Unidad de separación de aire para químicos

La tecnología de separación de aire criogénico se ha utilizado con éxito durante muchos años para proporcionar oxígeno para la gasificación de varias materias primas de hidrocarburos para producir síngas para la producción de combustibles, productos químicos y otros productos valiosos. Los ejemplos incluyen el
Conversión de residuos líquidos y sólidos de refinerías a hidrógeno para su uso dentro de las refinerías, así como la coproducción de la electricidad, y el creciente interés en los procesos de licuefacción de gas natural que convierten el gas natural en petróleo crudo sintético, ceras y combustibles. En los últimos años, para reducir el costo del equipo o mejorar la eficiencia, la combinación del proceso de producción de oxígeno y la planta de procesamiento de hidrocarburos aguas abajo han recibido cada vez más atención. Se describen procesos de producción de oxígeno tradicionales y en desarrollo y esquemas integrados para mejorar la economía de estas instalaciones.

 

Contenido

1.Vervisión de la tecnología de procesamiento de gases industriales no riogénicos

   1.1 Adsorción

   1.2 Sistema de membrana de polímero

2. Temperatura baja Tecnología de procesamiento de gas industrial

   2.1 Descripción general del procesamiento criogénico

   2.2 Ciclo de ciclecompresión de compresión

   2.3 Ciclo de ciclo de líquido de bombeo Ciclo de líquido

   2.4 Ciclos de baja presión y alta presión

3. Comparación de alternativas de proceso y mejoras tecnológicas

4.Conclusión

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1.Vervisión de la tecnología de procesamiento de gases industriales no riogénicos

1.1 Adsorción

El proceso de adsorción se basa en la capacidad de algunos materiales naturales y sintéticos para adsorbar preferentemente el nitrógeno. En el caso de las zeolitas, existe un campo eléctrico no homogéneo en los espacios vacíos del material, lo que resulta en la adsorción preferencial de moléculas que están más polarizadas, como aquellos con momentos cuadrupolo electrostáticos más grandes. Por lo tanto, en la separación del aire, las moléculas de nitrógeno están más fuertemente adsorbidas que las moléculas de oxígeno o argón. A medida que el aire pasa a través de una capa de material de zeolita, el nitrógeno se retiene y una corriente rica en oxígeno deja la capa de zeolita. Los tamices moleculares de carbono son del mismo orden de magnitud que las moléculas de aire. Dado que las moléculas de oxígeno son ligeramente más pequeñas que las moléculas de nitrógeno, se difunden en las cavidades del adsorbente más rápidamente. Por lo tanto, los tamices moleculares de carbono son selectivos para el oxígeno y los tamices moleculares son selectivos para el nitrógeno. Las zeolitas se usan comúnmente en procesos de producción de oxígeno basados ​​en adsorción. El aire comprimido se alimenta a un recipiente que contiene el adsorbente. El nitrógeno se adsorbe y se produce una corriente de aguas residuales ricas en oxígeno hasta que el lecho esté saturado de nitrógeno. En este punto, el aire de alimentación se cambia a un recipiente fresco y puede comenzar la regeneración de la primera cama. La regeneración se puede lograr calentando la cama o reduciendo la presión del lecho, reduciendo así el contenido de nitrógeno de equilibrio del adsorbente. El calentamiento generalmente se conoce como adsorción de balanceo de temperatura (TSA) y la reducción de la presión generalmente se denomina adsorción de oscilación de presión o oscilación de vacío (PSA o VSA). La presión reducida tiene un ciclo corto y es fácil de operar, lo que lo convierte en el proceso preferido para las plantas de separación de aire. Las variaciones de proceso que afectan la eficiencia operativa incluyen el pretratamiento del aire para eliminar el agua y el dióxido de carbono por separado, múltiples lechos para permitir la recuperación de energía de presión durante el cambio de lecho y el funcionamiento del vacío durante la presión reducida. El sistema está optimizado en función del flujo de productos, la pureza, la presión, el consumo de energía y la vida útil esperada. La pureza de oxígeno es típicamente del 93% al 95% en volumen.

 

1.2 Sistema de membrana de polímero

Los procesos de membrana que utilizan materiales poliméricos se basan en las diferencias en las tasas de difusión de oxígeno y nitrógeno a través de una membrana que separa las corrientes de procesos de alta presión y baja presión. El flujo y la selectividad son dos propiedades que determinan la economía de un sistema de membrana, y ambas son funciones del material de membrana específico. El flujo de membrana determina el área de superficie de la membrana y es una función de la diferencia de presión dividida por el grosor de la membrana. La constante de proporcionalidad que varía con el tipo de membrana se llama permeabilidad. La selectividad es la relación de las permeabilidades de los gases a separarse. La mayoría de los materiales de membrana son más permeables al oxígeno que al nitrógeno debido al tamaño más pequeño de la molécula de oxígeno. Los sistemas de membrana generalmente se limitan a la producción de aire enriquecido con oxígeno (25% a 50% de oxígeno). Las membranas de transferencia activas o facilitadas contienen un agente de complejación de oxígeno para aumentar la selectividad de oxígeno y son un método potencial para aumentar la pureza de oxígeno en los sistemas de membrana, suponiendo que los materiales de membrana compatibles con oxígeno también estén disponibles. Una ventaja importante de la separación de la membrana es la simplicidad del proceso, su continuidad y su funcionamiento en condiciones casi ambientales. El ventilador proporciona suficiente presión de la cabeza para superar la caída de presión a través de los filtros, tubos de membrana y tuberías. Los materiales de membrana generalmente se ensamblan en módulos cilíndricos que están unidos mediante múltiples conexiones para proporcionar la capacidad de producción requerida. El oxígeno impregna a través de las fibras (tipo de fibra hueca) o a través de las láminas (tipo de herida espiral) y se extrae como un producto. Una bomba de vacío generalmente mantiene el diferencial de presión a través de la membrana y entrega el oxígeno a la presión requerida. El dióxido de carbono y el agua generalmente están presentes en el producto de aire enriquecido con oxígeno porque son más permeables que el oxígeno para la mayoría de los materiales de membrana. Sin embargo, los sistemas de membrana se adaptan fácilmente a aplicaciones de hasta 20 toneladas por día, donde se puede tolerar la pureza del aire enriquecida con agua y contaminantes de dióxido de carbono. Esta tecnología es más nueva que la adsorción o las tecnologías criogénicas, y las mejoras en los materiales pueden hacer que las membranas sean más atractivas para mayores demandas de oxígeno.

 

2. Temperatura baja Tecnología de procesamiento de gas industrial

2.1 Descripción general del procesamiento criogénico

La tecnología de separación de aire criogénico es actualmente la tecnología más eficiente y rentable para producir grandes cantidades de oxígeno gaseoso o líquido, nitrógeno y argón. Las unidades de separación de aire (ASUS) utilizan un proceso de destilación criogénica de columnas múltiples convencionales para producir oxígeno a partir del aire comprimido en alta recuperación y pureza. La tecnología criogénica también puede producir nitrógeno de alta pureza como una corriente de subproducto útil a un costo incremental relativamente bajo. Además, se pueden agregar argón líquido, oxígeno líquido y nitrógeno líquido a la pizarra del producto para el almacenamiento de la copia de seguridad del producto o las ventas de subproductos a bajos costos de capital y electricidad incremental. La investigación continúa en formas de aumentar la productividad de los trenes de equipos individuales como un medio para reducir los costos unitarios a través de las economías de escala. La mayoría del equipo utiliza motores eléctricos convencionales para conducir el equipo a comprimir la alimentación de aire a la ASU, así como al oxígeno y otras corrientes de productos. Es de destacar que las instalaciones de IGCC reciben todo su suministro de aire al extraer aire de las turbinas de gas utilizadas en el ciclo combinado para producir electricidad a partir de gas de síntesis de carbón.

 

2.2 Ciclo de ciclecompresión de compresión

Los procesos de separación del aire generalmente producen una corriente de producto de gas a una presión ligeramente por encima de la presión atmosférica y casi la temperatura ambiente. Típicamente, el oxígeno del producto deja al intercambiador de calor principal a baja presión, que varía de 3.5 a 7 0. 0 MPa, y un tren de compresor centrífuga con un flujo de volumen de entrada relativamente alto impide el producto a la presión requerida.

 

2.3 Ciclo de ciclo de líquido de bombeo Ciclo de líquido

Los productos líquidos se pueden tomar de los intercambiadores de calor criogénicos aguas arriba de la sección de destilación para evaporación y calentamiento. Estos productos se pueden bombear a la presión de entrega deseada o la presión intermedia. Sin embargo, dado que la potencia requerida para producir productos líquidos a partir de un sistema de destilación es de 2 a 3 veces mayor que la producción de productos gaseosos, el ciclo debe ser eficiente para recuperar el refrigerante contenido en la corriente de productos bombeados. Esto se logra condensando la corriente de producto evaporada en el intercambiador de calor criogénico contra un aire de alta presión o corriente de alimentación de nitrógeno. El aire licuado o alimentación de nitrógeno se devuelve a la sección de destilación para la refrigeración. Los ciclos de proceso de líquido bombeados que bombean los arroyos al producto a una presión intermedia en la salida de la unidad de separación de aire se denominan ciclos de líquido bombeado parcial y requieren equipos adicionales para comprimir la corriente del producto a la presión de entrega final. El bombeo total o parcial de las corrientes de producto agrega otro grado de libertad para optimizar el ciclo criogénico y puede eliminar o reducir el tamaño del compresor de oxígeno.

2.4 Ciclos de baja presión y alta presión
Los ciclos de la unidad de separación de aire de baja presión (LP) se basan en comprimir el aire de alimentación solo con el requisito de presión para rechazar el subproducto de nitrógeno a presión atmosférica. Por lo tanto, las presiones del aire de alimentación generalmente varían entre 360 ​​y 6 000 MPA, dependiendo de la pureza del oxígeno y el nivel deseado de eficiencia energética. Los ciclos ASU de alta presión producen flujos de productos y subproductos a presiones muy por encima de la presión atmosférica, que generalmente requieren componentes criogénicos más pequeños y más compactos, lo que puede ahorrar costos. Los ciclos EP generalmente usan presiones de aire de alimentación superiores a 700 MPa. El ciclo EP puede ser apropiado cuando todo o casi todo el subproducto de nitrógeno se comprime como una corriente de producto. Además, el ciclo EP a menudo se selecciona para integrar la ASU con otras unidades de proceso, como las turbinas de gas.

 

3. Comparación de alternativas de proceso y mejoras tecnológicas

 

Los procesos de adsorción y membrana de polímeros continuarán mejorando en costos y eficiencia energética a través de la investigación continua y el desarrollo de adsorbentes y materiales de membrana. Se espera que ninguna de las tecnologías desafíe la tecnología criogénica en su capacidad para producir grandes cantidades de oxígeno, especialmente en purezas más altas. Tanto la adsorción como los sistemas de membrana producen nitrógeno subproducto que contiene cantidades significativas de oxígeno. Si se requiere nitrógeno de alta pureza, se debe emplear desoxigenación adicional u otros sistemas de purificación para mejorar la calidad del nitrógeno. Ninguno de los procesos puede producir directamente gases de argón o nobles. La producción de oxígeno líquido o nitrógeno para la copia de seguridad del sistema requiere equipos criogénicos adicionales o transporte de productos desde equipos de plantas. Por otro lado, los procesos de adsorción y membrana son más simples y pasivos que las tecnologías criogénicas. El aire extraído del compresor de turbina de gas puede cumplir parcial o completamente los requisitos de alimentación de la ASU. En una configuración simple, la presión de destilación de ASU establecerá la presión de aire de extracción. Si el flujo de aire de extracción es menor que el ASU total requerido, se utilizará un compresor de aire auxiliar, cuya presión de descarga coincidirá con la presión del aire de extracción. Si el suministro de aire extraído es aproximadamente un cuarto de la demanda total de ASU, la presión de destilación de ASU se puede establecer de forma independiente y se puede emplear un proceso de líquido bombeado.

El aire de extracción de alta presión hierve oxígeno líquido presurizado o nitrógeno en la zona de intercambio de calor criogénico. El suministro de aire comprimido auxiliar establece la presión de destilación de ASU.

En las instalaciones que utilizan turbinas de gas, el aire se puede extraer por una variedad de razones.
Como alimentar a una unidad de separación de aire, como aire de enfriamiento de "escape" para la turbina en sí, u otros requisitos para el aire presurizado dentro de la instalación. El aire extraído contiene calor valioso que se puede recuperar mediante líquido hirviendo a niveles de temperatura discretos, o mediante transferencia de calor sensible a otro líquido. Una clase de aplicaciones que utiliza calor recuperado es la regeneración de solventes, que es un proceso que primero realiza un paso de absorción de gas/líquido y luego transfiere el calor al líquido a desorbes productos o contaminantes. Este paso posee la propiedad de que los ejemplos de procesos que pueden beneficiarse de esta integración de calor incluyen, pero no se limitan a las siguientes operaciones unitarias que se pueden encontrar en las instalaciones de gasificación de hidrocarburos o procesamiento de hidrocarburos. Regeneración de un sistema de pretratamiento de aire a base de líquido como parte de una unidad de separación de aire criogénica. Los pasos de absorción a base de líquido para eliminar los contaminantes de las corrientes de alimentación de aire a las plantas de separación de aire pueden beneficiarse de la recuperación extractiva del calor del aire. En una realización, el aire caliente se enfría en relación con los fondos líquidos de una columna absorbente. El aire enfriado ingresa a la columna y contacta al absorbente líquido, donde las impurezas en la corriente de aire se absorben en el líquido. El paso de calentamiento de aire a absorbente desorbe los contaminantes del líquido absorbente, que luego se devuelve a la columna absorbente. El sistema de absorción puede incluir uno o más fluidos en varios pasos de absorción para aumentar la eliminación de eficiencia o usar absorbentes específicos para eliminar impurezas específicas de la corriente de aire. La regeneración absorbente puede incluir el calentamiento de otras fuentes, combinadas con el calentamiento para reducir la presión a las impurezas desorb. El calor del aire extraído puede recuperarse mediante contacto indirecto del aire caliente con un fluido de proceso, o mediante transferencia de calor del aire a un fluido de trabajo como el vapor o un gas inerte. En este ejemplo, el alto nivel de calor generado a partir de la fuente de aire extraída se transfiere a la corriente de nitrógeno que regresa a la turbina de gas. El aire extraído se enfría aún más por contacto con los fondos enriquecidos del absorbedor utilizados para pretratear la alimentación de aire a la ASU.
Este paso de transferencia de calor también se puede lograr en otros sistemas de absorción dentro del área de trabajo de productos de viruela o viruela de la planta. Dependiendo del solvente y el material de absorción, se pueden eliminar los pasos de recuperación de calor de alto nivel y todo el calor de aire extraído utilizado para la regeneración de absorber.
El CO2 se puede procesar y vender como un subproducto, o usarse dentro de la planta. Un ejemplo es devolver el CO2 a la turbina de gas como un diluyente adicional.

 

4.Conclusión

Los procesos criogénicos son actualmente el método preferido para suministrar gases industriales a grandes instalaciones. La integración de las corrientes de calor, refrigeración, procesos y desechos entre los procesos de gas industrial y otras unidades en toda la instalación puede mejorar la eficiencia y reducir los costos. Los conceptos avanzados de integración de calor pueden facilitar el uso de procesos químicos o ITM en el futuro.