Sauerstoffanlage

Überblick

Die industrielle Reinheitsstickstoffanlage kombiniert Luftkompression, Adsorptionsreinigung und kryogene Destillation. Sie produzieren Stickstoff mit einer Reinheit von bis zu 99,999 Prozent.

Stickstofferzeugungssysteme sind sicher, zuverlässig und einfach zu bedienen und zu warten. Je nach Kundenwunsch stehen mehrere Optionen zur Verfügung. Sie können beispielsweise einen Standby-Verdampfer und ein Reservespeichergerät umfassen, um die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern, oder ein Flüssigkeits-Kraft-Wärme-Kopplungsgerät, um das Standby-Flüssigkeitsspeichergerät zu ergänzen. Ebenso kann das Stickstofferzeugungssystem die Investitionsausgaben (Capex) und die Betriebsausgaben (OPEX) entsprechend den Kundenanforderungen optimieren. Diese Geräte sind für eine schnelle Installation vollständig verpackt.

1. Sauerstoffanlage

2. ASU-Induktion: Luftzerlegungsgeräte trennen Luft aus der Atmosphäre in ihre Hauptbestandteile, normalerweise Stickstoff und Sauerstoff, manchmal auch Argon und andere seltene und inerte Gase.

3. Produktionsprozess:

Um niedrige Destillationstemperaturen zu erreichen, benötigt die Luftzerlegungsanlage einen Kühlkreislauf, der auf dem Joule-Thomson-Effekt basiert, und die Kühlausrüstung muss in einem isolierenden Gehäuse (oft als „Kühlbox“ bezeichnet) untergebracht werden. Die Kühlung des Gases erfordert eine große Energiemenge, damit dieser Kühlkreislauf funktioniert, und wird vom Luftkompressor bereitgestellt. Moderne ASUs nutzen Expansionsturbinen zur Kühlung; Die Leistung des Expanders trägt zum Antrieb des Luftkompressors bei, was die Effizienz erhöht. Der Prozess umfasst die folgenden Hauptschritte

Eine Art. Vor der Komprimierung wird die Luft vorgefiltert, um Staub zu entfernen.

B. Die Luft wird komprimiert und der endgültige Förderdruck wird durch die Rückgewinnungsrate des Produkts und den Flüssigkeitszustand (Gas oder Flüssigkeit) bestimmt. Typische Druckbereiche liegen zwischen 5 und 10 bar Überdruck. Der Luftstrom kann auch auf unterschiedliche Drücke komprimiert werden, um die Effizienz der ASU zu erhöhen. Beim Verdichtungsprozess kondensiert Wasser im Zwischenkühler aus.

C. Prozessluft wird typischerweise durch ein Molekularsiebbett geleitet, um restlichen Wasserdampf und Kohlendioxid zu entfernen, die gefrieren und kryogene Geräte verstopfen können. Molekularsiebe dienen im Allgemeinen dazu, gasförmige Kohlenwasserstoffe aus der Luft zu entfernen, da diese bei der anschließenden Luftdestillation ein Problem darstellen und möglicherweise zu Explosionen führen können. Das Molekularsiebbett muss regeneriert werden. Dies geschieht durch die Installation mehrerer Einheiten, die im Wechselbetrieb arbeiten und trockenes Koproduktionsabgas zur Wasserdesorption nutzen.

D. Prozessluft strömt durch einen integrierten Wärmetauscher (normalerweise einen Plattenwärmetauscher) und wird gegen einen Strom aus Produkt (und Abfall) mit niedriger Temperatur gekühlt. Ein Teil der Luft verflüssigt sich zu einer sauerstoffreichen Flüssigkeit. Das verbleibende Gas wird mit Stickstoff angereichert und in einer Hochdruck-Destillationskolonne (HP) zu nahezu reinem Stickstoff (typischerweise < 1 ppm) destilliert. Der Kondensator dieser Kolonne benötigt Kühlung, die durch weitere Expansion des sauerstoffreicheren Stroms durch ein Ventil oder durch einen Expander (Umkehrkompressor) erreicht wird.

e. Wenn die ASU reinen Sauerstoff produziert, kann der Kondensator alternativ durch Wärmeaustausch mit einem Reboiler in einer Niederdruck-Destillationskolonne (LP) (Betrieb bei 1,2-1,3 bar absolut) gekühlt werden. Um die Kompressionskosten zu minimieren, muss der kombinierte Kondensator/Reboiler der HP/LP-Säule mit einem Temperaturunterschied von nur 1-2 Grad Kelvin betrieben werden, was einen Plattenwärmetauscher aus gelötetem Aluminium erfordert. Die typische Sauerstoffreinheit liegt zwischen 97,5 und 99,5 Prozent und beeinflusst die maximale Sauerstoffrückgewinnung. Die zur Herstellung flüssiger Produkte erforderliche Kälte wird durch den JT-Effekt im Expander erreicht, der Druckluft direkt in die Niederdrucksäule einspeist. Daher wird ein Teil der Luft nicht abgetrennt und muss den oberen Teil der Niederdrucksäule als Abfallstrom verlassen.

F. Da der Siedepunkt von Argon (87,3 K unter Standardbedingungen) zwischen Sauerstoff (90,2 K) und Stickstoff (77,4 K) liegt, reichert sich Argon im unteren Teil der Niederdrucksäule an. Bei der Herstellung von Argon wird ein Dampfseitenabzug aus der Niederdrucksäule entnommen, wo die Argonkonzentration am höchsten ist. Es wird zu einer anderen Säule geleitet, um das Argon auf die gewünschte Reinheit zu rektifizieren, von wo aus die Flüssigkeit an die gleiche Stelle in der LP-Säule zurückgeführt wird. Durch moderne strukturierte Packungen mit sehr geringem Druckabfall kann eine Argonreinheit von unter 1 ppm erreicht werden. Obwohl Argon in der Beschickung zu weniger als 1 Prozent vorhanden ist, benötigt die Luft-Argonsäule aufgrund des hohen Rückflussverhältnisses (etwa 30), das in der Argonsäule erforderlich ist, viel Energie. Die Kühlung der Argonsäule kann durch kalt expandierten, reichen flüssigen oder flüssigen Stickstoff erfolgen.

G. Abschließend wird das gasförmig erzeugte Produkt in der einströmenden Luft auf Umgebungstemperatur erhitzt. Dies erfordert eine sorgfältig konzipierte thermische Integration, die die Robustheit gegenüber Störungen (aufgrund des Wechsels von Molekularsiebbetten) berücksichtigen muss. Während des Startvorgangs kann auch eine zusätzliche externe Kühlung erforderlich sein.

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