化学物質の空気分離ユニット

極低温空気分離技術は、さまざまな炭化水素原料のガス化に酸素を提供するために長年にわたって使用されており、燃料、化学物質、およびその他の貴重な製品を生産するための合成ガスを生産しています。例にはが含まれます
製油所から使用するための液体および固形廃棄物の製油所からの水素への変換、電気の共同生産、および天然ガスを合成原油、ワックス、燃料に変換する天然ガス液化プロセスへの関心の高まり。近年、機器のコストを削減したり、効率を改善するために、酸素生産プロセスと下流の炭化水素加工プラントの組み合わせがますます注目されています。これらの施設の経済を改善するための従来の酸素生産プロセスと統合スキームについて説明します。

 

コンテンツ

1.非結晶性産業ガス加工技術の概要

   1.1吸着

   1.2ポリマー膜システム

2.低温産業ガス処理技術

   2.1極低温処理の概要

   2.2圧縮サイクルカクレッションサイクル

   2.3ポンピング液体サイクルパンピング液体サイクル

   2.4低圧および高圧サイクル

3.プロセスの代替品と技術の改善の比較

4. conclusion

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1.非結晶性産業ガス加工技術の概要

1.1吸着

吸着プロセスは、いくつかの天然および合成材料が優先的に吸着する窒素に基づいています。ゼオライトの場合、材料の空間に不均一な電界が存在し、より大きな静電四十葉モーメントを持つものなど、より偏っている分子の優先的な吸着をもたらします。したがって、空気分離では、窒素分子は酸素またはアルゴン分子よりも強く吸着されています。空気がゼオライト材料の層を通過すると、窒素が保持され、酸素が豊富な流れがゼオライト層を離れます。炭素分子ふるいは、空気分子と同じ桁です。酸素分子は窒素分子よりもわずかに小さいため、吸着剤の空洞により迅速に拡散します。したがって、炭素分子ふるいは酸素に対して選択的であり、分子ふるいは窒素に選択的です。ゼオライトは、吸着ベースの酸素産生プロセスで一般的に使用されています。圧縮空気は、吸着剤を含む容器に供給されます。窒素は吸着され、酸素が豊富な廃水流が窒素で飽和するまで生成されます。この時点で、飼料空気は新鮮な容器に切り替えられ、最初のベッドの再生が開始できます。再生は、ベッドを加熱するか、ベッドの圧力を低下させ、吸着剤の平衡窒素含有量を減らすことで達成できます。加熱は通常、温度スイング吸着（TSA）と呼ばれ、圧力の低減は通常、圧力スイングまたは真空スイング吸着（PSAまたはVSA）と呼ばれます。減圧のサイクルは短く、操作が簡単で、空気分離プラントの好ましいプロセスになります。動作効率に影響を与えるプロセスの変動には、水と二酸化炭素を個別に除去するための空気の前処理、ベッドスイッチング中の圧力エネルギー回復を可能にする複数のベッド、および減圧中の真空動作が含まれます。このシステムは、製品の流れ、純度、圧力、エネルギー消費、および予想されるサービス寿命に基づいて最適化されています。酸素純度は通常、体積で93％から95％です。

 

1.2ポリマー膜システム

高分子材料を使用した膜プロセスは、高圧と低圧プロセスストリームを分離する膜を介した酸素と窒素の拡散速度の違いに基づいています。フラックスと選択性は、膜システムの経済性を決定する2つの特性であり、どちらも特定の膜材料の機能です。膜フラックスは膜の表面積を決定し、膜の厚さで割った圧力差の関数です。膜のタイプによって変化する比例定数は、透過性と呼ばれます。選択性とは、分離するガスの透過性の比です。ほとんどの膜材料は、酸素分子のサイズが小さいため、窒素よりも酸素に対して透過性があります。膜システムは一般に、酸素濃縮空気の生産に限定されています（25％〜50％酸素）。活性または促進された移動膜には、酸素選択性を高めるための酸素複合剤が含まれており、酸素と互換性のある膜材料も利用できると仮定して、膜​​系の酸素純度を増加させる潜在的な方法です。膜分離の主な利点は、プロセスのシンプルさ、その連続性、およびほぼ周囲の条件での動作です。ブロワーは、フィルター、膜チューブ、パイピング全体の圧力降下を克服するのに十分な頭圧を提供します。膜材料は通常、必要な生産能力を提供するために複数の接続によって一緒にリンクされる円筒形のモジュールに組み立てられます。酸素は繊維（中空繊維タイプ）またはシート（スパイラル創傷タイプ）を介して浸透し、製品として抽出されます。真空ポンプは通常、膜全体の圧力差を維持し、必要な圧力で酸素を供給します。二酸化炭素と水は通常、ほとんどの膜材料に対して酸素よりも透過性があるため、酸素濃縮空気製品に存在します。ただし、膜システムは、1日あたり最大20トンのアプリケーションに簡単に適応します。そこでは、水と二酸化炭素汚染物質が濃縮された空気の純度を許容できます。この技術は吸着や極低温技術よりも新しいものであり、材料の改善により、より大きな酸素需要にとって膜がより魅力的になります。

 

2.低温産業ガス処理技術

2.1極低温処理の概要

極低温空気分離技術は現在、大量の気体酸素または液体酸素、窒素、およびアルゴンを生産するための最も効率的で費用対効果の高い技術です。空気分離ユニット（ASUS）は、従来のマルチカラムの極低温蒸留プロセスを使用して、高い回復と純度で圧縮空気から酸素を生成します。極低温技術は、比較的低い増分コストで有用な副産物ストリームとして高純度の窒素を生成することもできます。さらに、液体アルゴン、液体酸素、および液体窒素を製品スレートに追加して、製品のバックアップまたは副産物の販売を低増分の資本と電力コストで貯蔵することができます。規模の経済を通じてユニットコストを削減する手段として、個々の機器列車の生産性を向上させる方法についての研究が継続されています。ほとんどの機器は、従来の電気モーターを使用して機器を駆動してASUに空気供給を圧縮し、酸素やその他の製品ストリームを駆動します。 IGCC施設は、石炭合成ガスから電力を生成するために複合サイクルで使用されるガスタービンから空気を抽出することにより、すべての空気供給を受け取ることは注目に値します。

 

2.2圧縮サイクルカクレッションサイクル

空気分離プロセスは、通常、大気圧をわずかに上回り、周囲温度に近いガス製品の流れを生成します。通常、製品の酸素は、3.5から7 0。0MPaの範囲で、メインの熱交換器を低圧で残し、比較的高い入口体積流量を備えた遠心コンプレッサー列車は、必要な圧力で製品を提供します。

 

2.3ポンピング液体サイクルパンピング液体サイクル

液体生成物は、蒸発と加熱のために蒸留セクションの上流の極低温熱交換器から採取することができます。これらの製品は、望ましい送達圧力または中間圧力に合わせて送ることができます。ただし、蒸留システムから液体製品を生産するために必要な電力は、ガス状製品の生産量の2〜3倍であるため、サイクルは、ポンピングされた製品ストリームに含まれる冷媒を回収するのに効率的でなければなりません。これは、高圧空気または窒素飼料ストリームに対する極低温熱交換器の蒸発した製品ストリームを凝縮することによって達成されます。液化空気または窒素飼料は、冷凍のために蒸留セクションに戻されます。空気分離ユニットの出口で製品ストリームを中間圧力にポンプする液体プロセスサイクルは、部分ポンプ付き液体サイクルと呼ばれ、製品ストリームを最終送達圧力に圧縮するために追加の機器が必要です。製品ストリームの完全または部分的なポンピングは、極低温サイクルを最適化する際に別の自由度を追加し、酸素コンプレッサーのサイズを排除または縮小することができます。

2.4低圧および高圧サイクル
低圧（LP）空気分離ユニットサイクルは、大気圧で窒素副産物を拒否する圧力要件でのみ飼料空気を圧縮することに基づいています。したがって、供給空気の圧力は通常、酸素純度とエネルギー効率の望ましいレベルに応じて、360と6 000 MPAの間で変化します。高圧ASUサイクルは、大気圧をはるかに上回る圧力で製品と副産物のストリームを生成します。通常、コストを節約できるより小さくてコンパクトな極低温成分が必要です。 EPサイクルは通常、700 MPaを超える飼料空気圧を使用します。 EPサイクルは、窒素副産物のすべてまたはほぼすべてが製品ストリームとして圧縮されている場合に適切である可能性があります。さらに、ASUをガスタービンなどの他のプロセスユニットと統合するために、EPサイクルが選択されます。

 

3.プロセスの代替品と技術の改善の比較

 

吸着およびポリマー膜プロセスは、吸着剤と膜材料の継続的な研究開発を通じて、コストとエネルギーの効率を改善し続けます。どちらの技術も、特により高い純度で大量の酸素を生成する能力において極低温技術に挑戦することは期待されていません。吸着と膜システムの両方が、かなりの量の酸素を含む副産物窒素を生成します。高純度窒素が必要な場合、窒素の品質を改善するために、追加の脱酸素化またはその他の精製システムを使用する必要があります。どちらのプロセスも、ArgonまたはNobleガスを直接生産することはできません。システムバックアップ用の液体酸素または窒素の生産には、追加の極低温機器または植物装置からの製品輸送が必要です。一方、吸着および膜プロセスは、極低温技術よりもシンプルで受動的です。ガスタービンコンプレッサーから抽出された空気は、ASUの飼料要件を部分的または完全に満たすことができます。単純な構成では、ASU蒸留圧が抽出空気圧を設定します。抽出空気の流れが必要な総ASUよりも少ない場合、補助空気圧縮機が使用され、その排出圧力は抽出空気圧に一致します。抽出された空気供給がASUの総需要の約4分の1である場合、ASU蒸留圧力は独立して確立でき、ポンピングされた液体プロセスを使用できます。

高圧抽出空気は、極低温熱交換ゾーンで加圧された液体酸素または窒素を沸騰させます。補助圧縮空気供給は、ASU蒸留圧を設定します。

ガスタービンを使用する施設では、さまざまな理由で空気を抽出することができます。
タービン自体の「排気」冷却空気、または施設内の加圧空気のその他の要件として、空気分離ユニットへの供給として。抽出された空気には、離散温度レベルで液体を沸騰させること、または別の液体への賢明な熱伝達によって回収できる貴重な熱が含まれています。回収された熱を利用するアプリケーションの1つのアプリケーションは、溶媒再生です。これは、最初にガス/液体吸収ステップを実行し、液体に熱を透過してガス状産物または汚染物質を脱吸収するプロセスです。このステップには、この熱統合の恩恵を受けるプロセスの例には、炭化水素ガス化または炭化水素加工施設に見られる以下のユニット操作が含まれますが、これらに限定されない特性があります。極低温空気分離ユニットの一部としての液体ベースの空気前処理システムの再生。空気飼料の流れから空気分離植物まで汚染物質を除去するための液体ベースの吸収ステップは、抽出的な空気熱回収から利益を得ることができます。一実施形態では、熱気は吸収柱からの液体底に比べて冷却されます。冷却された空気がカラムに入り、液体吸収剤に接触し、空気の流れの不純物が液体に吸収されます。空気から吸収の加熱ステップは、吸収性液体から汚染物質を脱ぎ、その後吸収性カラムに戻します。吸収システムには、効率の除去を増やすか、特定の吸収剤を使用して特定の不純物を空気の流れから除去するために、いくつかの吸収ステップに1つ以上の流体が含まれる場合があります。吸収性再生には、他のソースからの加熱と加熱と組み合わせて、不純物を消滅させる圧力を軽減することが含まれます。抽出された空気からの熱は、プロセス液との熱気の間接的な接触、または空気から蒸気や不活性ガスなどの作動液への熱伝達により、回収される場合があります。この例では、抽出された空気源から生成された高レベルの熱は、ガスタービンに戻る窒素河川に移します。抽出された空気は、ASUへの空気飼料を前処理するために使用される吸収体濃縮底との接触によってさらに冷却されます。
この熱伝達ステップは、植物のPOXまたはPOx製品作業エリア内の他の吸収システムでも実現できます。溶媒と吸収材料に応じて、高レベルの熱回収ステップが排除され、吸収体再生に使用されるすべての抽出された空気熱が排除される場合があります。
CO2は、副産物として処理および販売するか、プラント内で使用できます。例としては、CO2を追加希釈剤としてガスタービンに戻すことです。

 

4. conclusion

極低温プロセスは現在、工業用ガスを大規模な施設に供給するための好ましい方法です。産業ガスプロセスと施設全体の他のユニットとの間の熱、冷蔵、プロセス、廃棄物の流れの統合は、効率を改善し、コストを削減することができます。高度な熱統合の概念は、将来の化学またはITMプロセスの使用を容易にする可能性があります。