La production d’azote par séparation cryogénique de l’air est une méthode traditionnelle de production d’azote, qui a une histoire des dernières décennies. Il prend l’air comme matière première, après compression, purification, puis échange de chaleur pour liquéfier l’air dans l’air liquide. L’air liquide est principalement un mélange d’oxygène liquide et d’azote liquide, utilisant les différents points d’ébullition de l’oxygène liquide et de l’azote liquide, par distillation d’air liquide, de sorte qu’ils sont séparés pour obtenir de l’azote.

La production d’azote cryogénique peut produire du gaz d’azote avec une pureté de ≥ 99.999%. La pureté de l’azote est limitée par des facteurs tels que la charge d’azote, le nombre de plateaux, l’efficacité des plateaux et la pureté de l’oxygène dans l’air liquide, et la plage d’ajustement est très faible. Par conséquent, pour un ensemble d’équipements de production d’azote cryogénique, la pureté du produit est fondamentalement certaine et difficile à ajuster. La pureté de l’azote produit par l’adsorption à oscillation de pression est généralement comprise entre 95% et 99,9 %. Si de l’azote de plus grande pureté est nécessaire, un équipement de purification de l’azote doit être ajouté. La pureté de l’azote n’est affectée que par la charge en azote du produit. Dans d’autres conditions constantes, plus la décharge d’azote est élevée, plus la pureté de l’azote est basse; Inversement, plus il est élevé. Par conséquent, pour un ensemble d’équipements de production d’azote d’adsorption d’oscillation de pression, la pureté du produit peut être ajustée entre 90-99,9% tant que la charge est permise.

L’équipement principal inclus dans l’unité de générateur d’azote cryogénique

Filtration de l’air

Pour réduire l’usure sur les surfaces mécaniques à l’intérieur du compresseur d’air et assurer la qualité de l’air, l’air doit d’abord passer à travers un filtre à air pour enlever la poussière et d’autres impuretés avant d’entrer dans le compresseur d’air. Les compresseurs d’air utilisent souvent des filtres à rendement grossier ou moyen pour l’admission.

Compresseur d’air

Selon le principe de fonctionnement, les compresseurs d’air peuvent être divisés en deux catégories: les compresseurs volumétriques et les compresseurs de vitesse. Les compresseurs d’air utilisent généralement des compresseurs d’air à piston alternatif, des compresseurs d’air centrifuges et des compresseurs d’air à vis.

Refroidisseur d’air

Il est utilisé pour réduire la température de l’air comprimé avant d’entrer dans le sécheur d’air et la tour de séparation d’air, éviter les fluctuations de température importantes dans la tour, et peut libérer la majeure partie de l’humidité dans l’air comprimé. Habituellement, des refroidisseurs d’eau à l’azote (composés d’une tour de refroidissement à l’eau et d’une tour de refroidissement à l’air: la tour de refroidissement à l’eau utilise les gaz d’échappement de la tour de séparation de l’air pour refroidir l’eau en circulation, et la tour de refroidissement à l’air utilise l’eau en circulation de la tour de refroidissement à l’eau pour refroidir l’air) et des refroidisseurs d’air fréon sont utilisés.

Purificateur de séchage d’air

L’air comprimé contient encore de l’humidité, du dioxyde de carbone, de l’acétylène et d’autres hydrocarbures après avoir traversé un refroidisseur d’air. L’humidité gelée et le dioxyde de carbone déposés dans la tour de séparation de l’air peuvent bloquer les canaux, les pipelines et les vannes. L’acétylène s’accumule dans l’oxygène liquide et présente un risque d’explosion. La poussière peut user les machines en service. Afin d’assurer le fonctionnement sécuritaire à long terme de l’unité de séparation de l’air, un équipement de purification spécialisé doit être installé pour éliminer ces impuretés. Les méthodes les plus couramment utilisées pour la purification de l’air sont l’adsorption et la congélation. La méthode d’adsorption par tamis moléculaire est largement utilisée dans les petites et moyennes unités de générateur d’azote en Chine.

Tour de séparation de l’air

La tour de séparation d’air comprend principalement un échangeur de chaleur principal, un liquéficateur, une tour de distillation, un évaporateur à condensation, etc. L’échangeur de chaleur principal, l’évaporateur de condenseur et le liquéficateur sont des échangeurs de chaleur à plaques, qui sont un nouveau type d’échangeur de chaleur de paroi composite avec une structure en métal tout en aluminium. La différence de température moyenne est très petite, et l’efficacité de transfert de chaleur est aussi élevée que 98-99%. La tour de Distillation est un équipement pour la séparation de l’air, et les types d’équipement de la tour sont divisés en fonction de leurs composants internes. Une tour de plateau de tamis est appelée une tour de plateau de tamis, une tour de couverture à bulles est appelée une tour de couverture à bulles, et une tour emballée est appelée une tour emballée. La plaque de tamis a une structure simple, est facile à fabriquer et a une efficacité de plateau élevée, de sorte qu’il est largement utilisé dans les colonnes de distillation de séparation de l’air. La tour emballée est principalement utilisée pour les tours de distillation d’un diamètre inférieur à 0,8 met d’une hauteur ne dépassant pas 7m. Les tours à bulles sont rarement utilisées en raison de leur structure complexe et de leurs difficultés de fabrication.

Expanseur de Turbine

Il s’agit d’une machine à lame rotative utilisée dans les équipements de production d’azote pour générer une capacité de refroidissement, et c’est une turbine à gaz utilisée dans des conditions de basse température. Les turbocompresseurs sont divisés en débit axial, débit radial et débit radial axial selon le sens d’écoulement du gaz dans la roue; Selon que le gaz continue à se développer dans la roue, il peut être divisé en type de contre-attaque et type d’impact. L’extension continue est appelée type de contre-attaque, tandis que la non-extension continue est appelée type d’impact. L’expandeur à turbine d’impact radial radial à un étage est largement utilisé dans les équipements de séparation de l’air. Le générateur d’azote cryogénique de séparation de l’air est complexe, occupe une grande surface, a des coûts d’infrastructure élevés, exige un investissement unique important dans l’équipement, a des coûts d’exploitation élevés, produit du gaz lentement, a des exigences d’installation élevées, et a un cycle long. En tenant compte de facteurs tels que l’équipement complet, l’installation et l’infrastructure, l’échelle d’investissement des unités PSA ayant les mêmes spécifications pour les équipements inférieurs à 3500Nm3/h est de 20% à 50% inférieure à celle des unités cryogéniques de séparation de l’air. Le générateur d’azote cryogénique convient à la production industrielle d’azote à grande échelle, tandis que la production d’azote à moyenne et petite échelle semble peu rentable.

L’équipement d’azote cryogénique présente les caractéristiques suivantes

Des échangeurs de chaleur à basse température, des tours de rectification et d’autres conteneurs et pipelines à basse température sont placés dans la boîte froide et remplis de matériaux d’isolation à faible conductivité thermique pour empêcher la chaleur de l’environnant, réduire la perte de froid, sinon l’équipement ne peut pas fonctionner;

Les matériaux utilisés pour fabriquer des équipements à basse température exigent une résistance et une ténacité suffisantes à basse température, ainsi que de bonnes propriétés de soudage et de traitement. Alliage d’aluminium, alliage de cuivre, acier inoxydable et d’autres matériaux couramment utilisés;

Les impuretés à point d’ébullition élevé dans l’air, telles que l’eau, le dioxyde de carbone, etc., doivent être éliminées à l’avance à la température ambiante. Sinon, le canal dans l’appareil sera bloqué, de sorte que l’appareil ne puisse pas fonctionner;

L’acétylène et les hydrocarbures présents dans l’air pénètrent dans la tour de séparation des gaz et s’accumulent dans une certaine mesure, ce qui affectera la sécurité de fonctionnement et même les accidents d’explosion. Par conséquent, il est nécessaire de mettre en place un équipement de purification pour l’enlever;

Stockage de récipient fermé liquide à basse température, lorsque la chaleur extérieure est introduite, il y aura une certaine absorption de chaleur liquide à basse température et la gazéification, la pression augmentera automatiquement. Pour éviter les surpressions, un dispositif de sécurité fiable doit être installé;

Le liquide à basse température qui fuit dans la fondation gèle et fissure la fondation, et l’équipement s’incline. Par conséquent, il est nécessaire d’assurer l’étanchéité de l’équipement, des tuyaux et des vannes, et de tenir compte de la contrainte et de la déformation qui peuvent être causées par la dilatation thermique et la contraction à froid;

Les substances organiques poreuses telles que le bois et le coke imprégnés d’oxygène liquide explosent violemment quand elles entrent en contact avec la source d’incendie ou donnent une certaine force d’impact. Par conséquent, aucune matière organique poreuse n’est permise dans le congélateur. Pour la décharge d’oxygène liquide, il faut considérer à l’avance qu’il y a un pipeline spécial de décharge d’oxygène liquide et un conteneur, et il ne peut pas aller au fossé;

L’impact à long terme du liquide à basse température sur la plaque d’acier au carbone rendra la plaque d’acier fragile. Par conséquent, le tuyau et le réservoir de décharge du liquide à basse température ne peuvent pas utiliser de produits en acier au carbone;

L’azote et l’argon sont des gaz asphyxiants, et leurs tuyaux de décharge liquide devraient être conduits à l’extérieur. Le tuyau d’évacuation de gaz doit avoir une certaine hauteur d’évacuation et la sortie d’évacuation ne doit pas faire face aux escaliers de la plate-forme;

L’oxygène est un accélérateur fort, et son tuyau de décharge ne peut pas être directement déchargé dans une usine non ventilée.

Comparaison de la machine d’azote cryogénique et de la machine industrielle d’azote PSA

Avec le développement rapide de l’industrie, l’azote a été largement utilisé dans l’industrie chimique, l’électronique, la métallurgie, la nourriture, les machines et d’autres domaines, et la demande d’azote augmente à une grande vitesse chaque année. Les propriétés chimiques de l’azote ne sont pas actives, et il est très inerte dans son état ordinaire, et il n’est pas facile de réagir chimiquement avec d’autres substances. Par conséquent, l’azote est très utilisé comme gaz protecteur et gaz d’étanchéité dans l’industrie métallurgique, l’industrie électronique et l’industrie chimique, et la pureté du gaz protecteur général est 99,99%, et certains exigent 99,998% ou plus d’azote de grande pureté. L’azote liquide est une source froide commode et a été largement utilisé dans l’industrie alimentaire, le traitement médical et le stockage de sperme dans l’élevage. Dans la production d’ammoniac synthétique dans l’industrie des engrais, si le gaz de matière première du mélange synthétique d’ammoniac – hydrogène et azote est lavé et raffiné avec de l’azote liquide pur, la teneur en gaz inerte peut être extrêmement faible, et la teneur en monoxyde de soufre et en oxygène ne dépasse pas 20ppm.

L’azote pur ne peut être extrait directement de la nature et est principalement séparé par l’air. Les méthodes de séparation de l’air comprennent: la méthode cryogénique, la méthode d’adsorption par oscillation de pression (PSA), la méthode de séparation de membrane.

Comparaison technique et économique entre la production d’azote cryogénique et la production d’azote d’adsorption par oscillation de pression

Comparaison de processus

Le processus de production d’azote d’adsorption à oscillation de pression est relativement simple avec un petit nombre d’équipements, principalement composé de compresseurs d’air, de sécheurs d’air, de générateurs d’azote d’adsorption, et de réservoirs de stockage de gaz. Le procédé de production d’azote cryogénique est complexe avec un grand nombre d’équipements, y compris des compresseurs d’air, des refroidisseurs d’air, des séchoirs de purification d’air, des échangeurs de chaleur, des expanseurs et des tours de flux de précision.

Comparaison des types de produits et de leur pureté

La production d’azote cryogénique peut non seulement produire de l’azote, mais également produire de l’azote liquide, répondant aux exigences du processus pour l’azote liquide. Il peut également être stocké dans des réservoirs de stockage d’azote liquide. Lorsqu’il y a une charge d’interruption d’azote ou un entretien mineur de l’équipement de séparation de l’air, l’azote liquide dans le réservoir de stockage entre dans le vaporisateur et est chauffé avant d’être envoyé dans le pipeline d’azote du produit pour répondre à la demande d’azote de l’équipement de procédé. Le cycle de fonctionnement de la production d’azote cryogénique (se référant à l’intervalle entre deux grands cycles de chauffage) est généralement plus d’un an, par conséquent, la production d’azote cryogénique ne tient généralement pas compte de secours. Cependant, la production d’azote par adsorption par oscillation de pression ne peut produire que de l’azote gazeux sans moyens de secours, et un seul ensemble d’équipements ne peut garantir un fonctionnement continu à long terme.

La production d’azote cryogénique peut produire du gaz d’azote avec une pureté de ≥ 99.999%. La pureté de l’azote est limitée par des facteurs tels que la charge d’azote, le nombre de plateaux, l’efficacité des plateaux et la pureté de l’oxygène dans l’air liquide, et la plage d’ajustement est très faible. Par conséquent, pour un ensemble d’équipements de production d’azote cryogénique, la pureté du produit est fondamentalement certaine et difficile à ajuster. La pureté de l’azote produit par l’adsorption à oscillation de pression est généralement comprise entre 95% et 99,9 %. Si de l’azote de plus grande pureté est nécessaire, un équipement de purification de l’azote doit être ajouté. La pureté de l’azote n’est affectée que par la charge en azote du produit. Dans d’autres conditions constantes, plus la décharge d’azote est élevée, plus la pureté de l’azote est basse; Inversement, plus il est élevé. Par conséquent, pour un ensemble d’équipements de production d’azote d’adsorption d’oscillation de pression, la pureté du produit peut être ajustée entre 90-99,9% tant que la charge est permise.

Comparaison du contrôle opérationnel

La méthode cryogénique est effectuée à des températures extrêmement basses, et il faut un processus de démarrage de pré-refroidissement avant que l’équipement ne soit mis en fonctionnement normal. Le temps de démarrage est généralement d’au moins 12 heures à partir du début de l’expanseur jusqu’à la pureté d’azote requise; Avant que l’équipement entre en maintenance majeure, il doit y avoir une période de chauffage et de décongélation, généralement 24 heures. Par conséquent, l’équipement de production d’azote cryogénique ne devrait pas démarrer et s’arrêter fréquemment, et devrait fonctionner sans interruption pendant une longue période. En démarrant la méthode d’adsorption d’oscillation de pression, il suffit d’appuyer sur le bouton et dans les 30 minutes, des produits d’azote qualifiés peuvent être obtenus. Si de l’azote de haute pureté est nécessaire, il peut être purifié par un dispositif de purification d’azote en environ 30 minutes pour obtenir 99,99% -99,9999% d’azote de haute pureté. Appuyez simplement sur le bouton pour arrêter la machine. Par conséquent, la production d’azote d’adsorption par oscillation de pression est particulièrement appropriée pour le fonctionnement intermittent.

À l’heure actuelle, la méthode d’azote cryogénique adopte généralement la technologie avancée de contrôle par ordinateur de DCS (ou PLC) pour réaliser le contrôle central, le côté machine, et le contrôle intégré local, qui peut effectivement surveiller le processus de fabrication de l’ensemble entier d’équipement. La production d’azote d’adsorption d’oscillation de pression utilisant le contrôle automatique intelligent, bouton peut être production d’azote, aucun besoin de traitement spécial.

Pour la métallurgie du pétrole et les usines chimiques, la pureté d’azote requise est en grande partie 99,9%. De l’introduction et de la comparaison de la production d’azote cryogénique et de la production d’azote d’adsorption par oscillation de pression ci-dessus, nous pouvons tirer les conclusions suivantes:

A) lorsque la charge continue d’azote est supérieure à 600 m3n/h et que la consommation intermittente de charge n’est pas trop importante, et que les exigences peuvent être satisfaites par gazéification d’azote liquide, la production d’azote cryogénique doit être utilisée.

B) lorsque la charge continue d’azote est supérieure à 600 m3n/h et que la consommation intermittente de charge est grande, et que la quantité de vaporisation d’azote liquide n’est plus satisfaisante, la principale méthode de production d’azote est cryogénique, et l’alimentation intermittente d’adsorption d’oscillation de pression peut être utilisée.

C) lorsque la charge continue d’azote est inférieure à 600 m3n/h, l’adsorption d’oscillation de pression peut être employée pour la production d’azote.

D) la production d’azote d’adsorption d’oscillation de pression est particulièrement appropriée aux charges d’azote moins de 3000 m3n/h, à la pureté d’azote de 95%, et aux conditions de fonctionnement intermittents.

E) lorsque l’équipement de procédé nécessite de l’azote liquide, à moins qu’il n’y ait une possibilité d’approvisionnement externe en azote liquide, la production d’azote cryogénique devrait être utilisée.