Separación del aire, Proceso de licuefacción criogénica, Los procesos no criogénicos, Aplicaciones





Una planta de separación de aire separa el aire atmosférico en sus componentes primarios, típicamente nitrógeno y oxígeno, y a veces también de argón y otros gases inertes raras.

 El método más común para la separación de aire es la destilación criogénica. Unidades de separación de aire criogénico se construyen para proporcionar nitrógeno u oxígeno, ya menudo co-producir argón. Otros métodos tales como la membrana, adsorción oscilante de presión y de vacío adsorción oscilante de presión, se utilizan comercialmente para separar un solo componente a partir de aire ordinario. Oxígeno de alta pureza, nitrógeno, argón y se utiliza para fabricación de dispositivos semiconductores requiere destilación criogénica. Del mismo modo, las únicas fuentes viables de las luces de neón gases raros, criptón, xenón y es la destilación de aire usando al menos dos columnas de destilación.

Proceso de licuefacción criogénica

Gases puros pueden separarse de aire por primera enfriar hasta que se licúa, a continuación, destilación selectivamente los componentes en sus diferentes temperaturas de ebullición. El proceso puede producir gases de alta pureza, pero es intensiva en energía. Este proceso fue iniciado por el Dr. Carl von Linde en el siglo 20 y todavía utiliza hoy para producir gases de alta pureza. El proceso de separación criogénico requiere una integración muy estrecha de intercambiadores de calor y columnas de separación para obtener una buena eficiencia y toda la energía para la refrigeración se proporciona por la compresión del aire en la entrada de la unidad.

Para lograr las bajas temperaturas de destilación de una unidad de separación de aire se requiere un ciclo de refrigeración que opera por medio del efecto Joule-Thomson, y el equipo de frío tiene que ser mantenido dentro de una caja de material aislante. El enfriamiento de los gases requiere una gran cantidad de energía para hacer este trabajo de ciclo de refrigeración y es entregado por un compresor de aire. Modernos ASUS uso turbinas de expansión para enfriamiento, la salida del expansor ayuda a conducir el compresor de aire, para mejorar la eficiencia. El proceso consta de los siguientes pasos principales:

  • Antes de la compresión el aire es pre-filtrada de polvo.
  • El aire es comprimido, donde la presión de entrega final se determina por las recuperaciones y el estado líquido de los productos. Las presiones típicas oscilan entre los 5 y medidor de 10 bar. La corriente de aire también puede ser comprimido a presiones diferentes para mejorar la eficiencia de la ASU. Durante la compresión del agua es condensado en los refrigeradores entre etapas.
  • El aire del proceso se pasa generalmente a través de un lecho de tamiz molecular, que permite eliminar el vapor de agua restante, así como dióxido de carbono, que se congelaría y conectar el equipo criogénico. Los tamices moleculares son a menudo diseñados para eliminar los hidrocarburos gaseosos del aire, ya que estos pueden ser un problema en la posterior destilación de aire que podría dar lugar a explosiones. La cama tamices moleculares debe ser regenerado. Esto se realiza mediante la instalación de múltiples unidades que operan en el modo de alternancia y utilizando el gas residual coproducida seco para desorber el agua.
  • El aire del proceso se pasa a través de un intercambiador de calor integrado y se enfría contra corrientes de productos criogénicos. Parte del aire se licua para formar un líquido que está enriquecido en oxígeno. El gas restante es más rico en nitrógeno y se destila a nitrógeno casi puro en una columna de destilación de alta presión. El condensador de esta columna requiere de refrigeración que se obtiene a partir de la ampliación de la corriente rica en oxígeno más aún a través de una válvula o a través de un expansor,.
  • Alternativamente, el condensador puede ser enfriado por intercambio de calor con un intercambiador de calor en una columna de destilación de baja presión cuando la USA está produciendo oxígeno puro. Para reducir al mínimo la compresión costó al combinado condensador/evaporador del HP/LP columnas deben operar con una diferencia de temperatura de tan sólo 1-2 grados Kelvin, lo que requiere la aleta de placas soldadas intercambiadores de calor de aluminio. Purezas típicos de oxígeno van desde 97,5% a 99,5% e influye en la recuperación máxima de oxígeno. La refrigeración requerida para la producción de productos líquidos se obtiene mediante el efecto JT en un expansor que se alimenta aire comprimido directamente a la columna de baja presión. Por lo tanto, una cierta parte del aire es a no ser separado y debe salir de la columna de baja presión como una corriente de residuos a partir de su sección superior.
  • Debido a que el punto de argón de ebullición se encuentra entre la del oxígeno y el nitrógeno, el argón se acumula en la sección inferior de la columna de baja presión. Cuando se produce una atmósfera de argón, una extracción lateral de vapor se toma de la columna de baja presión, donde la concentración de argón es más alta. Se envía a otra columna de rectificación de argón a la pureza deseada de la que se devuelve líquido en la misma ubicación en la columna de la LP. El uso de rellenos estructurados modernas que tienen gotas de muy baja presión permiten argón purezas de menos de 1 ppm. Aunque argón está presente en menos de 1% de la entrada, la columna de argón de aire requiere una cantidad significativa de energía debido a la alta relación de reflujo se requiere en la columna de argón. El enfriamiento de la columna de argón se puede suministrar de líquido rico ampliada frío o por el nitrógeno líquido.
  • Finalmente los productos producidos en forma de gas se calientan contra el aire entrante a temperatura ambiente. Esto requiere de una integración de calor cuidadosamente diseñado que debe permitir robustez frente a perturbaciones. También puede requerir refrigeración externa adicional durante el arranque.
  • Los productos separados a veces se transportan por gasoductos a los grandes usuarios industriales cerca de la planta de producción. El transporte de larga distancia de productos es mediante el envío de producto líquido para grandes cantidades o como vaso Dewar o cilindros de gas para pequeñas cantidades.

    Los procesos no criogénicos

    Adsorción con presión oscilante proporciona una separación de oxígeno o nitrógeno a partir de aire sin licuación. El proceso opera alrededor de la temperatura ambiente; una zeolita se expone a aire a alta presión, a continuación, se libera el aire y se libera una película adsorbida del gas deseado. El tamaño del compresor se reduce mucho más de una planta de licuación, y las unidades portátiles se puede hacer para proporcionar aire enriquecido con oxígeno para uso médico. Adsorción por oscilación de vacío es un proceso similar, pero el gas producto se evolucionó a partir de la zeolita a presión sub-atmosférica.

    Tecnologías de membrana pueden proporcionar enfoques alternativos y de menor energía a la separación del aire. Por ejemplo, se están explorando varios enfoques para la generación de oxígeno. Membranas poliméricas de funcionamiento a temperaturas ambiente o en caliente, por ejemplo, pueden ser capaces de producir aire enriquecido en oxígeno. Las membranas cerámicas pueden proporcionar oxígeno de alta pureza, pero requieren temperaturas más elevadas para operar. Estas membranas cerámicas se incluyen membranas de transporte de iones y membranas de transporte de oxígeno. Air Products and Chemicals Inc y Praxair están desarrollando sistemas OTM tubulares ITM plana y, respectivamente.

    Aplicaciones

    Se requieren grandes cantidades de oxígeno para los proyectos de gasificación de carbón, plantas criogénicas producen 3.000 toneladas/día se encuentran en algunos proyectos. En la fabricación de acero se requiere oxígeno para la producción de acero de oxígeno básico. Grandes cantidades de nitrógeno con impurezas bajos de oxígeno se utilizan para la inertización de los tanques de almacenamiento de los buques y tanques para petróleo, o para la protección de productos de aceite comestible de la oxidación.