Unitat de separació de l’aire per a productes químics

La tecnologia de separació de l’aire criogènic s’ha utilitzat amb èxit durant molts anys per proporcionar oxigen per a la gasificació de diversos pinsos d’hidrocarburs per produir síngas per a la producció de combustibles, productes químics i altres productes valuosos. Entre els exemples hi ha el
Conversió de residus líquids i sòlids de les refineries a l’hidrogen per utilitzar-los a les refineries, així com la coproducció d’electricitat i el creixent interès en els processos de liquidació de gas natural que converteixen el gas natural en cru, ceres i combustibles sintètics. En els darrers anys, per tal de reduir el cost dels equips o millorar l’eficiència, la combinació del procés de producció d’oxigen i la planta de processament d’hidrocarburs aigües avall ha rebut cada cop més atenció. Es descriuen els processos de producció d’oxigen tradicionals i en desenvolupament per millorar l’economia d’aquestes instal·lacions.

 

Continguts

1. Desplegament de la tecnologia de processament de gasos industrials no criogènics

   1.1 Adsorció

   1.2 Sistema de membrana de polímer

2. Tecnologia de processament de gasos industrials de temperatura

   2.1 Visió general del processament criogènic

   2.2 Cicle de ciclecompressió de compressió

   2.3 Pumping Liquid Cyclepumping Cicle de líquids

   2.4 Cicles de baixa pressió i alta pressió

3. Comparació d’alternatives de procés i millores tecnològiques

4. Conclusió

Poseu -vos en contacte ara

1. Desplegament de la tecnologia de processament de gasos industrials no criogènics

1.1 Adsorció

El procés d’adsorció es basa en la capacitat d’alguns materials naturals i sintètics d’adsorbir preferentment el nitrogen. En el cas de les zeolites, existeix un camp elèctric inhomogeni als espais buits del material, donant lloc a l’adsorció preferent de molècules més polaritzades, com ara els que tenen moments de quadrupol electrostàtics més grans. Així, en la separació de l’aire, les molècules de nitrogen són més fortament adsorbides que les molècules d’oxigen o argó. A mesura que l’aire passa per una capa de material de zeolita, el nitrogen es conserva i un corrent ric en oxigen deixa la capa de zeolita. Els tamis moleculars de carboni són del mateix ordre de magnitud que les molècules d’aire. Com que les molècules d’oxigen són lleugerament més petites que les molècules de nitrogen, es difonen més ràpidament a les cavitats de l’adsorbent. Així, els tamis moleculars de carboni són selectius per a l’oxigen i els tamis moleculars són selectius per al nitrogen. Les zeolites s’utilitzen habitualment en els processos de producció d’oxigen basats en l’adsorció. L’aire comprimit s’introdueix en un vaixell que conté l’adsorbent. El nitrogen s’adsorbeix i es produeix un corrent d’aigües residuals ric en oxigen fins que el llit estigui saturat de nitrogen. En aquest punt, l’aire d’alimentació es canvia a un vaixell fresc i pot començar la regeneració del primer llit. La regeneració es pot aconseguir escalfant el llit o reduint la pressió del llit, reduint així el contingut de nitrogen d’equilibri de l’adsorbent. La calefacció sol anomenar -se adsorció de swing de temperatura (TSA) i reduir la pressió se sol anomenar adsorció de swing de pressió o al buit (PSA o VSA). La pressió reduïda té un cicle curt i és senzill d’operar, convertint -lo en el procés preferit per a les plantes de separació d’aire. Les variacions del procés que afecten l’eficiència de funcionament inclouen el pretractament de l’aire per eliminar l’aigua i el diòxid de carboni per separat, diversos llits per permetre la recuperació d’energia a la pressió durant la commutació del llit i el funcionament de buit durant la pressió reduïda. El sistema s’optimitza en funció del flux de productes, la puresa, la pressió, el consum d’energia i la vida útil prevista. La puresa d’oxigen és normalment del 93% al 95% en volum.

 

1.2 Sistema de membrana de polímer

Els processos de membrana que utilitzen materials polimèrics es basen en les diferències en les taxes de difusió de l’oxigen i el nitrogen a través d’una membrana que separa els fluxos de processos d’alta pressió i de baixa pressió. El flux i la selectivitat són dues propietats que determinen l’economia d’un sistema de membrana i ambdues són funcions del material de membrana específic. El flux de membrana determina la superfície de la membrana i és una funció de la diferència de pressió dividida pel gruix de la membrana. La constant de proporcionalitat que varia amb el tipus de membrana s’anomena permeabilitat. La selectivitat és la relació de les permeabilitats dels gasos a separar. La majoria dels materials de membrana són més permeables a l’oxigen que al nitrogen a causa de la mida menor de la molècula d’oxigen. Els sistemes de membrana es limiten generalment a la producció d’aire enriquit en oxigen (25% a 50% d’oxigen). Les membranes de transferència actives o facilitades contenen un agent complexa d’oxigen per augmentar la selectivitat d’oxigen i són un mètode potencial d’augmentar la puresa d’oxigen en els sistemes de membrana, suposant que també hi ha disponibles materials de membrana compatibles amb l’oxigen. Un dels avantatges principals de la separació de membranes és la simplicitat del procés, la seva continuïtat i el seu funcionament en condicions gairebé ambientals. El bufador proporciona una pressió de cap suficient per superar la caiguda de pressió pels filtres, els tubs de membrana i les canonades. Els materials de membrana se solen muntar en mòduls cilíndrics que estan units entre diverses connexions per proporcionar la capacitat de producció requerida. L’oxigen impregna a través de les fibres (tipus de fibra buida) o a través de les làmines (tipus de ferida en espiral) i s’extreu com a producte. Una bomba de buit sol mantenir el diferencial de pressió a través de la membrana i proporciona l’oxigen a la pressió necessària. El diòxid de carboni i l’aigua solen estar presents en el producte d’aire enriquit per l’oxigen perquè són més permeables que l’oxigen a la majoria de materials de membrana. No obstant això, els sistemes de membrana s’adapten fàcilment a aplicacions de fins a 20 tones al dia, on es pot tolerar la puresa de l’aire enriquit amb aigua i diòxid de carboni. Aquesta tecnologia és més recent que l’adsorció o les tecnologies criogèniques, i les millores dels materials poden fer que les membranes siguin més atractives per a les demandes d’oxigen més grans.

 

2. Tecnologia de processament de gasos industrials de temperatura

2.1 Visió general del processament criogènic

La tecnologia de separació de l’aire criogènic és actualment la tecnologia més eficient i rendible per produir grans quantitats d’oxigen gasós o líquid, nitrogen i argó. Les unitats de separació d’aire (ASUS) utilitzen un procés de destil·lació criogènica multicolumnica convencional per produir oxigen a partir d’aire comprimit a una alta recuperació i puresa. La tecnologia criogènica també pot produir nitrogen d’alta puresa com a flux de subproductes útil a un cost incremental relativament baix. A més, es pot afegir argó líquid, oxigen líquid i nitrogen líquid a la pissarra de producte per emmagatzemar una còpia de seguretat del producte o vendes de subproductes a baixos costos de capital i electricitat incrementals. La investigació continua en maneres d’augmentar la productivitat dels trens d’equips individuals com a mitjà per reduir els costos d’unió a través d’economies d’escala. La majoria dels equips utilitzen motors elèctrics convencionals per conduir l’equip per comprimir l’alimentació d’aire a l’ASU, així com l’oxigen i altres corrents de productes. Cal destacar que les instal·lacions IGCC reben tot el subministrament d’aire extreure l’aire de les turbines de gas utilitzades en el cicle combinat per produir electricitat a partir de gas de síntesi de carbó.

 

2.2 Cicle de ciclecompressió de compressió

Els processos de separació de l’aire solen produir un flux de productes de gas a la pressió atmosfèrica lleugerament per sobre i la temperatura ambient. Típicament l’oxigen del producte deixa l’intercanviador de calor principal a baixa pressió, que oscil·la entre 3,5 i 7 0.

 

2.3 Pumping Liquid Cyclepumping Cicle de líquids

Els productes líquids es poden treure dels intercanviadors de calor criogènics aigües amunt de la secció de destil·lació per a evaporació i calefacció. Aquests productes es poden bombar a la pressió de lliurament desitjada o a la pressió intermèdia. No obstant això, atès que la potència necessària per produir productes líquids a partir d’un sistema de destil·lació és de 2 a 3 vegades la de produir productes gasosos, el cicle ha de ser eficient per recuperar el refrigerant contingut en el flux de producte bombat. Això s’aconsegueix condensant el corrent de producte evaporat en l’intercanviador de calor criogènic contra un corrent d’aire d’alta pressió o nitrogen. L’aire liquat o l’alimentació de nitrogen es torna a la secció de destil·lació per a la refrigeració. Els cicles de procés líquid bombats que bomben els fluxos de producte a una pressió intermèdia a la sortida de la unitat de separació d’aire s’anomenen cicles de líquids bombats parcials i requereixen equips addicionals per comprimir el corrent de producte a la pressió de lliurament final. El bombament complet o parcial dels fluxos de producte afegeix un altre grau de llibertat a l’optimització del cicle criogènic i pot eliminar o reduir la mida del compressor d’oxigen.

2.4 Cicles de baixa pressió i alta pressió
Els cicles de la unitat de separació d’aire de baixa pressió (LP) es basen en comprimir l’aire d’alimentació només amb el requisit de pressió per rebutjar el subproducte de nitrogen a pressió atmosfèrica. Per tant, les pressions d’aire d’alimentació solen variar entre 360 ​​i 6 000 MPa, depenent de la puresa d’oxigen i del nivell d’eficiència energètica desitjat. Els cicles ASU d’alta pressió produeixen fluxos de producte i de subproductes a pressions molt per sobre de la pressió atmosfèrica, que normalment requereixen components criogènics més petits i compactes, que poden estalviar costos. Els cicles d’EP solen utilitzar pressions d’aire d’alimentació superior a 700 MPa. El cicle EP pot ser adequat quan tot o gairebé tot el subproducte de nitrogen es comprimeix com a flux de productes. A més, sovint es selecciona el cicle EP per integrar l’ASU amb altres unitats de procés, com les turbines de gas.

 

3. Comparació d’alternatives de procés i millores tecnològiques

 

Els processos d’adsorció i de membrana de polímer continuaran millorant en l’eficiència de costos i energia mitjançant la investigació i el desenvolupament continuats d’adsorbents i materials de membrana. Tampoc s’espera que la tecnologia desafiï la tecnologia criogènica en la seva capacitat per produir grans quantitats d’oxigen, especialment a puritats més altes. Tant els sistemes d’adsorció com de membrana produeixen nitrogen de subproductes que conté quantitats significatives d’oxigen. Si es requereix nitrogen d’alta puresa, s’ha de fer servir desoxigenació addicional o altres sistemes de purificació per millorar la qualitat del nitrogen. Cap procés pot produir directament argó o gasos nobles. La producció d’oxigen líquid o nitrogen per a la còpia de seguretat del sistema requereix equips criogènics addicionals o transport de productes d’equips vegetals. D'altra banda, els processos d'adsorció i membrana són més senzills i passius que les tecnologies criogèniques. L’aire extret del compressor de turbines de gas pot complir parcialment o completament els requisits d’alimentació de l’ASU. En una configuració senzilla, la pressió de destil·lació ASU establirà la pressió de l’aire d’extracció. Si el flux d’aire d’extracció és inferior al total de l’ASU, s’utilitzarà un compressor d’aire auxiliar, la pressió de descàrrega s’ajustarà a la pressió d’aire d’extracció. Si el subministrament d’aire extret és aproximadament una quarta part de la demanda total d’ASU, es pot establir la pressió de destil·lació ASU de manera independent i es pot utilitzar un procés líquid bombat.

L’aire d’extracció d’alta pressió bull l’oxigen líquid o el nitrogen a pressió a la zona d’intercanvi de calor criogènic. El subministrament d’aire comprimit auxiliar estableix la pressió de destil·lació ASU.

A les instal·lacions que utilitzen turbines de gas, es pot extreure aire per diverses raons.
Com a alimentació a una unitat de separació d’aire, com a aire de refrigeració “d’escapament” per a la turbina en si, o altres requisits per a l’aire pressuritzat dins de la instal·lació. L’aire extret conté una calor valuosa que es pot recuperar bullint el líquid a nivells de temperatura discrets o mitjançant una transferència de calor sensible a un altre líquid. Una classe d’aplicacions que utilitza la calor recuperada és la regeneració de dissolvents, que és un procés que primer realitza un pas d’absorció de gas/líquid i després transfereix calor al líquid per desorbir productes gasosos o contaminants. Aquest pas posseeix la propietat que inclouen exemples de processos que poden beneficiar -se d’aquesta integració de calor, però no es limiten a les operacions d’unitats següents que es poden trobar a les instal·lacions de gasificació d’hidrocarburs o de processament d’hidrocarburs. Regeneració d’un sistema de pretractament d’aire basat en líquids com a part d’una unitat de separació d’aire criogènica. Els passos d’absorció basats en líquids per eliminar els contaminants dels corrents d’alimentació d’aire fins a les plantes de separació d’aire poden beneficiar-se de la recuperació de calor de l’aire extractiu. En una realització, l’aire calent es refreda en relació amb els fons líquids d’una columna absorbent. L’aire refredat entra a la columna i contacta amb l’absorbent líquid, on s’absorbeixen les impureses del corrent d’aire al líquid. El pas de calefacció aire-absorbent desorbeix els contaminants del líquid absorbent, que després es torna a la columna absorbent. El sistema d’absorció pot incloure un o més fluids en diversos passos d’absorció per augmentar l’eliminació d’eficiència o utilitzar absorbents específics per eliminar les impureses específiques del flux d’aire. La regeneració absorbent pot incloure l'escalfament d'altres fonts, combinada amb l'escalfament per reduir la pressió a les impureses desorbades. La calor de l’aire extret es pot recuperar mitjançant contacte indirecte de l’aire calent amb un fluid de procés o per transferència de calor de l’aire a un fluid de treball com el vapor o un gas inert. En aquest exemple, l’elevat nivell de calor generat a partir de la font d’aire extret es transfereix al corrent de nitrogen que torna a la turbina de gas. L’aire extret es refreda encara més mitjançant el contacte amb l’absorador enriquit els fons que s’utilitzen per tractar pre-tractament de l’aire a l’ASU.
Aquest pas de transferència de calor també es pot realitzar en altres sistemes d’absorció dins de l’àrea de treball de producte Pox o Pox de la planta. Depenent del material de dissolvent i d’absorció, es poden eliminar els passos de recuperació de calor d’alt nivell i tota la calor d’aire extreta que s’utilitza per a la regeneració de l’absorbidor.
El CO2 es pot processar i vendre com a subproducte o utilitzar-lo dins de la planta. Un exemple és retornar el CO2 a la turbina de gas com a diluent afegit.

 

4. Conclusió

Actualment, els processos criogènics són el mètode preferit per subministrar gasos industrials a grans instal·lacions. La integració de la calor, la refrigeració, els processos i els fluxos de residus entre els processos de gas industrial i altres unitats a tota la instal·lació pot millorar l'eficiència i reduir els costos. Els conceptes avançats d’integració de calor poden facilitar l’ús de processos químics o ITM en el futur.