Luftseparationsenhet för kemikalie

Cryogenic Air Separation Technology har framgångsrikt använts under många år för att tillhandahålla syre för förgasning av olika kolväte -råvaror för att producera syngas för produktion av bränslen, kemikalier och andra värdefulla produkter. Exempel inkluderar
Omvandling av flytande och fast avfall från raffinaderier till väte för användning inre raffinaderier, såväl som samproduktionen av elektricitet, och det växande intresset för naturgasens kondenseringsprocesser som omvandlar naturgas till syntetisk råolja, vaxer och bränslen. Under de senaste åren, för att minska utrustningskostnaden eller förbättra effektiviteten, har kombinationen av syreproduktionsprocessen och nedströms kolvätebearbetningsanläggning fått mer och mer uppmärksamhet. Traditionella och utvecklande syreproduktionsprocesser och integrerade system för att förbättra ekonomin i dessa anläggningar beskrivs.

 

Innehåll

1. Översikt över icke-kryogen industriell gasbearbetningsteknik

   1.1 adsorption

   1.2 Polymermembransystem

2. Låg temperatur industriell gasbearbetningsteknologi

   2.1 Översikt över kryogen bearbetning

   2.2 Kompressionscykelcykel

   2.3 Pumpning av vätskecykelpumpande vätskecykel

   2.4 Lågtryck och högtryckscykler

3. Komparison för processalternativ och teknikförbättringar

4.CONCLUSION

Kontakta nu

1. Översikt över icke-kryogen industriell gasbearbetningsteknik

1.1 adsorption

Adsorptionsprocessen är baserad på förmågan hos vissa naturliga och syntetiska material att företrädesvis adsorberingskväve. När det gäller zeoliter existerar ett inhomogent elektriskt fält i materialets tomrum, vilket resulterar i preferensadsorption av molekyler som är mer polariserade, såsom de med större elektrostatiska kvadrupolmoment. Således, vid luftseparation, adsorberas kvävemolekyler mer starkt än syre- eller argonmolekyler. När luften passerar genom ett skikt av zeolitmaterial, bibehålls kvävet och en syresrik ström lämnar zeolitskiktet. Kolmolekylsiktar har samma storleksordning som luftmolekyler. Eftersom syremolekyler är något mindre än kvävemolekyler, diffunderar de in i adsorbentens hålrum. Således är kolmolekylsiktar selektiva för syre och molekylsiktar är selektiva för kväve. Zeoliter används ofta i adsorptionsbaserade syreproduktionsprocesser. Tryckluft matas in i ett kärl som innehåller adsorbenten. Kväve adsorberas och en syre-rik avloppsvattenström produceras tills sängen är mättad med kväve. Vid denna tidpunkt byts matningsluften till ett nytt kärl och regenerering av den första sängen kan börja. Regenerering kan uppnås genom att värma sängen eller minska sängtrycket, vilket minskar jämviktskväveinnehållet i adsorbenten. Uppvärmning kallas vanligtvis temperatursvängadsorption (TSA) och att minska trycket kallas vanligtvis trycksvängning eller vakuumsvingadsorption (PSA eller VSA). Reducerat tryck har en kort cykel och är enkel att använda, vilket gör det till den föredragna processen för luftseparationsanläggningar. Processvariationer som påverkar driftseffektiviteten inkluderar förbehandling av luften för att avlägsna vatten och koldioxid separat, flera bäddar för att möjliggöra tryckenergiåtervinning under bäddbyte och vakuumdrift under reducerat tryck. Systemet är optimerat baserat på produktflöde, renhet, tryck, energiförbrukning och förväntad livslängd. Syre renhet är vanligtvis 93 till 95 volymprocent.

 

1.2 Polymermembransystem

Membranprocesser som använder polymermaterial är baserade på skillnaderna i diffusionshastigheterna för syre och kväve genom ett membran som separerar högtrycks- och lågtrycksprocessströmmar. Flux och selektivitet är två egenskaper som bestämmer ekonomin i ett membransystem, och båda är funktioner för det specifika membranmaterialet. Membranflödet bestämmer membranets ytarea och är en funktion av tryckskillnaden dividerad med membrantjockleken. Proportionalitetskonstanten som varierar med typen av membran kallas permeabiliteten. Selektivitet är förhållandet mellan permeabiliteterna för gaserna som ska separeras. De flesta membranmaterial är mer permeabla för syre än för kväve på grund av den mindre storleken på syremolekylen. Membransystem är i allmänhet begränsade till produktion av syreberikad luft (25% till 50% syre). Aktiva eller underlättade överföringsmembran innehåller ett syrekomplexeringsmedel för att öka syreselektiviteten och är en potentiell metod för att öka syre -renheten i membransystem, förutsatt att membranmaterial som är kompatibla med syre också finns tillgängliga. En stor fördel med membranseparation är processens enkelhet, dess kontinuitet och dess drift under nästan ambient förhållanden. Blåsaren ger tillräckligt med huvudtrycket för att övervinna tryckfallet över filter, membranrör och rörledningar. Membranmaterial monteras vanligtvis i cylindriska moduler som är kopplade samman med flera anslutningar för att tillhandahålla den nödvändiga produktionskapaciteten. Syre genomsyrar genom fibrerna (ihålig fibertyp) eller genom ark (spiralsårtyp) och extraheras som en produkt. En vakuumpump upprätthåller vanligtvis tryckskillnaden över membranet och levererar syre vid det erforderliga trycket. Koldioxid och vatten finns vanligtvis i den syreberikade luftprodukten eftersom de är mer permeabla än syre för de flesta membranmaterial. Membransystem är emellertid enkelt anpassade till tillämpningar på upp till 20 ton per dag, där luftens renhet berikad med vatten- och koldioxidföroreningar kan tolereras. Denna teknik är nyare än adsorption eller kryogen teknik, och förbättringar av material kan göra membran mer attraktiva för större syrebehov.

 

2. Låg temperatur industriell gasbearbetningsteknologi

2.1 Översikt över kryogen bearbetning

Cryogenic Air Separation Technology är för närvarande den mest effektiva och kostnadseffektiva tekniken för att producera stora mängder gasformiga eller flytande syre, kväve och argon. Luftseparationsenheter (ASUS) använder en konventionell multikolumn kryogen destillationsprocess för att producera syre från tryckluft vid hög återhämtning och renhet. Kryogen teknik kan också producera kväve med hög renhet som en användbar biproduktström till relativt låga inkrementella kostnader. Dessutom kan flytande argon, flytande syre och flytande kväve läggas till produktskiffer för lagring av produktbackup eller biproduktförsäljning till lågt inkrementella kapital och elkostnader. Forskning fortsätter på sätt att öka produktiviteten hos enskilda utrustningståg som ett sätt att minska enhetskostnaderna genom stordriftsfördelar. De flesta utrustningar använder konventionella elmotorer för att driva utrustningen för att komprimera luftfoder till ASU, såväl som syre och andra produktströmmar. Det är anmärkningsvärt att IGCC -anläggningar får all sin lufttillförsel genom att extrahera luft från gasturbinerna som används i den kombinerade cykeln för att producera elektricitet från kolsyntesgas.

 

2.2 Kompressionscykelcykel

Luftseparationsprocesser producerar vanligtvis en gasproduktström vid något över atmosfärstrycket och nära omgivningstemperatur. Vanligtvis lämnar produktens syre huvudvärmeväxlaren vid lågt tryck, allt från 3,5 till 7 0. 0 MPa och ett centrifugaltågtåg med en relativt hög inloppsvolymhastighet levererar produkten vid det erforderliga trycket.

 

2.3 Pumpning av vätskecykelpumpande vätskecykel

Flytande produkter kan tas från de kryogena värmeväxlarna uppströms om destillationssektionen för indunstning och uppvärmning. Dessa produkter kan pumpas till önskat leveranstryck eller mellantryck. Eftersom den kraft som krävs för att producera flytande produkter från ett destillationssystem är 2 till 3 gånger det för att producera gasformiga produkter, måste cykeln vara effektiv för att återvinna kylmediet i den pumpade produktströmmen. Detta åstadkoms genom att kondensera den förångade produktströmmen i den kryogena värmeväxlaren mot en högtrycksluft eller kvävematningsström. Det flytande luften eller kvävefodret återförs till destillationssektionen för kylning. Pumpade vätskeprocesscykler som pumpar produktströmmar till ett mellanliggande tryck vid utloppet av luftseparationsenheten kallas partiella pumpade vätskecykler och kräver ytterligare utrustning för att komprimera produktströmmen till det slutliga leveranstrycket. Full eller partiell pumpning av produktströmmarna lägger till en annan grad av frihet för att optimera den kryogena cykeln och kan eliminera eller minska storleken på syrekompressorn.

2.4 Lågtryck och högtryckscykler
Lågtryck (LP) luftseparationsenhetscykler är baserade på att komprimera foderluften endast med tryckkravet för att avvisa kvävebiprodukten vid atmosfärstryck. Därför varierar foderluftstrycket vanligtvis mellan 360 och 6 000 MPA, beroende på syre renhet och den önskade energieffektiviteten. Högtryck ASU-cykler producerar produkt- och biproduktströmmar vid tryck långt över atmosfärstrycket, vilket vanligtvis kräver mindre och mer kompakta kryogena komponenter, vilket kan spara kostnader. EP -cykler använder vanligtvis foderluftstryck som överstiger 700 MPa. EP -cykeln kan vara lämplig när hela eller nästan hela kvävebiprodukten komprimeras som en produktström. Dessutom väljs EP -cykeln ofta för att integrera ASU med andra processenheter, såsom gasturbiner.

 

3. Komparison för processalternativ och teknikförbättringar

 

Adsorptions- och polymermembranprocesser kommer att fortsätta att förbättras i kostnader och energieffektivitet genom fortsatt forskning och utveckling av adsorbenter och membranmaterial. Ingen av tekniken förväntas utmana kryogen teknik i sin förmåga att producera stora mängder syre, särskilt med högre renhet. Både adsorptions- och membransystem producerar biproduktkväve som innehåller betydande mängder syre. Om kväve med hög renhet krävs måste ytterligare deoxygenering eller andra reningssystem användas för att förbättra kvävekvaliteten. Ingen av processerna kan direkt producera argon eller ädla gaser. Produktionen av flytande syre eller kväve för systembackup kräver ytterligare kryogen utrustning eller produkttransport från anläggningens utrustning. Å andra sidan är adsorptions- och membranprocesser enklare och mer passiva än kryogena tekniker. Luft extraherad från gasturbinkompressorn kan delvis eller fullständigt uppfylla ASU -foderkraven. I en enkel konfiguration kommer ASU -destillationstrycket att ställa ut extraktionens lufttryck. Om extraktionsluftflödet är mindre än den totala ASU som krävs kommer en hjälpluftkompressor att användas, vars urladdningstryck matchar extraktionens lufttryck. Om den extraherade lufttillförseln är ungefär en fjärdedel av den totala ASU-efterfrågan, kan ASU-destillationstrycket fastställas oberoende och en pumpad vätskeprocess kan användas.

Luftet med hög tryck extraktion kokar tryck vätsket syre eller kväve i den kryogena värmeväxlingszonen. Hjälputbudet för tryckluft sätter ASU -destillationstrycket.

I anläggningar som använder gasturbiner kan luft extraheras av olika skäl.
Som foder till en luftseparationsenhet, som "avgaser" kylluft för själva turbinen, eller andra krav för trycksatt luft inom anläggningen. Den extraherade luften innehåller värdefull värme som kan återvinnas genom kokande vätska vid diskreta temperaturnivåer eller genom förnuftig värmeöverföring till en annan vätska. En klass av applikationer som använder återvunnen värme är lösningsmedelsregenerering, som är en process som först utför ett gas/vätskebanakssteg och överför sedan värme till vätskan till desorberande gasformiga produkter eller föroreningar. Detta steg har den egenskap som exempel på processer som kan dra nytta av denna värmeintegration inkluderar, men inte är begränsade till, följande enhetsoperationer som finns i kolväteförgasning eller kolvätebearbetningsanläggningar. Regenerering av ett vätskebaserat luftbehandlingssystem som en del av en kryogen luftseparationsenhet. Vätskebaserade absorptionssteg för att avlägsna föroreningar från luftmatningsströmmar till luftseparationsanläggningar kan dra nytta av utvinning av luftvärme. I en utföringsform kyls varmluft i förhållande till vätskebotten från en absorberkolonn. Den kylda luften kommer in i kolonnen och kontakter vätskesabsorberande, där föroreningar i luftströmmen absorberas i vätskan. Luft-till-absorbent uppvärmningssteget desorberar föroreningarna från den absorberande vätskan, som sedan återförs till den absorberande kolonnen. Absorptionssystemet kan inkludera en eller flera vätskor i flera absorptionssteg för att öka effektiviteten avlägsnande eller använda specifika absorbenter för att ta bort specifika föroreningar från luftströmmen. Absorberande regenerering kan inkludera uppvärmning från andra källor, i kombination med uppvärmning för att minska trycket till desorb föroreningar. Värme från den extraherade luften kan återvinnas genom indirekt kontakt med den varma luften med en processvätska, eller genom värmeöverföring från luft till en arbetsvätska såsom ånga eller en inert gas. I det här exemplet överförs den höga värmenivån som genereras från den extraherade luftkällan till kväveströmmen som återgår till gasturbinen. Den extraherade luften kyls ytterligare genom kontakt med de absorberande anrikade bottnarna som används för att förbehandla luftfoder till ASU.
Detta värmeöverföringssteg kan också åstadkommas i andra absorptionssystem inom POX- eller POX -produktarbetsområdet för anläggningen. Beroende på lösningsmedel och absorptionsmaterial kan högnivåvärmeåtervinningssteg elimineras och all den extraherade luftvärmen som används för absorberregenerering.
CO2 kan behandlas och säljas som en biprodukt eller användas i anläggningen. Ett exempel är att returnera CO2 till gasturbinen som ett extra utspädningsmedel.

 

4.CONCLUSION

Kryogena processer är för närvarande den föredragna metoden för att leverera industriella gaser till stora anläggningar. Integration av värme, kylning, process- och avfallsströmmar mellan industriella gasprocesser och andra enheter i hela anläggningen kan förbättra effektiviteten och minska kostnaderna. Avancerade värmeintegrationskoncept kan underlätta användningen av kemiska eller ITM -processer i framtiden.