Разделение воздуха

Химический процесс

Воздухоразделительная установка разделяет атмосферный воздух на основные компоненты, как правило, азот и кислород , а иногда также аргон и другие редкие инертные газы .

Наиболее распространенным методом разделения воздуха является фракционная перегонка . Криогенные воздухоразделительные установки (ASU) строятся для получения азота или кислорода и часто попутно производят аргон. Другие методы, такие как мембрана, адсорбция с переменным давлением (PSA) и вакуумная адсорбция с переменным давлением (VPSA), используются в коммерческих целях для отделения одного компонента от обычного воздуха. Высокочистый кислород , азот и аргон , используемые для изготовления полупроводниковых приборов , требуют криогенной перегонки. Аналогично, единственным жизнеспособным источником редких газов неона , криптона , ксенона является перегонка воздуха с использованием как минимум двух дистилляционных колонн . Гелий также извлекается в передовых процессах разделения воздуха. ^[1]

Процесс криогенной дистилляции

Чистые газы можно отделить от воздуха, сначала охладив его до сжижения, а затем селективно перегнав компоненты при различных температурах их кипения. Этот процесс может производить газы высокой чистоты, но он энергоемкий. Этот процесс был впервые предложен Карлом фон Линде в начале 20-го века и до сих пор используется для производства газов высокой чистоты. Он разработал его в 1895 году; процесс оставался чисто академическим в течение семи лет, прежде чем он был впервые использован в промышленных приложениях (1902). ^[3]

Ректификационная колонна в криогенной воздухоразделительной установке

Процесс криогенного разделения ^[4]^[5]^[6] требует очень тесной интеграции теплообменников и разделительных колонн для получения хорошей эффективности, а вся энергия для охлаждения обеспечивается сжатием воздуха на входе в установку.

Для достижения низких температур дистилляции в установке разделения воздуха требуется холодильный цикл , работающий за счет эффекта Джоуля-Томсона .

Отделенные продукты иногда поставляются по трубопроводу крупным промышленным потребителям вблизи производственного предприятия. Транспортировка продуктов на большие расстояния осуществляется путем перевозки жидкого продукта для больших количеств или в виде сосудов Дьюара или газовых баллонов для малых количеств.

Некриогенные процессы

Адсорбция при переменном давлении обеспечивает отделение кислорода или азота от воздуха без сжижения. Процесс происходит при температуре окружающей среды; цеолит (молекулярная губка) подвергается воздействию воздуха высокого давления, затем воздух выпускается, и адсорбированная пленка желаемого газа высвобождается. Размер компрессора значительно уменьшен по сравнению с установкой по сжижению, и портативные концентраторы кислорода изготавливаются таким образом, чтобы обеспечивать обогащенный кислородом воздух для медицинских целей. Адсорбция при вакуумном переменном давлении представляет собой аналогичный процесс; продукт-газ выделяется из цеолита при давлении ниже атмосферного.

Мембранные технологии могут обеспечить альтернативные, менее энергозатратные подходы к разделению воздуха. Например, изучается ряд подходов для получения кислорода. Полимерные мембраны, работающие при комнатной или высокой температуре, например, могут производить обогащенный кислородом воздух (25-50% кислорода). Керамические мембраны могут обеспечивать кислород высокой чистоты (90% или более), но требуют более высоких температур (800-900 °C) для работы. Эти керамические мембраны включают ионно-транспортные мембраны (ITM) и кислородно-транспортные мембраны (OTM). Air Products and Chemicals Inc и Praxair разрабатывают плоские ITM и трубчатые OTM системы. ^{[ необходима цитата ]}

Мембранное газоразделение используется для подачи бедных кислородом и богатых азотом газов вместо воздуха для заполнения топливных баков реактивных лайнеров, что значительно снижает вероятность случайных пожаров и взрывов. С другой стороны, мембранное газоразделение в настоящее время используется для подачи обогащенного кислородом воздуха пилотам, летающим на больших высотах в самолетах без герметичных кабин.

Обогащенный кислородом воздух можно получить, используя различную растворимость кислорода и азота. Кислород более растворим в воде, чем азот, поэтому, если воздух дегазировать из воды, можно получить поток 35% кислорода. ^[7]

Приложения

Ракетостроение

Жидкий кислород для таких компаний, как SpaceX . ^[8]

Медицинский

Чистый кислород поставляется в крупные больницы для использования пациентами.

Сталь

В сталеплавильном производстве кислород необходим для основного процесса производства стали . Современное основное производство стали использует почти две тонны кислорода на тонну стали. ^[9]

Аммиак

Азот, используемый в процессе Габера для производства аммиака . ^[10]

Угольный газ

Для проектов по газификации угля требуются большие объемы кислорода ; в некоторых проектах используются криогенные установки производительностью 3000 тонн в день. ^[11]

Инертный газ

Инертизация азотом резервуаров для хранения на судах и цистерн для нефтепродуктов или для защиты пищевых масляных продуктов от окисления . ^{[ необходима ссылка ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Chrz, Vaclav. "Helium Recovery" (PDF) . CERN . CERN . Получено 30 ноября 2022 г. .
^ NASA Earth Fact Sheet (обновлено в ноябре 2007 г.)
^ "Cool Inventions" (PDF) . Институт инженеров-химиков. Сентябрь 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-01-13 . Получено 2014-01-12 .
^ Латимер, Р. Э. (1967). «Дистилляция воздуха». Chemical Engineering Progress . 63 (2): 35–59 .
^ Агравал, Р. (1996). «Синтез конфигураций дистилляционных колонн для многокомпонентного разделения». Industrial & Engineering Chemistry Research . 35 (4): 1059– 1071. doi :10.1021/ie950323h.
^ Castle, WF (2002). «Разделение воздуха и сжижение: последние разработки и перспективы начала нового тысячелетия». International Journal of Refrigeration . 25 : 158–172 . doi :10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
^ Галли, Ф.; Комацци, А.; Превитали, Д.; Маненти, Ф.; Боццано, Г.; Бьянки, КЛ.; Пирола, К. (2017). «Производство воздуха, обогащенного кислородом, путем десорбции из воды: экспериментальные данные, моделирование и экономическая оценка». Компьютеры и химическая инженерия . 102 : 11– 16. doi :10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.
^ Коупленд, Майк. «Messer построит газовый завод стоимостью 50 миллионов долларов в Макгрегоре». Waco Tribune-Herald . Waco Tribune-Herald . Получено 30 ноября 2022 г. .
^ Фланк, Уильям Х.; Абрахам, Мартин А.; Мэтьюз, Майкл А. (2009). Инновации в промышленной и инженерной химии: столетие достижений и перспективы нового тысячелетия. Американское химическое общество. ISBN 9780841269637.
^ Уингейт, Филиппа; Гиффорд, Клайв; Трейс, Ребекка (1992). Essential Science . Usborne. ISBN 9780746010112. жидкий азот, используемый в процессе Габера для производства аммиака.
^ Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (2-е изд.). Эльзевир. п. 324.

Внешние ссылки

Моделирование установок разделения воздуха

[1] Chrz, Vaclav. "Helium Recovery" (PDF) . CERN . CERN . Получено 30 ноября 2022 г. .

[2] NASA Earth Fact Sheet (обновлено в ноябре 2007 г.)

[Cool-3] "Cool Inventions" (PDF) . Институт инженеров-химиков. Сентябрь 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-01-13 . Получено 2014-01-12 .

[4] Латимер, Р. Э. (1967). «Дистилляция воздуха». Chemical Engineering Progress . 63 (2): 35–59 .

[5] Агравал, Р. (1996). «Синтез конфигураций дистилляционных колонн для многокомпонентного разделения». Industrial & Engineering Chemistry Research . 35 (4): 1059– 1071. doi :10.1021/ie950323h.

[6] Castle, WF (2002). «Разделение воздуха и сжижение: последние разработки и перспективы начала нового тысячелетия». International Journal of Refrigeration . 25 : 158–172 . doi :10.1016/S0140-7007(01)00003-2.

[7] Галли, Ф.; Комацци, А.; Превитали, Д.; Маненти, Ф.; Боццано, Г.; Бьянки, КЛ.; Пирола, К. (2017). «Производство воздуха, обогащенного кислородом, путем десорбции из воды: экспериментальные данные, моделирование и экономическая оценка». Компьютеры и химическая инженерия . 102 : 11– 16. doi :10.1016/j.compchemeng.2016.07.031.

[Messer_Texas-8] Коупленд, Майк. «Messer построит газовый завод стоимостью 50 миллионов долларов в Макгрегоре». Waco Tribune-Herald . Waco Tribune-Herald . Получено 30 ноября 2022 г. .

[9] Фланк, Уильям Х.; Абрахам, Мартин А.; Мэтьюз, Майкл А. (2009). Инновации в промышленной и инженерной химии: столетие достижений и перспективы нового тысячелетия. Американское химическое общество. ISBN 9780841269637.

[10] Уингейт, Филиппа; Гиффорд, Клайв; Трейс, Ребекка (1992). Essential Science . Usborne. ISBN 9780746010112. жидкий азот, используемый в процессе Габера для производства аммиака.

[11] Хигман, Кристофер; ван дер Бургт, Маартен (2008). Газификация (2-е изд.). Эльзевир. п. 324.