Unidad de separación de aire

¿Qué es una unidad de separación de aire?

 

Una unidad de separación de aire es una instalación industrial. Funciona primero enfriando y licuando el aire. Luego, aprovechando la destilación criogénica basada en los diferentes puntos de ebullición de gases en el aire, separa la atmósfera en componentes principales, principalmente que incluye oxígeno, nitrógeno y argón. Los gases puros producidos son ampliamente utilizados en campos industriales y médicos. El proceso es de energía - intensivo y se basa en componentes como compresores, columnas de destilación y tamices moleculares. Además, una ASU puede separar la atmósfera en sus componentes primarios como nitrógeno, oxígeno y, a veces, argón y otros gases raros, típicamente compuestos de elementos que incluyen compresores de aire, sistemas de purificación de aire, intercambiadores de calor, sistemas de enfriamiento criogénico y columnas de destilación.

Métodos de separación de aire

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Destilación criogénica

La destilación criogénica primero enfría el aire para licuarlo, luego separa selectivamente sus componentes en función de sus diferencias de punto de ebullición a través de la destilación. Esto produce un gas de pureza de alto -, pero consume mucha energía. El sistema requiere intercambiadores de calor fuertemente integrados y columnas de separación para mantener la eficiencia, con energía de refrigeración proveniente del compresor de aire de entrada.
Para lograr bajas temperaturas, las plantas de separación de aire emplean dos ciclos de refrigeración: utilizando el estrangulamiento isotérmico a través de un dispositivo de estrangulamiento o expansión isentrópica a través de un expansor. El equipo criogénico debe alojarse en una "caja fría" (recinto aislado) para minimizar las pérdidas de enfriamiento.

 

Otros métodos de separación de aire

●Tecnología de separación de membrana: bajo consumo de energía y parámetros flexibles. ROOM - Las membranas de polímeros de temperatura producen 25% - 50% oxígeno - enriquecido Air; Las membranas cerámicas (ITM y OTM) requieren temperaturas de 800 - 900 grados y pueden producir - oxígeno de pureza que excede el 90%. Se pueden usar para producir oxígeno - agotado o nitrógeno - gas enriquecido para tanques de combustible de aeronaves de pasajeros para reducir el riesgo, y también puede proporcionar aire enriquecido con oxígeno para pilotos de aeronave de alta altitud y altitud sin presión.

●Adsorción de swing de presión (PSA): operando a temperatura ambiente y que no requiere licuefacción, PSA usa zeolita (una "esponja molecular") para una adsorción de presión -} y reducida - Desorción de presión para separar el oxígeno y el nitrógeno. Este compresor compacto se puede utilizar para fabricar concentradores de oxígeno médico portátiles. La adsorción de balanceo de presión de vacío (VPSA) es similar, con solo el gas objetivo desorbido a presión subatmosférica

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Principio de trabajo de una unidad de separación de aire (ASU)

Aunque las unidades de separación del aire pueden utilizar una variedad de tecnologías, como la separación de membrana y la adsorción de swing de presión, el fraccionamiento criogénico (destilación) sigue siendo la tecnología de núcleo convencional para lograr una separación de pureza eficiente y alta-. Su proceso de operación típico se divide en cuatro etapas clave:

 

 

Etapa de compresión

El aire atmosférico se dibuja primero en la ASU y luego entra en un sistema de compresor de etapa multi - para la presurización. El propósito central de esta etapa es aumentar la presión del aire, reduciendo así el consumo de energía y mejorando la eficiencia en los procesos posteriores de enfriamiento y separación. La presión del aire generalmente se controla dentro de un rango de 5-10 Barg, estableciendo las bases para los procesos posteriores.

 

Etapa de purificación

El aire presurizado primero pasa a través de un sistema de purificación para eliminar las impurezas, principalmente humedad, dióxido de carbono y trazas de aceite, polvo y otros contaminantes. Este paso es crucial: garantiza la alta pureza del gas de salida final, que cumple con los requisitos de las aplicaciones industriales y médicas; También evita que las impurezas se congelen o se acumulen en el entorno de temperatura -}- bajo, evitando el bloqueo de intercambiadores de calor, tuberías y otros equipos, asegurando así el funcionamiento estable de la unidad.

 

Etapa de enfriamiento

El aire comprimido purificado ingresa a un sistema de enfriamiento que consiste en un intercambiador de calor y un ciclo de refrigeración (como los ciclos de Linde o Kraut), donde se enfría gradualmente a baja temperatura. Dado que el fraccionamiento criogénico se basa en las diferencias en los puntos de ebullición entre los componentes gaseosos, el proceso de enfriamiento reduce el aire a su temperatura de licuefacción, convirtiendo el aire gaseoso en aire líquido, preparándolo para la posterior separación de la destilación.

 

Etapa de separación

El aire líquido se alimenta en una sola torre de destilación de etapa - o multi -}, donde sus componentes se separan a través de la destilación fraccional. Las diferencias en los puntos de ebullición entre los gases son cruciales para la separación: el nitrógeno, con su punto de ebullición más bajo, se vaporiza y aumenta primero del aire líquido, que se recolectan en la parte superior de la torre. El oxígeno, con su punto de ebullición más alto, permanece en el fondo de la torre y se descarga como un líquido o gas. Si el argón necesita separarse, ya que su punto de ebullición se encuentra entre el nitrógeno y el oxígeno, se puede extraer del medio de la torre a través de una sección de destilación especializada.

Proceso de operación de la unidad de separación de aire (ASU) y componentes centrales

 

El aire comprimido del compresor de aire se enfría primero mediante un sistema de enfriamiento de aire pre -} antes de ser eliminado por tamices moleculares para eliminar impurezas como humedad, dióxido de carbono e hidrocarburos. El aire purificado se divide en dos caminos: uno se envía directamente a la columna superior de la torre de destilación, mientras que el otro es expandido y enfriado por un expansor antes de ser enviado a la columna inferior. Dentro de la torre de destilación, el vapor ascendente y el líquido que cae experimenta un intercambio de calor y separación, produciendo en última instancia un alto - nitrógeno de pureza en la parte superior de la columna superior y alto - oxígeno de pureza en la parte inferior.
 

● Sistema de compresión:

Compuesto por un filtro de entrada de aire (para filtrar el polvo), un compresor de aire (para presurizar el aire), un enfriador de intervalo de compresor de aire (para reducir la temperatura y mantener la eficiencia) y un silenciador de ventilación del compresor de aire (para reducir el ruido).

● Pre - Sistema de enfriamiento:
Compuesto por una torre de enfriamiento de agua -, una torre de enfriamiento de aire - (para intercambiar calor y reducir la temperatura), una bomba de agua (para proporcionar agua de enfriamiento) y un enfriador (para proporcionar enfriamiento profundo).

● Sistema de purificación:
El núcleo es un adsorbero de tamiz molecular (para eliminar las impurezas) junto con un silenciador de ventilación de nitrógeno (para reducir el ruido de escape).

● Sistema de intercambio de calor:

Incluye el intercambiador de calor principal (para el intercambio de calor entre el aire y el gas de temperatura - bajo para reducir la temperatura) y el subenfriador (para productos líquidos de enfriamiento para reducir las pérdidas de vaporización).

● Sistema de destilación:
Incluye la torre de destilación (para gas - separación de contacto líquido) y el condensador - evaporador (para mantener el ciclo de destilación).

● Sistema de entrega de productos:

Que comprende una estación de regulación de presión (para la regulación de la presión) y una estación de medición (para medición del flujo).

● Sistema de respaldo de almacenamiento de líquidos:

Incluye tanques de almacenamiento líquido (para almacenar oxígeno líquido y nitrógeno líquido), tanques de almacenamiento de gas (para amortiguar productos gaseosos) y un evaporador líquido (para líquido de emergencia - a - conversión de gas).

Aplicaciones de la unidad de separación de aire

 

 

 

 

 

Atención médica
 

Fabricación industrial
 

Comida y bebidas
 

Producción de energía

 

Unidad de separación de aire en el proceso de gases industriales

El aire está compuesto principalmente de nitrógeno (aproximadamente 78.1%), oxígeno (aproximadamente 20.9%), argón (aproximadamente 0.9%) y pequeñas cantidades de otros gases. Actualmente, el método de separación de aire más utilizado en la industria es la separación criogénica, también conocido como destilación criogénica. Esencialmente, esto implica la licuefacción de gas, típicamente utilizando métodos mecánicos como expansión de estrangulamiento o expansión adiabática. El aire se comprime y se enfría primero, y luego se destila utilizando las diferencias en los puntos de ebullición entre los gases para separarlos.

Nodos clave y funciones del flujo de proceso

● Alimentar el flujo de aire

Un parámetro de entrada fundamental (medido en nm³/h) que determina directamente la escala/capacidad de producción de ASU (por ejemplo, 68,500 nm³/h para un medio de ASU de tamaño medio - bajo operación normal).

Anormalidades: aumenta los compresores de sobrecarga repentino (mayor desgaste/consumo de energía) e interrumpir la purificación/enfriamiento/destilación (gas desequilibrado - líquido/termodinámica, menor eficiencia/rendimiento); El flujo demasiado bajo reduce la utilización del equipo y aumenta los costos unitarios.

● Flujo de aire comprimido

Cambios de caudal Post - compresión; El flujo de salida debe coincidir con el proceso del sistema, garantizar una presión suficiente para las operaciones criogénicas/de destilación y mantener la estabilidad.

Control: ajuste la apertura de la paleta de la guía de entrada o la velocidad del compresor para un control preciso de flujo/presión.

Riesgos: la sobrepresión causa peligros del equipo; Límites de presión insuficientes licuefacción/separación; El flujo inestable deteriora la adsorción de tamiz molecular (eliminación de impurezas inadecuadas).

● Tasa de flujo de aire purificada

Crítico para la separación criogénica después de eliminar la humedad/CO₂/hidrocarburos a través de secadores de aire; Requiere estabilidad y cumplimiento del diseño.

Impactos: Desnipes de flujo anormal fraccionando el gas de la torre - Relación de líquido (por ejemplo, el flujo excesivo acelera el ascenso de gas, reduciendo el tiempo de contacto/eficiencia y pureza del producto); Over - Las impurezas estándar causan formación de formación de formación/obstrucción del equipo criogénico.

● Gas - Tasas de flujo de líquido en torres de destilación

Gas - Caudal de fase: clave para la eficiencia (por ejemplo, destilación inicial en doble - torre inferior de la torre produce nitrógeno creciente/oxígeno descendente - líquido rico). El flujo apropiado garantiza suficiente gas - contacto líquido (intercambio de calor/masa); El exceso provoca inundación de torre (acumulación de líquido, destilación alterada) y baja eficiencia de separación.

Líquido - Caudal de fase: Contrarrencias con gas; flujo (por ejemplo, oxígeno acelerado - líquido rico desde la torre inferior hasta la torre superior) debe coincidir con el flujo de gas. Exceso de torres de inundación; La insuficiencia reduce el lavado de impurezas (mala pureza); El flujo inestable deteria el condensador - Evaporador Intercambio de calor (afecta el equilibrio/separación de la energía).

● Tasas de flujo de gas y gases de gas del producto

Flujo de oxígeno del producto: controlado por las necesidades del usuario (por ejemplo, alto flujo para la fabricación de acero, alta pureza para uso médico); ajustado mediante parámetros de destilación (relación reflujo, temperatura, presión). Las fluctuaciones impactan la producción (por ejemplo, eficiencia/calidad de fabricación de acero inestable).

Flujo de nitrógeno del producto: controlado con precisión (a través de gas destilación - distribución de líquidos, nitrógeno líquido reflujo) para productos químicos/electrónicos (por ejemplo, estable alto - nitrógeno de pureza como gas blindante de chips); Las desviaciones causan oxidación.

Flujo de gas residual: contiene gases no separados; Después de la enfriamiento del expansor, la parte regenera los tamices moleculares fríos, los respiraderos del resto. El exceso indica una baja eficiencia de separación (gas desperdiciado, alta energía) y una mala regeneración de tamiz (adsorción/estabilidad reducida).

Métodos de control de flujo y regulación

● Regulación de válvulas

Válvula del acelerador: una válvula del acelerador es un dispositivo de control de flujo de uso común que controla el flujo variando la abertura de la válvula para cambiar el área de flujo del fluido. En las unidades de separación de aire, las válvulas del acelerador a menudo se usan para controlar el flujo de aire de alimentación, aire comprimido y los componentes de gas y líquido dentro de cada columna. Por ejemplo, antes de que el aire ingrese a una columna de destilación, se puede usar una válvula de acelerador para ajustar el caudal para cumplir con los requisitos de alimentación de la columna de destilación. Si bien las válvulas del acelerador ofrecen ventajas como estructura simple y facilidad de operación, también generan una cierta caída de presión durante el proceso de ajuste, lo que resulta en una pérdida de energía.

Válvula de regulación: una válvula reguladora se usa típicamente junto con un sistema de control automatizado para ajustar automáticamente la abertura de la válvula de acuerdo con una velocidad de flujo establecida. Las válvulas reguladoras a menudo se instalan en puntos de control de flujo clave en las unidades de separación de aire, como las tuberías de salida para el oxígeno del producto y el nitrógeno. Basado en datos de flujo de tiempo - reales, un controlador ajusta automáticamente la apertura de la válvula para mantener la velocidad de flujo dentro del rango establecido. En comparación con las válvulas del acelerador, las válvulas de regulación ofrecen una mayor precisión de regulación y una respuesta más rápida, lo que las hace más adaptables a las diferentes condiciones de funcionamiento durante la operación de la unidad.

● Ajuste del compresor

Ajuste de la paleta de guía de entrada: para compresores de aire centrífugo, el volumen de aire de admisión se puede variar ajustando el ángulo de las paletas de la guía de entrada, controlando así la tasa de flujo de aire comprimido. Para aumentar la tasa de flujo de aire comprimido, la apertura de la paleta de la guía de entrada se incrementa para permitir que más aire ingrese al compresor; Por el contrario, la apertura de la paleta de la guía de entrada disminuye para reducir el volumen de aire de admisión. El ajuste de la paleta de la guía de entrada ofrece las ventajas de un amplio rango de ajuste y un consumo de energía relativamente mínimo durante el ajuste. Esto garantiza que el caudal de aire comprimido cumpla con los requisitos del proceso al tiempo que mantiene una operación eficiente del compresor.

Ajuste de velocidad: el caudal también se puede ajustar variando la velocidad del compresor. Utilizando la tecnología de regulación de velocidad de frecuencia variable, la velocidad del compresor se puede ajustar de manera flexible en función de los requisitos de flujo reales. Cuando el dispositivo requiere una tasa de flujo de aire comprimido más baja, la velocidad del compresor se reduce; Cuando se requiere un caudal más alto, la velocidad aumenta. El ajuste de velocidad ofrece un tiempo de respuesta rápido y puede adaptarse rápidamente a los cambios en el caudal del proceso, pero impone altas demandas en el motor y el sistema de control.

● Regulación de reflujo

La regulación de reflujo es un método de control de flujo común en las unidades de separación de aire. Por ejemplo, en una columna de destilación, la relación de líquido de gas - dentro de la columna se controla ajustando la velocidad de flujo de reflujo, influyendo así en la eficiencia de destilación y la velocidad de flujo del producto. Para mejorar la pureza del producto, el caudal de reflujo se puede aumentar para permitir que la sección de destilación dentro de la columna se separe de manera más efectiva del gas. Para aumentar el rendimiento del producto, el caudal de reflujo puede reducirse. La regulación de reflujo debe usarse junto con otros métodos de control de flujo para garantizar el funcionamiento estable de la columna de destilación en diversas condiciones de funcionamiento.

Monitoreo de flujo y garantía de seguridad

● Sistema de monitoreo de flujo

Para monitorear con precisión el flujo en puntos clave ASU, generalmente se adopta un sistema de monitoreo de flujo avanzado, principalmente compuesto de sensores de flujo, circuitos de transmisión de señal e instrumentos de pantalla y control.

●Sensores de flujo:

Medores de flujo de placa de orificio: mida el flujo a través de la presión diferencial del fluido que pasa a través de un orificio; Costo simple, bajo -, pero precisión limitada.

Motores de flujo de vórtice: detectar la frecuencia de vórtice a partir de fluido que pasa a través de un generador de vórtice; Alta precisión, amplio rango de medición.

Motores de flujo de masa: mida directamente el flujo de masa del fluido, no afectado por los cambios de temperatura/presión/densidad; Ultra - Alta precisión, ideal para la medición del flujo de gas del producto.

● Transmisión de señal y control de visualización:

Los sensores de flujo convierten las señales de flujo en señales eléctricas/digitales, transmitidas a instrumentos de visualización y control. Estos instrumentos muestran un flujo de tiempo real - en cada punto, activan alarmas si el flujo excede los rangos establecidos y se conecta al sistema de automatización para el ajuste del flujo automático.

●Medidas de seguridad

Las fluctuaciones de flujo anormales en ASUS pueden causar riesgos de seguridad, que requieren medidas de seguridad efectivas:

Alarmas de flujo y enclavamientos:
El sistema de monitoreo tiene límites de alarma superior/inferior; Las alarmas audibles/visuales se activan cuando el flujo está fuera de rango. Los dispositivos de enclavamiento evitan accidentes graves: por ejemplo, auto - apagado de los compresores de aire si el flujo de aire de alimentación es demasiado bajo (para evitar daños en el equipo), o automáticamente - ajuste de aberturas de válvulas/apagado de equipos específicos si el flujo del producto O₂/N₂ fluctúa anormalmente.

Mantenimiento y cuidado del equipo:
Mantenga regularmente equipos de monitoreo de flujo, dispositivos de control y todo el ASU: Inspeccione los sensores de flujo para obtener bloqueo/daño (limpie/reemplace rápidamente), verificación/válvulas de depuración (garantizar flexibilidad/confiabilidad) e inspeccionar equipos clave (por ejemplo, compresores) para un rendimiento estable. Esto reduce las anormalidades del flujo de las fallas de los equipos y mejora la seguridad operativa.

Parámetros de flujo recomendados para unidades de separación de aire de diferentes escalas

●Pequeño - escala asus

Adecuado para escenarios con baja demanda de gas, como laboratorios y pequeñas 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 con precisión la velocidad de flujo de cada componente para garantizar un suministro estable de alto - gas de pureza para una pequeña producción o experimentos de escala -}.

●Medio - escala asus

Servido ampliamente en empresas industriales generales para satisfacer la demanda regular de gas.

Parámetros del núcleo: procesar la tasa de flujo de aire 3,000-20,000 nm³/h; Casa de flujo de oxígeno del producto 1,000-10,000 nm³/h (pureza ≈99.6%), tasa de flujo de nitrógeno del producto 1,500-15,000 nm³/h (pureza hasta 99.99%).

Características: Requisitos más altos para el control de flujo en los nodos clave (por ejemplo, aire de alimentación, aire comprimido, gas - flujo líquido en torres de destilación); Confíe en sistemas automatizados avanzados y equipos de precisión para garantizar la operación eficiente y estable y la calidad del producto.

●Grande - escala asus

Utilizado en grandes escenarios de producción industrial de escala -, como grandes fábricas de acero y plantas químicas.

Parámetros del núcleo: procesar la tasa de flujo de aire de más de 50,000 nm³/h (algunos exceden 100,000 nm³/h, por ejemplo, un ASU en un conglomerado de acero grande alcanza 80,000 nm³/h); Casa de flujo de oxígeno del producto 30,000-50,000 nm³/h (cumple con los requisitos de pureza estrictos para la fabricación de acero), tasa de flujo de nitrógeno del producto 40,000-60,000 nm³/h.

Características: alta dificultad en el control de flujo; Requiere tecnologías de monitoreo y regulación más avanzadas y confiables para garantizar una operación estable y eficiente bajo una alta carga, proporcionando un gas de calidad de calidad - {}} grande para una gran producción de escala -.

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