1. Introducere: Rolul strategic al unităților de separare a aerului
Unitatea de separare a aerului (ASU) este o piesă esențială a infrastructurii de bază pentru industria modernă. Prin procese fizice și chimice sofisticate, separă și purifică aerul atmosferic omniprezent în gazele sale componente principale-oxigen de înaltă-puritate (O₂), azot (N₂) și argon (Ar), printre altele-și le furnizează flexibil sub formă lichidă sau gazoasă. Acest proces nu numai că utilizează pe deplin resursele naturale, dar servește și ca piatră de temelie pentru operațiuni eficiente, curate și sigure în numeroase sectoare industriale cheie. De la cuptoarele arzătoare ale producției de oțel la oxigenul medical care salvează vieți, de la fotolitografie și gravare pentru semiconductori de ultimă generație la atmosfera inertă care păstrează alimentele, „sângele de viață industrială” oferite de ASU pătrunde în fiecare aspect al dezvoltării economice și tehnologice naționale. Performanța lor tehnologică și fiabilitatea operațională au un impact direct asupra competitivității și dezvoltării durabile a industriilor din aval.
2. Tehnologii de separare de bază: principii și aplicabilitate
Separarea aerului ASU se bazează în principal pe următoarele trei abordări tehnologice de bază, fiecare cu propriile sale principii, avantaje și scenarii aplicabile:
Distilarea criogenică:
Principiu: aceasta este tehnologia standard de aur pentru producția de gaze-la scară largă, de-puritate ridicată. Principiul său de bază este de a exploata diferențele semnificative ale punctelor de fierbere dintre componentele aerului (în primul rând azot, oxigen și argon) (N₂: -195,8 grade , O₂: -183 grade , Ar: -185,9 grade ). Procesul este foarte integrat: aerul ambiental este supus compresiei în mai multe-etape și crește presiunea. Apoi este răcit până aproape sau la punctul său de lichefiere (aproximativ -172 grade până la -190 grade ) prin prerăcire profundă și un schimbător de căldură principal. Aerul lichefiat este apoi introdus într-un sistem de coloană de distilare (de obicei, o structură cu două coloane - o coloană inferioară de înaltă presiune și o coloană superioară de joasă presiune).
Procesul de distilare: În cadrul coloanei de distilare, fazele gazoase și lichide suferă un contact extins în contracurent pe tăvi sau ambalaje. Azotul, cu punctul de fierbere cel mai scăzut, se vaporizează în mod preferenţial și se ridică în partea de sus a turnului, formând un produs de azot de-puritate ridicată. Oxigenul, cu un punct de fierbere mai mare, tinde să se concentreze în faza lichidă la fund. Prin procese multiple repetate de vaporizare și condensare parțială în cadrul turnului, componentele sunt purificate treptat. În cele din urmă, azotul cu puritate ridicată-(atingând peste 99,999%) este obținut în partea de sus a turnului superior de-presiune joasă, iar oxigenul lichid cu puritate-înaltă este obținut în partea de jos. Fracția-imbogățită cu argon este de obicei retrasă din mijlocul turnului superior și introdusă într-o coloană separată de argon pentru distilare și purificare ulterioară pentru a produce argon lichid de-puritate ridicată.
Avantaje: capacitate de procesare ultra-(până la sute de mii de Nm³/h O₂), puritate ridicată a produsului (în special pentru oxigen, azot și argon), formă flexibilă de produs (lichid/gaz), producție simultană de mai multe gaze de-puritate ridicată și consum relativ scăzut de energie (la scară largă).
Aplicații: producție industrială de gaz la scară largă-(industrie chimică a oțelului, chimică, cărbune), cerințe de puritate ridicată (electronică, medicală) și aplicații care necesită azot lichid/oxigen lichid (utilizarea energiei la rece GNL, propulsor de rachetă). Adsorbție prin fluctuație de presiune (PSA):
Principiu: exploatează diferențele de capacitate de adsorbție sau rata de difuzie a adsorbanților specifici (cum ar fi site moleculare de carbon și site moleculare zeolit) pentru diferite molecule de gaz din aer. Luând ca exemplu producția de azot, sitele moleculare de carbon au o capacitate de adsorbție și o rată de difuzie mult mai mare pentru oxigen decât pentru azot. Când aerul comprimat intră într-un turn de adsorbție umplut cu site moleculare de carbon, oxigenul, vaporii de apă, dioxidul de carbon și alte gaze sunt rapid adsorbite în porii site-urilor moleculare, în timp ce azotul curge din turn ca gaz produs. Când adsorbantul se apropie de saturație, gazele adsorbite sunt eliberate prin reducerea rapidă a presiunii în turn (desorbție/regenerare). În mod obișnuit, două sau mai multe turnuri de adsorbție sunt operate în paralel, cu comutare programabilă a supapelor pentru a obține cicluri continue de adsorbție și regenerare, rezultând o producție continuă de azot.
Avantaje: flux de proces relativ simplu, pornire rapidă, flexibilitate operațională ridicată, investiții relativ scăzute (pentru cântare mici și mijlocii{0}}), grad ridicat de automatizare și întreținere relativ ușoară. Aplicații: Nevoi de azot la scară mică- până la-medie (puritate 95%-99,999%), producție de gaz-la fața locului, aplicații cu cerințe mai puțin stricte de puritate a oxigenului (cum ar fi aerarea îmbogățită cu oxigen pentru tratarea apelor uzate) și scenarii care necesită un răspuns rapid. Tehnologia de producere a oxigenului PSA este, de asemenea, în evoluție.
Separarea membranei:
Principiu: Utilizează fibre goale sau membrane plate din polimeri specializați sau materiale anorganice. Aceste materiale membranare prezintă permeabilitate selectivă la gaze. Atunci când aerul comprimat curge printr-o parte a membranei, moleculele de gaz cu viteze de penetrare mai rapide (cum ar fi oxigenul și vaporii de apă) se dizolvă și difuzează de preferință prin peretele membranei, concentrându-se pe cealaltă parte (partea de permeat). Moleculele de gaz cu rate de permeație mai lente (cum ar fi azotul) sunt prinse și concentrate pe partea de alimentare (partea retentată), realizând astfel separarea. Aplicația cea mai comună este producerea de azot îmbogățit (N₂).
Avantaje: structură de echipament extrem de simplă și compactă, fără piese în mișcare, operare extrem de ușoară, pornire instantanee, greutate redusă, zgomot redus și cost de investiție minim (pentru producție la scară mică-). Aplicații: Necesar de azot la scară mică-, cu puritate redusă- (95%-99,5%), medii cu spațiu limitat (cum ar fi containere și echipamente mobile), gaz de protecție pentru instrumente și gaz de purjare a ambalajelor alimentare.
3. Explicație detaliată a componentelor sistemului de bază ale unei unități de separare a aerului
O unitate completă modernă de separare a aerului criogenic la scară mare-(tehnologie de bază) este un proiect de inginerie de sistem extrem de integrat, complex, care cuprinde în principal următoarele subsisteme cheie:
Sistem de compresie a aerului:
Funcție: Oferă sursa de energie pentru întregul proces de separare, aspirând aerul ambiant și comprimându-l la presiunea înaltă necesară (de obicei de la câțiva până la zeci de bari).
Echipamente de bază:
Main Air Compressor: Performs the majority of the compression work. Large ASUs (>10.000 Nm³/h O₂) utilizează, în general, compresoare centrifuge cu mai multe trepte, cu eficiență -înaltă, debit-înalt,-(acționate cu abur/motor), completate de un design aerodinamic avansat și materiale pentru rotor. Unitățile de scară medie-poate utiliza compresoare centrifuge cu mai multe-etape sau de înaltă-eficiență. Unitățile mici pot utiliza compresoare cu piston sau șurub.
Sistem de amplificare/recompresie: furnizează aer cu presiune înaltă-extensorului sau mărește presiunea gazului produs. Considerații: Eficiența (consumul de energie de bază), fiabilitatea, controlul supratensiunii, reducerea zgomotului și metoda de antrenare (turbină cu abur, motor electric, turbină cu gaz) sunt factori cheie în selecție și proiectare.
Sistem de prerăcire și purificare a aerului:
Funcție: Îndepărtează impuritățile, cum ar fi umiditatea, dioxidul de carbon, hidrocarburile (cum ar fi acetilena) și oxidul de azot (N₂O) din aerul comprimat. Aceste impurități pot îngheța și înfunda echipamentele și conductele (în special schimbătorul de căldură principal) la temperaturi scăzute. Hidrocarburile prezintă un risc de explozie în mediile bogate în oxigen-.
Echipamente și procese de bază:
Precooling System: Utilizing cooling towers or mechanical refrigeration units (chillers), compressed air is cooled from the high outlet temperature (>100 de grade ) până la -temperatura ambiantă (~10-30 de grade ) prin schimbătoare de căldură răcite cu apă sau turnuri de răcire cu contact direct, condensând și separând cea mai mare parte a apei lichide.
Sistem de purificare: ASU moderne utilizează aproape exclusiv adsorbante cu sită moleculară duală (sau multiple). Adsorbantul (în principal site moleculare de alumină și zeolit) adsorb selectiv umiditatea, CO2, majoritatea hidrocarburilor și N2O la temperatura camerei. Designul dublu-turn asigură că, în timp ce un turn efectuează adsorbție, celălalt turn este încălzit, regenerat și răcit folosind o cantitate mică de produs uscat (sau aer cald), asigurând alimentarea continuă și neîntreruptă cu gaz. Acest sistem este esențial pentru a asigura funcționarea-pe termen lung, sigură și stabilă a unității.
Sistemul principal de schimbător de căldură:
Funcție: Permite schimbul eficient de căldură între fluidele calde și reci. Funcția sa de bază este de a-răci adânc aerul purificat, de înaltă-presiune, până aproape de punctul său de lichefiere (aproximativ -170 de grade ), în timp ce încălzind simultan gazele de produs la temperatură joasă (oxigen, azot și azot contaminat) până la temperatura ambiantă, maximizând recuperarea la rece și reducând semnificativ consumul de energie al sistemului.
Echipamente de bază: schimbătoarele de căldură cu plăci-de aluminiu (BAHX) sunt alegerea dominantă. Acestea oferă compactitate ridicată, eficiență excelentă a transferului de căldură, rezistență puternică la presiune și design ușor. Mai multe module cu plăci mari-schimbătoare de căldură cu aripioare sunt în mod obișnuit integrate cu echipamentele de răcire a miezului, cum ar fi coloanele de distilare, într-o cutie rece foarte izolată pentru a minimiza pierderile de răcire.
Sistem de coloană de distilare (miez criogenic):
Funcție: Facilitatea de bază pentru separarea finală și purificarea componentelor aerului.
Structură tipică:
Coloană de-presiune înaltă (coloana inferioară): primește aer cu-presiune ridicată de la schimbătorul de căldură principal, răcit până aproape de punctul său de lichefiere. Separarea inițială se realizează la această presiune, producând azot gazos cu puritate ridicată-în partea de sus și aer lichid îmbogățit cu oxigen-(aproximativ 35-40% O₂) în partea de jos.
Coloana cu presiune joasă-(coloana superioară): primește aer lichid îmbogățit-de oxigen din coloana inferioară (redus de o supapă de accelerație) și azot cu puritate ridicată-din partea de sus a coloanei inferioare (lichefiat de un evaporator al condensatorului). Distilarea finală se efectuează la presiune aproape-normală (puțin peste presiunea atmosferică). În partea superioară este produs azot gazos de puritate-înaltă (gaz sau lichid), iar în partea de jos este produs oxigen de-puritate ridicată (gaz sau lichid). Condensatorul/evaporatorul este o componentă cheie care conectează coloanele superioare și inferioare, utilizând căldura de condensare a azotului gazos din partea superioară a coloanei inferioare pentru a evapora oxigenul lichid din partea inferioară a coloanei superioare.
Coloana de argon brut/rafinat: ASU mari extrag de obicei o fracțiune de argon care conține aproximativ 8-12% argon din mijlocul coloanei superioare. În primul rând, coloana de argon brut (de obicei compusă din două etape) elimină cea mai mare parte a oxigenului pentru a produce argon brut (conținând O₂ < 2 ppm, N₂ < 100 ppm). Argonul brut intră apoi în coloana de argon rafinat, unde hidrogenarea catalitică (sau distilarea criogenică) elimină oxigenul și fracționarea ulterioară elimină azotul, obținând în cele din urmă argon lichid de înaltă puritate (mai mare sau egal cu 99,999%).
Considerații: Eficiența coloanei (selectarea tăvii/ambalajului), distribuția fluidului, controlul presiunii și prevenirea inundațiilor/scurgerii sunt considerații cheie de proiectare.
Sistem de expansiune:
Funcție: Acesta este echipamentul central de refrigerare care asigură capacitatea de răcire necesară întregului sistem criogenic. Principiul expansiunii adiabatice a gazului de înaltă presiune-pentru a genera lucru extern (acționarea unui generator sau a unui ventilator de frână) face ca temperatura gazului să scadă dramatic (efect Joule-Thomson).
Echipament de bază: turboexpansorul este curentul principal. Aerul de-presiune ridicată (sau azotul) din secțiunea centrală a schimbătorului de căldură principal, care încă nu s-a lichefiat complet, este introdus în expandor, unde se extinde rapid la o presiune scăzută (aproape de presiunea coloanei superioare), ceea ce face ca temperatura să scadă brusc sub punctul de lichefiere. Aceasta produce o cantitate mare de aer lichid (sau azot lichid), care completează capacitatea de răcire pentru a compensa pierderile de căldură și răcirea transportate de produs. Eficiența expanderului afectează direct consumul de energie al unității.
Sistem de stocare și vaporizare a produsului:
Funcție: Echilibrarea fluctuațiilor producției și cererii, asigurând o aprovizionare stabilă cu gaze; furnizarea de produse lichide.
4. Domenii largi de aplicare ale unităților de separare a aerului
Produsele ASU au o gamă largă de aplicații, având un impact profund asupra multor industrii piloni ale societății moderne:
Topirea și prelucrarea metalelor:
Oțel: oxigenul de-puritate ridicată este materia primă de bază pentru fabricarea oțelului în cuptoarele cu oxigen de bază (BOF), îmbunătățind semnificativ eficiența, reducând consumul de energie și reducând impuritățile. Azotul este utilizat pentru purjarea căptușelii cuptorului, protecția la turnare continuă și tratamentul termic al atmosferei. Argonul este utilizat în decarburarea cu oxigen cu argon (AOD) pentru a rafina oțelul inoxidabil și oțelurile speciale.
Metale ne-feroase: oxigenul este utilizat pentru arderea oxicombustibilului (topirea cuprului, aluminiul, plumbul și zincul), topirea rapidă, topirea sub-superioară prin suflare și alte procese pentru a îmbunătăți intensitatea topirii și eficiența termică. Azotul este folosit ca atmosferă protectoare.
Industrii chimice și petrochimice:
Substanțe chimice de bază: Oxigenul este utilizat în gazeificarea cărbunelui (amoniac sintetic, metanol și hidrogen), arderea îmbunătățită în cuptoarele de cracare a etilenei și producția de acid sulfuric/acid azotic. Azotul este utilizat pentru purjare, inertizare, etanșare, gaz purtător și transmiterea presiunii.
Industria chimică a cărbunelui: gazeificarea-la scară largă a cărbunelui (IGCC, cărbune-la-lichide și cărbune-la-olefine) necesită cantități mari de oxigen de-puritate ridicată ca agent de gazeificare.
Rafinarea petrolului: oxigenul este utilizat pentru regenerarea-imbogățită cu oxigen în regeneratoarele de cracare catalitică fluidizată (FCC) și cocsificare întârziată. Azotul este utilizat pe scară largă pentru purjare și inertizare de siguranță. Electronice și semiconductoare:
Gaze de ultra-puritate ridicată: gaze precum azotul, oxigenul, argonul și hidrogenul necesită niveluri de puritate care ating niveluri ppb (părți pe miliard) sau chiar ppt (părți per trilion) pentru a fi utilizate în procese critice în fabricarea plachetelor, cum ar fi litografie, gravare, depunere chimică de vapori (CVD), implantare și purjare de ioni, ASU de protecție. 6. sunt sursa principală de gaze în vrac de înaltă-puritate pentru partea frontală.
Sănătate:
Oxigen medical: sistemele de oxigen centralizate ale spitalelor, terapia cu oxigen la domiciliu, serviciile medicale de urgență și ventilatoarele de anestezie se bazează pe ASU pentru oxigen de înaltă-puritate, care îndeplinește standarde stricte din farmacopee.
Alte gaze medicale: azotul lichid este utilizat pentru crioconservarea medicală (conservarea celulelor, țesuturile, spermatozoizii și ovule) și pentru criochirurgii chirurgicali. Azotul de-puritate ridicată este utilizat în fabricarea dispozitivelor medicale.
Alimente și băuturi:
Azot alimentar-: ca membru principal al familiei „gaz alimentar”, este utilizat pe scară largă în:
Ambalare în atmosferă modificată (MAP): înlocuiește oxigenul din ambalaj, inhibând creșterea microbiană și oxidarea, prelungind semnificativ durata de valabilitate a alimentelor (carne, fructe și legume, gustări, cafea și produse lactate). Umplere cu azot pentru conservarea prospețimii: azotul este adăugat în partea de sus a băuturii (bere, suc) și a recipientelor cu ulei de gătit pentru a preveni oxidarea și deteriorarea.
Golire și purjare: creează o atmosferă protectoare inertă în procesarea alimentelor, rezervoarele de depozitare și conducte.
Azot lichid: utilizat pentru congelarea rapidă a alimentelor (pentru a păstra gustul și nutrienții), transportul în lanțul de frig și măcinarea la temperatură joasă-(pentru condimente etc.).
Protecția energiei și a mediului:
Oxigen-Combustie îmbogățită/Combustie cu oxigen pur: utilizat în cuptoare industriale, cum ar fi centralele electrice pe cărbune-/gaz-, cuptoarele de topire a sticlei și cuptoarele de ciment, crește temperatura flăcării și eficiența combustiei, reduce consumul de combustibil și produce CO₂{3} cu concentrație ridicată de gaz. pentru captura ulterioară (CCUS).
Gazificarea cărbunelui/IGCC: ASU este unitatea de bază a centralelor de producere a energiei în ciclu combinat de gazificare integrată a cărbunelui și a centralelor chimice pe cărbune.
Tratarea apelor uzate: utilizarea tehnologiei de aerare îmbogățită cu oxigen-sau de aerare cu oxigen pur îmbunătățește semnificativ capacitatea, eficiența și stabilitatea de tratare a apelor uzate, în special atunci când se tratează ape uzate organice cu-concentrație mare. 7. NEWTEK: Unitatea dvs. de separare a aerului EPC și expert în soluții la cheie
În sectorul unităților de separare a aerului, succesul proiectului depășește cu mult selectarea căii tehnologice potrivite. Proiectele mari și complexe de separare a aerului industrial implică numeroase interfețe specializate (proces, echipamente, conducte, electrice, instrumente, inginerie civilă, instalare și punere în funcțiune), standarde de reglementare stricte (siguranță și protecție a mediului), control precis al programului și coordonarea resurselor extinse. Aceasta este valoarea de bază a NEWTEK-oferim soluții EPC (inginerie, contractare generală) și la cheie, de la proiectare conceptuală până la funcționare stabilă.
5. NEWTEK: Expertul dumneavoastră în EPC și soluții la cheie pentru unitatea de separare a aerului
În sectorul unităților de separare a aerului, succesul proiectului depășește cu mult selectarea tehnologiei potrivite. Proiectele mari și complexe de separare a aerului industrial implică numeroase interfețe specializate (proces, echipamente, conducte, electrice, instrumente, inginerie civilă, instalare și punere în funcțiune), standarde de reglementare stricte (siguranță și protecție a mediului), control precis al programului și coordonarea resurselor extinse. Aceasta este valoarea de bază a NEWTEK-oferim soluții EPC (Inginerie, Construcție de proiecte) de la capăt la--la cheie, de la proiectare conceptuală până la funcționare stabilă.
6. Concluzie: Împuternicirea viitorului industriei
Unitățile de separare a aerului sunt „inima de gaz” a civilizației industriale moderne. Odată cu progresele tehnologice și modernizările industriale, cererea pentru gaze industriale de înaltă-puritate, diverse,-la scară largă și cu costuri reduse-scăzut, continuă să crească, impunând cerințe mai mari în ceea ce privește eficiența, fiabilitatea, siguranța și performanța ecologică a acestor unități. Alegerea căii tehnice potrivite este fundamentală, în timp ce selectarea unui partener cu capacități puternice de integrare a resurselor și experiență vastă în inginerie este crucială pentru succesul proiectului.
În calitate de furnizor profesionist de servicii EPC în domeniul ingineriei gazelor, NEWTEK se angajează să ajute clienții să depășească numeroasele provocări ale proiectelor industriale complexe prin intermediul unității de separare a aerului integrate, specializate și personalizate EPC și soluțiilor la cheie. Suntem mai mult decât un simplu furnizor de echipamente sau institut de proiectare; suntem consilierul dvs. de succes-la-finală a proiectului. De la plan până la un flux stabil de gaz, NEWTEK asigură că investiția dumneavoastră în unitatea de separare a aerului se traduce într-o productivitate eficientă, un lanț de aprovizionare fiabil și beneficii economice semnificative, punând o bază solidă de „gaz” pentru ca dvs. să concurezi pe piața extrem de competitivă.
