Технологията за криогенно разделяне на въздуха (CES) е основно средство за получаване на промишлени газове като кислород, азот и аргон в съвременната индустрия. Чрез отделяне на въздуха при ниски температури могат да се произвеждат кислород, азот и аргон с висока-чистота в голям мащаб, отговаряйки на разнообразните нужди от промишлен газ на индустрии като стомана, химикали, електроника и енергетика. Този доклад обяснява принципите и потока на процеса на криогенно разделяне на въздуха, като се фокусира върху неговите типични приложения в различни индустрии, тенденции в технологичното развитие и опит в инженерната практика.
Съдържание
Основни принципи на криогенното разделяне на въздуха
Поток на процеса и основни елементи
Типичен мащаб на завода и промишлено развитие
Приложения в стоманодобивната промишленост
Приложения в химическата промишленост
Приложения в електронната индустрия
Приложения в енергийната индустрия
Тенденции в технологичното развитие и инженерна практика
Резюме
1. Основни принципи на криогенното разделяне на въздуха
Въздухът се състои главно от азот (приблизително 78%), кислород (приблизително 21%) и малко количество аргон (приблизително 0,9%). Точките на кипене на кислорода, азота и аргона се различават значително (азот ≈ -196 градуса, аргон ≈ -186 градуса, кислород ≈ -183 градуса), осигурявайки теоретична основа за отделяне чрез криогенна дестилация. Криогенното разделяне на въздуха използва тази характеристика, като постига едновременното производство на кислород, азот и аргон с висока-чистота чрез втечняване на въздуха и многостепенно разделяне чрез дестилация. В сравнение с методи като мембранно разделяне или адсорбция с промяна на налягането, криогенното разделяне на въздуха, въпреки че е енергоемко, предлага предимства като висока производителност, висока чистота и възможност за едновременно извличане на редки газове, което го прави основната технология за широкомащабно промишлено производство на газ.
2. Поток на процеса и основни стъпки
Процесът на криогенно разделяне на въздух включва главно следните стъпки:
Компресия и пречистване на въздуха
Околният въздух първо се подлага на налягане от компресор, докато примесите като влага и въглероден диоксид се отстраняват, за да се предотврати замръзване и блокиране на оборудването по време на етапа на ниска-температура.
Охлаждане и втечняване
Въздухът се охлажда до температурата на втечняване чрез хладилен цикъл, генерирайки течен въздух за осигуряване на суровина за последваща дестилация.
Разделяне при дестилация при високо- и ниско{1}}налягане
Течният въздух влиза в дестилационни колони с високо{0}}налягане и ниско{1}}налягане за фракциониране. Азотът се обогатява в горната част на колоната с високо-налягане, докато дъното съдържа-съдържаща кислород течност. Кислород{6}}съдържащата течност влиза в колоната с ниско-налягане за по-нататъшна дестилация, като в крайна сметка се получават кислород и азот с висока-чистота.
Аргонът, като страничен продукт, се изтегля от страничния поток на колоната с ниско-налягане и се пречиства допълнително чрез колона за дестилация на аргон.
Through multi-stage distillation, high-purity oxygen (>99.9%), high-purity nitrogen (>99,9%), а индустриалният аргон може да се произвежда едновременно, постигайки диверсифицирани доставки за индустриални нужди.
3. Типичен мащаб на завода и промишлено развитие
След индустриализацията си в началото на 20-ти век технологията за криогенно разделяне на въздуха непрекъснато се разширява в мащаба на завода. През 1902 г. е въведен първият промишлен генератор на кислород, който позволява производството на течен кислород. Днес едно широкомащабно-въздухоразделително съоръжение има капацитет за производство на кислород от 5000 тона/ден, което го прави едно от най-големите съоръжения за разделяне на въздуха в света. Широкомащабните-системи за подаване на кислород обикновено се разполагат в бази за производство на стомана, химически промишлени паркове и енергийни компании, осигурявайки стабилно снабдяване с високо{9}}чисти газове, действащи като спасителен пояс за съвременното индустриално производство.
4. Приложения в стоманодобивната промишленост
Процесът на производство на стомана има огромно търсене на кислород:
Производство на желязо в доменна пещ: Увеличаването на степента на обогатяване с кислород на доменната пещ повишава температурата на горене, ускорява окисляването на примесите и подобрява ефективността на производството на желязо.
Конверторно производство на стомана: Инжектирането на чист кислород в разтопена стомана увеличава производителността и скоростта на рафиниране.
Консумация на кислород: Приблизително 50 кубични метра или повече кислород са необходими за производството на 1 тон конверторна стомана. Големите стоманодобивни заводи обикновено изграждат свои собствени станции за разделяне на въздуха, за да осигурят непрекъснато снабдяване.
Азотът се използва в стоманодобивната промишленост като инертен защитен и продухващ газ:
Защита на разтопена стомана по време на непрекъснато леене за предотвратяване на окисляване на въздуха;
Устойчивост-на експлозия при инжектиране на пулверизирани въглища в доменни пещи и възстановяване на конверторния газ;
Осигуряване на безопасност чрез прочистване на тръбопроводи по време на поддръжка при спиране.
Аргонът се използва главно при рафиниране на кофа (като AOD рафиниране), премахване на примеси и постигане на хомогенизиране на разтопена стомана чрез разбъркване. Големите стоманодобивни предприятия разчитат на множество агрегати за разделяне на въздуха, за да осигурят непрекъсната работа на доменните пещи, конверторите и процесите на рафиниране.
5. Приложения в химическата промишленост
В химическата промишленост блоковете за криогенно разделяне на въздух осигуряват кислород, азот и аргон, които се използват широко за:
Кислородът се използва в крекинг, реакции на частично окисление и процеси на изгаряне;
Азотът осигурява инертна атмосфера за предотвратяване на експлозии или окисление по време на химични реакции;
Аргонът се използва в специални реакции на синтез или химични процеси с висока{0}}чистота, за да се осигури стабилна реакционна среда.
Химическите индустриални паркове обикновено имат големи станции за разделяне на въздуха, за да осигурят непрекъснато и стабилно снабдяване с газ по цялата производствена линия.
6. Приложения в електронната индустрия
Електронната и полупроводниковата промишленост имат изключително високи изисквания за високо{0}}чисти газове:
Азотът се използва като инертен защитен газ за предотвратяване на окисляването на технологичните материали;
Аргонът се използва като газ носител или защитен газ при отлагане на тънък слой, опаковане и производство на полупроводници;
Кислородът подпомага реакциите с висока{0}}прецизност при процесите на фотолитография и гравиране.
Високата чистота и висока стабилност на модулите за криогенно разделяне на въздуха ги правят незаменим източник на индустриални газове за електронната индустрия.
7. Приложения в енергийната индустрия
Търсенето на промишлени газове в енергийната индустрия се фокусира главно върху:
Оксигениране при горене: газовите турбини и електроцентралите, работещи с{0}}въглища, могат да подобрят ефективността на горенето чрез използване на кислород за подпомагане на горенето;
Инертна защита: Азотът се използва за защита от експлозия в резервоари за съхранение, тръбопроводи и реакционни системи;
Приложения на втечнен газ: Течният кислород и течният азот играят ключова роля в съхранението на енергия, свръхпроводимостта и новите енергийни технологии.
Големите -енергийни проекти обикновено са оборудвани с въздушно разделителни агрегати за съчетаване на производството на енергия с доставките на промишлен газ.
8. Тенденции в технологичното развитие и инженерни практики
Последните тенденции в развитието на технологията за криогенно разделяне на въздуха включват:
Увеличаване-на блоковете: Преследване на по-висока производителност и по-ниска консумация на енергия за единица оборудване за разделяне на въздуха;
Интелигентност и автоматизация: Приемане на DCS/PLC системи за постигане на 24/7 непрекъсната работа и-наблюдение в реално време;
Оптимизиране на възстановяването на енергия: Намаляване на общото потребление на енергия чрез оптимизиран дизайн на разширители, турбини и топлообменници;
Разработване на странични-продукти: Добавяне на аргон и други единици за възстановяване на редки газове за повишаване на икономическата стойност.
Инженерната практика показва, че разумната конфигурация на оборудването, прецизното пречистване на газа и дизайнът на студената кутия са ключови за осигуряване на ефективна и стабилна работа на оборудването.
9. Заключение
Технологията за криогенно разделяне на въздуха постига-мащабно производство на кислород, азот и аргон с висока-чистота чрез ниско{2}}температурна дестилация на въздуха и се превърна в основна гаранция за съвременната стоманена, химическа, електронна и енергийна промишленост. Неговите предимства се крият в големия му мащаб, високата чистота на газа и способността за едновременно извличане на редки газове. Стоманодобивната промишленост разчита на агрегати за разделяне на въздуха, за да осигури непрекъсната и ефективна работа на процесите за производство на желязо, производство на стомана и рафиниране; химическата промишленост гарантира безопасността на реакцията и качеството на продукта; електронната промишленост отговаря на търсенето на високо-чисти газове; и енергийната индустрия подобрява ефективността и безопасността на горенето. С непрекъсната технологична оптимизация и развитие на интелигентно управление, криогенното разделяне на въздуха ще продължи да играе важна роля в бъдещото индустриално производство.
