Διαχωρισμός αέρα

Μια εγκατάσταση διαχωρισμού αέρα διαχωρίζει τον ατμοσφαιρικό αέρα στα πρωταρχικά του συστατικά, τυπικά άζωτο και οξυγόνο και κάποιες φορές επίσης αργό και άλλα σπάνια αδρανή αέρια.

Σύσταση του ξηρού ατμοσφαιρικού αέρα^[1]

Η πιο συνηθισμένη μέθοδος για τον διαχωρισμό του αέρα είναι η κρυογονική απόσταξη. Οι μονάδες κρυογενικού διαχωρισμού του αέρα (ASUs) κατασκευάζονται για να παρέχουν άζωτο ή οξυγόνο και συχνά συμπαράγουν αργό. Άλλες μέθοδοι όπως μεμβράνες, προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης (PSA) και προσρόφηση με εναλλαγή κενού (VPSA), χρησιμοποιούνται εμπορικά για να διαχωρίσουν ένα μόνο συστατικό από τον συνηθισμένο αέρα. Υψηλής καθαρότητας οξυγόνο, άζωτο και αργό που χρησιμοποιούνται για ημιαγωγούς απαιτούν κρυογενική απόσταξη. Παρομοίως, οι μόνες βιώσιμες πηγές των ευγενών αερίων νέον, κρυπτό και ξένο είναι η απόσταξη του αέρα χρησιμοποιώντας τουλάχιστον δύο στήλες απόσταξης.

Κρυογονική διαδικασία υγροποίησης

Αποστακτική στήλη σε μια εγκατάσταση κρυογενικού διαχωρισμού αέρα

Τα καθαρά αέρια μπορούν να διαχωριστούν από τον αέρα ψύχοντας τα πρώτα μέχρι να υγροποιηθούν και έπειτα με επιλεκτική απόσταξη των συστατικών στα διάφορα σημεία βρασμού. Η διαδικασία μπορεί να παραγάγει αέρια υψηλής καθαρότητας, αλλά είναι ενεργοβόρα. Αυτή η διεργασία ξεκίνησε από τον Καρλ φον Λίντε στις αρχές του εικοστού αιώνα και χρησιμοποιείται ακόμα σήμερα για την παραγωγή αερίων υψηλής καθαρότητας.^[2]

Η διαδικασία κρυογονικού διαχωρισμού ^[3][4][5] απαιτεί μια πολύ στενή ενσωμάτωση ανταλλακτών θερμότητας και στηλών διαχωρισμού για να ληφθεί ένα καλό αποτέλεσμα και όλη η ενέργεια για την ψύξη παρέχεται από τη συμπίεση του αέρα στην είσοδο της μονάδας.

Για την επίτευξη χαμηλών θερμοκρασιών απόσταξης μια μονάδα διαχωρισμού αέρα απαιτεί έναν ψυκτικό κύκλο που λειτουργεί λόγω του φαινομένου Τζάουλ-Τόμσον και ο εξοπλισμός ψύξης πρέπει να κρατιέται μέσα σε έναν μονωμένο χώρο (που λέγεται συνήθως "ψυχρό δοχείο"). Η ψύξη των αερίων απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας για να δουλέψει αυτός ο κύκλος ψύξης και παρέχεται από έναν αεροσυμπιεστή. Σύγχρονα ASUs χρησιμοποιούν στροβιλοδιαστολείς για ψύξη· η έξοδος του διαστολέα βοηθά τον αεροσυμπιεστή, για βελτιωμένο αποτέλεσμα. Η διαδικασία αποτελείται από τα παρακάτω κύρια στάδια:

1. Πριν τη συμπίεση ο αέρας φιλτράρεται από τη σκόνη.
2. Ο αέρας συμπιέζεται με την τελική πίεση παράδοσης να καθορίζεται από τις ανακτήσεις και την κατάσταση του ρευστού (αερίου ή υγρού) των προϊόντων. Τυπική περιοχή πιέσεων είναι μεταξύ 5 και 10 bar. Το ρεύμα του αέρα μπορεί επίσης να συμπιεστεί σε διαφορετικές πιέσεις για την βελτίωση του αποτελέσματος του ASU. Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης το νερό συμπυκνώνεται σε ενδιάμεσα ψυγεία.
3. Ο αέρας της διαδικασίας περνά γενικά μέσα από μια κλίνη μοριακού ηθμού (μοριακό φίλτρο), που αφαιρεί οποιονδήποτε υπολειπόμενο υδρατμό, καθώς και το διοξείδιο του άνθρακα, που θα πάγωνε και θα έφρασσε την κρυογονική συσκευή. Οι μοριακοί ηθμοί σχεδιάζονται συχνά για να αφαιρούν οποιουσδήποτε αέριους υδρογονάνθρακες από τον αέρα, επειδή αυτοί μπορεί να είναι πρόβλημα στην ακόλουθη απόσταξη του αέρα που μπορεί να οδηγήσει σε εκρήξεις. ^[6] Η κλίνη των μοριακών ηθμών πρέπει να αναγεννάται. Αυτό γίνεται εγκαθιστώντας πολλαπλές μονάδες που λειτουργούν σε εναλλακτική κατάσταση και χρησιμοποιούν το ξηρό συμπαραγόμενο καυσαέριο για να εκροφήσει το νερό.
4. Ο αέρας της διεργασίας περνά μέσα από έναν ενσωματωμένο εναλλάκτη θερμότητας (συνήθως ένα πτερύγιο δίσκου εναλλάκτη θερμότητας) και ψύχεται από το προϊόν (και τα απόβλητα) κρυογονικά ρεύματα. Μέρος του αέρα υγροποιείται για να σχηματίσει ένα υγρό που είναι εμπλουτισμένο σε οξυγόνο. Το αέριο που απομένει είναι πιο πλούσιο σε άζωτο και αποστάζεται σε σχεδόν καθαρό άζωτο σε μια αποστακτική στήλη υψηλής πίεσης (HP). Ο συμπυκνωτής αυτής της στήλης απαιτεί ψύξη που λαμβάνεται από την παραπέρα διαστολή του πιο πλούσιου ρεύματος οξυγόνου μέσα από μια βαλβίδα ή μέσα από έναν στροβιλοδιαστολέα, (έναν αντίστροφο συμπιεστή).
5. Εναλλακτικά ο συμπυκνωτής μπορεί να ψυχθεί ανταλλάσσοντας θερμότητα με έναν αναβραστήρα σε μια αποστακτική στήλη χαμηλής πίεσης (LP) (που λειτουργεί σε 1,2-1,3 απόλυτα bar) όταν το ASU παράγει καθαρό οξυγόνο. Για να ελαχιστοποιηθεί το κόστος συμπίεσης ο συνδυασμένος συμπυκνωτής/αναβραστήρας των στηλών υψηλής/χαμηλής πίεσης πρέπει να λειτουργεί με μια θερμοκρασιακή διαφορά μόνο 1-2 βαθμών K, που απαιτεί εναλλάκτες θερμότητας με πτερύγια δίσκου από συγκολλημένο αλουμίνιο. Τυπικές τιμές καθαρότητας του οξυγόνου είναι από 97,5% έως 99,5% και επηρεάζουν τη μέγιστη ανάκτηση οξυγόνου. Η απαιτούμενη ψύξη για παραγωγή υγρών προϊόντων λαμβάνεται χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Τζάουλ-Τόμσον σε έναν διαστολέα που τροφοδοτεί συμπιεσμένο αέρα άμεσα στη στήλη χαμηλής πίεσης. Συνεπώς, ένα συγκεκριμένο τμήμα του αέρα δεν διαχωρίζεται και πρέπει να αφήσει τη στήλη χαμηλής πίεσης ως ρεύμα αποβλήτων από το ανώτερο τμήμα του.
6. Επειδή το σημείο βρασμού του αργού (87,3 K σε πρότυπες συνθήκες) βρίσκεται μεταξύ του σημείου ζέσης του οξυγόνου (90,2 K) και του αζώτου (77,4 K), το αργό δημιουργείται στο κατώτερο τμήμα της στήλης χαμηλής πίεσης. Όταν παράγεται αργό, πλευρικός ατμός παίρνεται από τη στήλη χαμηλής πίεσης όπου η πίεση του αργού είναι η πιο υψηλή. Στέλνεται σε μια άλλη στήλη για να εξευγενίσει το αργό στην επιθυμητή καθαρότητα από την οποία το υγρό επιστρέφεται στην ίδια θέση στη στήλη χαμηλής πίεσης. Η χρήση των σύγχρονων δομημένων υλικών πλήρωσης που έχει πολύ χαμηλές πτώσεις πίεσης παράγει καθαρό αργό. Αν και το αργό είναι παρόν σε λιγότερο από 1% του εισερχόμενου αέρα, η στήλη αργού του αέρα απαιτεί σημαντικό ποσό ενέργειας λόγω της απαιτούμενης υψηλής αναλογίας αναρροής (περίπου 30) στη στήλη του αργού. Η ψύξη της στήλης του αργού μπορεί να δοθεί από από την ψυχρό διαστελόμενο πλούσιο υγρό ή από το υγρό άζωτο.
7. Τελικά τα παραγόμενα προϊόντα σε αέρια μορφή θερμαίνονται από τον εισερχόμενο αέρα σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Αυτό απαιτεί μια προσεκτική τεχνική ενσωμάτωσης θερμότητας που πρέπει να ακολουθεί σταθερότητα απέναντι στις διακυμάνσεις (λόγω της αλλαγής στις κλίνες των μοριακών ηθμών^[7]). Μπορεί επίσης να απαιτείται πρόσθετη εξωτερική ψύξη κατά την εκκίνηση.

Τα διαχωρισμένα προϊόντα παρέχονται κάποιες φορές μέσα από αγωγούς σε μεγάλους βιομηχανικούς καταναλωτές κοντά στην εγκατάσταση παραγωγής. Η μεταφορά των προϊόντων σε μεγάλη απόσταση γίνεται στέλνοντας υγρό προϊόν για μεγάλες ποσότητες ή ως κρυογονικά δοχεία ντιούαρ ή κυλίνδρους αερίων για μικρές ποσότητες.

Μη κρυογονικές μέθοδοι

Η προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης παρέχει διαχωρισμό του οξυγόνου ή αζώτου από τον αέρα χωρίς υγροποίηση. Η διεργασία λειτουργεί περίπου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος· ένας ζεόλιθος (μοριακός σπόγγος) εκτίθεται σε υψηλή πίεση αέρα, έπειτα ο αέρας ελευθερώνεται και μια προσροφημένη μεμβράνη του επιθυμητού αερίου απελευθερώνεται. Το μέγεθος του συμπιεστή είναι πολύ μειωμένο συγκρινόμενο με μια εγκατάσταση υγροποίησης και φορητοί συμπυκνωτές οξυγόνου κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο για να παράσχουν αέρα εμπλουτισμένο σε οξυγόνο για ιατρικούς σκοπούς. Η προσρόφηση με εναλλαγή κενού είναι μια παρόμοια διεργασία, αλλά το αέριο προϊόν παράγεται από τον ζεόλιθο σε υποατμοσφαιρική πίεση.

Οι τεχνολογίες μεμβράνης μπορούν να παράσχουν εναλλακτικές, χαμηλότερης ενέργειας προσεγγίσεις στον διαχωρισμό του αέρα. Για παράδειγμα, ένας αριθμός προσεγγίσεων εξερευνάται για παραγωγή οξυγόνου. Πολυμερικές μεμβράνες που λειτουργούν σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος ή σε πιο υψηλές θερμοκρασίες, παραδείγματος χάριν, ενδέχεται να μπορούν να παραγάγουν αέρα εμπλουτισμένο σε οξυγόνο (25-50% οξυγόνο). Κεραμικές μεμβράνες μπορούν να παράσχουν οξυγόνο υψηλής καθαρότητας (90% ή περισσότερο) αλλά απαιτούν υψηλότερες θερμοκρασίες (800-900° C) για να λειτουργήσουν. Αυτές οι κεραμικές μεμβράνες περιλαμβάνουν μεμβράνες μεταφοράς ιόντων (ITM) και μεμβράνες μεταφοράς οξυγόνου (OTM). Οι Air Products και Chemicals Inc και Praxair αναπτύσσουν επίπεδα ITM και σωληνοειδή συστήματα OTM, αντίστοιχα.

Εφαρμογές

Μεγάλες ποσότητες οξυγόνου απαιτούνται για τη εξαέρωση γαιάνθρακα· κρυογονικές εγκαταστάσεις που παράγουν 3000 τόνους την ημέρα βρίσκονται σε κάποια έργα. Στη χαλυβουργία απαιτούνται σημαντικές ποσότητες οξυγόνου. Μεγάλες ποσότητες αζώτου με χαμηλές ακαθαρσίες οξυγόνου χρησιμοποιούνται για την αδρανοποίηση δεξαμενών αποθήκευσης των πλοίων και δεξαμενών πετρελαϊκών προϊόντων, ή για την προστασία εδώδιμων λαδιών από την οξείδωση.

Παραπομπές

1. NASA Earth Fact Sheet, (updated November 2007)
2. «Cool Inventions» (PDF). http://www.tcetoday.com. Σεπτεμβρίου 2010. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 13 Ιανουαρίου 2014. Ανακτήθηκε στις 20 Οκτωβρίου 2014. Εξωτερικός σύνδεσμος στο |publisher= (βοήθεια)
3. Latimer, R. E. (1967). «Distillation of Air». Chemical Engineering Progress 63 (2): 35–59. https://archive.org/details/sim_chemical-engineering-progress_1967-02_63_2/page/35.
4. Agrawal, R. (1996). «Synthesis of Distillation Column Configurations for a Multicomponent Separation». Industrial & Engineering Chemistry Research 35 (4): 1059. doi:10.1021/ie950323h.
5. Castle, W. F. (2002). «Air separation and liquefaction: Recent developments and prospects for the beginning of the new millennium». International Journal of Refrigeration 25: 158–172. doi:10.1016/S0140-7007(01)00003-2.
6. Particulate matter from forest fires caused an explosion in the air separation unit of a Gas to Liquid plant, δείτε Fainshtein, V. I. (2007). «Provision of explosion proof air separation units under contemporary conditions». Chemical and Petroleum Engineering 43: 96–101. doi:10.1007/s10556-007-0018-8.
7. Vinson, D. R. (2006). «Air separation control technology». Computers & Chemical Engineering 30: 1436–1446. doi:10.1016/j.compchemeng.2006.05.038.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Commons logo

Τα Wikimedia Commons έχουν πολυμέσα σχετικά με το θέμα    Διαχωρισμός αέρα

• The Cryogenics Resource Center of Air-Products has placed several good scientific papers online
• Simulation of air separation plants.