Технология криогенного разделения воздуха (КВС) является основным средством получения промышленных газов, таких как кислород, азот и аргон, в современной промышленности. Разделяя воздух при низких температурах, можно производить в больших масштабах кислород, азот и аргон высокой-чистоты, удовлетворяя разнообразные потребности промышленных газов в таких отраслях, как сталелитейная, химическая, электронная и энергетическая. В этом отчете объясняются принципы и технологический процесс криогенного разделения воздуха, уделяя особое внимание его типичным применениям в различных отраслях промышленности, тенденциям технологического развития и опыту инженерной практики.
Оглавление
Основные принципы криогенного разделения воздуха
Поток процесса и основные элементы
Типичный масштаб предприятия и промышленное развитие
Применение в сталелитейной промышленности
Применение в химической промышленности
Приложения в электронной промышленности
Применение в энергетической отрасли
Тенденции технологического развития и инженерная практика
Краткое содержание
1. Основные принципы криогенного разделения воздуха.
Воздух в основном состоит из азота (около 78%), кислорода (около 21%) и небольшого количества аргона (около 0,9%). Точки кипения кислорода, азота и аргона значительно различаются (азот ≈ -196 градусов, аргон ≈ -186 градусов, кислород ≈ -183 градусов), что обеспечивает теоретическую основу для разделения криогенной перегонкой. Криогенная сепарация воздуха использует эту особенность, обеспечивая одновременное производство кислорода, азота и аргона высокой-чистоты посредством сжижения воздуха и многоступенчатого дистилляционного разделения. По сравнению с такими методами, как мембранное разделение или адсорбция при переменном давлении, криогенное разделение воздуха, хотя и энергоемкое, предлагает такие преимущества, как высокая производительность, высокая чистота и возможность одновременного извлечения редких газов, что делает его основной технологией для крупномасштабного промышленного производства газа.
2. Процесс и основные этапы
Процесс криогенного разделения воздуха в основном включает в себя следующие этапы:
Сжатие и очистка воздуха
Окружающий воздух сначала сжимается компрессором, а примеси, такие как влага и углекислый газ, удаляются, чтобы предотвратить обледенение и блокировку оборудования на этапе низких-температур.
Охлаждение и сжижение
Воздух охлаждается до температуры сжижения в цикле охлаждения, в результате чего образуется жидкий воздух, являющийся сырьем для последующей перегонки.
Дистилляционное разделение высокого- и низкого- давления
Жидкий воздух поступает в дистилляционные колонны высокого-давления и низкого-давления для фракционирования. Азот обогащается в верхней части колонны высокого-давления, а в нижней части находится кислородсодержащая-жидкость. Кислород-содержащая жидкость поступает в колонну низкого-давления для дальнейшей дистилляции, в конечном итоге получая кислород и азот высокой-чистоты.
Аргон как побочный продукт отбирается из бокового потока колонны низкого-давления и дополнительно очищается в колонне для перегонки аргона.
Through multi-stage distillation, high-purity oxygen (>99.9%), high-purity nitrogen (>99,9%), а промышленный аргон можно производить одновременно, обеспечивая диверсификацию поставок для промышленных нужд.
3. Типичный масштаб предприятия и промышленное развитие
С момента индустриализации в начале 20-го века технология криогенного разделения воздуха постоянно расширялась в масштабах предприятий. В 1902 году был представлен первый промышленный генератор кислорода, позволяющий производить жидкий кислород. Сегодня одна крупная-установка разделения воздуха имеет производительность по производству кислорода 5000 тонн/день, что делает ее одной из крупнейших в мире установок разделения воздуха. Крупномасштабные системы подачи кислорода-обычно развертываются на сталелитейных производственных базах, в химических промышленных парках и энергетических компаниях и обеспечивают стабильную подачу газов высокой-чистоты, выступая в качестве спасательного круга для современного промышленного производства.
4. Применение в сталелитейной промышленности.
Процесс производства стали имеет огромную потребность в кислороде:
Производство чугуна в доменной печи: увеличение степени обогащения доменной печи кислородом увеличивает температуру горения, ускоряет окисление примесей и повышает эффективность производства чугуна.
Конвертерное производство стали. Впрыск чистого кислорода в расплавленную сталь увеличивает производительность и скорость рафинирования.
Потребление кислорода: Для производства 1 тонны конвертерной стали необходимо около 50 кубических метров или более кислорода. Крупные сталелитейные заводы обычно строят собственные станции разделения воздуха, чтобы обеспечить непрерывную подачу.
Азот используется в сталелитейной промышленности в качестве инертного защитного и продувочного газа:
Защита расплавленной стали при непрерывной разливке для предотвращения окисления воздухом;
Взрывозащита-при вдувании пылеугольного топлива в доменную печь и рекуперации конвертерного газа;
Обеспечение безопасности путем продувки трубопроводов при проведении остановочных работ.
Аргон в основном используется при ковшевом рафинировании (например, AOD-рафинировании), удалении примесей и достижении гомогенизации расплавленной стали путем ее перемешивания. Крупные сталелитейные предприятия используют несколько установок разделения воздуха для обеспечения непрерывной работы доменных печей, конвертеров и процессов нефтепереработки.
5. Применение в химической промышленности.
В химической промышленности криогенные воздухоразделительные установки выделяют кислород, азот и аргон, которые широко используются для:
Кислород используется при крекинге, реакциях частичного окисления и процессах сжигания;
Азот создает инертную атмосферу для предотвращения взрывов или окисления во время химических реакций;
Аргон используется в специальных реакциях синтеза или химических процессах высокой-чистоты, чтобы обеспечить стабильную реакционную среду.
Химические промышленные парки обычно имеют большие станции разделения воздуха, чтобы обеспечить непрерывную и стабильную подачу газа по всей производственной линии.
6. Применение в электронной промышленности
В электронной и полупроводниковой промышленности предъявляются чрезвычайно высокие требования к газам высокой-чистоты:
Азот используется в качестве инертного защитного газа для предотвращения окисления технологических материалов;
Аргон используется в качестве газа-носителя или защитного газа при осаждении тонких пленок, упаковке и производстве полупроводников;
Кислород помогает проводить высокоточные-реакции в процессах фотолитографии и травления.
Высокая чистота и высокая стабильность криогенных воздухоразделительных установок делают их незаменимым источником технических газов для электронной промышленности.
7. Применение в энергетике
Потребность энергетической отрасли в промышленных газах в основном сосредоточена на:
Кислород при горении. Газовые турбины и угольные-электростанции могут повысить эффективность сгорания за счет использования кислорода для облегчения сгорания;
Инертная защита: Азот используется для защиты от взрыва в резервуарах для хранения, трубопроводах и реакционных системах;
Применение сжиженного газа: жидкий кислород и жидкий азот играют ключевую роль в хранении энергии, сверхпроводимости и новых энергетических технологиях.
Крупномасштабные-энергетические проекты обычно оборудуются воздухоразделительными установками для объединения производства энергии с подачей промышленного газа.
8. Тенденции технологического развития и инженерная практика.
Последние тенденции развития технологии криогенного разделения воздуха включают:
Масштабирование-модулей: стремление к повышению производительности и снижению энергопотребления на единицу воздухоразделительного оборудования;
Интеллектуализация и автоматизация: внедрение систем DCS/PLC для обеспечения круглосуточной непрерывной работы и мониторинга-в режиме реального времени;
Оптимизация рекуперации энергии: снижение общего энергопотребления за счет оптимизации конструкции детандеров, турбин и теплообменников;
Разработка дополнительных-продуктов: добавление установок по улавливанию аргона и других редких газов для повышения экономической ценности.
Инженерная практика показала, что разумная конфигурация оборудования, точная очистка газа и конструкция холодильной камеры являются залогом эффективной и стабильной работы оборудования.
9. Заключение
Технология криогенного разделения воздуха обеспечивает крупномасштабное-производство-высокочистого кислорода, азота и аргона посредством низко-дистилляции воздуха и стала фундаментальной гарантией для современной сталелитейной, химической, электронной и энергетической промышленности. Его преимущества заключаются в больших масштабах, высокой чистоте газа и возможности одновременного извлечения редких газов. Сталелитейная промышленность полагается на воздухоразделительные установки для обеспечения непрерывной и эффективной работы процессов производства чугуна, стали и нефтепереработки; химическая промышленность обеспечивает безопасность реакций и качество продукции; электронная промышленность удовлетворяет потребность в газах высокой-чистоты; а энергетическая промышленность повышает эффективность и безопасность сгорания. Благодаря постоянной технологической оптимизации и развитию интеллектуального управления криогенное разделение воздуха будет продолжать играть важную роль в будущем промышленном производстве.
