Unità di separazione dell'aria per chimica

La tecnologia di separazione dell'aria criogenica è stata utilizzata con successo per molti anni per fornire ossigeno per la gassificazione di varie materie prime idrocarburiche per produrre syngas per la produzione di carburanti, sostanze chimiche e altri prodotti preziosi. Gli esempi includono il
Conversione di rifiuti liquidi e solidi dalle raffinerie all'idrogeno per l'uso all'interno delle raffinerie, nonché la coproduzione dell'elettricità e il crescente interesse per i processi di liquefazione del gas naturale che convertono il gas naturale in greggio sintetico, cere e carburanti. Negli ultimi anni, al fine di ridurre il costo delle attrezzature o migliorare l'efficienza, la combinazione del processo di produzione di ossigeno e dell'impianto di lavorazione di idrocarburi a valle ha ricevuto sempre più attenzione. Sono descritti processi di produzione tradizionali e in via di sviluppo di ossigeno e schemi integrati per migliorare l'economia di queste strutture.

 

Contenuto

1.OverView della tecnologia di trasformazione di gas industriale non criogenica

   1.1 Adsorbtion

   1.2 Sistema di membrana polimerica

2. Lopare la temperatura della tecnologia di trasformazione del gas industriale

   2.1 Panoramica dell'elaborazione criogenica

   2.2 Ciclo di ciclocompressione a compressione

   2.3 Ciclo liquido per ciclo liquido di pompaggio

   2.4 cicli a bassa pressione e ad alta pressione

3. Compaverison di alternative di processo e miglioramenti tecnologici

4.Conclusione

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1.OverView della tecnologia di trasformazione di gas industriale non criogenica

1.1 Adsorbtion

Il processo di adsorbimento si basa sulla capacità di alcuni materiali naturali e sintetici di adsorbire preferibilmente azoto. Nel caso delle zeoliti, esiste un campo elettrico disomogeneo negli spazi vuoti del materiale, con conseguente adsorbimento preferenziale di molecole che sono più polarizzate, come quelle con momenti di quadrupolo elettrostatico più grandi. Pertanto, nella separazione dell'aria, le molecole di azoto sono più fortemente adsorbite delle molecole di ossigeno o argon. Mentre l'aria passa attraverso uno strato di materiale di zeolite, l'azoto viene mantenuto e un flusso ricco di ossigeno lascia lo strato di zeolite. I setacci molecolari del carbonio sono dello stesso ordine di grandezza delle molecole d'aria. Poiché le molecole di ossigeno sono leggermente più piccole delle molecole di azoto, si diffondono più rapidamente nelle cavità dell'adsorbente. Pertanto, i setacci molecolari di carbonio sono selettivi per l'ossigeno e i setacci molecolari sono selettivi per l'azoto. Le zeoliti sono comunemente usate nei processi di produzione di ossigeno basati sull'adsorbimento. L'aria compressa viene immessa in una nave contenente l'adsorbente. L'azoto viene adsorbito e un flusso di acque reflue ricco di ossigeno viene prodotto fino a quando il letto è saturo di azoto. A questo punto, l'aria di alimentazione viene passata a una nave fresca e la rigenerazione del primo letto può iniziare. La rigenerazione può essere ottenuta riscaldando il letto o riducendo la pressione del letto, riducendo così il contenuto di azoto di equilibrio dell'adsorbente. Il riscaldamento viene generalmente indicato come adsorbimento dell'oscillazione della temperatura (TSA) e la riduzione della pressione viene generalmente definita ad azionamento della pressione o adsorbimento dell'oscillazione del vuoto (PSA o VSA). La pressione ridotta ha un breve ciclo ed è semplice da utilizzare, rendendolo il processo preferito per gli impianti di separazione dell'aria. Le variazioni di processo che influenzano l'efficienza operativa includono il pretrattamento dell'aria per rimuovere separatamente l'acqua e l'anidride carbonica, più letti per consentire il recupero dell'energia di pressione durante la commutazione del letto e il funzionamento del vuoto durante la ridotta pressione. Il sistema è ottimizzato in base al flusso del prodotto, alla purezza, alla pressione, al consumo di energia e alla durata di servizio prevista. La purezza dell'ossigeno è in genere dal 93% al 95% in volume.

 

1.2 Sistema di membrana polimerica

I processi di membrana che utilizzano materiali polimerici si basano sulle differenze nei tassi di diffusione di ossigeno e azoto attraverso una membrana che separa flussi di processo ad alta pressione e bassa pressione. Il flusso e la selettività sono due proprietà che determinano l'economia di un sistema di membrana ed entrambe sono funzioni del materiale di membrana specifico. Il flusso di membrana determina la superficie della membrana ed è una funzione della differenza di pressione divisa per lo spessore della membrana. La costante di proporzionalità che varia con il tipo di membrana è chiamata permeabilità. La selettività è il rapporto tra le permeabilità dei gas da separare. La maggior parte dei materiali di membrana sono più permeabili all'ossigeno che all'azoto a causa delle dimensioni minori della molecola di ossigeno. I sistemi di membrana sono generalmente limitati alla produzione di aria arricchita di ossigeno (ossigeno dal 25% al ​​50%). Le membrane di trasferimento attive o facilitate contengono un agente di complesso di ossigeno per aumentare la selettività dell'ossigeno e sono un potenziale metodo per aumentare la purezza dell'ossigeno nei sistemi di membrana, supponendo che siano disponibili anche materiali di membrana compatibili con ossigeno. Un grande vantaggio della separazione della membrana è la semplicità del processo, la sua continuità e il suo funzionamento in condizioni quasi ambiente. Il soffiatore fornisce una pressione sulla testa sufficiente per superare la caduta di pressione attraverso i filtri, i tubi di membrana e le tubazioni. I materiali di membrana sono generalmente assemblati in moduli cilindrici collegati da più connessioni per fornire la capacità di produzione richiesta. L'ossigeno permea attraverso le fibre (tipo di fibra cava) o attraverso i fogli (tipo di ferita a spirale) e viene estratto come prodotto. Una pompa a vuoto di solito mantiene il differenziale di pressione attraverso la membrana e fornisce l'ossigeno alla pressione richiesta. L'anidride carbonica e l'acqua sono generalmente presenti nel prodotto aria arricchito con ossigeno perché sono più permeabili dell'ossigeno per la maggior parte dei materiali di membrana. Tuttavia, i sistemi di membrana sono facilmente adattati ad applicazioni fino a 20 tonnellate al giorno, in cui è possibile tollerare la purezza dell'aria arricchita con contaminanti di acqua e anidride carbonica. Questa tecnologia è più recente dell'adsorbimento o delle tecnologie criogeniche e i miglioramenti nei materiali possono rendere le membrane più attraenti per maggiori esigenze di ossigeno.

 

2. Lopare la temperatura della tecnologia di trasformazione del gas industriale

2.1 Panoramica dell'elaborazione criogenica

La tecnologia di separazione dell'aria criogenica è attualmente la tecnologia più efficiente ed economica per produrre grandi quantità di ossigeno gassoso o liquido, azoto e argon. Le unità di separazione dell'aria (ASUS) utilizzano un processo di distillazione criogenica multi-colonna convenzionale per produrre ossigeno dall'aria compressa ad alta recupero e purezza. La tecnologia criogenica può anche produrre azoto ad alta purezza come un utile flusso di sottoprodotti a costi incrementali relativamente bassi. Inoltre, l'argon liquido, l'ossigeno liquido e l'azoto liquido possono essere aggiunti all'ardesia del prodotto per lo stoccaggio del backup del prodotto o le vendite di sottoprodotti a bassi costi di capitale incrementale ed elettricità. La ricerca continua su come aumentare la produttività dei treni di attrezzatura individuali come mezzo per ridurre i costi unitari attraverso le economie di scala. La maggior parte delle apparecchiature utilizza motori elettrici convenzionali per guidare le apparecchiature per comprimere l'alimentazione dell'aria verso l'ASU, nonché l'ossigeno e altri flussi di prodotti. È interessante notare che le strutture IGCC ricevono tutta la loro fornitura d'aria estraendo aria dalle turbine a gas utilizzate nel ciclo combinato per produrre elettricità dal gas di sintesi del carbone.

 

2.2 Ciclo di ciclocompressione a compressione

I processi di separazione dell'aria in genere producono un flusso di prodotti a gas a pressione atmosferica leggermente superiore e quasi a temperatura ambiente. Tipicamente il prodotto ossigeno lascia lo scambiatore di calore principale a bassa pressione, che va da 3,5 a 7 0. 0 MPa e un treno compressore centrifugo con una portata di volume di ingresso relativamente elevata offre il prodotto alla pressione richiesta.

 

2.3 Ciclo liquido per ciclo liquido di pompaggio

I prodotti liquidi possono essere prelevati dagli scambiatori di calore criogenici a monte della sezione di distillazione per l'evaporazione e il riscaldamento. Questi prodotti possono essere pompati alla pressione di consegna desiderata o alla pressione intermedia. Tuttavia, poiché la potenza necessaria per produrre prodotti liquidi da un sistema di distillazione è da 2 a 3 volte quella della produzione di prodotti gassosi, il ciclo deve essere efficiente nel recupero del refrigerante contenuto nel flusso di prodotti pompati. Ciò si ottiene condensando il flusso di prodotto evaporato nello scambiatore di calore criogenico contro un'aria ad alta pressione o un flusso di alimentazione dell'azoto. L'alimentazione dell'aria liquefatta o dell'azoto viene restituita alla sezione di distillazione per la refrigerazione. I cicli di processo del liquido pompati che pompano i flussi di prodotto a una pressione intermedia all'uscita dell'unità di separazione dell'aria sono chiamati cicli liquidi pompati parziali e richiedono attrezzature aggiuntive per comprimere il flusso del prodotto alla pressione di consegna finale. Il pompaggio completo o parziale dei flussi di prodotti aggiunge un altro grado di libertà nell'ottimizzare il ciclo criogenico e può eliminare o ridurre le dimensioni del compressore di ossigeno.

2.4 cicli a bassa pressione e ad alta pressione
I cicli dell'unità di separazione dell'aria a bassa pressione (LP) si basano sulla comprimenti dell'aria di alimentazione solo con il requisito di pressione per rifiutare il sottoprodotto dell'azoto a pressione atmosferica. Pertanto, le pressioni dell'aria di alimentazione in genere variano tra 360 e {1}} MPa, a seconda della purezza dell'ossigeno e del livello desiderato di efficienza energetica. I cicli ASU ad alta pressione producono flussi di prodotti e sottoprodotti a pressioni ben al di sopra della pressione atmosferica, che richiedono in genere componenti criogeni più piccoli e più compatti, il che può risparmiare costi. I cicli EP in genere utilizzano pressioni d'aria di alimentazione superiori a 700 MPa. Il ciclo EP può essere appropriato quando tutto o quasi tutto il sottoprodotto di azoto viene compresso come flusso di prodotto. Inoltre, il ciclo EP è spesso selezionato per integrare l'ASU con altre unità di processo, come le turbine a gas.

 

3. Compaverison di alternative di processo e miglioramenti tecnologici

 

I processi di adsorbimento e membrana polimerica continueranno a migliorare i costi e l'efficienza energetica attraverso la continua ricerca e sviluppo di adsorbenti e materiali di membrana. Nessuna delle due tecnologie dovrebbe sfidare la tecnologia criogenica nella sua capacità di produrre grandi quantità di ossigeno, specialmente a purezza più elevate. Sia i sistemi di adsorbimento che di membrana producono azoto sottoprodotto che contiene quantità significative di ossigeno. Se è necessario azoto ad alta purezza, è necessario impiegare ulteriori sistemi di deossigenazione o altri sistemi di purificazione per migliorare la qualità dell'azoto. Nessuno dei due processi può produrre direttamente argon o gas nobili. La produzione di ossigeno liquido o azoto per il backup del sistema richiede ulteriori attrezzature criogeniche o trasporto di prodotti dalle attrezzature vegetali. D'altra parte, i processi di adsorbimento e membrana sono più semplici e più passivi delle tecnologie criogeniche. L'aria estratta dal compressore della turbina a gas può soddisfare parzialmente o completamente i requisiti di alimentazione dell'ASU. In una configurazione semplice, la pressione di distillazione ASU imposterà la pressione dell'aria di estrazione. Se il flusso d'aria di estrazione è inferiore all'ASU totale richiesto, verrà utilizzato un compressore d'aria ausiliario, la cui pressione di scarica corrisponderà alla pressione dell'aria di estrazione. Se l'approvvigionamento d'aria estratto è di circa un quarto della domanda totale ASU, la pressione di distillazione ASU può essere stabilita in modo indipendente e può essere impiegato un processo liquido pompato.

L'aria di estrazione ad alta pressione bolle l'ossigeno liquido pressurizzato o l'azoto nella zona di scambio di calore criogenico. L'alimentazione dell'aria compressa ausiliaria imposta la pressione di distillazione ASU.

Nelle strutture che utilizzano turbine a gas, l'aria può essere estratta per una serie di motivi.
Come alimentazione a un'unità di separazione dell'aria, come aria di raffreddamento "scarico" per la turbina stessa o altri requisiti per l'aria pressurizzata all'interno della struttura. L'aria estratta contiene calore prezioso che può essere recuperato mediante liquido bollente a livelli di temperatura discreti o trasferimento di calore sensibile a un altro liquido. Una classe di applicazioni che utilizza il calore recuperato è la rigenerazione del solvente, che è un processo che prima esegue una fase di assorbimento di gas/liquido e quindi trasferisce il calore al liquido a prodotti gassosi o contaminanti desorbiti. Questo passaggio possiede la proprietà che esempi di processi che possono beneficiare di questa integrazione del calore includono, ma non sono limitati a, le seguenti operazioni unitarie che possono essere trovate nella gassificazione idrocarburica o nelle strutture di elaborazione di idrocarburi. Rigenerazione di un sistema di pretrattamento dell'aria a base liquida come parte di un'unità di separazione dell'aria criogenica. Le fasi di assorbimento a base di liquido per rimuovere i contaminanti dai flussi di alimentazione dell'aria agli impianti di separazione dell'aria possono beneficiare del recupero estrattivo del calore dell'aria. In una forma di realizzazione, l'aria calda viene raffreddata rispetto ai fondi liquidi da una colonna di assorbitore. L'aria raffreddata entra nella colonna e contatta l'assorbimento del liquido, in cui le impurità nel flusso d'aria vengono assorbite nel liquido. La fase di riscaldamento aria-assorbente desorbita i contaminanti dal liquido assorbente, che viene quindi restituito alla colonna assorbente. Il sistema di assorbimento può includere uno o più fluidi in diverse fasi di assorbimento per aumentare la rimozione dell'efficienza o utilizzare assorbenti specifici per rimuovere impurità specifiche dal flusso d'aria. La rigenerazione assorbente può includere il riscaldamento da altre fonti, combinato con il riscaldamento per ridurre la pressione alle impurità di desorbizzazione. Il calore dall'aria estratta può essere recuperato mediante contatto indiretto dell'aria calda con un fluido di processo o mediante trasferimento di calore dall'aria a un fluido di lavoro come vapore o gas inerte. In questo esempio, l'alto livello di calore generato dalla fonte d'aria estratta viene trasferito al flusso di azoto che ritorna alla turbina a gas. L'aria estratta viene ulteriormente raffreddata dal contatto con i fondi arricchiti dall'assorbitore utilizzati per prevedere l'alimentazione dell'aria per l'ASU.
Questa fase di trasferimento di calore può anche essere eseguita in altri sistemi di assorbimento all'interno dell'area di lavoro del prodotto POX o POX dell'impianto. A seconda del materiale di solvente e di assorbimento, le fasi di recupero del calore di alto livello possono essere eliminate e tutto il calore dell'aria estratto utilizzato per la rigenerazione degli assorbitori.
La CO2 può essere elaborata e venduta come sottoprodotto o utilizzata all'interno dell'impianto. Un esempio è di restituire la CO2 alla turbina a gas come diluente aggiunto.

 

4.Conclusione

I processi criogenici sono attualmente il metodo preferito per fornire gas industriali a grandi strutture. L'integrazione di flussi di calore, refrigerazione, processo e rifiuti tra processi di gas industriale e altre unità in tutta la struttura può migliorare l'efficienza e ridurre i costi. I concetti avanzati di integrazione del calore possono facilitare l'uso di processi chimici o ITM in futuro.