Luftrenneinheit für Chemikalie

Die kryogene Luftabteilungstechnologie wird seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt, um Sauerstoff für die Vergasung verschiedener Kohlenwasserstoff -Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Syntien für die Herstellung von Kraftstoffen, Chemikalien und anderen wertvollen Produkten bereitzustellen. Beispiele sind die
Umwandlung von flüssigen und festen Abfällen von Raffinerien in Wasserstoff für die Verwendung innerhalb von Raffinerien sowie die Koproduktion der Elektrizität sowie das wachsende Interesse an Erdgas-Verflüssigungsprozessen, die Erdgas in synthetische Rohöl, Wachsen und Brennstoffe umwandeln. In den letzten Jahren, um die Gerätekosten zu senken oder die Effizienz zu verbessern, hat die Kombination aus Sauerstoffproduktionsprozess und nachgeschalteter Kohlenwasserstoffverarbeitungsanlage immer mehr Aufmerksamkeit erhalten. Es werden traditionelle und sich entwickelnde Sauerstoffproduktionsprozesse und integrierte Programme zur Verbesserung der Wirtschaft dieser Einrichtungen beschrieben.

 

Inhalt

1. Overview der nicht kryogenen Industriegasverarbeitungstechnologie

   1.1 Adsorption

   1,2 Polymermembransystem

2. Temperatur Industriegasverarbeitungstechnologie

   2.1 Überblick über die kryogene Verarbeitung

   2.2 Kompressionszyclekompressionszyklus

   2.3 Flüssigkeitszykluspumpen -Flüssigkeitszyklus pumpen

   2,4 Niedrigdruck- und Hochdruckzyklen

3. Verbreitung von Prozessalternativen und Technologieverbesserungen

4. Schluss

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1. Overview der nicht kryogenen Industriegasverarbeitungstechnologie

1.1 Adsorption

Der Adsorptionsprozess basiert auf der Fähigkeit einiger natürlicher und synthetischer Materialien, Stickstoff bevorzugt zu adsorbieren. Im Fall von Zeolithen existiert ein inhomogenes elektrisches Feld in den Hohlräumen des Materials, was zu der bevorzugten Adsorption von molekülen, die polarisierter sind, wie solche mit größeren elektrostatischen Quadrupolmomenten. Somit sind bei der Lufttrennung Stickstoffmoleküle stärker adsorbiert als Sauerstoff- oder Argonmoleküle. Wenn Luft durch eine Schicht Zeolithmaterial durchläuft, bleibt der Stickstoff beibehalten und ein sauerstoffreicher Strom verlässt die Zeolithschicht. Kohlenstoffmolekularsieben sind in der gleichen Größenordnung wie Luftmoleküle. Da Sauerstoffmoleküle etwas kleiner sind als Stickstoffmoleküle, diffundieren sie schneller in die Hohlräume des Adsorbens. Daher sind Kohlenstoffmolekülmittel für Sauerstoff selektiv und molekulare Sieben für Stickstoff selektiv. Zeolithe werden üblicherweise in adsorptionsbasierten Sauerstoffproduktionsprozessen verwendet. Druckluft wird in ein Schiff eingespeist, das das Adsorbens enthält. Stickstoff wird adsorbiert und ein sauerstoffreicher Abwasserstrom wird erzeugt, bis das Bett mit Stickstoff gesättigt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Futterluft auf ein frisches Gefäß umgestellt, und die Regeneration des ersten Bettes kann beginnen. Die Regeneration kann erreicht werden, indem das Bett erwärmt oder den Bettdruck reduziert wird, wodurch der Gleichgewichtsstickstoffgehalt des Adsorbens verringert wird. Die Erwärmung wird normalerweise als Temperaturschwung Adsorption (TSA) bezeichnet und die Reduzierung des Drucks wird normalerweise als Druckschwingen oder Vakuumschwung -Adsorption (PSA oder VSA) bezeichnet. Ein reduzierter Druck hat einen kurzen Zyklus und ist einfach zu bedienen, sodass er zum bevorzugten Prozess für Luftrennungsanlagen ist. Prozessvariationen, die die Betriebseffizienz beeinflussen, umfassen die Vorbehandlung der Luft, um Wasser und Kohlendioxid getrennt zu entfernen, mehrere Betten, um die Druckergiewiederherstellung während des Bettwechsels zu ermöglichen, und den Vakuumbetrieb während des reduzierten Drucks. Das System wird basierend auf Produktfluss, Reinheit, Druck, Energieverbrauch und erwarteter Lebensdauer optimiert. Die Sauerstoffreinheit beträgt typischerweise 93% bis 95% im Volumen.

 

1,2 Polymermembransystem

Membranprozesse unter Verwendung von polymeren Materialien basieren auf den Unterschieden in den Diffusionsraten von Sauerstoff und Stickstoff durch eine Membran, die Hochdruck- und Niederdruckprozessströme trennt. Fluss und Selektivität sind zwei Eigenschaften, die die Ökonomie eines Membransystems bestimmen, und beide sind Funktionen des spezifischen Membranmaterials. Der Membranfluss bestimmt die Oberfläche der Membran und ist eine Funktion der Druckdifferenz geteilt durch die Membrandicke. Die Verhältnismäßigkeitskonstante, die mit der Art der Membran variiert, wird als Permeabilität bezeichnet. Die Selektivität ist das Verhältnis der Permeabilitäten der zu getrennten Gase. Die meisten Membranmaterialien sind aufgrund der geringeren Größe des Sauerstoffmoleküls für Sauerstoff als Stickstoff durchlässiger als für Stickstoff. Membransysteme sind im Allgemeinen auf die Produktion von Sauerstoff angereichert (25 bis 50% Sauerstoff). Aktive oder erleichterte Übertragungsmembranen enthalten ein Sauerstoffkomplexierungsmittel, um die Sauerstoffselektivität zu erhöhen, und sind eine potenzielle Methode zur Erhöhung der Sauerstoffreinheit in Membransystemen, vorausgesetzt, dass auch Membranmaterialien, die mit Sauerstoff kompatibel sind, ebenfalls verfügbar sind. Ein wesentlicher Vorteil der Membrantrennung ist die Einfachheit des Prozesses, seine Kontinuität und deren Betrieb bei nahezu am Ampern. Das Gebläse bietet ausreichend Kopfdruck, um den Druckabfall über Filter, Membranrohre und Rohrleitungen zu überwinden. Membranmaterialien werden normalerweise zu zylindrischen Modulen zusammengesetzt, die durch mehrere Verbindungen miteinander verbunden sind, um die erforderliche Produktionskapazität bereitzustellen. Sauerstoff durchdringt durch die Fasern (Hohlfasertyp) oder durch die Blätter (Spiralwundtyp) und wird als Produkt extrahiert. Eine Vakuumpumpe hält normalerweise das Druckdifferential über die Membran und liefert den Sauerstoff am erforderlichen Druck. Kohlendioxid und Wasser sind normalerweise im Sauerstoff angereicherten Luftprodukt vorhanden, da sie für die meisten Membranmaterialien durchlässiger als Sauerstoff sind. Membransysteme können jedoch leicht an Anwendungen von bis zu 20 Tonnen pro Tag angepasst werden, wobei die Reinheit der mit Wasser- und Kohlendioxid -Verunreinigungen angereicherten Luft toleriert werden kann. Diese Technologie ist neuer als Adsorption oder kryogene Technologien, und Verbesserungen der Materialien können Membranen für größere Sauerstoffanforderungen attraktiver machen.

 

2. Temperatur Industriegasverarbeitungstechnologie

2.1 Überblick über die kryogene Verarbeitung

Die kryogene Luftabteilungstechnologie ist derzeit die effizienteste und kostengünstigste Technologie, um große Mengen an gasförmigen oder flüssigen Sauerstoff, Stickstoff und Argon zu erzeugen. Luftrenneinheiten (ASUS) verwenden einen herkömmlichen mehrspaligen kryogenen Destillationsprozess, um Sauerstoff aus Druckluft bei hoher Erholung und Reinheit zu erzeugen. Kryogene Technologie kann auch Stickstoff mit hohem Purity als nützlicher Nebenproduktstrom zu relativ niedrigen inkrementellen Kosten produzieren. Darüber hinaus können flüssiger Argon, flüssiges Sauerstoff und flüssiges Stickstoff zum Produktschiefer zur Lagerung von Produktsicherungen oder Nebenprodukten mit niedrigem inkrementellen Kapital- und Stromkosten zugesetzt werden. Die Forschung setzt sich fort, um die Produktivität einzelner Gerätezüge zu steigern, um die Kosten für Skaleneffekte zu senken. Die meisten Geräte verwenden herkömmliche Elektromotoren, um die Geräte zu fahren, um die Luftversorgung an die ASU sowie Sauerstoff- und andere Produktströme zu komprimieren. Es ist bemerkenswert, dass IGCC -Einrichtungen ihre gesamte Luftversorgung erhalten, indem sie Luft aus den im kombinierten Zyklus verwendeten Gasturbinen extrahieren, um Strom aus Kohle -Synthesegas zu erzeugen.

 

2.2 Kompressionszyclekompressionszyklus

Lufttrennprozesse erzeugen typischerweise einen Gasproduktstrom mit geringfügig oberhalb des atmosphärischen Drucks und nahe der Umgebungstemperatur. Typischerweise verlässt das Produkt Sauerstoff den Hauptwärmetauscher mit niedrigem Druck im Bereich von 3,5 bis 7 0. 0 MPa und ein Zentrifugal -Kompressor -Zug mit einer relativ hohen Einlassvolumenströmungsrate liefert das Produkt beim erforderlichen Druck.

 

2.3 Flüssigkeitszykluspumpen -Flüssigkeitszyklus pumpen

Flüssige Produkte können aus den kryogenen Wärmetauschern stromaufwärts des Destillationsabschnitts zur Verdunstung und Erwärmung entnommen werden. Diese Produkte können auf den gewünschten Lieferdruck oder den Zwischendruck gepumpt werden. Da jedoch die für die Herstellung von flüssigen Produkten aus einem Destillationssystem erforderliche Leistung das 2- bis dreifache der Herstellung von Gasprodukten beträgt, muss der Zyklus die im gepumpten Produktstrom enthaltenen Kältemittel effizient wiederherstellen. Dies wird erreicht, indem der verdampfte Produktstrom im kryogenen Wärmetauscher gegen Luft- oder Stickstoff -Futterstrom kondensiert wird. Die verflüssige Luft- oder Stickstofffutter wird zur Kühlung in den Destillationsabschnitt zurückgegeben. Pumpe Flüssigkeitsprozesszyklen, die Produktströme zu einem Zwischendruck am Auslass der Lufttrenneinheit pumpen, werden als teilweise gepumpte Flüssigkeitszyklen bezeichnet und benötigen zusätzliche Geräte, um den Produktstrom auf den endgültigen Abgabedruck zu komprimieren. Das vollständige oder teilweise Pumpen der Produktströme fügt einen weiteren Freiheitsgrad bei der Optimierung des kryogenen Zyklus hinzu und kann die Größe des Sauerstoffkompressors beseitigen oder verringern.

2,4 Niedrigdruck- und Hochdruckzyklen
Luftrenneinheitszyklen (niedriger Druck) basieren auf der Komprimierung der Futterluft nur mit dem Druckbedarf, das Stickstoff -Nebenprodukt bei atmosphärischem Druck abzulehnen. Daher variieren Futterluftdrücke in der Regel zwischen 360 und {6 000 MPA, abhängig von der Sauerstoffreinheit und dem gewünschten Niveau der Energieeffizienz. Hochdruck-ASU-Zyklen erzeugen Produkt- und Nebenproduktströme bei Drücken, die deutlich über dem atmosphärischen Druck liegen, was normalerweise kleinere und kompaktere kryogene Komponenten erfordert, was die Kosten sparen kann. EP -Zyklen verwenden typischerweise Futterluftdrücke von mehr als 700 MPa. Der EP -Zyklus kann angemessen sein, wenn alle oder fast das gesamte Stickstoff -Nebenprodukt als Produktstrom komprimiert werden. Darüber hinaus wird der EP -Zyklus häufig ausgewählt, um die ASU in andere Prozesseinheiten wie Gasturbinen zu integrieren.

 

3. Verbreitung von Prozessalternativen und Technologieverbesserungen

 

Adsorptions- und Polymermembranprozesse werden die Kosten und die Energieeffizienz durch fortgesetzte Forschung und Entwicklung von Adsorbentien und Membranmaterialien weiter verbessern. Es wird erwartet, dass keine Technologie die kryogene Technologie in ihrer Fähigkeit herausfordert, große Mengen an Sauerstoff zu produzieren, insbesondere bei höheren Reinheiten. Sowohl Adsorptions- als auch Membransysteme produzieren Nebenproduktstickstoff, das signifikante Mengen an Sauerstoff enthält. Wenn ein hoher Reinheitsstickstoff erforderlich ist, müssen zusätzliche Desoxygenierung oder andere Reinigungssysteme eingesetzt werden, um die Stickstoffqualität zu verbessern. Keiner der beiden Verfahren kann direkt Argon- oder Edelgase erzeugen. Die Produktion von flüssigem Sauerstoff oder Stickstoff für die Systemsicherung erfordert zusätzliche kryogene Geräte oder Produkttransport aus Anlagengeräten. Andererseits sind Adsorptions- und Membranprozesse einfacher und passiver als kryogene Technologien. Aus dem Gasturbinenkompressor extrahierte Luft kann die Futteranforderungen der ASU teilweise oder vollständig erfüllen. In einer einfachen Konfiguration setzt der ASU -Destillationsdruck den Extraktionsluftdruck. Wenn der Extraktionsluftfluss geringer ist als der Gesamt -ASU, der benötigt wird, wird ein Hilfsluftkompressor verwendet, dessen Auslassdruck mit dem Extraktionsluftdruck übereinstimmt. Wenn das extrahierte Luftangebot ungefähr ein Viertel des gesamten ASU-Bedarfs beträgt, kann der ASU-Destillationsdruck unabhängig festgelegt und ein gepumpter Flüssigkeitsprozess verwendet werden.

Die Hochdruckextraktionsluft kocht in der kryogenen Wärmeaustauschzone unter Druck gesetztes Sauerstoff oder Stickstoff. Die zusätzliche Druckluftversorgung setzt den ASU -Destillationsdruck fest.

In Einrichtungen mit Gasturbinen kann Luft aus verschiedenen Gründen extrahiert werden.
Als Vorspeise zu einer Lufttrenneinheit, als "Abgaberluft" für die Turbine selbst oder andere Anforderungen an Druckluft in der Einrichtung. Die extrahierte Luft enthält wertvolle Wärme, die durch Kochen von Flüssigkeit bei diskreten Temperaturniveaus oder durch sensible Wärmeübertragung auf eine andere Flüssigkeit gewonnen werden kann. Eine Klasse von Anwendungen, die gewonnene Wärme verwenden, ist die Lösungsmittelregeneration. Dies ist ein Prozess, der zuerst einen Gas-/Flüssigkeitsabsorptionsschritt durchführt und dann Wärme an die Flüssigkeit überträgt, um gasförmige Produkte oder Verunreinigungen zu desorbieren. Dieser Schritt besitzt die Eigenschaft, dass Beispiele für Prozesse, die von dieser Wärmeintegration profitieren können, die folgenden Einheitenvorgänge umfassen, die in Kohlenwasserstoffvergasung oder Kohlenwasserstoffverarbeitungsanlagen zu finden sind. Regeneration eines Luftvorbehandlungssystems auf Flüssigkeitsbasis als Teil einer kryogenen Luftabrechnung. Absorptionsschritte auf Flüssigkeitsbasis zum Entfernen von Kontaminanten von Luftversorgungsströmen bis zu Luftabstandsanlagen können von einer extraktiven Luftwärmeerfassungsrückgewinnung profitieren. In einer Ausführungsform wird heiße Luft relativ zum flüssigen Böden von einer Absorbersäule abgekühlt. Die abgekühlte Luft tritt in die Säule ein und kontaktiert die flüssige absorbierende, wo Verunreinigungen im Luftstrom in die Flüssigkeit aufgenommen werden. Die Luft-zu-absorbierende Heizschrittschrittdesorbs der Verunreinigungen von der saugfähigen Flüssigkeit, die dann in die saugfähige Säule zurückgegeben wird. Das Absorptionssystem kann ein oder mehrere Flüssigkeiten in mehreren Absorptionsschritten enthalten, um die Entfernung der Effizienz zu erhöhen oder spezifische Absorptionsmittel zu verwenden, um bestimmte Verunreinigungen aus dem Luftstrom zu entfernen. Die absorbierende Regeneration kann das Erwärmen aus anderen Quellen umfassen, kombiniert mit Heizung, um den Druck auf Desorb -Verunreinigungen zu verringern. Wärme aus der extrahierten Luft kann durch indirekten Kontakt der heißen Luft mit einer Prozessflüssigkeit oder durch Wärmeübertragung von Luft zu einer Arbeitsflüssigkeit wie Dampf oder inerter Gas gewonnen werden. In diesem Beispiel wird der hohe Wärmegrad, der aus der extrahierten Luftquelle erzeugt wird, in den Stickstoffstrom übertragen, der in die Gasturbine zurückkehrt. Die extrahierte Luft wird durch Kontakt mit dem absorber angereicherten Unterteilen weiter abgekühlt, der zur vorvertretenden Luftversuche an der ASU verwendet wird.
Dieser Wärmeübertragungsschritt kann auch in anderen Absorptionssystemen innerhalb des Pocken- oder Pockenproduktabschnitts der Anlage durchgeführt werden. Abhängig vom Lösungsmittel- und Absorptionsmaterial können hochwertige Wärmeerfassungsschritte beseitigt und alle zur Absorberregeneration verwendeten extrahierten Luftwärme verwendet werden.
Das CO2 kann als Nebenprodukt verarbeitet und verkauft werden oder innerhalb der Anlage verwendet werden. Ein Beispiel ist, das CO2 als zusätzliches Verdünnungsmittel an die Gasturbine zurückzugeben.

 

4. Schluss

Kryogene Prozesse sind derzeit die bevorzugte Methode zur Lieferung von Industriegasen an große Einrichtungen. Die Integration von Wärme-, Kühl-, Prozess- und Abfallströmen zwischen industriellen Gasprozessen und anderen Einheiten in der gesamten Einrichtung kann die Effizienz verbessern und die Kosten senken. Konzepte für fortschrittliche Wärmeintegration können die Verwendung chemischer oder ITM -Prozesse in Zukunft erleichtern.