Unité de séparation d'air

Qu'est-ce qu'une unité de séparation d'air?

 

Une unité de séparation d'air est une installation industrielle. Il fonctionne d'abord en refroidissant et en liquéfiez l'air. Ensuite, en tirant parti de la distillation cryogénique basée sur les différents points d'ébullition des gaz dans l'air, il sépare l'atmosphère en composants principaux, comprenant principalement l'oxygène, l'azote et l'argon. Les gaz purs produits sont largement utilisés dans les champs industriels et médicaux. Le processus est Energy - intensif et s'appuie sur des composants tels que les compresseurs, les colonnes de distillation et les tamis moléculaires. De plus, un ASU peut séparer l'atmosphère en ses principaux composants comme l'azote, l'oxygène et parfois l'argon et d'autres gaz rares, généralement composés d'éléments comprenant des compresseurs d'air, des systèmes de purification de l'air, des échangeurs de chaleur, des systèmes de refroidissement cryogéniques et des colonnes de distillation.

Méthodes de séparation de l'air

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Distillation cryogénique

La distillation cryogénique refroidit d'abord l'air pour la liquéfier, puis sépare sélectivement ses composants en fonction de leurs différences de points d'ébullition par la distillation. Cela produit un gaz de pureté élevé -, mais il consomme beaucoup d'énergie. Le système nécessite des échangeurs de chaleur étroitement intégrés et des colonnes de séparation pour maintenir l'efficacité, avec une énergie de réfrigération provenant du compresseur d'air d'entrée.
Pour atteindre des températures basses, les usines de séparation de l'air utilisent deux cycles de réfrigération: l'utilisation de la limitation isotherme via un dispositif d'étranglement ou une expansion isentropique via un expannage. L'équipement cryogénique doit être logé dans une "boîte froide" (enceinte isolée) pour minimiser les pertes de refroidissement.

 

Autres méthodes de séparation d'air

●Technologie de séparation des membranes: faible consommation d'énergie et paramètres flexibles. Room - Les membranes en polymère de température produisent 25% - 50% d'oxygène - Air enrichi; Les membranes en céramique (ITM et OTM) nécessitent des températures de 800 - 900 degrés et peuvent produire de l'oxygène de pureté élevé - dépassant 90%. Ils peuvent être utilisés pour produire de l'oxygène - épuisé ou azote - Gas enrichi pour les réservoirs de carburant des avions de passagers pour réduire le risque, et peuvent également fournir de l'air enrichi en oxygène pour les pilotes d'aéronef à haute altitude.

●Adsorption de swing de pression (PSA): fonctionnant à température ambiante et ne nécessitant aucune liquéfaction, le PSA utilise de la zéolite (une "éponge moléculaire") pour une adsorption de pression élevée - et réduit - désorption de pression pour séparer l'oxygène et l'azote. Ce compresseur compact peut être utilisé pour fabriquer des concentrateurs d'oxygène médical portables. L'adsorption de swing de pression sous vide (VPSA) est similaire, avec seulement le gaz cible désorbé à la pression subatmosphérique

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Principe de travail d'une unité de séparation d'air (ASU)

Bien que les unités de séparation de l'air puissent utiliser une variété de technologies, telles que la séparation des membranes et l'adsorption de la balançoire de pression, le fractionnement cryogénique (distillation) reste la technologie de base de la pureté efficace pour atteindre une séparation efficace de la pureté -. Son processus de fonctionnement typique est divisé en quatre étapes clés:

 

 

Étape de compression

L'air atmosphérique est d'abord attiré par l'ASU, puis entre un système de compresseur de stade multi - pour la pressurisation. Le but central de cette étape est d'augmenter la pression de l'air, réduisant ainsi la consommation d'énergie et l'amélioration de l'efficacité dans les processus de refroidissement et de séparation ultérieurs. La pression atmosphérique est généralement contrôlée dans une fourchette de 5 à 10 barg, posant les bases de processus ultérieurs.

 

Étape de purification

L'air sous pression traverse d'abord un système de purification pour éliminer les impuretés, principalement l'humidité, le dioxyde de carbone et les traces d'huile, de poussière et d'autres polluants. Cette étape est cruciale: elle assure la haute pureté du gaz de production final, répondant aux exigences des applications industrielles et médicales; Il empêche également les impuretés de geler ou de s'accumuler dans l'environnement de température basse- suivant, empêchant le blocage des échangeurs de chaleur, des pipelines et d'autres équipements, garantissant ainsi un fonctionnement stable de l'unité.

 

Étape de refroidissement

L'air comprimé purifié entre dans un système de refroidissement composé d'un échangeur de chaleur et d'un cycle de réfrigération (comme les cycles de Linde ou Kraut), où il est progressivement refroidi à basse température. Étant donné que le fractionnement cryogénique est basé sur les différences de points d'ébullition entre les composants gazeux, le processus de refroidissement baisse l'air à sa température de liquéfaction, convertissant l'air gazeux en air liquide, le préparant pour la séparation de distillation ultérieure.

 

Étape de séparation

L'air liquide est introduit dans une seule-- ou multi - Tour de distillation de stade, où ses composants sont séparés par distillation fractionnée. Les différences de points d'ébullition entre les gaz sont cruciales pour la séparation: l'azote, avec son point d'ébullition le plus bas, se vaporise et s'élève d'abord de l'air liquide, collecté au sommet de la tour. L'oxygène, avec son point d'ébullition plus élevé, reste au bas de la tour et est déchargé en liquide ou en gaz. Si l'argon doit être séparé, car son point d'ébullition se situe entre l'azote et l'oxygène, il peut être extrait du milieu de la tour par une section de distillation spécialisée.

Le processus de fonctionnement de l'unité d'air (ASU) et composants centraux

 

L'air comprimé du compresseur d'air est d'abord refroidi par un système de refroidissement de l'air pré - avant d'être retiré par des tamis moléculaires pour éliminer les impuretés telles que l'humidité, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures. L'air purifié est ensuite divisé en deux chemins: l'un est envoyé directement à la colonne supérieure de la tour de distillation, tandis que l'autre est élargi et refroidi par un expanseur avant d'être envoyé dans la colonne inférieure. Dans la tour de distillation, la vapeur montante et le liquide tombant subissent un échange de chaleur et une séparation, produisant finalement de l'azote de pureté élevé - en haut de la colonne supérieure et de l'oxygène de pureté élevé - en bas.
 

● Système de compression:

Comprenant un filtre d'entrée d'air (pour filtrer la poussière), un compresseur d'air (pour pressuriser l'air), un refroidisseur d'intestage du compresseur d'air (pour réduire la température et maintenir l'efficacité) et un silencieux d'évent de compresseur d'air (pour réduire le bruit).

● Système de refroidissement pré -:
Comprenant une tour de refroidissement à eau -, une tour de refroidissement à air - (pour échanger de la chaleur et réduire la température), une pompe à eau (pour fournir de l'eau de refroidissement) et un refroidisseur (pour fournir un refroidissement profond).

● Système de purification:
Le noyau est un adsorber à tamis moléculaire (pour éliminer les impuretés) couplé à un silencieux d'évent d'azote (pour réduire le bruit d'échappement).

● Système d'échange de chaleur:

Comprend l'échangeur de chaleur principal (pour l'échange de chaleur entre l'air et le gaz de température faible - pour réduire la température) et le sous-refroidisseur (pour le refroidissement des produits liquides pour réduire les pertes de vaporisation).

● Système de distillation:
Comprend la tour de distillation (pour le gaz - séparation de contact liquide) et l'évaporateur du condenseur - (pour maintenir le cycle de distillation).

● Système de livraison de produits:

Comprenant une station de régulation de pression (pour la régulation de la pression) et une station de mesure (pour la mesure du débit).

● Système de sauvegarde de stockage liquide:

Comprend des réservoirs de stockage liquide (pour le stockage de l'oxygène liquide et de l'azote liquide), des réservoirs de stockage de gaz (pour les produits gazeux tampon) et un évaporateur liquide (pour la conversion de gaz d'urgence).

Applications de l'unité de séparation d'air

 

 

 

 

 

Soins médicaux
 

Fabrication industrielle
 

Nourriture et boissons
 

Production d'énergie

 

Unité de séparation d'air dans le processus de gaz industriel

L'air est principalement composé d'azote (environ 78,1%), d'oxygène (environ 20,9%), d'argon (environ 0,9%) et de petites quantités d'autres gaz. Actuellement, la méthode de séparation de l'air la plus utilisée dans l'industrie est la séparation cryogénique, également connue sous le nom de distillation cryogénique. Essentiellement, cela implique la liquéfaction du gaz, utilisant généralement des méthodes mécaniques telles que l'expansion de la limitation ou l'expansion adiabatique. L'air est d'abord comprimé et refroidi, puis distillé en utilisant les différences de points d'ébullition entre les gaz pour les séparer.

Nœuds clés et fonctions du flux de processus

● Alimenter le débit d'air

Un paramètre d'entrée fondamental (mesuré en nm³ / h) qui détermine directement l'échelle / capacité de production de l'ASU (par exemple, 68 500 nm³ / h pour un moyen - de taille ASU sous un fonctionnement normal).

Anomalies: augmente soudain les compresseurs de surcharge (consommation d'usure / énergie plus élevée) et perturbent la purification / refroidissement / distillation (gaz déséquilibré - liquide / thermodynamique, plus faible efficacité / rendement); Le débit trop faible réduit l'utilisation de l'équipement et augmente les coûts unitaires.

● Flux d'air comprimé

Changements de débit post - Compression; Le débit de sortie doit correspondre au processus du système, assurer une pression suffisante pour les opérations cryogéniques / distillation et maintenir la stabilité.

CONTRÔLE: Réglez l'ouverture de la palette Guide d'entrée ou la vitesse du compresseur pour un débit / contrôle de pression précis.

Risques: la surpression provoque des risques d'équipement; Les limites de pression insuffisantes liquéfaction / séparation; L'écoulement instable altère l'adsorption du tamis moléculaire (élimination inadéquate des impuretés).

● Débit d'air purifié

Critique pour la séparation cryogénique après avoir éliminé l'humidité / Co₂ / hydrocarbures via des sèche-linge; nécessite la stabilité et la conception de conception.

Impacts: déséquilibres de flux anormaux fractionnant les gaz de la tour - Ratio liquide (par exemple, des vitesses d'écoulement excessives ascension, réduisant le temps de contact / l'efficacité et la pureté du produit); sur - les impuretés standard provoquent un équipement cryogénique glaçage / colmatage.

● Gas - débit de liquide dans les tours de distillation

Gas - Débit de phase: Clé pour l'efficacité (par exemple, la distillation initiale en double - Tour inférieure produit de l'oxygène d'azote / d'oxygène descendant - liquide). Le débit approprié assure suffisamment de gaz - Contact liquide (échange de chaleur / masse); L'excès provoque des inondations de la tour (accumulation de liquide, une distillation perturbée) et une faible efficacité de séparation.

Liquid - Débit de phase: contre-flux avec gaz; Écoulement (par exemple, oxygène étranglé - Le liquide riche de la tour inférieure à la tour supérieure) doit correspondre à l'écoulement de gaz. Excès d'inondation des tours; L'insuffisance réduit le lavage des impuretés (mauvaise pureté); Le débit instable altère le condenseur - Échange de chaleur de l'évaporateur (affecte le bilan énergétique / séparation).

● Taux de flux de gaz et de gaz à déchets

Débit d'oxygène du produit: contrôlé par les besoins des utilisateurs (par exemple, un débit élevé pour la fabrication d'acier, une pureté élevée pour un usage médical); ajusté via des paramètres de distillation (rapport de reflux, température, pression). Les fluctuations ont un impact sur la production (par exemple, l'efficacité / qualité de la fabrication d'acier instable).

Débit d'azote produit: contrôlé avec précision (via le gaz de distillation - Distribution liquide, reflux azote liquide) pour les produits chimiques / électronique (par exemple, stable élevé - azote de pureté comme gaz de blindage de puce); Les écarts provoquent l'oxydation.

Débit de gaz des déchets: contient des gaz non séparés; Après le refroidissement de l'expanseur, la partie se régénère des tamis moléculaires frais, les évents autres. L'excès indique une faible efficacité de séparation (gaz gaspillé, haute énergie) et une mauvaise régénération du tamis (réduction de l'adsorption / stabilité).

Méthodes de contrôle et de régulation du débit

● Régulation de la valve

Soupape de gaz: Une soupape de papillon est un dispositif de contrôle d'écoulement couramment utilisé qui contrôle l'écoulement en faisant varier l'ouverture de la valve pour changer la zone d'écoulement du fluide. Dans les unités de séparation d'air, les soupapes de gaz sont souvent utilisées pour contrôler l'écoulement de l'air d'alimentation, de l'air comprimé et des composants de gaz et de liquide dans chaque colonne. Par exemple, avant que l'air entre dans une colonne de distillation, une soupape de papillon peut être utilisée pour ajuster le débit pour répondre aux exigences d'alimentation de la colonne de distillation. Bien que les soupapes de papillon offrent des avantages tels qu'une structure simple et une facilité de fonctionnement, ils génèrent également une certaine chute de pression pendant le processus de réglage, entraînant une perte d'énergie.

Vanne de régulation: Une vanne de régulation est généralement utilisée en conjonction avec un système de contrôle automatisé pour ajuster automatiquement l'ouverture de la vanne en fonction d'un débit défini. Les vannes de régulation sont souvent installées aux points de contrôle des clés dans les unités de séparation d'air, telles que les pipelines de sortie pour l'oxygène et l'azote du produit. Basé sur les données de flux de temps réelles -, un contrôleur ajuste automatiquement l'ouverture de la vanne pour maintenir le débit dans la plage de définition. Par rapport aux soupapes de papillon, les vannes de régulation offrent une précision de réglementation plus élevée et une réponse plus rapide, ce qui les rend plus adaptables aux conditions de fonctionnement variables pendant le fonctionnement unitaire.

● Réglage du compresseur

Guide d'entrée Réglage de la palette: Pour les compresseurs d'air centrifuges, le volume d'air d'admission peut être varié en ajustant l'angle des aubes de guide d'entrée, contrôlant ainsi le débit d'air comprimé. Pour augmenter le débit d'air comprimé, l'ouverture de la palette de guide d'entrée est augmentée pour permettre à plus d'air d'entrer dans le compresseur; À l'inverse, l'ouverture de la palette de guide d'entrée est diminuée pour réduire le volume d'air d'admission. Le réglage de la palette Guide d'entrée offre les avantages d'une large plage de réglage et une consommation d'énergie relativement minime pendant l'ajustement. Cela garantit que le débit d'air comprimé répond aux exigences du processus tout en maintenant un fonctionnement efficace du compresseur.

Réglage de la vitesse: le débit peut également être ajusté en faisant varier la vitesse du compresseur. En utilisant la technologie de régulation de la vitesse de fréquence variable, la vitesse du compresseur peut être ajustée de manière flexible en fonction des exigences d'écoulement réelles. Lorsque l'appareil nécessite un débit d'air comprimé inférieur, la vitesse du compresseur est réduite; Lorsqu'un débit plus élevé est nécessaire, la vitesse augmente. Le réglage de la vitesse offre un temps de réponse rapide et peut rapidement s'adapter aux changements de débit de processus, mais impose des demandes élevées sur le moteur et le système de contrôle.

● Règlement sur le reflux

La régulation du reflux est une méthode de contrôle de l'écoulement commune dans les unités de séparation de l'air. Par exemple, dans une colonne de distillation, le rapport liquide à gaz - dans la colonne est contrôlé en ajustant le débit de reflux, influençant ainsi l'efficacité de distillation et le débit de produit. Pour améliorer la pureté des produits, le débit de reflux peut être augmenté pour permettre la section de distillation dans la colonne pour séparer plus efficacement les impuretés du gaz. Pour augmenter le rendement du produit, le débit de reflux peut être réduit. La régulation du reflux doit être utilisée en conjonction avec d'autres méthodes de contrôle des flux pour assurer un fonctionnement stable de la colonne de distillation dans diverses conditions de fonctionnement.

Surveillance du flux et assurance de sécurité

● Système de surveillance des flux

Pour surveiller avec précision le débit aux points clés de l'ASU, un système de surveillance de débit avancé est généralement adopté, principalement composé de capteurs d'écoulement, de circuits de transmission de signal et d'instruments d'affichage et de contrôle.

●Capteurs d'écoulement:

Débit de plaques d'orifice: Mesurez l'écoulement via la pression différentielle du fluide passant à travers un orifice; Coût simple, bas -, mais une précision limitée.

Débit de vortex: détecter la fréquence du vortex à partir du fluide traversant un générateur de vortex; haute précision, large plage de mesure.

Débit de masse: mesure directement le débit de masse du fluide, non affecté par les changements de température / pression / densité; Ultra - haute précision, idéal pour la mesure du débit de gaz du produit.

● Contrôle de transmission et d'affichage du signal:

Les capteurs d'écoulement convertissent les signaux d'écoulement en signaux électriques / numériques, transmis aux instruments d'affichage et de contrôle. Ces instruments affichent le flux de temps réel - à chaque point, déclenchent des alarmes si le flux dépasse les plages de réglage et se connectez au système d'automatisation pour le réglage du flux automatique.

●Mesures de sécurité

Des fluctuations anormales d'écoulement dans l'ASUS peuvent provoquer des risques de sécurité, nécessitant des mesures de sécurité efficaces:

Alarmes de débit et verrouillage:
Le système de surveillance a des limites d'alarme supérieures / inférieures; Les alarmes audibles / visuelles s'activent lorsque le flux est hors de portée. Les dispositifs de verrouillage empêchent les accidents graves: par exemple, l'auto - Arrêt des compresseurs d'air si le débit d'air d'alimentation est trop faible (pour éviter les dommages à l'équipement), ou auto - ajustement des ouvertures de valve / arrêt d'un équipement spécifique si le produit O₂ / N₂ fluctue anormalement.

Entretien et soins de l'équipement:
Maintenir régulièrement l'équipement de surveillance du débit, les dispositifs de commande et l'ensemble de l'ASU: Inspectez les capteurs de débit pour le blocage / les dommages (nettoyer / remplacer rapidement), vérifier / déboguer les vannes (assurer la flexibilité / la fiabilité) et inspecter l'équipement clé (par exemple, les compresseurs) pour des performances stables. Cela réduit les anomalies des flux des défaillances de l'équipement et améliore la sécurité opérationnelle.

Paramètres d'écoulement recommandés pour les unités de séparation d'air de différentes échelles

●Petite échelle - Asus

Convient aux scénarios à faible demande de gaz, tels que les laboratoires et les petites usines.

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%).​

Caractéristiques: Contrôlez précisément le débit de chaque composant pour assurer une alimentation stable de gaz de pureté élevé - pour la production ou les expériences de petite échelle -.

●Échelle moyenne - ASUS

Servir largement les entreprises industrielles générales pour répondre à la demande régulière du gaz.

Paramètres de base: Traiter le débit d'air 3 000 à 20 000 nm³ / h; Taux d'écoulement d'oxygène de produit 1 000 à 10 000 nm³ / h (pureté ≈99,6%), débit d'azote produit de 1 500 à 15 000 nm³ / h (pureté jusqu'à 99,99%).

Caractéristiques: exigences plus élevées pour le contrôle du débit aux nœuds clés (par exemple, air d'alimentation, air comprimé, gaz - flux liquide dans les tours de distillation); Comptez sur des systèmes automatisés avancés et des équipements de précision pour assurer un fonctionnement efficace et stable et une qualité de produit.

●Grande échelle - Asus

Utilisé dans les grands scénarios de production industriels -, tels que les grandes aciéries et les usines chimiques.

Paramètres centraux: traiter le débit d'air supérieur à 50 000 nm³ / h (certains dépassent 100 000 nm³ / h, par exemple, un ASU dans un grand conglomérat en acier atteint 80 000 nm³ / h); Produit d'oxygène débit de 30 000 à 50 000 nm³ / h (répond aux exigences de pureté strictes pour la fabrication de l'acier), débit d'azote produit de 40 000 à 60 000 nm³ / h.

Caractéristiques: difficulté élevée dans le contrôle de l'écoulement; nécessitent des technologies de surveillance et de régulation plus avancées et plus fiables pour assurer un fonctionnement stable et efficace sous une charge élevée, fournissant un gaz de qualité élevé en continu- pour la production de grande échelle -.

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