Unidade de separação de ar

O que é uma unidade de separação de ar?

 

Uma unidade de separação de ar é uma instalação industrial. Funciona o ar de resfriamento e liquefação primeiro. Em seguida, alavancando a destilação criogênica com base nos diferentes pontos de ebulição dos gases no ar, separa a atmosfera nos principais componentes, incluindo oxigênio, nitrogênio e argônio. Os gases puros produzidos são amplamente utilizados em campos industriais e médicos. O processo é energia - intensiva e depende de componentes como compressores, colunas de destilação e peneiras moleculares. Além disso, uma ASU pode separar a atmosfera em seus componentes primários como nitrogênio, oxigênio e, às vezes, argônio e outros gases raros, normalmente compostos de elementos, incluindo compressores de ar, sistemas de purificação de ar, trocadores de calor, sistemas de resfriamento criogênico e colunas de destilação.

Métodos de separação de ar

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Destilação criogênica

A destilação criogênica primeiro resfria o ar para liquefilá -lo e, em seguida, separa seletivamente seus componentes com base em suas diferenças de ponto de ebulição através da destilação. Isso produz gás alto -, mas consome muita energia. O sistema requer trocadores de calor fortemente integrados e colunas de separação para manter a eficiência, com energia de refrigeração proveniente do compressor de ar de entrada.
Para alcançar baixas temperaturas, as plantas de separação de ar empregam dois ciclos de refrigeração: utilizando aceleração isotérmica por meio de um dispositivo de aceleração ou expansão isentrópica por meio de um expansor. O equipamento criogênico deve ser alojado em uma "caixa fria" (gabinete isolado) para minimizar as perdas de resfriamento.

 

Outros métodos de separação de ar

●Tecnologia de separação da membrana: baixo consumo de energia e parâmetros flexíveis. Sala - As membranas de polímero de temperatura produzem 25% - 50% de oxigênio - ar enriquecido; As membranas cerâmicas (ITM e OTM) requerem temperaturas de 800 - 900 graus e podem produzir oxigênio alto - pureza superior a 90%. Eles podem ser usados ​​para produzir oxigênio -} empobrecido ou nitrogênio - Gás enriquecido para tanques de combustível de aeronaves de passageiros para reduzir o risco e também pode fornecer o ar enriquecido com oxigênio para pilotos de aeronaves não impressionadas e de alta altitude.

●Adsorção de giro de pressão (PSA): operando à temperatura ambiente e não requer liquefação, o PSA usa o zeólito (uma "esponja molecular") para a adsorção de pressão - alta e reduzida e reduzida - dessorção de pressão para separar oxigênio e nitrogênio. Este compressor compacto pode ser usado para fabricar concentradores portáteis de oxigênio médico. A adsorção de balanço da pressão de vácuo (VPSA) é semelhante, com apenas o gás alvo sendo dessorvido sob pressão subatmosférica

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Princípio de trabalho de uma unidade de separação de ar (ASU)

Embora as unidades de separação de ar possam utilizar uma variedade de tecnologias, como separação de membrana e adsorção de giro de pressão, o fracionamento criogênico (destilação) continua sendo a tecnologia principal de alcance para alcançar a separação de pureza eficiente e alta {}}}. Seu processo de operação típico é dividido em quatro estágios -chave:

 

 

Estágio de compressão

O ar atmosférico é atraído pela ASU e depois entra em um sistema de compressor de estágio multi - para pressurização. O objetivo principal deste estágio é aumentar a pressão do ar, reduzindo assim o consumo de energia e melhorando a eficiência nos processos subsequentes de resfriamento e separação. A pressão do ar é tipicamente controlada dentro de um intervalo de 5 a 10 barg, estabelecendo a base para os processos subsequentes.

 

Estágio de purificação

O ar pressurizado passa primeiro por um sistema de purificação para remover impurezas, principalmente umidade, dióxido de carbono e quantidades de óleo, poeira e outros poluentes. Esta etapa é crucial: garante a alta pureza do gás final de produção, atendendo aos requisitos de aplicações industriais e médicas; Também impede que as impurezas congelem ou acumulem no ambiente de temperatura subsequente baixo -, impedindo o bloqueio de trocadores de calor, pipelines e outros equipamentos, garantindo assim a operação estável da unidade.

 

Estágio de resfriamento

O ar comprimido purificado entra em um sistema de resfriamento que consiste em um trocador de calor e um ciclo de refrigeração (como os ciclos Linde ou Kraut), onde é gradualmente resfriado a uma temperatura baixa. Como o fracionamento criogênico é baseado nas diferenças nos pontos de ebulição entre os componentes gasosos, o processo de resfriamento diminui o ar em sua temperatura de liquefação, convertendo o ar gasoso em ar líquido, preparando -o para a subsequente separação de destilação.

 

Estágio de separação

O ar líquido é alimentado em um único - ou multi - Torre de destilação do estágio, onde seus componentes são separados através da destilação fracionária. As diferenças nos pontos de ebulição entre os gases são cruciais para a separação: nitrogênio, com seu ponto de ebulição mais baixo, vaporiza e sobe do ar líquido primeiro, sendo coletado no topo da torre. O oxigênio, com seu ponto de ebulição mais alto, permanece no fundo da torre e é descarregado como um líquido ou gás. Se o argônio precisar ser separado, uma vez que seu ponto de ebulição está entre nitrogênio e oxigênio, ele pode ser extraído do meio da torre através de uma seção de destilação especializada.

Unidade de separação de ar (ASU) Processo de operação e componentes principais

 

O ar comprimido do compressor de ar é resfriado pela primeira vez por um sistema de resfriamento pré -- antes de ser removido por peneiras moleculares para remover impurezas como umidade, dióxido de carbono e hidrocarbonetos. O ar purificado é então dividido em dois caminhos: um é enviado diretamente para a coluna superior da torre de destilação, enquanto o outro é expandido e resfriado por um expansor antes de ser enviado para a coluna inferior. Dentro da torre de destilação, o vapor ascendente e o líquido em queda passam por troca de calor e separação, produzindo nitrogênio alto -} pureza na parte superior da coluna superior e oxigênio de pureza superior -} no fundo.
 

● Sistema de compressão:

Compreendendo um filtro de entrada de ar (para filtrar a poeira), um compressor de ar (para pressurizar o ar), um refrigerador de inter -estágios do compressor de ar (para reduzir a temperatura e manter a eficiência) e um silenciador de ventilação do compressor de ar (para reduzir o ruído).

● PRE - Sistema de resfriamento:
Compreendendo uma torre de resfriamento de água -, um ar - torre de resfriamento (para trocar calor e reduzir a temperatura), uma bomba de água (para fornecer água de resfriamento) e um chiller (para fornecer refrigeração profunda).

● Sistema de purificação:
O núcleo é um adsorvedor de peneira molecular (para remover impurezas) juntamente com um silenciador de ventilação de nitrogênio (para reduzir o ruído de escape).

● Sistema de troca de calor:

Inclui o trocador de calor principal (para troca de calor entre o ar e o baixo -} gases de temperatura para reduzir a temperatura) e o subcooler (para resfriamento de produtos líquidos para reduzir as perdas de vaporização).

● Sistema de destilação:
Inclui a torre de destilação (para gás - separação de contato líquido) e o condensador - evaporador (para manter o ciclo de destilação).

● Sistema de entrega de produtos:

Compreendendo uma estação de regulamentação de pressão (para regulamentação de pressão) e uma estação de medição (para medição de fluxo).

● Sistema de backup de armazenamento líquido:

Inclui tanques de armazenamento líquido (para armazenar oxigênio líquido e nitrogênio líquido), tanques de armazenamento a gás (para produtos gasosos de tamponamento) e um evaporador líquido (para líquido de emergência - para - conversão de gás).

Aplicações da unidade de separação de ar

 

 

 

 

 

Assistência médica
 

Fabricação industrial
 

Comida e bebidas
 

Produção de energia

 

Unidade de separação de ar no processo de gases industriais

O ar é composto principalmente de nitrogênio (aproximadamente 78,1%), oxigênio (aproximadamente 20,9%), argônio (aproximadamente 0,9%) e pequenas quantidades de outros gases. Atualmente, o método de separação de ar mais utilizado na indústria é a separação criogênica, também conhecida como destilação criogênica. Essencialmente, isso envolve liquefação em gás, normalmente usando métodos mecânicos, como expansão de limitação ou expansão adiabática. O ar é comprimido e resfriado pela primeira vez e depois destilado usando as diferenças nos pontos de ebulição entre os gases para separá -los.

Nós principais e funções do fluxo de processo

● Fluxo de ar de alimentação

Um parâmetro de entrada fundamental (medido em nm³/h) que determina diretamente a escala/capacidade de produção da ASU (por exemplo, 68.500 nm³/h para um meio de tamanho médio -} em operação normal).

Anormalidades: aumenta a repentina compressores de sobrecarga (maior consumo de desgaste/energia) e interrupção de purificação/resfriamento/destilação (gás desequilibrado - líquido/termodinâmica, menor eficiência/rendimento); O fluxo excessivamente baixo reduz a utilização do equipamento e aumenta os custos unitários.

● Fluxo de ar comprimido

Alterações de vazão Post - compactação; O fluxo de saída deve corresponder ao processo do sistema, garantir pressão suficiente para operações criogênicas/de destilação e manter a estabilidade.

Controle: Ajuste a abertura do guia de entrada ou a velocidade do compressor para controle preciso do fluxo/pressão.

Riscos: a sobrepressão causa riscos do equipamento; Limites de pressão insuficientes Liquefação/separação; O fluxo instável prejudica a adsorção da peneira molecular (remoção inadequada de impureza).

● Taxa de fluxo de ar purificado

Crítico para a separação criogênica após a remoção de umidade/co₂/hidrocarbonetos por meio de secadores de ar; requer estabilidade e conformidade de design.

Impactos: o fluxo anormal desequilibra o gás da torre - líquido (por exemplo, o fluxo excessivo acelera a subida de gás, reduzindo o tempo de contato/eficiência e a pureza do produto); sobre - impurezas padrão causam cobertura/entupimento de equipamento criogênico.

● Gás - taxas de fluxo líquido em torres de destilação

Gas - Fluxo de fase Fluxo: chave para eficiência (por exemplo, destilação inicial em duplo - torre inferior da torre produz o crescente nitrogênio/oxigênio descendente - rico líquido). O fluxo apropriado garante gás suficiente - contato líquido (troca de calor/massa); O excesso causa inundação de torre (acúmulo de líquido, destilação interrompida) e baixa eficiência de separação.

Líquido - Fluxo de fase Fluxo: contra -fluxos com gás; Fluxo (por exemplo, oxigênio acelerado - líquido rico da torre inferior para a torre superior) deve corresponder ao fluxo de gás. Excesso de torres de inundações; A insuficiência reduz a lavagem da impureza (baixa pureza); O fluxo instável prejudica o condensador - Evaporator Heat Exchange (afeta o balanço/separação da energia).

● Taxas de fluxo de gás e gás residuais

Fluxo de oxigênio do produto: controlado pelas necessidades do usuário (por exemplo, alto fluxo para fabricação de aço, alta pureza para uso médico); Ajustado por parâmetros de destilação (razão de refluxo, temperatura, pressão). As flutuações afetam a produção (por exemplo, eficiência/qualidade instável de fabricação de aço).

Fluxo de nitrogênio do produto: controlado com precisão (via gás de destilação - distribuição líquida, nitrogênio líquido de refluxo) para produtos químicos/eletrônicos (por exemplo, nitrogênio estável -}} nitrogênio como gás escudo de chip); Desvios causam oxidação.

Fluxo de gás residual: contém gases não separados; Após o resfriamento do expansor, a parte regenera as peneiras moleculares frias, as aberturas restantes. O excesso indica baixa eficiência de separação (gás desperdiçado, alta energia) e baixa regeneração de peneira (adsorção/estabilidade reduzida).

Métodos de controle de fluxo e regulação

● Regulação da válvula

Válvula do acelerador: uma válvula do acelerador é um dispositivo de controle de fluxo comumente usado que controla o fluxo variando a abertura da válvula para alterar a área de fluxo do fluido. Nas unidades de separação de ar, as válvulas do acelerador são frequentemente usadas para controlar o fluxo de ar de alimentação, ar comprimido e componentes de gás e líquido em cada coluna. Por exemplo, antes que o AIR entre em uma coluna de destilação, uma válvula de acelerador pode ser usada para ajustar a taxa de fluxo para atender aos requisitos de alimentação da coluna de destilação. Embora as válvulas do acelerador ofereçam vantagens como estrutura simples e facilidade de operação, elas também geram uma certa queda de pressão durante o processo de ajuste, resultando em perda de energia.

Válvula de regulamentação: Uma válvula reguladora é normalmente usada em conjunto com um sistema de controle automatizado para ajustar automaticamente a abertura da válvula de acordo com uma taxa de fluxo definida. As válvulas de regulamentação são frequentemente instaladas nos pontos de controle do fluxo de chave nas unidades de separação de ar, como os pipelines de saída para oxigênio e nitrogênio do produto. Com base em dados reais de fluxo de tempo -, um controlador ajusta automaticamente a abertura da válvula para manter a taxa de fluxo dentro do intervalo definido. Comparado às válvulas do acelerador, as válvulas de regulamentação oferecem maior precisão da regulamentação e resposta mais rápida, tornando -as mais adaptáveis ​​a diferentes condições operacionais durante a operação da unidade.

● Ajuste do compressor

Ajuste da palheta da guia de entrada: Para os compressores de ar centrífugo, o volume de ar de admissão pode variar ajustando o ângulo das palhetas da guia de entrada, controlando assim a taxa de fluxo de ar comprimido. Para aumentar a taxa de fluxo de ar comprimido, a abertura da palheta do guia de entrada é aumentada para permitir que mais ar entre no compressor; Por outro lado, a abertura da palheta do guia de entrada diminui para reduzir o volume de ar de admissão. O ajuste da palheta do guia de entrada oferece as vantagens de uma ampla faixa de ajuste e consumo de energia relativamente mínimo durante o ajuste. Isso garante que a taxa de fluxo de ar comprimida atenda aos requisitos de processo, mantendo a operação eficiente do compressor.

Ajuste da velocidade: A taxa de fluxo também pode ser ajustada variando a velocidade do compressor. Usando a tecnologia de regulação da velocidade de frequência variável, a velocidade do compressor pode ser ajustada com flexibilidade com base nos requisitos reais de fluxo. Quando o dispositivo requer uma taxa de fluxo de ar comprimida mais baixa, a velocidade do compressor é reduzida; Quando uma taxa de fluxo mais alta é necessária, a velocidade é aumentada. O ajuste de velocidade oferece um tempo de resposta rápido e pode se adaptar rapidamente às mudanças na taxa de fluxo do processo, mas atribui altas demandas no sistema de motor e controle.

● Regulação do refluxo

A regulação do refluxo é um método de controle de fluxo comum nas unidades de separação de ar. Por exemplo, em uma coluna de destilação, a relação GAS -} dentro da coluna é controlada ajustando a taxa de fluxo de refluxo, influenciando assim a eficiência da destilação e a taxa de fluxo do produto. Para melhorar a pureza do produto, a taxa de fluxo de refluxo pode ser aumentada para permitir a seção de destilação dentro da coluna para separar mais efetivamente as impurezas do gás. Para aumentar o rendimento do produto, a taxa de fluxo de refluxo pode ser reduzida. A regulação do refluxo precisa ser usada em conjunto com outros métodos de controle de fluxo para garantir a operação estável da coluna de destilação sob várias condições operacionais.

Monitoramento de fluxo e garantia de segurança

● Sistema de monitoramento de fluxo

Para monitorar com precisão o fluxo nos pontos -chave da ASU, geralmente é adotado um sistema avançado de monitoramento de fluxo, composto principalmente de sensores de fluxo, circuitos de transmissão de sinal e instrumentos de exibição e controle.

●Sensores de fluxo:

Placa de orifício METERS: Meça o fluxo através do diferencial de pressão do fluido que passa através de um orifício; simples, baixo - custo, mas precisão limitada.

METROS DE VORTEX: Detecte a frequência do vórtice do fluido que passa por um gerador de vórtice; alta precisão, ampla faixa de medição.

METERS DE FLUSH MASS: Meça diretamente o fluxo de massa do fluido, não afetado por alterações de temperatura/pressão/densidade; Ultra - alta precisão, ideal para medição do fluxo de gás do produto.

● Transmissão de sinal e controle de exibição:

Os sensores de fluxo convertem sinais de fluxo em sinais elétricos/digitais, transmitidos para instrumentos de exibição e controle. Esses instrumentos mostram o fluxo de tempo real - em cada ponto, os alarmes de disparo se o fluxo exceder as faixas de conjunto e conectar -se ao sistema de automação para ajuste automático de fluxo.

●Medidas de segurança

Flutuações de fluxo anormais na ASUS podem causar riscos de segurança, exigindo medidas eficazes de segurança:

Alarmes e intertravamentos de fluxo:
O sistema de monitoramento possui limites de alarme superior/inferior; Alarmes audíveis/visuais é ativado quando o fluxo está fora de alcance. Os dispositivos de bloqueio previnem acidentes graves: por exemplo, auto - desligamento dos compressores de ar se o fluxo de ar de alimentação estiver muito baixo (para evitar danos nos equipamentos) ou automaticamente - ajuste de aberturas/desligamento da válvula de equipamentos específicos se o produto o₂/n₂ fluxo flutuados anormalmente.

Manutenção e cuidados de equipamentos:
Mantenha regularmente o equipamento de monitoramento de fluxo, os dispositivos de controle e toda a ASU: inspecione os sensores de fluxo quanto a bloqueio/dano (limpe/substituir prontamente), verifique válvulas de verificação/depuração (garanta flexibilidade/confiabilidade) e inspecione o equipamento -chave (por exemplo, compressores) para um desempenho estável. Isso reduz as anormalidades do fluxo das falhas do equipamento e melhora a segurança operacional.

Parâmetros de fluxo recomendados para unidades de separação de ar de diferentes escalas

●Pequeno - escala asus

Adequado para cenários com baixa demanda de gás, como laboratórios e pequenas fábricas.

Core Parameters: Process air flow rate 50-500 Nm³/h; product oxygen flow rate 10-200 Nm³/h (purity >99.5%), product nitrogen flow rate 20-300 Nm³/h (purity >99.9%).​

Características: Controle com precisão a taxa de fluxo de cada componente para garantir o suprimento estável de gás -} {0- para pequeno -} escala de produção ou experimentos.

●Médio - escala Asus

Sirva amplamente as empresas industriais gerais para atender à demanda regular de gás.

Parâmetros do núcleo: Taxa de fluxo de ar do processo de 3.000 a 20.000 nm³/h; Taxa de fluxo de oxigênio do produto 1.000-10.000 nm³/h (pureza ~ 99,6%), vazão de nitrogênio do produto 1.500-15.000 nm³/h (pureza de até 99,99%).

Características: requisitos mais altos para controle de fluxo em nós principais (por exemplo, ar de alimentação, ar comprimido, gás - fluxo de líquido em torres de destilação); Confie em sistemas automatizados avançados e equipamentos de precisão para garantir operação eficiente e estável e qualidade do produto.

●Grande - escala Asus

Usado em cenários de produção industrial - grandes, como grandes fábricas de aço e plantas químicas.

Parâmetros do núcleo: processo de fluxo de ar do processo acima de 50.000 nm³/h (alguns excedem 100.000 nm³/h, por exemplo, um ASU em um grande conglomerado de aço atinge 80.000 nm³/h); Taxa de fluxo de oxigênio do produto 30.000-50.000 nm³/h (atende aos requisitos estritas de pureza para fabricação de aço), taxa de fluxo de nitrogênio do produto 40.000-60.000 nm³/h.

Características: alta dificuldade no controle do fluxo; requerem tecnologias de monitoramento e regulação mais avançadas e confiáveis ​​para garantir operação estável e eficiente sob alta carga, fornecendo alto gás contínuo - de qualidade para a produção grande -.

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