I. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับหน่วยแยกอากาศ
หรือเรียกง่ายๆ ว่าหน่วยแยกอากาศ-คืออุปกรณ์ที่แยกส่วนประกอบก๊าซหลักในอากาศ โดยจะทำให้อากาศเย็นลงลึกถึงสถานะของเหลว และใช้จุดเดือดที่แตกต่างกันของส่วนประกอบของอากาศของเหลวเพื่อค่อยๆ แยกออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอน อากาศยังประกอบด้วยก๊าซหายาก เช่น ฮีเลียม นีออน อาร์กอน คริปทอน ซีนอน เรดอน รวมถึงสิ่งเจือปน เช่น ความชื้น คาร์บอนไดออกไซด์ และฝุ่น ซึ่งทั้งหมดนี้จำเป็นต้องแยกและทำให้บริสุทธิ์ สำหรับโรงงานส่วนใหญ่ หน้าที่หลักของหน่วยแยกอากาศคือการแยกและผลิตออกซิเจน ไนโตรเจน อาร์กอน ฯลฯ ที่สะอาด
(I) การแนะนำหลักการ
ส่วนประกอบหลักของอากาศ ได้แก่ ไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน ดังนั้นวัตถุประสงค์หลักของการแยกก๊าซคือการเพื่อให้ได้ก๊าซบริสุทธิ์ทั้งสามชนิดนี้
สิ่งเจือปนหลักในอากาศ ได้แก่ ความชื้น คาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรคาร์บอน
การแยกอากาศคือการกำจัดสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายในอากาศ และแยกก๊าซผสมให้เป็นก๊าซ "บริสุทธิ์" เช่น ไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน
หลักการพื้นฐานของการแยกอากาศคือไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอนในอากาศมีจุดฟองที่แตกต่างกัน (จุดน้ำค้าง จุดเดือด) และถูกแยกออกโดยการกลั่น จุดเดือดคือ: N₂: -195.8 องศา ; O₂: -183.0 องศา ; Ar: -185.7 องศา .
กระบวนการกลั่น: บนแผ่นกลั่น ไอน้ำอิ่มตัวที่มีอุณหภูมิสูงกว่าและของเหลวอิ่มตัวที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจะสัมผัสกันเต็มที่ ไอน้ำอิ่มตัวจะปล่อยความร้อนไปยังของเหลวอิ่มตัวและควบแน่นเองบางส่วน ของเหลวอิ่มตัวดูดซับความร้อนและระเหยไปบางส่วน ออกซิเจนเป็นองค์ประกอบที่มีจุดเดือด-สูง-และควบแน่นมากขึ้นจนกลายเป็นสถานะของเหลว ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีจุดเดือด-จุดเดือด-ต่ำ และระเหยออกไปในสถานะก๊าซมากขึ้น
II. บทนำเกี่ยวกับผังกระบวนการ
การไหลของกระบวนการปัจจุบันของการแยกอากาศมีดังนี้: ขั้นแรกบรรยากาศจะถูกบีบอัดโดยระบบอัด จากนั้นเข้าสู่ระบบ-ระบบทำความเย็นเบื้องต้นเพื่อทำความเย็นเบื้องต้น จากนั้นเข้าสู่ระบบการทำให้บริสุทธิ์เพื่อกำจัดสิ่งสกปรกบางอย่าง เช่น ความชื้นและคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นระบายความร้อนเพิ่มเติมด้วยระบบแลกเปลี่ยนความร้อน จากนั้นเข้าสู่ระบบการกลั่น (โดยส่วนใหญ่รวมถึงเครื่องขยาย กล่องเย็น ฯลฯ และกล่องเย็นประกอบด้วยหอคอยหลัก ระบบทำความเย็นหลัก ปั๊มของเหลว และอุปกรณ์อื่นๆ และ กระบวนการกลั่นเสร็จสมบูรณ์ในระบบนี้) และสุดท้ายจะเข้าสู่ระบบสำรอง เช่น การแปรสภาพเป็นแก๊สของผลิตภัณฑ์ การบีบอัด และการจัดเก็บ
ที่สาม ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับระบบหน่วยแยกอากาศ (หรืออุปกรณ์)
(I) ระบบการบีบอัด
มีตัวกรองอากาศที่จุดเริ่มต้นของระบบอัดอากาศซึ่งใช้กรองสิ่งสกปรกทางกลในอากาศ ส่วนใหญ่จะมีตัวกรองอากาศที่ทำความสะอาดตัวเอง- วัตถุประสงค์ของการบีบอัดคือ-อัดอากาศล่วงหน้า และอุปกรณ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยกังหันไอน้ำ เครื่องอัดอากาศ ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ ฯลฯ
ตัวกรองทำความสะอาดตัวเอง-: โดยทั่วไป เมื่อปริมาตรก๊าซเพิ่มขึ้น จำนวนตลับกรองก็จะเพิ่มขึ้น และจำนวนชั้นก็จะสูงขึ้นด้วย สองชั้น-สำหรับเกรด 25,000 ขึ้นไป และสาม-ชั้นสำหรับเกรด 60,000 ขึ้นไป คอมเพรสเซอร์ตัวเดียวจะต้องมีตัวกรองแยกต่างหาก และถูกจัดเรียงไว้ที่ทวนลม
กังหันไอน้ำ: ไอน้ำแรงดันสูง-จะขยายตัวเพื่อทำงาน โดยขับเคลื่อนใบพัดโคแอกเซียลให้หมุน ดังนั้นจึงได้งานกับของไหลทำงาน รูปแบบทั่วไป ได้แก่ การควบแน่นแบบเต็ม แรงดันย้อนกลับแบบเต็ม และการควบแน่นในการสกัด และรูปแบบที่ใช้กันทั่วไปมากกว่าคือการควบแน่นแบบสกัด
เครื่องอัดอากาศ: หน่วยแยกอากาศขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้เครื่องอัดอากาศแบบแรงเหวี่ยงเก็บอุณหภูมิแบบเพลาเดียว- การใช้พลังงานของพลังงานนำเข้าต่ำกว่าพลังงานในประเทศประมาณ 2% และการลงทุนสูงกว่า 80% ทางออกถูกระบายอากาศและไม่มีการตั้งค่าท่อส่งกลับ มีข้อกำหนดการป้องกันไฟกระชากของกระแสดูดขั้นต่ำ- และใช้ใบพัดนำทางทางเข้าเพื่อควบคุมการไหล หน่วยที่นำเข้าและภายในประเทศมีการบีบอัดสี่-ขั้นตอนและการทำความเย็นสาม- (ขั้นตอนสุดท้ายไม่ได้รับการระบายความร้อน) เครื่องอัดอากาศหลักมีระบบล้างน้ำเพื่อล้างคราบสกปรกบนพื้นผิวใบพัดและก้นหอยในแต่ละระดับซึ่งเป็นชุดพร้อมเครื่องยนต์หลัก
บูสเตอร์: หน่วยแยกอากาศขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้-คอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงไอโซเทอร์มอลเพลาเดียวและคอมเพรสเซอร์แบบแรงเหวี่ยงเกียร์ ในบรรดาประเภทเกียร์นั้นมีข้อได้เปรียบด้านการใช้พลังงานมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะที่มีแรงกดดันค่อนข้างมาก
(II) ระบบพรีคูลลิ่ง
หน้าที่ของระบบทำความเย็นล่วงหน้าคือการทำให้อากาศเย็นลงเบื้องต้นเพื่อให้สามารถกรองน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ ฝุ่น และสิ่งสกปรกอื่นๆ ในอากาศอัดให้บริสุทธิ์ได้ในขั้นตอนต่อไป อุปกรณ์หลัก ได้แก่ หอหล่อเย็นอากาศ หอหล่อเย็นน้ำ น้ำหล่อเย็น และปั๊มน้ำเย็น เป็นต้น
หอทำความเย็นอากาศ: มีสองรูปแบบ: การไหลเวียนแบบปิด (หอทำความเย็นอากาศแบ่งออกเป็นสองส่วนส่วนบนและส่วนล่างและน้ำเย็นหมุนเวียนระหว่างส่วนบนของหอทำความเย็นอากาศและหอทำความเย็นน้ำ) และการไหลเวียนแบบเปิด (เข้าสู่ระบบน้ำหมุนเวียน) การหมุนเวียนแบบปิดส่วนใหญ่จะใช้ในโรงงานเคมีที่มีคุณภาพน้ำไม่ดีซึ่งจำเป็นต้องเสริมด้วยน้ำจืดและสารเคมี การไหลเวียนแบบเปิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ระบบน้ำหมุนเวียนยังต้องได้รับการเสริมด้วยน้ำจืดเป็นประจำและต้องพิจารณาสภาพการทำงานในฤดูร้อนด้วย การออกแบบโดยทั่วไปคือวงแหวนบอลสแตนเลส φ76 ยาว 1 เมตร (ทนต่ออุณหภูมิสูง) ที่ด้านล่าง วงแหวนบอลโพลีโพรพีลีนเสริมแรง φ76 3 เมตร (ฟลักซ์ขนาดใหญ่) และวงแหวนบอลโพลีโพรพีลีนเสริมแรง φ50 4 เมตร
หอหล่อเย็นน้ำ: มีสองประเภท: ประเภทสอง- สเตจ (เมื่อไม่มีแหล่งความเย็นภายนอก ความจุความเย็นของไนโตรเจนสกปรกแห้งจะถูกกู้คืนอย่างเต็มที่เพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำความเย็นล่วงหน้า- แต่ความต้านทานมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่า 7 เมตร + 7 เมตร φ50 วงแหวนบอลโพลีโพรพีลีน) และประเภทหนึ่ง- (เมื่อมีแหล่งความเย็นภายนอก 8 เมตร φ50 วงแหวนบอลโพลีโพรพีลีน)
อื่นๆ: โดยทั่วไป ช่องเติมน้ำทั้งหมดใน-ระบบทำความเย็นเบื้องต้นจะต้องติดตั้งตัวกรอง (โดยทั่วไป 6 ยูนิต: ปั๊มน้ำ 4 ตัว, ช่องเติมน้ำไปยังหอหล่อเย็นน้ำ และช่องเติมน้ำไปยังด้านระเหยของเครื่องทำความเย็น) เพื่อป้องกันไม่ให้สิ่งสกปรกเข้าสู่ระบบ การทดสอบผลกระทบคือ: ก๊าซทางออกของส่วนบรรจุด้านล่าง 4 เมตรต่ำกว่าน้ำเข้า 1 องศา; ก๊าซทางออกของส่วนบรรจุด้านบนสูง 8 เมตรจะสูงกว่าน้ำ 1 องศา โดยทั่วไป เทอร์โมมิเตอร์จะติดตั้งไว้ตรงกลางหอระบายความร้อน (ขยายเข้าไปด้านใน)
(III) ระบบการทำให้บริสุทธิ์
หน้าที่ของระบบการทำให้บริสุทธิ์คือการขจัดสิ่งสกปรก เช่น ความชื้น คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจน และไฮโดรคาร์บอนในอากาศ เพื่อให้มั่นใจถึงความบริสุทธิ์ของไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอนในผลิตภัณฑ์ในอากาศ ตัวดูดซับที่ใช้ ได้แก่ การไหลตามแนวแกนแนวตั้ง, เบดสองชั้น-แนวนอน และการไหลในแนวรัศมีแนวตั้ง
การไหลตามแนวแกนแนวตั้ง: ส่วนใหญ่ใช้สำหรับอุปกรณ์แยกอากาศที่ต่ำกว่า 10,000 ระดับ (เส้นผ่านศูนย์กลางถึง 4.6 ม.) ความหนาของเตียง 1550∽2300 มม. สามารถจัดเรียงสองชั้น-หรือชั้นเดียว-ได้ และการกระจายการไหลของอากาศจะดีที่สุด
เตียงสองชั้นแนวนอน-: ส่วนใหญ่ใช้สำหรับอุปกรณ์แยกอากาศขนาดใหญ่และขนาดกลาง- เตียงหนา 1150 มม. (ตะแกรงโมเลกุล) + 350 มม. (เจลอลูมิเนียม)
การไหลแนวรัศมีแนวตั้ง: สามารถใช้พื้นที่ภายในของภาชนะได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้พื้นที่ของชั้นการดูดซับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันขยายประมาณ 1.5 เท่า ลดความสูงของหอคอยได้อย่างมีประสิทธิภาพ และวิธีการจัดวางแนวตั้งใช้พื้นที่ขนาดเล็ก เนื่องจากการไหลเวียนของอากาศมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งแตกต่างจากการไหลเวียนของอากาศที่ไม่สม่ำเสมอของตัวดูดซับแนวนอน ปริมาณของตะแกรงโมเลกุลจึงลดลง 20% และการใช้พลังงานในการฟื้นฟูก็ลดลง 20% เช่นกัน อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือศูนย์กลางการไหลเวียนของอากาศกระจุกตัว (บริเวณรูปพัดลม-) และเวลาในการเจาะเร็วกว่าแบบแนวนอน (ต้องใช้ CO₂＜0.5ppm) ความหนาของเตียงคือ 1,000 มม.+200 มม. ซึ่งสามารถตอบสนองการกำหนดค่าอุปกรณ์แยกอากาศที่สูงกว่า 20,000 ระดับ
IVระบบแลกเปลี่ยนความร้อน
วัตถุประสงค์ของระบบแลกเปลี่ยนความร้อนคือเพื่อทำให้อากาศเย็นลงมากขึ้นสำหรับการกลั่นครั้งต่อไป แหล่งที่มาของพลังงานความเย็นคือการระเหยส่วนหนึ่งของอากาศผ่านเครื่องขยายกังหัน โครงสร้างเป็นแบบครีบหลาย-แผ่นชั้น- โลจิสติกส์ระหว่างช่องที่อยู่ติดกันมีการแลกเปลี่ยนความร้อนอย่างดีผ่านครีบ ใช้เพื่อทำให้อากาศอัดเย็นลงซึ่งถูกดูดซับโดยตะแกรงโมเลกุลเพื่อกำจัดน้ำและCO₂ ก๊าซไหลย้อน (ของเหลว) แต่ละตัวจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิห้องที่นี่
พูดอย่างเคร่งครัด การออกแบบสื่อผสมหลายกระแสในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเดียวกันสามารถปรับสมดุลการถ่ายเทความร้อนของตัวกลางแต่ละชนิดได้โดยอัตโนมัติ และลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม สำหรับกระบวนการบีบอัดภายใน ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดจะเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแรงดันสูง- ซึ่งจะเพิ่มการลงทุน ดังนั้นจึงประหยัดกว่าหากแยกแรงดันสูงและต่ำสำหรับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอัดภายในที่มีระดับสูงกว่า 20,000 ระดับ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแรงดันสูง-ทั้งหมดได้รับการกำหนดค่าต่ำกว่า 20,000 ระดับ
ระบบการแยกส่วนวี
วัตถุประสงค์ของระบบการแยกส่วนคือการแยกส่วนอากาศอัดที่บริสุทธิ์และเย็นอย่างล้ำลึกออกเป็นออกซิเจน ไนโตรเจน อาร์กอน ฯลฯ ทีละขั้นตอน อุปกรณ์หลักคือกล่องเย็น (รวมถึงหอคอยหลัก, เครื่องทำความเย็นหลัก, ซับคูลเลอร์, หออาร์กอนดิบ, ปั๊มออกซิเจนเหลว, ปั๊มของเหลว ฯลฯ )
กล่องเย็น: เป็นโครงสร้างโลหะสี่เหลี่ยมหรือกลมซึ่งเป็นสัญลักษณ์สูงสุดของโรงแยกอากาศ เต็มไปด้วยทรายมุกเพื่อลดการสูญเสียความเย็น อากาศจะถูกแยกออกจากกล่องเย็นผ่านการกลั่นบนแผ่นทาวเวอร์และบรรจุภัณฑ์
หอกลั่น: ตัวหอมีทรงกระบอกโดยมีแผ่นตะแกรงหลายชั้นในหอคอยด้านล่าง ถังล้นตั้งอยู่บนแผ่นตะแกรง แผ่นกั้นล้น และปิดอย่างหนาแน่นด้วยรูเล็ก ๆ หอคอยด้านบนมีการบรรจุและจำหน่ายของเหลวเป็นประจำ ในระหว่างการกลั่นในหอชั้นล่าง ของเหลวจะไหลผ่านแผ่นตะแกรงแต่ละแผ่นจากบนลงล่างทีละแผ่น เนื่องจากผลของฝายที่ล้น ทำให้มีระดับของเหลวเกิดขึ้นบนแป้นเหยียบ เมื่อก๊าซผ่านรูเล็กๆ ของแผ่นตะแกรงจากล่างขึ้นบน ก๊าซจะสัมผัสกับของเหลวเพื่อสร้างฟอง ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพื้นที่สัมผัสของเหลวของก๊าซ- ทำให้การแลกเปลี่ยนความร้อนและมวลมีประสิทธิภาพ ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดต่ำ-จะค่อยๆ ระเหย และส่วนประกอบที่มีจุดเดือดสูง-จะค่อยๆ กลายเป็นของเหลว ที่ด้านบนของหอคอย จะได้ไนโตรเจนบริสุทธิ์ที่มีจุดเดือดต่ำ และด้านล่างของหอคอยจะมีส่วนประกอบของอากาศเหลวที่มีออกซิเจน-อุดมด้วยซึ่งมีจุดเดือดสูง ในระหว่างการกลั่นในหอด้านบน ก๊าซจะผ่านตัวจ่ายและลอยขึ้นตามแผ่นบรรจุ ของเหลวจะกระจายอย่างสม่ำเสมอบนแผ่นบรรจุจากบนลงล่างผ่านตัวจ่ายน้ำ บนพื้นผิวของบรรจุภัณฑ์ ก๊าซและของเหลวสัมผัสกันจนสุดเพื่อการแลกเปลี่ยนความร้อนและมวลอย่างมีประสิทธิภาพ ปริมาณออกซิเจนที่มีจุดเดือดต่ำ-ในก๊าซที่เพิ่มขึ้นยังคงเพิ่มขึ้น และออกซิเจนที่เป็นส่วนประกอบที่มีจุดเดือดสูง-จะถูกล้างออกไปในปริมาณมากจนกลายเป็นของเหลวไหลย้อน และสุดท้าย-ไนโตรเจนบริสุทธิ์ที่มีจุดเดือดต่ำจะได้ที่ด้านบนของหอ และ-ออกซิเจนเหลวที่มีจุดเดือดสูงจะได้รับที่ด้านล่างของหอ
VI ระบบสำรองการจัดเก็บและการกลายเป็นไอ
จัดเก็บ ระเหย และเติมออกซิเจนเหลวแบบแยกส่วน ไนโตรเจนเหลว และอาร์กอนเหลว อุปกรณ์หลักประกอบด้วยถังเก็บของเหลวแบบแช่แข็ง เครื่องระเหย ปั๊มเติมขวด แท่นเติม ฯลฯ
ผลิตภัณฑ์ออกซิเจนและไนโตรเจนความดันต่ำ-: ตั้งวาล์วควบคุมผลิตภัณฑ์และเส้นทางการไหลของการระบายอากาศ ระบายเข้าไปในตัวเก็บเสียง (ชิ้นส่วนภายในของไนโตรเจนเป็นเหล็กกล้าคาร์บอน ส่วนภายในของออกซิเจนเป็นสแตนเลส)
ไนโตรเจนสกปรก: ตั้งค่าให้ระบายไปที่หอหล่อเย็นด้วยน้ำ (เพื่อระบายไนโตรเจนสกปรก จัดสรรก๊าซที่สร้างใหม่ และปรับแรงดันของทาวเวอร์ด้านบน) เส้นผ่านศูนย์กลางของหอหล่อเย็นน้ำจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการระบาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการใส่ไนโตรเจน ความดันหอคอยด้านบนจะไม่สามารถเพิ่มได้ ความต้านทานของหอหล่อเย็นน้ำคือ 6kPa (การบรรจุสูง 8 เมตร) ท่อและวาล์วอยู่ที่ 4kPa และความแตกต่างของความดันต่อบรรยากาศคือ 2kPa รวมเป็น 12kPa
ผลิตภัณฑ์ออกซิเจนความดันสูง-: การควบคุมปริมาณสอง-ขั้นตอนใช้ในการระบายอากาศ ขั้นแรก ก๊าซผลิตภัณฑ์แรงดันสูง-ถูกควบคุมไว้ที่ 10barG แล้วผ่านตัวลดประหลาด วางแผ่นลดสัญญาณรบกวนแบบโมเนลไว้ตรงกลาง จากนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อจะขยายผ่านตัวลดประหลาด อัตราการไหลของตัวกลางออกซิเจนจะถูกควบคุมต่ำกว่า 10 เมตร/วินาที จากนั้นจะถูกควบคุมปริมาณและระบายเข้าไปในหอเก็บเสียง องค์ประกอบท่อไอเสียเป็นสแตนเลส
ผลิตภัณฑ์ไนโตรเจนความดันสูง-: ผลิตภัณฑ์ไนโตรเจนจะถูกควบคุมปริมาณไว้ที่ 10 บาร์ก่อน จากนั้นจึงผ่านแผ่นลดเสียงรบกวนที่ทำจากสแตนเลส จากนั้นจึงผ่านเข้าไปในท่อไอเสียเพื่อควบคุมปริมาณและระบายอากาศ ส่วนประกอบท่อไอเสียเป็นเหล็กกล้าคาร์บอน
วาล์วออกซิเจน: ไม่จำเป็นต้องดำเนินการด้วยตนเอง (ห้ามใช้วาล์วควบคุมที่มีล้อเลื่อน และวางวาล์วแบบแมนนวลไว้ภายในผนังป้องกันการระเบิด-)
