که شکاف بین تولید اکسیژن و تولید پایدار{0} اکسیژن با خلوص بالا وجود دارد

بسیاری از واحدهای جداسازی هوای برودتی موجود در بازار می‌توانند حدود 99.5٪ اکسیژن تولید کنند، اما دستیابی به عملکرد پایدار بالای 99.8٪-که برای ماه‌ها بدون خاموشی یا نوسان حفظ می‌شود{3}}تقاضای بیشتری را در چندین ناحیه کمتر آشکار ایجاد می‌کند.

• یکنواختی توزیع سیال در داخل ستون. چه با استفاده از سینی های غربال یا بسته بندی ساختاری، توزیع ناهموار گاز{1}}مایع منجر به مناطق خشک محلی یا سیل می شود که به طور مستقیم خلوص کلی را کاهش می دهد. این امر به ویژه در واحدهای مقیاس بزرگ که هزاران یا حتی ده ها هزار متر مکعب معمولی در ساعت را مدیریت می کنند بسیار مهم است.
• آب بندی جعبه سرد و کنترل ته نشینی پرلیت. سیل جعبه سرد یا پرلیت ته نشین شده اجازه می دهد تا هوای مرطوب بیرون وارد شود و یخ بزند، یا باعث از دست دادن موضعی سرما می شود و به تدریج شرایط داخلی را تغییر می دهد.
• دقت و زمان پاسخگویی ابزارهای تحلیلی. اگر زمان پاسخ آنالایزر آنلاین اکسیژن از 10 ثانیه بیشتر شود، اپراتورها از قبل با داده های قدیمی کار می کنند{2}}تنظیمات همیشه عقب خواهند ماند.

این شکاف ها اغلب با محاسبات نظری روی کاغذ قابل حل نیستند. آنها بسیار بیشتر به تجربه فرآیند سازنده و قابلیت های راه اندازی سایت- بستگی دارند. به همین دلیل است که Shenger Gas به طور مداوم طراحی، ساخت و راه اندازی را به عنوان یک حلقه بسته در اجرای پروژه در نظر می گیرد، نه اینکه آنها را به عنوان مراحل جداگانه تحویل دهد.

دو جزئیات که به راحتی در عملیات واقعی نادیده گرفته می شوند

اول، تأثیر چرخه گرم کردن-و یخ زدایی بر بازیابی خلوص. پس از مدتی کارکرد واحد جداسازی هوای برودتی، کانال‌های مبدل حرارتی{2}صفحه‌ای باله‌ای به تدریج توسط تجمعات دی اکسید کربن یا رطوبت مسدود می‌شوند. این به صورت افزایش اختلاف دما در انتهای گرم و افزایش فشار ستون پایین نشان می دهد. بسیاری از تیم‌ها بعد از گرم کردن{5}}برای شروع مجدد عجله دارند، فقط برای یافتن بازیابی خلوص دو یا سه روز طول می‌کشد. روش صحیح این است که ابتدا پس از گرم کردن، ظرفیت خنک کننده کافی ایجاد کنید، ستون بالایی را با نسبت رفلاکس محافظه کارانه اجرا کنید، و تنها زمانی که تمام نقاط اندازه گیری دما تثبیت شدند، تولید اکسیژن و خلوص را به تدریج افزایش دهید.

دوم اینکه کیفیت هوای محیط بی نهایت خوب نیست. واحدهای جداسازی هوا که در نزدیکی کارخانه های شیمیایی یا کارخانه های فولاد قرار دارند اغلب حاوی مقادیر کمی آمونیاک، سولفید هیدروژن یا هیدروکربن هستند. این ناخالصی‌ها نه تنها بر عمر الک مولکولی تأثیر می‌گذارند-برخی از اجزای کم جوش-می‌توانند وارد ستون تقطیر شده و در کنار اکسیژن متمرکز شوند، در نهایت خلوص اکسیژن را کاهش داده و حتی خطرات ایمنی را به همراه دارند. برای چنین سناریوهایی، افزودن لایه‌های جذب هدفمند در بالادست سیستم تصفیه به شدت توصیه می‌شود.

تولید اکسیژن با خلوص بالا با تجهیزات جداسازی هوا برودتی اساساً استفاده دقیق از خواص فیزیکی هوا است. از تصفیه، خنک‌سازی و مایع‌سازی گرفته تا تقطیر دو ستونه، هر مرحله زمینه‌ای را برای جریان نهایی اکسیژن 99.8 درصد فراهم می‌کند. درک این موضوع روشن می‌کند که چرا تولیدکنندگان مختلف می‌توانند چنین نتایج خلوص واقعی متفاوتی را از شماتیک‌های فرآیند به ظاهر یکسان تولید کنند. شکاف واقعی به ندرت در خود فرآیند است، بلکه در رسیدگی به جزئیاتی است که بر تعادل تقطیر تأثیر می گذارد.

اگر پروژه ای با خلوص اکسیژن ناپایدار یا گلوگاه های تصفیه دست و پنجه نرم می کند، بررسی نکات کنترلی کلیدی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، محل خوبی برای شروع است. مشکلات فنی اغلب به راه حل های بیش از حد پیچیده نیاز ندارند. بازگشت به اصول اولیه اغلب مستقیم ترین پاسخ ها را به همراه دارد.