شبیه سازی واحد جداسازی اکسیژن و نیتروژن از هوا با اسپن هایسیس

توضیحات

جدا سازی هوا (Air separation unit) به فرایند جداسازی هوای اتمسفر به اجزای اصلی تشکیل دهنده اش مانند اکسیژن، نیتروژن، آرگون و سایر گازهای نجیب گفته می شود. اکسیژن به جهت کاربرد وسیع آن از لحاظ میزان تولید رتبه سوم را در میان مواد شیمیایی به خود اختصاص داده است. در بسیاری از واحدهای صنعتی به عنوان یکی از عناصر مورد نیاز حضور دارد. از کاربردهای آن می توان به صنایعی نظیر فولاد، متالورژی، تولید فلزات غیر آهنی، جوشکاری ، برش فلزات، سیمان، سرامیک ، پالایش نفت و کاغذ سازی و… اشاره کرد.

رایج ترین شیوه جداسازی هوا (ASU)، تقطیر (تبریدی) کرایوژنیک است. روش های غیر تبرید دیگری مانند جذب سطحی، فرایند شیمیایی، جداسازی غشایی، نیز در واحدهای تجاری برای جدا سازی یک جز از هوای معمولی استفاده می شود. اکسیژن با خلوص بالا، نیتروژن و آرگون که در ساخت دستگاه های نیمه هادی مورد استفاده قرار می گیرند می تواند از روش کرایوژنیک تولید شود.

روش‌های عمده جدا سازی هوا

روش جذب سطحی توسط مواد دسیکانت در ظروف بسته تحت فشار( PSA : Pressure Swing Adsorption)
روش جذب سطحی توسط غشاهای پیش ساخته در ظروف بسته تحت فشار (Membrane)
جداسازی هوا روش کرایوژنیک

فرایند کرایوژنیک (Cryogenic)

این روش نخستین بار توسط دانشمند آلمانی بنام دکتر کارل فون لینده Carl von Linde ابداع شد. هرچند بلحاظ سرمایه گذاری اولیه پرهزینه بوده و یک فرایند انرژی بر است. اما با توجه به ظرفیت و خلوص بالای محصول بدست آمده امروزه در پروژه های بسیاری که نیاز به تولید گازهای صنعتی دارند کاربرد گسترده ایی دارد. خلوص قابل دسترس در این سیستم تا 999/99 درصد می‌باشد. در این فرایند هوا را فشرده و پس از فراوری لازم تا مایع شدن سرد می‌کنند، سپس این مایعات با دمای جوش متفاوت وارد ستون تقطیر می‌شود.

مراحل این روش در یک پلنت کامل کرایوژنیک (ASU)عبارتند از:

1-فشرده سازی هوا

با توجه به ظرفیت های اینگونه پلنت ها عمدتا” توسط توربو کمپرسورهای چند مرحله ای مجهز به خنک کن های داخلی و در فشار کاری تعریف شده (معمولا” بین 6 – 10 bar) انجام می شود.

2-فراوری هوای فشرده

پکیج فیلتراسیون و خشک کردن هوا برای زدودن دی اکسید کربن، بخار آب و هیدروکربن ها از هوا در فواصل معین بارگذاری و احیاء توسط جاذب غربال مولکولی انجام می شود. و فرایند خنک کاری هوا دراین مرحله عمدتا” بوسیله سیستم های کولینگ واتر در یک خنک کن تبخیری که در آن از جریان جبرانی نیتروژن استفاده می شود انجام می پذیرد.

3-انتقال حرارت در درجه پایین

سرمایش بیشتر هوا به زیر دمای میعان در مبدلهای حرارتی توسط گاز نیتروژن اضافی حاصل از جریان سردساز و به صورت ناهمسو انجام می پذیرد.

4-ایجاد فشار و برودت بالا

نخست فشرده کردن بیشتر جریان هوا توسط بوسترها انجام می شود، سپس ایجاد برودت بسیار بالا در جریان هوای تقویت شده بوسیله توربین های انبساط صورت می گیرد. در این بخش عملیات میعان اولیه هوا برای ورود به ستون مایع تا -180 oCصورت می گیرد. فرآیند تبخیر و گرم کردن اکسیژن و نیتروژن پمپ شده تا دمای محیط، در یک مبدل گرمایی فشار بالا انجام می شود.

5-جداسازی محصولات اصلی

جریان هوای بسیار سرد به ستون تقطیر انتقال یافته و همانطور که در ستون مایع بالا می رود. سردتر شده تا جایی در یک فرایند کاملا فیزیکی به اجزای سازنده اش تبدیل و به صورت مایع روی ستون سینی جمع میگردد. ابتدا اکسیژن با دمای جوش بالاتر متراکم می شود، پس از آن نیتروژن با دمای جوش پایین تر میل به کندانس دارد.

گازهای نیتروژن در بالای ستون جمع شده و اکسیژن مایع در پایین ستون. مایع کردن گاز نیتروژن خالص در کندانسور انجام میشود. حال آن که اکسیژن خالص در انتهای ستون فشار پایین و از ریبویلر جمع آوری می شود. نیتروژن مایع یک جریان برگشتی برای ستون فشار و پس از فوق سرد شدن برای ستون فشار پایین فراهم می آورد. جداسازی مجدد و بیشتر در ستون فشار پایین انجام شده و اکسیژن خالص از پایین ستون و نیتروژن خالص از بالای ستون تقطیر خارج می شود.

فرایند کرایوژنیک (Cryogenic)