Un nouveau type d’équipement à azote de haute pureté comprenant un système de prétraitement, un système de purification et une tour de fractionnement, la tour de fractionnement comprenant un détendeur à turbine, un échangeur de chaleur principal et un sous-refroidisseur pour l’échange de chaleur, ainsi qu’une tour de distillation et un évaporateur à condensation ; la colonne de distillation comprend une colonne supérieure et une colonne inférieure. Le nouveau type de dispositif de production d’azote exploite pleinement la capacité de refroidissement de l’oxygène et de l’azote, permettant ainsi d’économiser de l’énergie et de protéger l’environnement. Dans le même temps, l’oxygène riche est envoyé vers la machine d’expansion pour être refroidi, ce qui présente une structure raisonnable, permet d’économiser des matériaux et simplifie le processus de configuration. Voici un aperçu de la conception du processus de l’équipement à azote de haute pureté :

L’équipement principal et le principe de la séparation d’air

L’équipement principal de la séparation d’air comprend l’équipement de séparation d’air et la tour de rectification à basse température, dont le principe de fonctionnement est basé sur la technologie de congélation et de rectification à basse température. une installation de séparation d’air comprime l’air et le gèle profondément à l’état liquide, qui est ensuite séparé dans une colonne de rectification. La distillation à basse température est la méthode la plus couramment utilisée pour séparer les gaz inertes tels que l’oxygène, l’azote et l’argon par la différence de point d’ébullition des différents gaz

Dans des applications industrielles, l’équipement de séparation d’air est très utilisé dans la métallurgie, l’industrie chimique, le pétrole, les machines, l’exploitation minière, la nourriture et les domaines militaires. D’autres méthodes de séparation telles que la séparation par membrane et l’adsorption par pression (PSA et VPSA) sont principalement utilisées pour séparer les gaz mono-composants, tandis que la distillation à basse température convient à la fabrication de gaz de haute pureté, en particulier l’oxygène de haute pureté, l’azote et l’argon requis pour les dispositifs à semi-conducteurs.

Principe de Purification de l’équipement de séparation d’air

Dans un dispositif qui utilise le principe de la distillation à basse température pour produire de l’oxygène, la séparation par distillation de l’air dans la zone de basse température nécessite un prétraitement dans la zone de température normale, tel que la filtration, le prérefroidissement et la purification. Parce que l’air contient beaucoup de poussière, dans le fonctionnement à grande vitesse à long terme, la poussière s’usera, la corrosion, la mise à l’échelle sur la roue, la lame et d’autres pièces, réduisant ainsi la durée de vie de l’équipement, il est donc nécessaire de filtrer le matériau. Puisque la température de l’air comprimé dépasse 80 ° C, l’absorption de chaleur et le transfert de chaleur subséquents ne peuvent pas être effectués, ainsi le dispositif de pré-refroidissement est installé dans le dispositif de séparation d’air, qui peut effectivement réduire la température de l’air intérieur.

Dans l’air des matières premières, en plus de la poussière, il contient également de l’eau, du dioxyde de carbone, des hydrocarbures, et la plupart de l’équipement actuel de séparation d’air utilise le système de purification de tamis moléculaire pour améliorer la propreté de l’air et éviter l’accumulation d’eau et de dioxyde de carbone, qui affecte le travail du dispositif de séparation d’air. Par conséquent, le dispositif de filtration, de prérefroidissement et de purification des gaz est une partie indispensable du dispositif de séparation de l’air.

L’équipement de séparation d’air comprend principalement l’équipement cryogénique de séparation d’air et la tour de rectification de basse température.

Équipement cryogénique de séparation d’air

Pour la liquéfaction de l’air, différents dispositifs de congélation peuvent être utilisés, principalement basés sur le cycle Linde et le cycle Claude. Le premier refroidit en limitant l’expansion; En plus de ce dernier, il y a toujours une expansion de l’accélérateur, et une partie du gaz est une expansion isentropique dans la machine d’expansion. Lorsque le gaz subit une expansion isentropique, la réduction de la température est plus grande que celle de l’expansion d’étranglement, et une partie du travail de compression peut être récupérée, il est donc économique que l’expansion d’étranglement. Divers autres cycles améliorés de congélation comprennent le cycle d’étranglement à double pression, le cycle d’étranglement de prérefroidissement de l’ammoniac, le cycle de chevauchement étape par étape, etc.
Dans les différents cycles de la méthode de congélation, le processus typique (voir figure) est de filtrer d’abord l’air dans le filtre pour filtrer la poussière et d’autres impuretés dans le compresseur, puis par le purificateur de tamis moléculaire pour enlever l’air dans la basse température facile à solidifier les gaz, tels que la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, etc., l’air purifié dans le premier échangeur de chaleur par le produit azote et le refroidissement de l’oxygène. Après le premier échangeur de chaleur, l’air est divisé en deux voies: une voie à travers le deuxième échangeur de chaleur pour continuer à refroidir, puis à travers le papillon des gaz pour réduire la pression; L’autre façon de réduire la pression par la machine d’expansion. La température de l’air après l’expansion des deux canaux descend à environ 103K et pénètre dans le bas de la tour inférieure de la tour de rectification à deux étages.

Tour de rectification basse température

Dans le processus de surgélation, le processus principal de séparation est effectué dans une colonne de rectification en deux étapes. La tour se compose de deux tours supérieure et inférieure et d’un évaporateur de condensation entre les tours. L’air entrant dans le bas de la tour inférieure a été partiellement liquéfié dans les conditions de température et de pression qui s’y trouvent. Puisque le point d’ébullition de l’azote liquide est inférieur au point d’ébullition de l’oxygène liquide, le gaz liquéfié au fond de la tour inférieure est de l’air liquide riche en oxygène, et la teneur en oxygène est généralement de 30 à 40%. La pression de fonctionnement de la tour inférieure devrait être plus élevée que celle de la tour supérieure de sorte que la température de condensation de l’azote au sommet de la tour inférieure soit plus élevée que la température d’ébullition de l’oxygène liquide au bas de la tour supérieure (voir relation p-V-T). Ainsi, la chaleur à l’intérieur de l’évaporateur de condensation est transmise du tube au tube, et a une certaine différence de température de transfert de chaleur. L’évaporateur à condensation joue simultanément le rôle de condensation au sommet de la tour inférieure et de chauffage au bas de la tour supérieure. L’air dans la tour inférieure de bas en haut par la rectification de plateau multicouche, de sorte que la concentration des composants volatils de l’azote augmentait progressivement, et se condensait en azote liquide dans le tube de condensation de l’évaporateur. Une partie de l’azote liquide est utilisée comme liquide de reflux dans la tour inférieure. Une partie est recueillie dans le réservoir d’azote liquide et utilisée comme liquide de reflux au sommet de la tour supérieure après décompression. L’air liquide riche en oxygène au bas de la tour inférieure pénètre au milieu de la tour supérieure par la soupape de commande des gaz et entre en contact à contre-courant avec le gaz évaporé par l’évaporateur à condensation. Ainsi, la teneur en oxygène du liquide en aval continue d’augmenter de haut en bas, et s’accumule finalement dans le tube de l’évaporateur à condensats, la teneur en oxygène peut atteindre plus de 99%, et l’oxygène du produit est constamment évaporé ici et conduit hors de la tour. Le sommet de la tour supérieure conduit à l’azote du produit, et la concentration peut atteindre plus de 98%. La température de l’oxygène et de l’azote du produit dans la colonne de distillation est très basse, et l’air d’entrée peut être refroidi par l’échangeur de chaleur.
Comme le point d’ébullition de l’argon se situe entre le point d’ébullition de l’azote et de l’oxygène, on ne peut pas obtenir simultanément de l’azote pur et de l’oxygène pur en utilisant une colonne de rectification à deux étages. La concentration d’azote et d’oxygène dans le produit peut être augmentée si le gaz riche en argon est extrait de la partie appropriée de la tour supérieure comme matière première d’extraction de l’argon. Le néon et l’hélium avec des points d’ébullition plus faibles s’accumulent sur l’azote liquide et peuvent être extraits comme matières premières pour l’extraction du néon et de l’hélium. Le Krypton et le xénon avec des points d’ébullition relativement élevés sont accumulés dans l’oxygène liquide et l’oxygène gazeux au bas de la tour supérieure et peuvent être extraits comme matières premières pour l’extraction du Krypton et du xénon.

Description du procédé de séparation de l’air

L’équipement de séparation de l’air est un ensemble d’équipements de séparation de l’air avec expandeur de turbine à pression pour la purification par adsorption du tamis moléculaire et la production d’argon sans hydrogène à la température normale, dans une tour emballée conventionnelle. Le déroulement du processus est le suivant:

1. Filtration, compression, prérefroidissement et purification

L’air de procédé original est inhalé par l’orifice d’admission, pénètre dans le filtre à air auto-nettoyant, filtre la poussière et les impuretés mécaniques, pénètre dans le compresseur d’air centrifuge pour la compression et le gaz comprimé pénètre dans la tour de refroidissement d’air dans le système de prérefroidissement d’air, qui est refroidit et lavé dans la tour. La tour de refroidissement par air utilise de l’eau de refroidissement recirculée et de l’eau réfrigérée cryogénique refroidie par la tour de refroidissement par eau et ensuite refroidie par la machine à glace. La partie supérieure de la tour de refroidissement d’air est équipée d’un séparateur à inertie et d’un séparateur à tamis pour éviter que l’eau libre ne soit sortie de l’air de process.

L’air de process du système de prérefroidissement de l’air entre dans le système de purification de l’air pour l’adsorption et l’élimination de l’eau, du dioxyde de carbone et des hydrocarbures. Les adsorbeurs du système de purification sont composés de deux conteneurs verticaux. Les deux conteneurs d’adsorption adoptent une double structure de tour d’adsorption, avec de l’alumine activée en bas et un tamis moléculaire en haut. L’autre est régénéré en chauffant l’azote sale du refroidisseur à travers un appareil de chauffage.

2. Rectification d’air

La plus grande partie de l’air du processus de nettoyage sortant du système de purification de l’air entre dans l’échangeur de chaleur principal dans la boîte froide et est refroidi par le gaz de retour, et l’air près du point de rosée entre dans le bas de la tour inférieure pour le premier fractionnement. Dans la colonne de distillation, le gaz ascendant est en plein contact avec le liquide en aval, et après transfert de chaleur et de masse, la concentration en azote dans le gaz ascendant augmente progressivement. Dans l’évaporateur principal à condensation, l’azote est condensé et l’oxygène liquide est vaporisé. L’air liquide et l’azote liquide produits dans la tour inférieure sont surrefroidis par le refroidisseur et étouffés dans la tour supérieure en tant que liquide de retour de la tour supérieure. Dans la tour supérieure, l’azote produit, l’oxygène produit, l’oxygène liquide et l’azote sale sont obtenus après une deuxième distillation.

Production à froid

La majeure partie du refroidissement requis par le dispositif est assurée par l’expanseur de la turbine.

Le reste de l’air pur qui sort du système de purification de l’air passe dans un surcompresseur entraîné par un turbo expander pour augmenter sa pression. Il est ensuite refroidi par un refroidisseur après le surcompresseur, dans l’échangeur de chaleur principal dans le refroidisseur, où il est refroidi à une certaine température, puis dans l’expanseur de turbine. Cet air expansé est expansé et refroidi dans l’expanseur, puis pénètre dans la tour supérieure pour participer à la distillation.

4. Purification de l’argon

L’extraction d’argon adopte la dernière technologie de distillation complète pour produire de l’argon. Pour produire de l’argon, un gaz de fraction argon est prélevé à la position appropriée de la partie inférieure de la colonne supérieure de la colonne de fractionnement et envoyé à la colonne d’argon brut I pour distillation, de sorte que la teneur en oxygène est réduite. Le liquide de reflux de la colonne d’argon brut I est l’argon brut liquide extrait du fond de la colonne d’argon brut II par la pompe à liquide. Le gaz extrait du haut de la colonne d’argon brut I entre dans la colonne d’argon brut II, dans laquelle la séparation profonde argon-oxygène est effectuée, et après la distillation de la colonne d’argon brut II, le gaz d’argon brut d’une teneur en oxygène ≤1PPm est obtenu au sommet de la colonne d’argon brut II. La partie supérieure de la tour d’argon brut II est équipée d’un évaporateur à condensation, et l’air liquide extrait du sous-refroidisseur y est envoyé comme source froide après avoir été étouffé, et la majeure partie de l’argon brut est utilisée comme liquide de reflux de la tour d’argon brut après avoir été condensé par l’évaporateur à condensation. Le reste est conduit du haut de la tour d’argon brut (argon brut avec une teneur en oxygène ≤1PPm) et envoyé à la tour d’argon fin, le bas de la tour d’argon fin est équipé d’un évaporateur, utilisant l’azote de pression moyenne au bas de la tour comme source de chaleur pour évaporer l’argon liquide, et l’azote est liquéfié en même temps. Un condenseur est installé au sommet de la tour d’argon fin, et l’azote liquide de l’évaporateur d’argon fin est utilisé comme source froide pour condenser la majeure partie du gaz ascendant dans le reflux de la tour d’argon fin. Après distillation de la tour d’argon fin, le 99,999%ar du liquide d’argon fin obtenu au fond de la tour d’argon fin est extrait dans la boîte froide comme argon liquide de produit.

Conception des équipements et caractéristiques techniques

• Adsorption par tamis moléculaire avec processus à basse pression totale, refroidissement par mécanisme d’expansion à turbine suralimentée, argon à rectification totale, processus de compression externe de l’oxygène. Technologie avancée, technologie mature, fonctionnement fiable, utilisation simple, sécurité et faible consommation.
• Le système de pré-refroidissement utilise de l’azote et de l’azote sale dans la tour de refroidissement à eau pour réduire la température de l’eau de refroidissement, et la structure de la tour de refroidissement à air adopte des mesures anti-immersion fiables.
• Le canal de l’évaporateur à condensation principal adopte une structure spéciale pour empêcher l’accumulation d’acétylène dans l’oxygène liquide et garantir la sécurité de l’évaporateur à condensation principal et du système.
• La tour supérieure, la tour d’argon brut et la tour d’argon fin sont toutes des tours à garnissage conventionnelles.
• L’équipement a des conditions de fonctionnement variables et une capacité de charge variable, avec une plage de capacité de charge variable de 75 % à 105 %.
• Un système de contrôle centralisé DCS est adopté.