I. Hava ayırma ünitesine giriş
-Hava ayırma ünitesi olarak adlandırılan ünite, basit anlamda, havadaki ana gaz bileşenlerini ayıran bir cihazdır. Havayı derinlemesine sıvı duruma kadar soğutur ve oksijen, nitrojen ve argonu kademeli olarak ayırmak için sıvı hava bileşenlerinin farklı kaynama noktalarını kullanır. Havada ayrıca helyum, neon, argon, kripton, ksenon, radon gibi nadir gazların yanı sıra nem, karbondioksit ve toz gibi yabancı maddeler de bulunur ve bunların hepsinin ayrılması ve arıtılması gerekir. Çoğu fabrika için hava ayırma ünitesinin ana görevi temiz oksijen, nitrojen, argon vb.'yi ayırmak ve üretmektir.
(I) Prensip tanıtımı
Havanın ana bileşenleri nitrojen, oksijen ve argon olduğundan ayırmanın asıl amacı bu üç saf gazın elde edilmesidir.
Havadaki ana yabancı maddeler nem, karbondioksit ve hidrokarbonlardır.
Havanın ayrılması, havadaki zararlı yabancı maddelerin uzaklaştırılması ve karışık gazın nitrojen, oksijen ve argon gibi "saf" gazlara ayrılmasıdır.
Hava ayırmanın temel prensibi, havadaki nitrojen, oksijen ve argonun farklı kabarcık noktalarına (çiy noktaları, kaynama noktaları) sahip olması ve damıtma yoluyla ayrılmasıdır. Kaynama noktaları: N₂: -195,8 derece; O₂: -183,0 derece; Ar: -185.7 derece.
Damıtma işlemi: Damıtma plakasında, daha yüksek sıcaklıktaki doymuş buhar ve daha düşük sıcaklıktaki doymuş sıvı tam temas halindedir. Doymuş buhar, doymuş sıvıya ısı verir ve kendisini kısmen yoğunlaştırır; doymuş sıvı ısıyı emer ve kısmen buharlaşır. Oksijen, yüksek-kaynama-noktalı bir bileşendir ve sıvı fazda daha fazla yoğunlaşır; nitrojen düşük-kaynama- noktalı bir bileşendir ve gaz fazına daha fazla buharlaşır.
II.Süreç akışına giriş
Hava ayırmanın mevcut işlem akışı kabaca şu şekildedir: atmosfer ilk olarak sıkıştırma sistemi tarafından sıkıştırılır, ardından ön soğutma için ön-soğutma sistemine girer, ardından nem ve karbon dioksit gibi bazı yabancı maddeleri uzaklaştırmak için arıtma sistemine girer ve daha sonra ısı değişim sistemi tarafından daha da soğutulur ve daha sonra damıtma sistemine girer (temel olarak genişleticiler, soğuk kutular vb. dahil ve soğuk kutuda ana kuleler, ana soğutma, sıvı pompaları ve diğer ekipmanlar ve damıtma işlemi bulunur) Bu sistemde tamamlanır) ve son olarak ürünün gazlaştırılması, sıkıştırılması, depolanması gibi yedekleme sistemine girer.
III. Hava ayırma ünitesi sistemine (veya ekipmanına) giriş
(I) Sıkıştırma sistemi
Hava sıkıştırma sisteminin başında havadaki mekanik yabancı maddeleri filtrelemek için kullanılan hava filtresi bulunmaktadır. Çoğunlukla kendi kendini-temizleyen hava filtreleri vardır; Sıkıştırmanın amacı havayı önceden-sıkıştırmaktır ve ekipman esas olarak buhar türbinlerini, hava kompresörlerini, süperşarjörleri vb. içerir.
Kendi kendini-temizleyen filtre: Genellikle gaz hacmi arttıkça filtre kartuşu sayısı artar ve katman sayısı da artar. 25.000 derece ve üzeri için çift-katman ve 60.000 derece ve üzeri için üç-katman; tek bir kompresörün ayrı bir filtreyle donatılması gerekir ve bu filtre rüzgara karşı düzenlenir.
Buhar türbini: Yüksek-basınçlı buhar iş yapmak için genişler, koaksiyel pervaneyi dönmeye yönlendirir ve böylece çalışma sıvısı üzerinde iş yapılır. Yaygın formlar arasında tam yoğuşma, tam geri basınç ve ekstraksiyon yoğuşması bulunur ve daha yaygın olarak kullanılan ise ekstraksiyon yoğuşmasıdır.
Hava kompresörü: Büyük hava ayırma birimleri çoğunlukla tek-şaftlı izotermal santrifüj kompresörler kullanır. İthal olanların enerji tüketimi yerli olanlara göre yaklaşık %2 daha düşük, yatırım ise %80 daha fazla; çıkış havalandırılmıştır ve geri dönüş boru hattı ayarlanmamıştır. Minimum emme akışı anti-dalgalanma gereksinimi vardır ve giriş kılavuz kanadı akış düzenlemesi için kullanılır. İthal ve yerli ünitelerin tümü dört-kademeli sıkıştırma ve üç-kademeli soğutmalıdır (son aşama soğutulmaz). Ana hava kompresörü, ana motorla birlikte komple set halinde, her seviyede pervane ve salyangoz yüzeyindeki birikintileri yıkamak için su yıkama sistemi ile donatılmıştır.
Güçlendirici: Büyük hava ayırma üniteleri çoğunlukla tek-şaftlı izotermal santrifüj kompresörler ve dişli santrifüj kompresörler kullanır. Bunlar arasında dişli tipi, özellikle nispeten büyük basınç koşullarında enerji tüketiminde daha büyük bir avantaja sahiptir.
(II) Ön soğutma sistemi
Ön soğutma sisteminin işlevi, basınçlı havadaki su, karbon dioksit, toz ve diğer yabancı maddelerin bir sonraki adımda arıtılabilmesi için havayı ön olarak soğutmaktır. Ana ekipman, hava soğutma kulesi, su soğutma kulesi, soğutma suyu ve soğutulmuş su pompalarını vb. içerir.
Hava soğutma kulesi: İki şekli vardır: kapalı sirkülasyon (hava soğutma kulesi üst ve alt kısım olmak üzere iki bölüme ayrılır ve soğutulmuş su, hava soğutma kulesinin üst kısmı ile su soğutma kulesi arasında dolaşır) ve açık sirkülasyon (dolaşımdaki su sistemine). Kapalı sirkülasyon esas olarak su kalitesinin düşük olduğu, tatlı su ve kimyasallarla desteklenmesi gereken kimya tesislerinde kullanılır; Açık sirkülasyon yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak sirkülasyonlu su sisteminin de düzenli olarak tatlı su ile desteklenmesi ve yaz çalışma koşullarının dikkate alınması gerekmektedir. Tasarımı genellikle altta 1 metre φ76 paslanmaz çelik bilye halkası (yüksek sıcaklık dayanımı), 3 metre φ76 takviyeli polipropilen bilye halkası (büyük akı) ve 4 metre φ50 takviyeli polipropilen bilye halkasıdır.
Su soğutma kulesi: İki türü vardır: iki-kademeli tip (harici bir soğuk kaynak olmadığında, ön-soğutma sistemini sağlamak için kuru kirli nitrojenin soğuk kapasitesi tamamen geri kazanılır, ancak direnç iki kat daha büyüktür, 7 metre + 7 metre φ50 polipropilen bilyeli halka) ve bir-kademeli tip (harici bir soğuk kaynak olduğunda, 8 metre φ50 polipropilen bilyeli halka).
Diğerleri: Genel olarak, ön-soğutma sistemindeki tüm su girişleri, yabancı maddelerin sisteme girmesini önlemek için filtrelerle donatılmalıdır (genellikle 6 ünite: 4 su pompası, su soğutma kulesine su girişi ve soğutucunun buharlaşma tarafına su girişi). Etki testi şu şekildedir: 4 metrelik alt paketleme bölümünün çıkış gazı, giriş suyundan 1 derece daha düşüktür; Üstteki 8 metrelik paketleme bölümünün çıkış gazı sudan 1 derece daha yüksektir. Genellikle hava soğutma kulesinin ortasına (iç tarafa doğru uzanan) bir termometre yerleştirilir.
(III) Arıtma sistemi
Arıtma sisteminin işlevi, hava ürünlerindeki nitrojen, oksijen ve argonun saflığını sağlamak için havadaki nem, karbon monoksit, karbondioksit, hidrojen ve hidrokarbonlar gibi yabancı maddeleri uzaklaştırmaktır. Kullanılan adsorberler dikey eksenel akış, yatay çift-katmanlı yatak ve dikey radyal akıştır.
Dikey eksenel akış: esas olarak 10.000 seviyenin altındaki (çap 4,6 m'ye ulaştı) hava ayırma ekipmanı için kullanılır, yatak kalınlığı 1550∽2300 mm, çift-katman veya tek-katman düzenlenebilir ve hava akışı dağıtımı en iyisidir.
Yatay çift-katmanlı yatak: esas olarak büyük ve orta-boyutlu hava ayırma ekipmanı için kullanılır, yatak kalınlığı 1150 mm (moleküler elek) + 350 mm (alüminyum jel).
Dikey radyal akış: kabın iç alanını etkili bir şekilde kullanabilir, böylece aynı çaptaki adsorpsiyon katmanının alanı yaklaşık 1,5 kat genişletilir, kulenin yüksekliği etkin bir şekilde azaltılır ve dikey yerleştirme yöntemi daha küçük bir alanı kaplar. Yatay adsorberin eşit olmayan hava akışından farklı olarak hava akışı eşit şekilde dağıtıldığından, moleküler elek miktarı %20 azalır ve rejenerasyon enerji tüketimi de %20 oranında azalır. Ancak dezavantajı, hava akış merkezinin konsantre olmasıdır (yelpaze-şeklinde alan) ve nüfuz etme süresinin yatay tipten daha hızlı olmasıdır (CO₂<0,5ppm gereklidir). Yatak kalınlığı 1000 mm+200 mm'dir ve bu, 20.000 seviyenin üzerindeki hava ayırma ekipmanı konfigürasyonunu karşılayabilir.
IVIsı değişim sistemi
Isı değişim sisteminin amacı bir sonraki damıtma işlemi için havayı daha da soğutmaktır. Soğuk enerjinin kaynağı havanın bir kısmının türbin genişleticiden buharlaşmasıdır. Yapısı çok-katmanlı plaka-kanat tipindedir. Bitişik kanallar arasındaki lojistik, kanatçıklar aracılığıyla iyi bir ısı alışverişine sahiptir. Suyu ve CO₂'yi uzaklaştırmak için moleküler elekler tarafından adsorbe edilen basınçlı havayı soğutmak için kullanılır. Her bir geri akış gazı (sıvı) burada oda sıcaklığına kadar ısıtılır.
Kesin olarak konuşursak, aynı ısı eşanjöründe birden fazla karışık ortam akışının tasarımı, her ortamın ısı transferini otomatik olarak dengeleyebilir ve enerji tüketimini en aza indirebilir. Ancak dahili sıkıştırma işlemi için tüm ısı eşanjörleri yüksek-basınçlı ısı eşanjörleri olacak ve bu da yatırımı artıracaktır. Bu nedenle, 20.000 seviyenin üzerindeki dahili sıkıştırmalı ısı eşanjörleri için yüksek ve alçak basıncı ayırmak daha ekonomiktir ve tüm yüksek-basınçlı ısı eşanjörleri 20.000 seviyenin altında yapılandırılır.
V Fraksiyonlama sistemi
Fraksiyonlama sisteminin amacı, arıtılmış ve derinlemesine soğutulmuş basınçlı havayı adım adım oksijen, nitrojen, argon vb.'ye ayrıştırmaktır. Ana ekipman soğuk kutudur (ana kule, ana soğutma, alt soğutucu, ham argon kulesi, sıvı oksijen pompası, sıvı pompası vb. dahil).
Soğuk kutu: Hava ayırma atölyesinin en yüksek sembolü olan kare veya yuvarlak metal yapıdır. Soğuk kaybını azaltmak için inci kumu ile doldurulmuştur. Hava, soğuk kutuda kule plakası ve salmastra üzerindeki damıtma etkisi ile ayrıştırılır.
Damıtma kulesi: Kule gövdesi silindiriktir, alt kulede birden fazla elek plakası katmanı bulunur, elek plakasının üzerine bir taşma kovası yerleştirilmiştir, bir taşma saptırma plakası vardır ve küçük deliklerle yoğun bir şekilde kaplanmıştır; üst kule düzenli paketleme ve sıvı dağıtıcıyla donatılmıştır. Alt kuledeki damıtma sırasında sıvı, her bir elek plakasından yukarıdan aşağıya doğru tek tek akar. Taşma savağının etkisiyle pedal üzerinde belli bir sıvı seviye yüksekliği oluşur. Gaz, elek plakasının küçük deliklerinden aşağıdan yukarıya doğru geçtiğinde, kabarcıklar üretecek şekilde sıvıyla temas eder, gaz-sıvı temas alanını artırarak ısı ve kütle alışverişini verimli hale getirir. Düşük-kaynama noktalı bileşenler yavaş yavaş buharlaşır, yüksek-kaynama noktalı bileşenler ise yavaş yavaş sıvılaşır. Kulenin tepesinde kaynama noktası düşük saf nitrojen elde edilirken, kulenin alt kısmında kaynama noktası yüksek, oksijen-zengin sıvı hava bileşenleri elde edilir. Üst kuledeki damıtma sırasında gaz dağıtıcıdan geçerek paketleme plakası boyunca yükselir. Sıvı, su dağıtıcısı aracılığıyla ambalaj plakası üzerinde yukarıdan aşağıya doğru eşit olarak dağıtılır. Salmastranın yüzeyinde gaz ve sıvı, verimli ısı ve kütle değişimi için tamamen temas halindedir. Yükselen gazdaki düşük-kaynama noktalı oksijen içeriği artmaya devam eder ve yüksek-kaynama noktalı bileşen oksijen büyük miktarlarda yıkanarak geri akış sıvısı oluşturulur ve son olarak kulenin tepesinde düşük-kaynama noktalı saf nitrojen elde edilir ve kulenin dibinde yüksek-kaynama noktalı sıvı oksijen elde edilir.
VI Depolama ve buharlaştırma yedekleme sistemi
Parçalanmış sıvı oksijeni, sıvı nitrojeni ve sıvı argonu depolayın, buharlaştırın ve doldurun. Ana ekipman, kriyojenik sıvı depolama tankı, buharlaştırıcı, şişe doldurma pompası, doldurma platformu vb. içerir.
Düşük-basınçlı oksijen ve nitrojen ürünleri: ürün düzenleme vanasını ve havalandırma akış yolunu ayarlayın, susturucuya havalandırın (nitrojen iç parçaları karbon çeliğinden, oksijen iç parçaları paslanmaz çeliktendir).
Kirli nitrojen: havayı su soğutma kulesine verecek şekilde ayarlayın (kirli nitrojeni tahliye etmek, yenilenen gazı tahsis etmek ve üst kule basıncını ayarlamak için). Su soğutma kulesinin çapı, tahliye gereksinimlerini karşılamak için gereklidir. Özellikle nitrojen verildiğinde üst kule basıncı yükseltilemez. Su soğutma kulesi direnci 6kPa'dır (8 metre yüksekliğindeki paketleme), boru hattı ve vana 4kPa'dır ve atmosfere olan basınç farkı 2kPa olup toplam 12kPa'dır.
Yüksek-basınçlı oksijen ürünleri: havalandırma için iki-aşamalı kısma kullanılır. Öncelikle yüksek-basınçlı ürün gazı 10barG'ye kısılır, eksantrik bir redüktörden geçer, ortasına bir monel gürültü azaltma plakası yerleştirilir ve ardından boru hattı çapı bir eksantrik redüktör aracılığıyla genişletilir. Oksijen ortamı akış hızı 10 m/s'nin altında kontrol edilir ve daha sonra kısılır ve susturucu kulesine havalandırılır. Susturucu elemanı paslanmaz çeliktir.
Yüksek-basınçlı nitrojen ürünleri: Azot ürünleri önce 10 bar'a kısılır, paslanmaz çelik gürültü azaltma plakasından geçer ve ardından kısma ve havalandırma için susturucu kulesine geçer. Susturucu elemanı karbon çeliğinden yapılmıştır.
Oksijen valfi: Manuel olarak çalıştırılmaması gerekir (düzenleme valfinin bir el çarkına sahip olması yasaktır ve manuel valf, patlamaya- dayanıklı duvarın içine yerleştirilmiştir).
