Một loại thiết bị nitơ tinh khiết cao mới bao gồm hệ thống xử lý trước, hệ thống tinh chế và một tháp phân đoạn, tháp phân đoạn bao gồm một turbine mở rộng, một bộ trao đổi nhiệt chính và một bộ làm lạnh phụ để trao đổi nhiệt, cũng như một tháp chưng cất và một bộ ngưng tụ bay hơi; Tháp chưng cất bao gồm cột trên và cột dưới. Thiết bị sản xuất nitơ loại mới này tận dụng tối đa khả năng làm mát của oxy và nitơ, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường; Đồng thời, oxy giàu được gửi đến máy nén mở rộng để làm lạnh, có cấu trúc hợp lý, tiết kiệm vật liệu và quy trình cấu hình đơn giản. Dưới đây là đánh giá về thiết kế quy trình của thiết bị nitơ tinh khiết cao:

Thiết bị chính và nguyên lý của quá trình tách không khí

Thiết bị chính của quá trình tách khí bao gồm thiết bị tách khí và cột chưng cất nhiệt độ thấp, nguyên lý hoạt động dựa trên công nghệ làm lạnh và chưng cất ở nhiệt độ thấp. Một nhà máy tách khí nén khí và làm đông sâu khí đó thành trạng thái lỏng, sau đó nó được tách ra trong cột chưng cất. Chưng cất nhiệt độ thấp là phương pháp phổ biến nhất để tách các khí trơ như oxy, nitơ và argon dựa trên sự chênh lệch điểm sôi của các loại khí khác nhau.

Trong các ứng dụng công nghiệp, thiết bị tách không khí được sử dụng rộng rãi trong ngành luyện kim, công nghiệp hóa chất, dầu khí, cơ khí, khai thác mỏ, thực phẩm và quân sự. Các phương pháp tách khác như tách màng và hấp thụ dao động áp suất (PSA và VPSA) chủ yếu được sử dụng để tách các loại khí đơn thành phần, trong khi chưng cất ở nhiệt độ thấp phù hợp để sản xuất các loại khí có độ tinh khiết cao, đặc biệt là oxy, nitơ và argon tinh khiết cần thiết cho các thiết bị bán dẫn.

Nguyên lý tinh chế của thiết bị tách không khí

Trong một thiết bị sử dụng nguyên lý chưng cất nhiệt độ thấp để sản xuất oxy, việc tách chưng cất không khí trong vùng nhiệt độ thấp yêu cầu phải xử lý trước ở vùng nhiệt độ bình thường, chẳng hạn như lọc, làm mát trước và tinh lọc. Vì không khí chứa nhiều bụi, trong quá trình vận hành tốc độ cao lâu dài, bụi sẽ gây mài mòn, ăn mòn, đóng cặn trên cánh quạt, cánh và các bộ phận khác, từ đó làm giảm tuổi thọ của thiết bị, do đó cần phải lọc vật liệu. Vì nhiệt độ của khí nén vượt quá 80 °C, quá trình hấp thụ nhiệt và truyền nhiệt tiếp theo không thể thực hiện được, nên thiết bị làm mát trước được lắp đặt trong thiết bị tách không khí, điều này có thể giảm hiệu quả nhiệt độ của không khí trong phòng.

Trong không khí của nguyên liệu thô, bên cạnh bụi, nó còn chứa nước, khí carbon dioxide, hydrocacbon, và hầu hết các thiết bị tách không khí hiện nay sử dụng hệ thống tinh lọc bằng sàng phân tử để nâng cao độ sạch của không khí và tránh sự tích tụ của nước và carbon dioxide, điều này ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị tách không khí. Do đó, thiết bị lọc khí, làm mát trước và tinh lọc là một phần không thể thiếu của thiết bị tách không khí.

Thiết bị tách không khí chủ yếu bao gồm thiết bị tách không khí bằng phương pháp đông lạnh và tháp chưng cất nhiệt độ thấp.

Thiết bị tách không khí lạnh

Để hóa lỏng không khí, có thể sử dụng các thiết bị chu trình đông lạnh sâu khác nhau, chủ yếu dựa trên chu trình Linde và chu trình Claude. Chu trình đầu tiên là làm lạnh bằng giãn nở qua van tiết lưu; trong khi chu trình thứ hai, ngoài giãn nở qua van tiết lưu, còn có một phần khí giãn nở đẳng entropi trong máy giãn nở. Khi khí trải qua giãn nở đẳng entropi, mức giảm nhiệt độ lớn hơn so với giãn nở qua van tiết lưu, và một phần công nén có thể được hồi phục, do đó kinh tế hơn so với giãn nở qua van tiết lưu. Các chu trình đông lạnh sâu cải tiến khác bao gồm chu trình giãn nở qua van hai áp suất, chu trình giãn nở qua van với làm lạnh sơ bộ bằng ammonia, chu trình chồng bước từng bước, v.v. Trong các chu trình của phương pháp đông lạnh sâu, quy trình điển hình (xem hình) là trước tiên lọc không khí trong bộ lọc để loại bỏ bụi và các tạp chất khác vào máy nén, sau đó bằng máy lọc sàng phân tử để loại bỏ các khí dễ bị rắn hóa ở nhiệt độ thấp như hơi nước và carbon dioxide, v.v. Không khí đã được tinh lọc được làm lạnh trong bộ trao đổi nhiệt đầu tiên bằng sản phẩm nito và oxy. Sau bộ trao đổi nhiệt đầu tiên, không khí được chia thành hai đường: một đường đi qua bộ trao đổi nhiệt thứ hai để tiếp tục làm lạnh, sau đó qua van tiết lưu để giảm áp suất; đường còn lại giảm áp suất thông qua máy giãn nở. Nhiệt độ không khí sau khi giãn nở ở hai kênh giảm xuống khoảng 103K và đi vào đáy tháp dưới của tháp tách phân hai tầng.

Tháp chưng cất nhiệt độ thấp

Trong quá trình đông lạnh sâu, quá trình tách chính được thực hiện trong cột chưng cất hai giai đoạn. Tháp bao gồm hai tháp trên và dưới và một thiết bị bay hơi ngưng tụ giữa hai tháp. Không khí đi vào đáy tháp dưới đã được hóa lỏng một phần dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất tại đó. Vì điểm sôi của nitơ lỏng thấp hơn điểm sôi của oxy lỏng, khí hóa lỏng ở đáy tháp dưới là không khí giàu oxy, và hàm lượng oxy thường từ 30% đến 40%. Áp suất vận hành của tháp dưới nên cao hơn tháp trên để nhiệt độ ngưng tụ của nitơ ở đỉnh tháp dưới cao hơn nhiệt độ sôi của oxy lỏng ở đáy tháp trên (xem quan hệ p-V-T). Do đó, nhiệt bên trong thiết bị bay hơi ngưng tụ được truyền từ ống này sang ống khác và có một sự chênh lệch nhiệt độ truyền nhiệt nhất định. Thiết bị bay hơi ngưng tụ đồng thời mang vai trò ngưng tụ ở đỉnh tháp dưới và gia nhiệt ở đáy tháp trên. Không khí trong tháp dưới đi từ đáy lên trên qua các đĩa đa lớp để chưng cất, khiến nồng độ thành phần dễ bay hơi của nitơ tăng dần và ngưng tụ thành nitơ lỏng trong ống của thiết bị bay hơi ngưng tụ. Một phần nitơ lỏng được sử dụng làm chất hồi lưu ở tháp dưới. Một phần được thu thập trong bình nitơ lỏng và được sử dụng làm chất hồi lưu ở đỉnh tháp trên sau khi giảm áp. Không khí giàu oxy ở đáy tháp dưới đi vào giữa tháp trên qua van tiết lưu, và tiếp xúc ngược dòng với khí bốc hơi từ thiết bị bay hơi ngưng tụ. Do đó, hàm lượng oxy trong chất lỏng dòng hạ lưu tiếp tục tăng từ trên xuống dưới và cuối cùng tích tụ trong ống thiết bị bay hơi ngưng tụ, hàm lượng oxy có thể đạt hơn 99%, và oxy thành phẩm liên tục được bay hơi tại đây và dẫn ra khỏi tháp. Đỉnh tháp trên dẫn đến nitơ thành phẩm, nồng độ có thể đạt hơn 98%. Nhiệt độ của oxy thành phẩm và nitơ thành phẩm trong cột chưng cất rất thấp, và không khí đầu vào có thể được làm mát nhờ bộ trao đổi nhiệt.

Vì nhiệt độ sôi của argon nằm giữa nhiệt độ sôi của nitơ và oxy, nên nitơ tinh khiết và oxy tinh khiết không thể đồng thời thu được bằng cách sử dụng cột chưng cất hai giai đoạn. Nồng độ nitơ và oxy trong sản phẩm có thể được tăng lên nếu khí giàu argon được tách ra từ phần thích hợp của tháp trên làm nguyên liệu thô để chiết xuất argon. Neon và heli có nhiệt độ sôi thấp hơn tích tụ trên nitơ lỏng và có thể được chiết xuất làm nguyên liệu thô để chiết xuất neon và heli. Krypton và xenon có nhiệt độ sôi tương đối cao tích tụ trong oxy lỏng và oxy khí ở đáy tháp trên và có thể được chiết xuất làm nguyên liệu thô để chiết xuất krypton và xenon.

Nhà sản xuất thiết bị tách không khí

Thiết bị tách không khí là một bộ thiết bị tách không khí với máy giãn nở tua bin áp suất để hấp phụ làm sạch rây phân tử và sản xuất argon không có hydro ở nhiệt độ bình thường, trong một tháp đóng gói thông thường. Quy trình vận hành như sau:

Lọc, nén, làm lạnh sơ bộ và tinh lọc

Không khí quy trình ban đầu được hít vào từ cổng hút, đi vào bộ lọc không khí tự làm sạch, lọc bụi và tạp chất cơ học, sau đó vào máy nén khí ly tâm để nén, và khí nén đi vào tháp làm mát không khí trong hệ thống làm mát sơ bộ không khí, nơi khí được làm mát và rửa trong tháp. Tháp làm mát không khí sử dụng nước làm mát tuần hoàn và nước lạnh nhiệt độ cực thấp được làm mát bởi tháp làm mát nước và tiếp tục làm lạnh bởi máy làm đá. Đỉnh tháp làm mát không khí được trang bị bộ tách quán tính và bộ tách màn để ngăn nước tự do được mang theo ra khỏi không khí quy trình.

Dòng không khí quá trình từ hệ thống làm mát trước không khí đi vào hệ thống lọc khí để hấp phụ và loại bỏ nước, carbon dioxide và hydrocarbon. Các bộ hấp phụ trong hệ thống lọc bao gồm hai thùng đứng. Hai thùng hấp phụ này sử dụng cấu trúc tháp hấp phụ kép, với alumina hoạt hóa ở phía dưới và sàng phân tử ở phía trên. Thùng còn lại được tái sinh bằng cách làm nóng nitơ bẩn từ bộ làm mát thông qua máy gia nhiệt.

Sửa chữa không khí

Hầu hết quá trình không khí làm sạch ra khỏi hệ thống lọc không khí đi vào bộ trao đổi nhiệt chính trong hộp lạnh và được làm mát bởi khí hồi, và không khí gần điểm sương đi vào đáy tháp dưới để phân đoạn đầu tiên. Trong cột chưng cất, khí đi lên tiếp xúc hoàn toàn với chất lỏng ở hạ nguồn, và sau quá trình truyền nhiệt và khối lượng, nồng độ nitơ trong khí đi lên tăng dần. Trong bộ bay hơi ngưng tụ chính, nitơ được ngưng tụ và oxy lỏng được bay hơi. Không khí lỏng và nitơ lỏng được sản xuất ở tháp dưới được làm lạnh quá mức bởi bộ làm mát và giảm áp xuống tháp trên như chất lỏng hồi từ tháp trên. Trong tháp trên, nitơ sản phẩm, oxy sản phẩm, oxy lỏng và nitơ bẩn được thu nhận sau lần chưng cất thứ hai.

Sản xuất lạnh

Phần lớn việc làm mát cần thiết cho thiết bị được cung cấp bởi tuabin giãn nở.

Phần không khí sạch còn lại ra khỏi hệ thống lọc không khí đi vào một bộ siêu nạp được dẫn động bởi tuabin giãn nở để tăng áp suất. Sau đó, không khí được làm mát bởi một bộ làm mát sau bộ siêu nạp, vào bộ trao đổi nhiệt chính trong bộ làm mát, nơi nó được làm mát đến một nhiệt độ nhất định, rồi vào tuabin giãn nở. Không khí giãn nở này mở rộng và được làm mát trong tuabin giãn nở, sau đó đi vào tháp trên để tham gia vào quá trình chưng cất.

Tinh chế Argon

Việc chiết xuất argon áp dụng công nghệ chưng cất toàn phần tiên tiến nhất để sản xuất argon. Để sản xuất argon, một lượng khí phân đoạn argon được lấy từ vị trí thích hợp ở phần dưới của cột trên của cột phân đoạn và chuyển đến cột argon thô I để chưng cất, nhằm giảm hàm lượng oxy. Chất lỏng hồi lưu của cột argon thô I là argon thô lỏng được chiết xuất từ đáy của cột argon thô II nhờ bơm lỏng. Khí được chiết xuất từ đỉnh cột argon thô I đi vào cột argon thô II, nơi tiến hành tách argon-oxy sâu, và sau khi chưng cất tại cột argon thô II, khí argon thô với hàm lượng oxy ≤1PPm được thu tại đỉnh cột argon thô II. Đỉnh cột argon thô II được trang bị máy bay hơi ngưng tụ, và không khí lỏng chiết từ bộ làm lạnh phụ được dẫn vào đó làm nguồn lạnh sau khi bị tiết lưu, và phần lớn argon thô được sử dụng làm chất lỏng hồi lưu của cột argon thô sau khi được ngưng tụ bởi máy bay hơi ngưng tụ. Phần còn lại được dẫn từ đỉnh cột argon thô (argon thô với hàm lượng oxy ≤1PPm) và gửi đến cột argon tinh khiết, đáy cột argon tinh khiết được trang bị máy bay hơi, sử dụng nitơ áp suất trung bình ở đáy cột làm nguồn nhiệt để bay hơi argon lỏng, đồng thời nitrogen được hóa lỏng. Một bộ ngưng tụ được lắp trên đỉnh cột argon tinh khiết, và nitơ lỏng từ máy bay hơi argon tinh khiết được sử dụng làm nguồn lạnh để ngưng tụ phần lớn khí đang đi lên thành hồi lưu của cột argon tinh khiết. Sau khi chưng cất tại cột argon tinh khiết, argon tinh khiết 99,999%Ar lấy từ đáy cột argon tinh khiết được dẫn vào hộp lạnh làm argon lỏng sản phẩm.

Thiết kế thiết bị và các đặc tính kỹ thuật

• Sàng phân tử hấp thụ với quá trình áp suất thấp đầy đủ, cơ chế mở rộng tua bin siêu điện làm mát, argon sửa chữa đầy đủ, quá trình nén oxy bên ngoài. Công nghệ tiên tiến, công nghệ trưởng thành, hoạt động đáng tin cậy, hoạt động đơn giản, an toàn và tiêu thụ thấp.
• Hệ thống làm mát trước sử dụng nitơ và nitơ bẩn vào tháp làm mát nước để giảm nhiệt độ của nước làm mát, và cấu trúc tháp làm mát bằng không khí áp dụng các biện pháp chống chìm đáng tin cậy.
• Kênh của máy bay hơi ngưng tụ chính áp dụng một cấu trúc đặc biệt để ngăn chặn sự tích tụ acetylene trong oxy lỏng và đảm bảo an toàn của máy bay hơi ngưng tụ chính và hệ thống.
• Tháp trên, tháp argon thô và tháp argon tinh tế đều là tháp đóng gói thông thường.
• Thiết bị có điều kiện hoạt động biến đổi và công suất tải biến đổi thiết bị, phạm vi công suất tải biến đổi thiết bị 75% ~ 105%.
• Hệ thống điều khiển tập trung DCS được áp dụng.