Wat is een luchtscheidingseenheid (ASU)? Principes, processen en toepassingen

Invoering
In het landschap van de moderne zware industrie, chemische productie en medische zorg zijn bepaalde fundamentele gassen in enorme hoeveelheden nodig. Elementen zoals zeer zuivere zuurstof, stikstof en argon zijn onmisbaar voor de staalproductie, de fabricage van elektronica, vergassingsprocessen en levensondersteunende systemen. Deze gassen bestaan ​​echter niet in hun pure elementaire vormen in de atmosfeer van de aarde. In plaats daarvan zitten ze opgesloten in een homogeen mengsel dat grofweg bestaat uit zeventig{4}}acht procent stikstof, twintig-één procent zuurstof en één procent argon, naast sporen van kooldioxide, waterdamp, neon, helium, krypton en xenon.
Om deze gassen op commerciële schaal te extraheren, is een gespecialiseerde, zeer geavanceerde industriële installatie nodig, bekend als een Air Separation Unit (ASU). Een luchtscheidingseenheid werkt volgens de principes van cryogene destillatie, waarbij omgevingslucht wordt opgenomen en afgekoeld tot vloeistoftemperaturen waarbij afzonderlijke componenten kunnen worden gescheiden op basis van hun verschillende kookpunten. Het begrijpen van de thermodynamische principes, meer- verwerkingsstappen en diverse industriële toepassingen van een luchtscheidingseenheid is essentieel voor chemisch ingenieurs, fabrieksoperators en industriële strategen die afhankelijk zijn van een ononderbroken gastoevoer. In dit uitgebreide artikel wordt het technische wonder achter luchtscheiding onderzocht, waarbij gedetailleerd wordt beschreven hoe omgevingslucht wordt omgezet in hoog-zuivere industriële gassen die de mondiale toeleveringsketens in stand houden.

 

Thermodynamische principes van luchtscheiding
De werking van een luchtscheidingseenheid is sterk afhankelijk van de fundamentele wetten van de thermodynamica, faseveranderingen en het complexe gedrag van uit meerdere componenten bestaande gasmengsels bij cryogene temperaturen. Hoewel eenvoudige gasscheiding kan worden bereikt door middel van membraanfiltratie of drukwisseladsorptie (PSA) voor lagere-zuiverheidseisen, blijft cryogene destillatie de enige technologie die in staat is om op grote commerciële schaal tegelijkertijd zeer-zuivere zuurstof, stikstof en argon te produceren.
Gefractioneerde destillatie bij cryogene temperaturen
De kern van elke luchtscheidingseenheid is het principe van gefractioneerde destillatie, waarbij chemische mengsels worden gescheiden op basis van verschillen in hun kookpunten onder specifieke werkdrukken. Onder normale atmosferische druk hebben de belangrijkste componenten van lucht enorm verschillende kookpunten: stikstof kookt bij ongeveer min honderdnegentig-zes graden Celsius, argon bij min honderdtachtig-zes graden Celsius, en zuurstof bij min honderdnegentig-drieëntachtig graden Celsius. Omdat deze kookpunten extreem laag zijn, moet de lucht eerst vloeibaar worden gemaakt door extreme koeling voordat destillatie kan plaatsvinden. De cryogene destillatiekolommen in de ASU maken gebruik van een reeks gestructureerde pakkingen of zeefschotels die een intiem, continu contact tussen opstijgende dampen en dalende vloeibare refluxstromen mogelijk maken. Dit massaoverdrachtsmechanisme zorgt ervoor dat componenten met lagere kookpunten, zoals stikstof, naar de top van de kolom kunnen stijgen, terwijl componenten met hogere kookpunten, zoals zuurstof, zich op de bodem ophopen.
Het Joule-Thomson-effect en koelcycli
Om de cryogene temperaturen te bereiken die nodig zijn om lucht vloeibaar te maken, maakt een luchtscheidingseenheid gebruik van geavanceerde koelcycli op basis van thermodynamica, met name het Joule-Thomson-effect en de koeling van expansieturbines. Omdat hogedrukgas snel kan uitzetten door een klep of expansieturbine zonder warmte uit te wisselen met de omgeving, ervaart het een aanzienlijke temperatuurdaling als gevolg van enthalpieveranderingen. Moderne ASU's maken gebruik van Claude- of omgekeerde Brayton-koelcycli, waarbij een deel van de samengeperste lucht wordt geëxpandeerd via zeer efficiënte turbo-expanders om de noodzakelijke koelcapaciteit te genereren om cryogene omstandigheden in de destillatiekolommen te handhaven. Dit zorgt ervoor dat de installatie continu in een stabiele toestand kan werken zonder dat er externe vloeibare cryogene voorraden nodig zijn nadat de initiële opstartkoeling is voltooid.

 

Het meer-faseproces: hoe een luchtscheidingseenheid werkt
De transformatie van atmosferische lucht in ultra{0}}zuivere vloeibare of gasvormige producten is een continu, uit meerdere- stappen bestaand technisch proces dat nauwgezette controle over druk, temperatuur en massastroomsnelheden vereist. Een typische industriële luchtscheidingseenheid doorloopt verschillende afzonderlijke operationele fasen, van inname tot uiteindelijke distributie.
Compressie en zuivering
Het proces begint met het inlaten van atmosferische lucht via grote, weer-beschermde filterhuizen die zijn ontworpen om vaste deeltjes, stof, pollen en verontreinigende stoffen uit de lucht te verwijderen die stroomafwaartse apparatuur kunnen vervuilen. Eenmaal gefilterd verhoogt een enorme meer-traps centrifugale of axiale luchtcompressor de druk van de lucht, doorgaans variërend van vijf tot tien bar voor standaard lage- drukinstallaties, of hoger voor gespecialiseerde hoge- hogedrukcycli. Compressie verwarmt de lucht aanzienlijk als gevolg van adiabatisch werk, dus moet deze door intercoolers en nakoelers gaan om de temperatuur terug te brengen tot bijna-omgevingsniveaus. Na afkoeling gaat de perslucht een voor-voorzuiveringseenheid (PPU) binnen. De PPU maakt gebruik van dubbele afwisselende bedden van geactiveerd aluminiumoxide en moleculaire zeven om het resterende vocht, kooldioxide en vluchtige koolwaterstoffen eruit te schrobben. Het verwijderen van water en kooldioxide is van cruciaal belang omdat deze verbindingen bij cryogene temperaturen onmiddellijk zouden bevriezen, waardoor de interne warmtewisselaars zouden verstoppen en ernstige veiligheidsrisico's zouden ontstaan, vooral met betrekking tot de accumulatie van explosieve koolwaterstoffen.
Warmte-uitwisseling en liquefactie
Na grondige zuivering komt de schone, droge lucht in een gesoldeerde aluminium lamellenwarmtewisselaar terecht, ook wel de hoofdwarmtewisselaar genoemd. Hier wordt de lucht afgekoeld tot cryogene temperaturen door tegen-stroom thermische uitwisseling met koude productstromen, waaronder zuivere stikstof- en zuurstofstromen die uit de destillatiekolommen opstijgen. Deze thermische integratie maximaliseert de thermodynamische efficiëntie en minimaliseert de externe energie-input. Tegen de tijd dat de lucht de hoofdwarmtewisselaar verlaat, is een aanzienlijk deel ervan afgekoeld tot het vloeibaarmakingspunt, klaar om de scheidingskolommen binnen te gaan voor gefractioneerde destillatie.
Dubbele-kolomdestillatie (de dubbele kolom van Linde)
De kernscheiding vindt plaats in de koelbox, een zwaar geïsoleerde behuizing waarin de destillatiekolommen, condensors en leidingen zijn ondergebracht. De meeste industriële luchtscheidingsunits maken gebruik van een dubbele-kolomopstelling, bestaande uit een hoge-drukkolom en een lage-kolom die thermisch is verbonden door een condensor-verdamper. In de hogedrukkolom, die rond de vijf tot zes bar werkt, wordt de lucht bovenaan gedeeltelijk gescheiden in stikstofgas en onderaan een met zuurstof-verrijkte vloeistof. Deze met zuurstof-verrijkte vloeistof wordt overgebracht naar de lage-drukkolom. Omdat stikstof een lager kookpunt heeft dan zuurstof, wordt stikstof met hoge-zuiverheid onttrokken aan de bovenkant van de kolom met lage-druk, terwijl vloeibare of gasvormige zuurstof met hoge-zuiverheid wordt verzameld vanaf de onderkant. Als argonterugwinning nodig is, wordt een speciale zijkolom-in het systeem geïntegreerd om argon van het zuurstof-stikstofmengsel te scheiden, waarbij gebruik wordt gemaakt van het middenkookpunt.

 

Belangrijke industriële toepassingen van ASU-producten
De gassen die door een luchtscheidingseenheid worden geproduceerd, dienen als fundamentele grondstoffen en nutsvoorzieningen in een breed spectrum van mondiale industrieën en stimuleren de economische productie, technologische productie en gezondheidszorginfrastructuur.
Staalproductie en metaalproductie
De metallurgische industrie is historisch gezien de grootste verbruiker van de productie van welke luchtscheidingseenheid dan ook. Hoog{1}}zuivere zuurstof wordt geïnjecteerd in hoogovens en basiszuurstofovens (BOF's) om gesmolten ijzer snel te ontkolen en om te zetten in staal van hoge- kwaliteit, waardoor de verbrandingstemperaturen aanzienlijk worden verhoogd en de productie-efficiëntie wordt verbeterd zonder de introductie van stikstofonzuiverheden die structurele brosheid veroorzaken. Stikstof wordt veelvuldig gebruikt als inert beschermgas tijdens uitgloei-, warmtebehandeling- en metaalsnijprocessen om oxidatie en aanslagvorming te voorkomen. Bovendien dient argon als een essentieel beschermgas bij gaswolfraambooglassen (GTAW) en gasmetaalbooglassen (GMAW) om gesmolten lasbaden te beschermen tegen atmosferische stikstof- en zuurstofverontreiniging, waardoor lasverbindingen met een hoge- integriteit worden gegarandeerd.
Chemische en petrochemische verwerking
Chemische synthese en petrochemische raffinage zijn sterk afhankelijk van grootschalige luchtscheidingseenheden- om kernreagentia en beschermende atmosferen te bieden. Zuurstof is een primaire reactant in gedeeltelijke oxidatieprocessen die worden gebruikt om synthesegas (syngas) te produceren, een mengsel van waterstof en koolmonoxide dat vervolgens wordt omgezet in ammoniak, methanol en synthetische vloeibare brandstoffen. Zuurstof wordt ook gebruikt bij de productie van waardevolle chemische tussenproducten zoals ethyleenoxide en propyleenoxide. Stikstof speelt een even cruciale rol in chemische fabrieken, waar het wordt gebruikt voor het afdekken van opslagtanks, het zuiveren van pijpleidingen, het verdringen van brandbare dampen om catastrofale branden en explosies te voorkomen, en als draaggas bij gevoelige chemische reacties.
Gezondheidszorg, elektronica en schone energie
Naast de zware industrie raken de resultaten van een luchtscheidingseenheid ook kritische high{0}}technologische en maatschappelijke sectoren. In de gezondheidszorg wordt zuurstof van medische{2}}kwaliteit aan ziekenhuizen geleverd via pijpleidingnetwerken of cryogene opslagtanks ter ondersteuning van de ademhaling van patiënten, chirurgische procedures en spoedeisende zorg. In de productiesector van halfgeleiders en elektronica is ultra{4}}hoog-zuivere stikstof in enorme hoeveelheden nodig om ongerepte, inerte omgevingen te creëren tijdens het reinigen van wafers, fotolithografie en het verpakken van siliciumchips, waar een enkele microscopische verontreiniging een hele productiebatch kan ruïneren. Bovendien maken opkomende groene energietechnologieën gebruik van ASU-geproduceerde zuurstof voor schone steenkoolvergassing, koolstofafvangsystemen en geavanceerde waterstofproductiefaciliteiten, waardoor industriële gasfabrieken in de voorhoede van de mondiale transitie naar duurzame energieoplossingen worden geplaatst.

 

Conclusie
De luchtscheidingseenheid geldt als een van de meest opmerkelijke prestaties van de toegepaste thermodynamica en chemische technologie. Door gebruik te maken van de fysische eigenschappen van atmosferische gassen bij cryogene temperaturen, zet een luchtscheidingseenheid voortdurend gewone omgevingslucht om in vitale industriële goederen met uitzonderlijke zuiverheidsniveaus. Van de initiële compressie in meerdere- fasen en nauwkeurige zuiveringsfasen tot de ingewikkelde gefractioneerde destillatie die plaatsvindt in geïsoleerde koelboxen: elk subsysteem is ontworpen voor optimale operationele efficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid. Naarmate de mondiale industriële vraag zich uitbreidt in de richting van geavanceerde productie, initiatieven op het gebied van schone energie en een uitgebreide gezondheidszorginfrastructuur, zal het strategische belang van de Air Separation Unit alleen maar blijven groeien, waardoor een betrouwbare levering van de elementaire bouwstenen wordt gewaarborgd die de moderne beschaving aandrijven.