Destillatie van lucht

De destillatie van lucht is een van de methoden voor het onttrekken van distikstof, dizuurstof en argon uit de atmosfeer. Deze destillatie wordt uitgevoerd bij extreem lage temperaturen (−180°C à −190°C) en wordt daarom ook wel een cryogene destillatie genoemd.

Cryogene destillatie

Cryogene destillatie is een destillatie die plaatsvindt bij extreem lage temperaturen. De methode wordt gebruikt om mengsels te scheiden die bij normale druk en temperatuur gasvormig zijn. Het wordt onder andere toegepast bij de scheiding van lucht maar ook bij de scheiding van ethaan en etheen en de scheiding van propaan en propeen in een kraker. Het gedeelte van het proces dat plaatsvindt bij de lage temperaturen vindt plaats in een goed geïsoleerd gedeelte van de fabriek, de zogenaamde 'coldbox'.

Globale procesbeschrijving

Achtereenvolgens wordt de lucht

• gecomprimeerd
• gezuiverd van verontreinigingen en water
• afgekoeld
• gedestilleerd
• afvoer van zuivere distikstof, dizuurstof en argon als gas of vloeistof

Compressie

Door middel van compressoren wordt de te scheiden lucht gecomprimeerd tot ongeveer 5 bar. Dit gebeurt in meertrapscompressoren. Tijdens elke trap vindt een drukverhoging plaats waardoor water uit de lucht zal condenseren. Dit water kan makkelijk worden afgevoerd.

Zuivering van verontreinigingen en water

In de gecomprimeerde lucht bevindt zich nog water en andere verontreinigingen zoals CO₂, NO_x en koolwaterstoffen. Deze verontreinigingen kunnen in het proces grote problemen veroorzaken en dienen daarom verwijderd te worden. CO₂ en NO_x worden bij de lage temperaturen vaste stoffen en kunnen verstoppingen in warmtewisselaars veroorzaken. Koolwaterstoffen kunnen in de destillatietoren explosies veroorzaken (zie paragraaf "gevaren van koolwaterstoffen").

De zuivering vindt plaats door de lucht door een groot vat te leiden met daarin absorberende korrels (bijvoorbeeld silica) die deze verontreinigingen opnemen. Na verloop van tijd (bijvoorbeeld enkele uren) zijn deze korrels verzadigd met verontreinigingen en dienen ze te worden geregenereerd. Deze regeneratie vindt plaats met stikstof of zuivere lucht (dat wil zeggen lucht zonder verontreinigingen) Er zijn twee vaten aanwezig, nadat vat A verzadigd is wordt overgeschakeld op vat B. Vat A wordt geregenereerd zodat dit weer gebruikt kan worden voordat ook vat B verzadigd is.

Afkoeling van de ingaande lucht

De destillatie wordt uitgevoerd bij temperaturen van tussen de −180°C en −190°C. De lucht dient daarom afgekoeld te worden voordat het de destillatiekolom ingaat. Deze afkoeling gebeurt op twee manieren:

1. Afkoeling in een warmtewisselaar
   De uitgaande stikstof- en zuurstofgas kunnen worden opgewarmd voordat ze de fabriek verlaten. Deze kou kan gebruikt worden om de ingaande lucht af te koelen. Dit gebeurt door het koude stikstof- en zuurstofgas in tegenstroom met lucht door warmtewisselaars te leiden.
2. Afkoeling met behulp van expansieturbines
   Door de gecomprimeerde lucht over turbines te laten expanderen kan de lucht drastisch worden afgekoeld. Tevens produceren de expansieturbines hierbij elektriciteit, of drijven ze een compressor aan.

In de praktijk worden verschillende combinaties van bovenstaande methodes toegepast om de lucht af te koelen.

Destillatie

De destillatie vindt plaats door middel van achtereenvolgens:

1. middendrukkolom
2. lagedrukkolom
3. argonzuivering

Middendrukkolom

In de eerste kolom wordt de lucht onder in de kolom ingevoerd. Over de top van deze kolom gaat zuivere distikstof (vloeibaar of gasvormig). Over de bodem gaat een vloeistof met een hoog percentage (± 40%) zuurstof. Omdat (een gedeelte van) de lucht gasvormig de kolom wordt ingevoerd, is hier geen reboiler nodig.

Lagedrukkolom

De vloeistof met het hoge percentage zuurstof wordt naar de top van de tweede kolom geleid en zorgt in deze kolom voor de reflux. De druk in deze kolom wordt op een lagere druk (bijvoorbeeld 200 mbar) bedreven. Gasvormige, onzuivere distikstof gaat over de top van deze tweede kolom en kan eventueel in een extra topsectie nog worden gezuiverd. Over de bodem van deze kolom gaat zuivere dizuurstof. Ergens midden in de kolom wordt een argonrijke vloeistof afgescheiden.

De condensor van de eerste kolom en de reboiler van de tweede kolom zijn samengevoegd in een warmtewisselaar. Dit is mogelijk omdat bij de hogere druk van de eerste kolom het kookpunt van distikstof iets hoger is dan het kookpunt van dizuurstof bij de lagere druk in de tweede kolom, waardoor er warmteoverdracht kan plaatsvinden van distikstof naar dizuurstof.

Argonzuivering

Het rijke gasvormige argonmengsel wordt in de bodem van een kolom gestuurd. Over de top gaat een mengsel waaruit de dizuurstof gestript is. Over de bodem gaat een vloeistof met meer dizuurstof die weer teruggevoerd wordt naar de lagedrukkolom. Het gasmengsel ontdaan van dizuurstof bevat dan enkel nog distikstof en argon. In een tweede kolom wordt dit mengsel gescheiden waarbij argon over de top gaat. In de condensors van deze twee kolommen wordt het gas afgekoeld en gecondenseerd met behulp van koude vloeistoffen die zich in het proces bevinden, bijvoorbeeld de zuurstofrijke vloeistof over de bodem van de allereerste kolom.

Afvoer van zuivere producten

Het zuivere distikstof, dizuurstof en argon kan als gas of als vloeistof de coldbox verlaten. Als vloeistof kan het direct worden opgeslagen in daarvoor bestemde cryogene tanks. Ook in deze tanks heerst een heel lage temperatuur (er bestaan tanks van miljoenen liters zuivere, vloeibare stikstof of zuurstof bij −180 of −190°C). Tevens kan deze vloeistof met pompen tot de gewenste druk worden gebracht (bijvoorbeeld tussen 5 en 70 bar), worden verdampt en opgewarmd in de warmtewisselaars die ook de inkomende lucht afkoelen.

Verder kunnen de zuivere producten als gas de coldbox verlaten om vervolgens in de warmtewisselaars te worden opgewarmd. Hierna kan het zuivere gas door middel van compressoren op de gewenste druk worden gebracht (bijvoorbeeld tussen 5 en 70 bar).