I. Introduzione all'unità di separazione dell'aria
La cosiddetta-unità di separazione dell'aria, in termini semplici, è un dispositivo che separa i principali componenti del gas presenti nell'aria. Raffredda profondamente l'aria portandola allo stato liquido e sfrutta i diversi punti di ebollizione dei componenti dell'aria liquida per separare gradualmente ossigeno, azoto e argon. L’aria contiene anche gas rari come elio, neon, argon, kripton, xeno, radon, nonché impurità come umidità, anidride carbonica e polvere, che devono essere tutti separati e purificati. Per la maggior parte delle fabbriche, il compito principale dell'unità di separazione dell'aria è separare e produrre ossigeno, azoto, argon puliti, ecc.
(I) Introduzione ai principi
I componenti principali dell'aria sono azoto, ossigeno e argon, quindi lo scopo principale della separazione è ottenere questi tre gas puri.
Le principali impurità presenti nell'aria sono umidità, anidride carbonica e idrocarburi.
La separazione dell'aria serve a rimuovere le impurità nocive presenti nell'aria e a separare il gas misto in gas "puri" come azoto, ossigeno e argon.
Il principio di base della separazione dell'aria è che l'azoto, l'ossigeno e l'argon presenti nell'aria hanno diversi punti di bolla (punti di rugiada, punti di ebollizione) e vengono separati mediante distillazione. I loro punti di ebollizione sono: N₂: -195,8 gradi; O₂: -183,0 gradi; Ar: -185,7 gradi.
Processo di distillazione: Sulla piastra di distillazione, il vapore saturo a temperatura più alta e il liquido saturo a temperatura più bassa sono in pieno contatto. Il vapore saturo cede calore al liquido saturo e si condensa parzialmente; il liquido saturo assorbe calore ed evapora parzialmente. L'ossigeno è un componente ad alto-punto di ebollizione-e si condensa maggiormente nella fase liquida; l'azoto è un componente a basso-punto di ebollizione-ed evapora maggiormente nella fase gassosa.
II.Introduzione al flusso del processo
L'attuale flusso del processo di separazione dell'aria è più o meno il seguente: l'atmosfera viene prima compressa dal sistema di compressione, quindi entra nel sistema di pre-raffreddamento per il raffreddamento preliminare, quindi entra nel sistema di purificazione per rimuovere alcune impurità come umidità e anidride carbonica, quindi viene ulteriormente raffreddata dal sistema di scambio di calore, quindi entra nel sistema di distillazione (che comprende principalmente espansori, celle frigorifere, ecc. e la cella frigorifera contiene torri principali, raffreddamento principale, pompe per liquidi e altre apparecchiature, e il processo di distillazione viene completato in questo sistema) e infine entra nel sistema di backup come la gassificazione, la compressione e lo stoccaggio del prodotto.
III. Introduzione al sistema di unità di frazionamento dell'aria (o apparecchiatura)
(I) Sistema di compressione
All'inizio del sistema di compressione dell'aria è presente un filtro dell'aria, che viene utilizzato per filtrare le impurità meccaniche nell'aria. Esistono principalmente filtri dell'aria auto-pulenti; lo scopo della compressione è pre-comprimere l'aria e l'apparecchiatura comprende principalmente turbine a vapore, compressori d'aria, compressori, ecc.
Filtro auto-pulente: generalmente, all'aumentare del volume del gas, aumenta il numero di cartucce filtranti e anche il numero di strati. Doppio-strato per grado 25.000 e superiore e tre-strato per grado 60.000 e superiore; un unico compressore necessita di un filtro separato ed è disposto controvento.
Turbina a vapore: il vapore ad alta-pressione si espande per compiere lavoro, facendo ruotare la girante coassiale, ottenendo così lavoro sul fluido di lavoro. Le forme comuni includono la condensazione completa, la contropressione completa e la condensazione di estrazione, mentre quella più comunemente utilizzata è la condensazione di estrazione.
Compressore d'aria: le grandi unità di separazione dell'aria utilizzano principalmente compressori centrifughi isotermici monoalbero-. Il consumo energetico di quelli importati è inferiore di circa il 2% rispetto a quelli domestici, e l'investimento è superiore dell'80%; l'uscita è ventilata e non è impostata alcuna tubazione di ritorno. È previsto un requisito minimo di protezione dai picchi di flusso di aspirazione- e la pala guida di ingresso viene utilizzata per la regolazione del flusso. Le unità importate e domestiche sono tutte a quattro-stadi di compressione e a tre-stadi di raffreddamento (l'ultimo stadio non è raffreddato). Il compressore d'aria principale è dotato di un sistema di lavaggio ad acqua per lavare i depositi sulla superficie della girante e della voluta ad ogni livello, che costituisce un set completo con il motore principale.
Booster: le unità di separazione dell'aria di grandi dimensioni utilizzano principalmente compressori centrifughi isotermici monoalbero-e compressori centrifughi a ingranaggi. Tra questi, il tipo a ingranaggi presenta un vantaggio maggiore nel consumo di energia, soprattutto in condizioni di pressione relativamente elevata.
(II) Sistema di preraffreddamento
La funzione del sistema di preraffreddamento è quella di raffreddare preliminarmente l'aria in modo che l'acqua, l'anidride carbonica, la polvere e altre impurità presenti nell'aria compressa possano essere purificate nella fase successiva. L'attrezzatura principale comprende torre di raffreddamento ad aria, torre di raffreddamento ad acqua, pompe per acqua di raffreddamento e acqua refrigerata, ecc.
Torre di raffreddamento ad aria: Esistono due forme: circolazione chiusa (la torre di raffreddamento ad aria è divisa in due sezioni, la sezione superiore e inferiore, e l'acqua refrigerata circola tra la sezione superiore della torre di raffreddamento ad aria e la torre di raffreddamento ad acqua) e circolazione aperta (nel sistema di circolazione dell'acqua). La circolazione chiusa viene utilizzata principalmente negli impianti chimici con scarsa qualità dell'acqua, che necessitano di essere integrati con acqua dolce e prodotti chimici; la circolazione aperta è ampiamente utilizzata, ma anche il sistema di circolazione dell'acqua deve essere regolarmente integrato con acqua dolce e devono essere prese in considerazione le condizioni di lavoro estive. Il suo design è generalmente un anello a sfera in acciaio inossidabile φ76 da 1 metro (resistenza alle alte temperature) nella parte inferiore, un anello a sfera in polipropilene rinforzato φ76 da 3 metri (grande flusso) e un anello a sfera in polipropilene rinforzato φ50 da 4 metri.
Torre di raffreddamento ad acqua: sono disponibili due tipi: a due-stadi (quando non è presente una fonte di freddo esterna, la capacità di raffreddamento dell'azoto secco sporco viene completamente recuperata per garantire il sistema di pre-raffreddamento, ma la resistenza è due volte più grande, anello a sfera in polipropilene φ50 da 7 metri + 7 metri) e tipo a uno-stadio (quando è presente una fonte di freddo esterna, anello a sfera in polipropilene φ50 da 8 metri).
Altro: in generale, tutti gli ingressi dell'acqua nel sistema di pre-raffreddamento devono essere dotati di filtri (generalmente 6 unità: 4 pompe dell'acqua, ingresso dell'acqua nella torre di raffreddamento dell'acqua e ingresso dell'acqua nel lato di evaporazione del refrigeratore) per impedire l'ingresso di impurità nel sistema. Il test dell'effetto è: il gas in uscita della sezione di imballaggio inferiore di 4 metri è inferiore di 1 grado rispetto all'acqua in ingresso; il gas in uscita della sezione di imballaggio superiore di 8 metri è di 1 grado più alto dell'acqua. Generalmente, un termometro è posizionato al centro della torre di raffreddamento dell'aria (che si estende verso l'interno).
(III) Sistema di depurazione
La funzione del sistema di purificazione è quella di rimuovere impurità come umidità, monossido di carbonio, anidride carbonica, idrogeno e idrocarburi nell'aria per garantire la purezza di azoto, ossigeno e argon nei prodotti dell'aria. Gli adsorbitori utilizzati sono a flusso assiale verticale, a letto a doppio strato orizzontale-e a flusso radiale verticale.
Flusso assiale verticale: utilizzato principalmente per apparecchiature di separazione dell'aria al di sotto di 10.000 livelli (il diametro ha raggiunto 4,6 m), spessore del letto 1550∽2300 mm, è possibile organizzare doppio-strato o singolo-strato e la distribuzione del flusso d'aria è la migliore.
Letto a doppio strato orizzontale-: utilizzato principalmente per apparecchiature di separazione dell'aria di grandi e medie dimensioni-, spessore del letto 1150 mm (setaccio molecolare) + 350 mm (gel di alluminio).
Flusso radiale verticale: può utilizzare efficacemente lo spazio interno del contenitore, in modo che l'area dello strato di adsorbimento con lo stesso diametro venga espansa di circa 1,5 volte, riduca efficacemente l'altezza della torre e il metodo di posizionamento verticale occupi un'area più piccola. Poiché il flusso d'aria è distribuito uniformemente, a differenza del flusso d'aria irregolare dell'adsorbitore orizzontale, la quantità di setacci molecolari viene ridotta del 20% e anche il consumo di energia di rigenerazione viene risparmiato del 20%. Tuttavia, lo svantaggio è che il centro del flusso d'aria è concentrato (area a forma di ventaglio-) e il tempo di penetrazione è più veloce rispetto al tipo orizzontale (è richiesta CO₂<0,5 ppm). Lo spessore del letto è 1.000 mm+200 mm, il che può soddisfare la configurazione delle apparecchiature di separazione dell'aria superiori a 20.000 livelli.
IVSistema di scambio termico
Lo scopo del sistema di scambio termico è quello di raffreddare ulteriormente l'aria per la successiva operazione di distillazione. La fonte di energia fredda è l'evaporazione di una parte dell'aria attraverso l'espansore a turbina. La sua struttura è del tipo a-piastre multistrato-a pinna. La logistica tra i canali adiacenti avviene un buon scambio termico attraverso le alette. Viene utilizzato per raffreddare l'aria compressa adsorbita dai setacci molecolari per rimuovere acqua e CO₂. Ogni gas di riflusso (liquido) viene qui riscaldato a temperatura ambiente.
A rigor di termini, la progettazione di più flussi di mezzi misti nello stesso scambiatore di calore può bilanciare automaticamente il trasferimento di calore di ciascun mezzo e ridurre al minimo il consumo di energia. Tuttavia, per il processo di compressione interna, tutti gli scambiatori di calore saranno scambiatori di calore ad alta-pressione, il che aumenterà gli investimenti. Pertanto, è più economico separare l'alta e la bassa pressione per gli scambiatori di calore a compressione interna superiori a 20.000 livelli e tutti gli scambiatori di calore ad alta-pressione sono configurati al di sotto di 20.000 livelli.
Sistema di frazionamento V
Lo scopo del sistema di frazionamento è quello di frazionare passo dopo passo l'aria compressa purificata e raffreddata profondamente in ossigeno, azoto, argon, ecc. L'attrezzatura principale è la cella frigorifera (compresa la torre principale, il raffreddamento principale, il sottoraffreddatore, la torre dell'argon grezzo, la pompa dell'ossigeno liquido, la pompa del liquido, ecc.).
Scatola fredda: è una struttura metallica quadrata o rotonda, che è il simbolo più alto dell'officina di separazione dell'aria. È riempito con sabbia perlata per ridurre la perdita di freddo. L'aria viene separata nella camera fredda attraverso l'effetto di distillazione sulla piastra della torre e sull'imballaggio.
Torre di distillazione: il corpo della torre è cilindrico, con più strati di piastre crivellanti nella torre inferiore, un secchio di troppopieno è posizionato sulla piastra crivellante, un deflettore di troppopieno e densamente ricoperto di piccoli fori; la torre superiore è dotata di regolare imballaggio e distributore di liquidi. Durante la distillazione nella torre inferiore, il liquido scorre uno per uno attraverso ciascuna piastra del setaccio dall'alto verso il basso. A causa dell'effetto dello stramazzo di troppo pieno, sul pedale si forma una certa altezza del livello del liquido. Quando il gas passa attraverso i piccoli fori della piastra del setaccio dal basso verso l'alto, entra in contatto con il liquido per produrre bolle, aumentando l'area di contatto del gas-liquido e rendendo efficiente lo scambio di calore e massa. I componenti a basso-punto di ebollizione evaporano gradualmente, mentre i componenti ad alto-punto di ebollizione si liquefanno gradualmente. Nella parte superiore della torre si ottiene azoto puro con basso punto di ebollizione, mentre nella parte inferiore della torre si ottengono componenti di aria liquida ricca di ossigeno-con alto punto di ebollizione. Durante la distillazione nella torre superiore, il gas passa attraverso il distributore e risale lungo il piatto di impaccamento. Il liquido viene distribuito uniformemente sulla piastra di riempimento dall'alto verso il basso attraverso il distributore d'acqua. Sulla superficie dell'imballaggio, il gas e il liquido sono completamente in contatto per un efficiente scambio di calore e massa. Il contenuto di ossigeno a basso-punto di ebollizione nel gas in aumento continua ad aumentare e il componente di ossigeno ad alto-punto di ebollizione viene lavato in grandi quantità per formare un liquido di riflusso e infine si ottiene azoto puro a basso-punto di ebollizione nella parte superiore della torre e ossigeno liquido ad alto-punto di ebollizione nella parte inferiore della torre.
VI Sistema di backup per stoccaggio e vaporizzazione
Conservare, vaporizzare e riempire l'ossigeno liquido frazionato, l'azoto liquido e l'argon liquido. L'attrezzatura principale comprende serbatoio di stoccaggio di liquidi criogenici, vaporizzatore, pompa di riempimento bottiglie, piattaforma di riempimento, ecc.
Prodotti di ossigeno e azoto a bassa-pressione: impostare la valvola di regolazione del prodotto e il percorso del flusso di sfiato, sfiato nel silenziatore (le parti interne dell'azoto sono in acciaio al carbonio, le parti interne dell'ossigeno sono in acciaio inossidabile).
Azoto sporco: impostare lo sfiato nella torre di raffreddamento dell'acqua (per sfiatare l'azoto sporco, allocare il gas rigenerato e regolare la pressione della torre superiore). Il diametro della torre di raffreddamento dell'acqua è necessario per soddisfare i requisiti di scarico. Soprattutto quando viene introdotto l'azoto, la pressione della torre superiore non può essere aumentata. La resistenza della torre di raffreddamento dell'acqua è di 6 kPa (imballaggio alto 8 metri), la tubazione e la valvola sono di 4 kPa e la differenza di pressione rispetto all'atmosfera è di 2 kPa, per un totale di 12 kPa.
Prodotti con ossigeno ad alta-pressione: per lo sfiato viene utilizzata una regolazione a due-stadi. Innanzitutto, il gas prodotto ad alta-pressione viene ridotto a 10 barG, passa attraverso un riduttore eccentrico, una piastra di riduzione del rumore in monel viene posizionata al centro, quindi il diametro della tubazione viene ampliato attraverso un riduttore eccentrico. La portata del mezzo di ossigeno viene controllata al di sotto di 10 m/s, quindi viene strozzata e scaricata nella torre del silenziatore. L'elemento marmitta è in acciaio inossidabile.
Prodotti a base di azoto ad alta-pressione: i prodotti a base di azoto vengono prima ridotti a 10 bar, passano attraverso una piastra di riduzione del rumore in acciaio inossidabile e quindi passano nella torre del silenziatore per la strozzatura e lo sfiato. L'elemento marmitta è in acciaio al carbonio.
Valvola dell'ossigeno: non deve essere azionata manualmente (la valvola di regolazione non può avere un volantino e la valvola manuale è posizionata all'interno della parete a prova di esplosione-).
