Sissejuhatus
Ülevaade mitte-krüogeensest tööstusliku gaasi töötlemise tehnoloogiast
2.1 Adsorptsioonitehnoloogia
2.2 Polümeermembraanisüsteem
Krüogeenne tööstuslik gaasi töötlemise tehnoloogia
3.1 Krüogeense töötlemise ülevaade
3.2 Kompressioonitsükkel
3.3 Vedeliku tsükli pumpamine
3.4 Madala rõhu ja kõrgsurve tsükkel
Protsessi alternatiivide võrdlus ja tehniline täiustamine
Viited
Õhu eraldamise tehnoloogia on keemilise tootmise peamine seos. Seda kasutatakse peamiselt selliste tööstuslike gaaside nagu hapniku ja lämmastiku eraldamiseks õhust ning seda kasutatakse laialdaselt kütuse tootmisel, keemiliste sünteesi ja energiaväljadena. Krüogeense õhu eraldamise tehnoloogia on saanud kõrge efektiivsuse ja majanduse tõttu eelistatud meetod suuremahuliseks gaasitootmiseks. Viimastel aastatel on tehnoloogia edenemisega järk-järgult tähelepanu pälvinud mittekogeensed meetodid nagu adsorptsioon ja membraani eraldamine. Selle töö eesmärk on uurida protsesside optimeerimist ja traditsiooniliste ja tekkivate õhu eraldamistehnoloogiate tehnilist paranemist, analüüsida nende majandust ja integratsioonipotentsiaali ning anda viitele tööstusele.
2. Ülevaade mittekogeensest tööstusliku gaasi töötlemise tehnoloogiast
2.1 Adsorptsioonitehnoloogia
Adsorptsioonitehnoloogia põhineb gaasimolekulide materjalide selektiivsel adsorptsioonivõimel ning adsorbendina kasutatakse sageli tseoliiti või süsinikmolekulaarset sõela. Selle põhiprintsiip on eraldumise saavutamine, kasutades gaasimolekulide diferentsiaalset adsorptsiooni adsorbendi pinnal. Näiteks on lämmastikumolekulid tseoliitide poolt kergemini adsorbeerunud nende tugeva polarisatsiooni tõttu, samas kui hapnik moodustab adsorptsioonivoodi kaudu hapnikurikka gaasi voolu.
Adsorptsioonitehnoloogia jaguneb peamiselt kahte kategooriasse:
Temperatuuri kiige adsorptsioon (TSA): adsorbenti regenereeritakse kuumutamisega, mis sobib suure puhtusarja hapniku tootmiseks (93%~ 95%).
Rõhukiiku adsorptsioon (PSA/VSA): regenereerimine saavutatakse dekompressiooniga, lühikese töötsükliga, mis sobib väikeste ja keskmise suurusega rakenduste jaoks.
Optimeerimissuundade hulka kuulub eeltöötlus vee/süsinikdioksiidi eemaldamiseks, mitme voodiga energia taastamine ja vaakumi töö, et parandada tõhusust ja vähendada energiatarbimist.
2.2 Polümeermembraanisüsteem
Membraani eraldamise tehnoloogia kasutab eraldamise saavutamiseks gaasi läbitungimise kiiruse erinevust polümeerimembraani kaudu. Hapnikumolekulid on väiksemad ja neil on kõrgem läbilaskvus kui lämmastikul, seega võib membraanisüsteem toota hapnikuga rikastatud õhku (25%~ 50%). Selle eelised on lihtne töö, pidev töö ja väike energiatarbimine, kuid toote puhtus on piiratud ning selektiivsuse parandamiseks tuleb see kombineerida aktiivse kandemembraaniga.
Membraanisüsteemid sobivad väikesemahuliste rakenduste jaoks (vähem või võrdne 20 tonni päevas) ja neil on kõrge tolerants süsinikdioksiidi ja vee suhtes. Materjalide tulevased parandused võivad laiendada selle rakendusvahemikku.
3. krüogeenne tööstusgaasi töötlemise tehnoloogia
3.1 Krüogeense töötlemise ülevaade
Krüogeenne destilleerimine on kõrgpuhustusega tööstuslike gaaside suuremahulise tootmise tavatehnoloogia, mis võib samaaegselt toota gaasilist/vedelat hapnikku, lämmastikku ja argooni. Selle tuum on suruõhu jahutamise ja fraktsioneerimise kaudu eraldumine, mille eelised on kõrge taastumiskiirus ja madalad lisakulud.
3.2 Kompressioonitsükkel
Krüogeensed seadmed kasutavad tavaliselt tsentrifugaalkompressoreid gaaside survestamiseks transpordivajaduste rahuldamiseks 3,5 ~ 70MPA -ni. Suured taimed vähendavad ühikukulusid mastaabisäästu kaudu, samas kui IGCC (integreeritud söe gaasistamise kombineeritud tsükkel) rajatised optimeerivad energiatõhusust veelgi gaasiturbiini ekstraheerimise kaudu.
3.3 Vedeliku tsükli pumpamine
Gaasi surve energiatarbimist saab vähendada vedelate toodete (näiteks vedela hapniku) pumpamisega vahepealsete rõhkudeni. Osalised pumpamistsüklid võivad taastada külmutusagente, vähendades seadmete suurust ja töökulusid.
3.4 madala rõhu ja kõrgsurve tsüklid
Madala rõhu tsükkel (LP): söödarõhk 360 ~ 600MPa, mis sobib stsenaariumide jaoks, millel on väike nõudlus lämmastiku kõrvalsaaduste järele.
Kõrgsurvetsükkel (HP): rõhk ületab 700MPa, mis sobib kõrge puhtusega lämmastiku tootmiseks või integreerimiseks teiste protsessidega (näiteks gaasiturbiinid).
4. Protsessi alternatiivide ja tehniliste paranduste võrdlus
Adsorptsioon ja membraanitehnoloogia: sobib väikeste ja keskmise suurusega skaaladele, kuid ei saa vaidlustada krüogeense tehnoloogia positsiooni suuremahulise suure puhtuse valdkonnas. Mõlemad nõuavad täiendavaid desoksügeenitud seadmeid või krüogeenseid varundussüsteeme.
Krüogeenne tehnoloogia: soojuse integreerimise (näiteks gaasiturbiini ekstraheerimise) ja pumpamistsükli optimeerimise abil saab energiatõhusust märkimisväärselt parandada. Näiteks võib kaevandamise soojuse kasutamine õhu eeltöötlemiseks või lahustite taaselustamiseks energiatarbimist veelgi vähendada.
Tulevaste arengusuundade hulka kuulub:
Adsorbentide ja membraanimaterjalide jõudluse parandamine.
Krüogeensete protsesside ja keemiliste taimede kuumuse integreerimine.
Tekkivate tehnoloogiate, näiteks keemia- või ioonide transpordimembraanide (ITM) rakendamine.
Krüogeense õhu eraldamistehnoloogia on endiselt tähtaeg ja majanduse tõttu tööstusliku gaasi tootmise tavaline valik. Protsessi optimeerimise (näiteks soojuse integreerimise, pumpamise ringlus) ja tehniliste paranduste (näiteks materiaalse uurimise ja arendamise) kaudu saab tõhusust veelgi parandada ja kulusid vähendada. Mittekogeensel tehnoloogial on potentsiaali väikesemahulistes rakendustes, kuid see peab puhtuse ja skaalapiirangute läbima. Tulevikus on tööstuse arengu võti mitmetehnoloogia koostöö ja domeenidevaheline integreerimine.
