เทคนิคการแยกไนโตรเจนและออกซิเจนออกจากอากาศเรียกว่าการกลั่นด้วยความเย็น อาร์กอนยังถูกแยกออกจากกันในบางสถานการณ์ คำว่า "ไครโอเจนิกส์" หมายถึงอุณหภูมิที่เย็น ขณะที่ "การกลั่น" หมายถึงการแยกตัวของธาตุออกจากชุดค่าผสมโดยใช้จุดเดือดของธาตุ ด้วยเหตุนี้ ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดต่ำมากจะถูกสกัดออกมาเป็นพิเศษที่อุณหภูมิต่ำในการกลั่นด้วยความเย็น กระบวนการนี้ทำให้ได้สารที่มีความบริสุทธิ์สูงแต่ก็ใช้พลังงานสูงเช่นกัน

กล่องเย็นเป็นภาชนะฉนวนขนาดใหญ่ที่มีเสากลั่นและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก เอฟเฟกต์ Joule Thomson หรือที่เรียกว่าเอฟเฟกต์การควบคุมปริมาณ ถูกใช้ในวงจรทำความเย็น ก๊าซจะไหลผ่านประตูที่หุ้มฉนวนหรือปลั๊กที่ซึมผ่านฉนวนได้ตลอดการควบคุมปริมาณ และอุณหภูมิของก๊าซจะเปลี่ยนไปเมื่อความดันสลับกัน

อากาศแวดล้อมสามารถประกอบรวมด้วยความชื้นได้ถึง 5% โดยเนื้อหาและก๊าซอื่นๆ อีกหลายชนิด (โดยทั่วไปจะอยู่ในระดับการติดตาม) ที่ต้องถูกกำจัดที่ตำแหน่งอย่างน้อยหนึ่งแห่งในการตั้งค่าการแยกอากาศและการทำให้บริสุทธิ์

3. ขั้นตอนและกระบวนการแยกอากาศด้วยความเย็น

การกลั่นด้วยความเย็นของอากาศ: ขั้นตอน

3.1การปรับสภาพ การบีบอัด และการระบายความร้อนของอากาศที่เข้ามา

ขึ้นอยู่กับส่วนผสมของผลิตภัณฑ์ที่วางแผนไว้และแรงของผลิตภัณฑ์ที่ยอมรับได้ อากาศจะถูกบีบอัดให้อยู่ระหว่าง 5 ถึง 8 บาร์ (ประมาณ 75 ถึง 115 psig) ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ หลังจากขั้นตอนสุดท้ายของการบีบอัด อากาศที่หดตัวจะถูกทำให้เย็น และไอส่วนใหญ่ในกระแสลมจะถูกควบแน่นและขจัดออก เมื่ออากาศไหลผ่านเครื่องทำความเย็นระหว่างเฟสและอาฟเตอร์คูลเลอร์อย่างต่อเนื่อง

เนื่องจากอุณหภูมิของช่องระบายความร้อนที่หาได้ (ซึ่งมักจะถูกจำกัดโดยอุณหภูมิกระเปาะชื้นหรือแห้งของอากาศแวดล้อม) เป็นตัวกำหนดอุณหภูมิสุดท้ายของอากาศที่ออกจากโครงสร้างการอัด อุณหภูมิของอากาศอัดจึงมักจะสูงกว่าอุดมคติ อุณหภูมิเพื่อประสิทธิภาพสูงสุดของหน่วยดาวน์สตรีม ด้วยเหตุนี้จึงมักใช้ระบบทำความเย็นแบบกลไกเพื่อทำให้อากาศเย็นลงอย่างมาก

3.2 การกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์

เพื่อให้เป็นไปตามเกณฑ์คุณภาพผลิตภัณฑ์ จะต้องขจัดองค์ประกอบบางอย่างของกระแสลมที่เข้ามา ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ควรถูกกำจัดออกจากอากาศก่อนจะเข้าสู่ส่วนกลั่นด้วยความเย็นของโรงงาน เนื่องจากจะแข็งตัวและสะสมที่ด้านนอกของอุปกรณ์ขั้นตอนที่อุณหภูมิต่ำมาก

หน่วย ตะแกรงโมเลกุลและตัวแลกเปลี่ยนแบบย้อนกลับเป็นสองวิธีที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการกำจัดไอระเหยและคาร์บอนไดออกไซด์

หน่วยเตรียมการทำให้บริสุทธิ์ของตะแกรงโมเลกุลถูกใช้ในอุปกรณ์ตัดการเชื่อมต่ออากาศใหม่เกือบทั้งหมด เพื่อแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำออกจากกระแสลมโดยการดูดซับอนุภาคเหล่านี้ไปยังด้านนอกของสารตะแกรงโมเลกุลที่อุณหภูมิใกล้เคียง สารมลพิษอื่นๆ เช่น ไฮโดรคาร์บอน ที่อาจพบในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม สามารถกำจัดออกได้อย่างง่ายดายโดยการปรับองค์ประกอบของสารดูดซับในระบบเหล่านี้ สารดูดซับมักจะถูกเก็บไว้ในภาชนะสองใบที่เหมือนกัน ซึ่งหนึ่งในนั้นใช้เพื่อทำให้อากาศบริสุทธิ์บริสุทธิ์ และอีกส่วนหนึ่งจะถูกสร้างใหม่ด้วยก๊าซเสียที่สะอาด ในช่วงเวลาปกติ สองแผ่นสลับบริการ เมื่อต้องการอัตราส่วนการสกัดไนโตรเจนสูง การทำให้บริสุทธิ์ก่อนการกรองด้วยตะแกรงโมเลกุลเป็นทางเลือกที่ชัดเจน

อีกทางเลือกหนึ่งคือการกำจัดน้ำและ CO2 โดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบ "ย้อนกลับ" ในขณะที่เครื่องแลกเปลี่ยนแบบย้อนกลับมักถูกมองว่าเป็นเทคโนโลยี "โบราณ" แต่อาจมีประสิทธิภาพด้านต้นทุนมากกว่าสำหรับโรงงานไนโตรเจนหรือออกซิเจนที่มีอัตราการผลิตที่ต่ำกว่า ระบบจ่ายอากาศอัดถูกระบายความร้อนด้วยตัวแลกเปลี่ยนความร้อนอะลูมิเนียมประสานสองคู่ในโรงงานที่ใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบย้อนกลับ

อากาศที่มาถึงจะถูกระบายความร้อนด้วยการถ่ายเทความร้อน "ปลายอุ่น" ไปยังอุณหภูมิที่ต่ำพอที่ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จะแข็งตัวบนพื้นผิวของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ระบบวาล์วจะสลับหน้าที่ของอากาศและทางเดินก๊าซเสียเป็นระยะๆ หลังจากการเปลี่ยนแปลง ก๊าซของเสียที่แห้งมากและมีความร้อนต่างกันจะระเหยน้ำและทำให้ความเย็นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เย็นลงซึ่งเกิดขึ้นระหว่างช่วงการระบายความร้อนของอากาศเย็นลง ก๊าซเหล่านี้จะถูกปล่อยกลับสู่ชั้นบรรยากาศ และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบย้อนกลับถูกเตรียมไว้สำหรับการพลิกกลับของหน้าที่ขนส่งอีกครั้งหลังจากที่กำจัดออกไปจนหมด

ระบบดูดซับความเย็นจะใช้เมื่อใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบย้อนกลับเพื่อกำจัดไฮโดรคาร์บอนที่เข้าสู่หน่วยกลั่น (ในหน่วยเตรียมการทำให้บริสุทธิ์ สารก่อมลพิษไฮโดรคาร์บอนจะถูกกำจัดไปพร้อมกับไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อใช้ตะแกรงโมเลกุล “ส่วนหน้า”)

3.3 การนำความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิป้อนอากาศลงสู่ระดับการแช่แข็ง

ความร้อนจะถูกแลกเปลี่ยนระหว่างการป้อนอากาศเข้าและเอาต์พุตเย็นและการไหลของก๊าซเสียออกจากขั้นตอนการกลั่นด้วยความเย็นในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนอะลูมิเนียมแบบเชื่อมประสาน ช่องก๊าซที่ส่งออกจะถูกทำให้ร้อนอีกครั้งที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับอากาศแวดล้อม ปริมาณความเย็นที่ต้องสร้างขึ้นโดยโรงงานจะลดลงโดยการนำระบบทำความเย็นกลับมาใช้ใหม่จากช่องทางผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซและของเสีย

เทคนิคการทำความเย็นที่รวมการเติบโตของกระแสขั้นตอนแรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างน้อยหนึ่งขั้นตอนทำให้เกิดอุณหภูมิที่เย็นมากที่จำเป็นสำหรับการกลั่นด้วยความเย็น

3.4การกลั่นด้วยอากาศ

มีการใช้เสากลั่นสองแบบต่อเนื่องกันเพื่อผลิตออกซิเจนเป็นผลพลอยได้ในระบบการกลั่น เสา "สูง" และ "ต่ำ" (หรือสลับกัน เสา "ล่าง" และ "บน") เป็นคำที่ใช้กันมากที่สุด สิ่งอำนวยความสะดวกไนโตรเจนสามารถมีหนึ่งหรือสองคอลัมน์ ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ เสากลั่นแต่ละอันจะปล่อยไนโตรเจนที่ด้านบนและออกซิเจนที่ด้านล่าง เมื่อออกซิเจนที่ปนเปื้อนที่ผลิตในเสาหลักแรก (แรงดันสูงกว่า) เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ก็จะได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นไปอีกในเสาหลักที่สองที่มีแรงดันต่ำกว่า หากต้องการไนโตรเจนบริสุทธิ์พิเศษ จะใช้เสาแรงดันบนหรือแรงดันต่ำเพื่อกำจัดออกซิเจนเกือบทั้งหมดที่ไม่ได้ถูกกำจัดออกไปในช่วงแรกของการกลั่น

อาร์กอนมีจุดเดือดเทียบได้กับออกซิเจน ดังนั้นหากต้องการเพียงแค่ออกซิเจนและไนโตรเจนเป็นผลพลอยได้ ก็ควรคงค่าออกซิเจนไว้ด้วย ในระบบสองเสาแบบเดิม จะจำกัดความบริสุทธิ์ของออกซิเจนไว้ที่ประมาณ 97 เปอร์เซ็นต์ หากอนุญาตให้ใช้ออกซิเจนบริสุทธิ์ต่ำ (เช่น เพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้) ความบริสุทธิ์ของออกซิเจนอาจลดลงได้ถึง 95% อย่างไรก็ตาม ควรกำจัดอาร์กอนออกจากหน่วยกลั่นหากต้องการออกซิเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง

เมื่อต้องการอาร์กอน อาร์กอนจะถูกลบออกที่ตำแหน่งในกระแสแรงดันต่ำที่ความเข้มข้นของอาร์กอนสูงสุด อาร์กอนที่สกัดออกมาจะได้รับการบำบัดในหอกลั่นอาร์กอนดิบแบบ "ดึงด้านข้าง" ซึ่งรวมเข้ากับเสาแรงดันต่ำ กระแสอาร์กอนที่ปนเปื้อนสามารถระบายออก บำบัดในสถานที่เพื่อกำจัดทั้งออกซิเจนและไนโตรเจนเพื่อผลิตอาร์กอนที่ "บริสุทธิ์" หรือเก็บไว้เป็นของเหลวและส่งไปยัง "โรงกลั่นอาร์กอน" ที่อยู่ห่างไกลออกไป ตัวเลือกส่วนใหญ่จะกำหนดโดยปริมาณของอาร์กอนที่เข้าถึงได้และการวิเคราะห์ต้นทุนและผลประโยชน์ของตัวเลือกต่างๆ ตามแนวทางพื้นฐาน การทำให้บริสุทธิ์ด้วยอาร์กอนจะคุ้มค่าที่สุดเมื่อมีออกซิเจนอย่างน้อย 100 ตันถูกสร้างขึ้นทุกวัน

ใช้เทคนิคหลายขั้นตอนในการผลิตอาร์กอนบริสุทธิ์จากอาร์กอนดิบ วิธีการทั่วไปเกี่ยวข้องกับการใช้ส่วนประกอบ “ดีออกโซ” เพื่อกำจัดออกซิเจน 2 – 3% ที่มีอยู่ในอาร์กอนดิบ นี่เป็นขั้นตอนเล็ก ๆ หลายขั้นตอนที่รวมออกซิเจนกับไฮโดรเจนในภาชนะที่ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมี แล้วกำจัดน้ำที่ตามมา (หลังจากการทำให้เย็นลง) ในเครื่องอบตะแกรงโมเลกุล ถัดไป กระแสอาร์กอนที่ปราศจากออกซิเจนจะถูกกลั่นเพื่อกำจัดไนโตรเจนที่เหลือและไฮโดรเจนที่ไม่ละลายน้ำในหน่วยกลั่นแบบ “อาร์กอนบริสุทธิ์”

ตัวเลือกการผลิตอาร์กอนที่สองเกิดขึ้นจากความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการกลั่นแบบคอลัมน์บรรจุ: การกู้คืนอาร์กอนด้วยการแช่แข็งอย่างสมบูรณ์ ซึ่งใช้คอลัมน์การกลั่นที่สูงมาก (แต่เส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก) เพื่อให้ได้การแยกอาร์กอน/ออกซิเจนที่ยากลำบาก การแปรผันที่ค่อนข้างเจียมเนื้อเจียมตัวในจุดเดือดระหว่างออกซิเจนและอาร์กอนทำให้จำเป็นต้องมีการกลั่นหลายขั้นตอนสำหรับอาร์กอน

ปริมาณของออกซิเจนที่บำบัดในระบบกลั่น เช่นเดียวกับตัวแปรอื่นๆ ที่ส่งผลต่ออัตราการฟื้นตัว จะจำกัดปริมาตรของอาร์กอนที่โรงงานอาจส่งออกได้ ปัจจัยเหล่านี้รวมถึงปริมาณของออกซิเจนเหลวที่ผลิตและความสม่ำเสมอของพารามิเตอร์การดำเนินงานของโรงงาน การสร้างอาร์กอนต้องไม่เกิน 4.4 เปอร์เซ็นต์ของอัตราการป้อนออกซิเจน (โดยปริมาตร) หรือ 5.5 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เนื่องจากสัดส่วนของก๊าซธรรมชาติที่มีอยู่ในอากาศ

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนส่วนหน้าใช้เพื่อเปลี่ยนเส้นทางผลิตภัณฑ์ก๊าซเย็นและของเสียที่มาจากหอแยกอากาศ พวกมันทำให้อากาศที่เข้ามาเย็นลงเมื่อร้อนจนถึงอุณหภูมิแวดล้อม ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การถ่ายเทความร้อนระหว่างอินพุตและสตรีมผลิตภัณฑ์ช่วยลดภาระการทำความเย็นสุทธิของโรงงาน และเป็นผลให้การใช้พลังงาน

3.5 เครื่องทำความเย็น

เพื่อพิจารณาการรั่วไหลของความร้อนในอุปกรณ์เย็นและการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ไม่ดีระหว่างทางเข้าและทางออกของก๊าซ เครื่องทำความเย็นถูกผลิตขึ้นที่อุณหภูมิการแช่แข็ง

วัฏจักรการทำความเย็นที่ใช้ในโรงแยกอากาศด้วยความเย็นจะเหมือนกับวงจรที่ใช้ในบ้านและระบบปรับอากาศในรถยนต์ในทางทฤษฎี ตามชนิดของพืช กระแสน้ำแรงดันสูงอย่างน้อย 1 แห่ง (ไนโตรเจน ก๊าซเสีย ก๊าซป้อน หรือก๊าซที่ส่งออก) จะถูกลดความดันลง และทำให้กระแสน้ำเย็นลง แรงดันตกคร่อม (หรือการขยายตัว) เกิดขึ้นภายในตัวขยายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำความเย็นและพลังงานในอุตสาหกรรม 

อุณหภูมิของกระแสก๊าซจะลดลงมากขึ้นเมื่อพลังงานถูกขับออกจากกระแสน้ำในระหว่างการเจริญเติบโตมากกว่าเมื่อถูกขยายผ่านวาล์ว พลังงานของตัวแผ่ขยายสามารถใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับคอนเดนเซอร์แบบขั้นตอน เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้พลังงานมาก เช่น ปั๊มน้ำมันหรือเครื่องเป่าลม

ก๊าซที่ส่งออกจากโรงงานออกซิเจนแบบแช่เยือกแข็ง/ระบบแยกอากาศมักจะออกจากกล่องเย็น (ภาชนะหุ้มฉนวนที่มีส่วนการกลั่นและเครื่องจักรอื่นๆ ทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก) ที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับบรรยากาศ แต่ที่ความดันลดลง มักจะอยู่เหนือบรรยากาศเดียว (สัมบูรณ์) ขั้นตอน การแยกและการทำให้บริสุทธิ์โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อแรงดันในการจัดส่งลดลง

แม้ว่าแรงดันที่ต่ำกว่าจะทำให้ความต้องการพลังงานในการแยกลดลง หากเอาต์พุตต้องได้รับแรงดันที่มากกว่า เครื่องอัดผลิตภัณฑ์หรือทางเลือกแบบหมุนเวียนหลายทางเพื่อป้อนไนโตรเจนหรือออกซิเจนที่แรงดันการกระจายที่สูงขึ้นจากกล่องเย็นโดยตรง เทคนิคแรงดันการจัดส่งที่สูงขึ้นเหล่านี้สามารถประหยัดต้นทุนได้มากกว่าการแยกสารพร้อมกับการบีบอัด เนื่องจากไม่ต้องใช้คอมเพรสเซอร์หรือไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์

4. เคล็ดลับที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัย

ก่อนเริ่มการก่อสร้างและออกแบบระบบหรือกระบวนการแช่แข็งใดๆ ให้ดำเนินการวิเคราะห์อันตรายอย่างเป็นทางการ กำหนดความเสี่ยงและวิธีจัดการกับความเสี่ยง วางสถานการณ์ "จะเกิดอะไรขึ้นถ้า" โปรดจำไว้ว่าเครื่องจักรอาจล้มเหลว ของเหลวแช่แข็งสามารถเปลี่ยนเป็นก๊าซได้อย่างรวดเร็ว วาล์วอาจรั่วหรือใช้งานอย่างไม่ถูกต้อง และเครื่องดูดฝุ่นอาจทำงานผิดปกติ การประเมินนี้ควรทำโดยไม่คำนึงถึงขนาดหรือความซับซ้อนของระบบแช่แข็ง

ตั้งแต่เริ่มต้น ให้รวมความปลอดภัยไว้ในอุปกรณ์และขั้นตอนการทำงานของคุณ การผสมผสานองค์ประกอบด้านความปลอดภัยเมื่อสิ้นสุดขั้นตอนการออกแบบอาจมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลามาก และอาจมองข้ามอันตรายได้ เป็นที่น่าสังเกตว่า ดีกว่าเสมอที่จะขจัดอันตรายผ่านการออกแบบทางวิศวกรรม มากกว่าที่จะปรับปรุงมัน

แม้แต่ผู้เชี่ยวชาญก็อาจพลาดบางสิ่งบางอย่างหรือทำผิดพลาดได้ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องให้ผู้อื่นประเมินความปลอดภัยของระบบแช่แข็งของคุณ ไม่ว่าจะเป็นเพื่อนร่วมงาน ผู้เชี่ยวชาญภายนอก หรือหน่วยงานตรวจสอบที่เป็นทางการ เพื่อเพิ่มโอกาสของระบบที่ปลอดภัย

ประเมินความเป็นไปได้ของอันตรายจากการขาดออกซิเจนเสมอเมื่อต้องรับมือกับของเหลวที่เกิดจากการแช่แข็งหรือก๊าซเฉื่อย ไม่ว่าปริมาณจะมีน้อยเพียงใด กำหนดว่าอันตรายดังกล่าวไม่มีอยู่จริงผ่านการประเมิน หรือใช้การปรับปรุงหรือบรรเทาการออกแบบที่เกี่ยวข้องเพื่อกำจัดหรือลดอันตราย เนื่องจากก๊าซปริมาณมหาศาลที่ผลิตโดยของเหลวแช่แข็งในปริมาณเล็กน้อย และมีความเป็นไปได้ที่ระดับออกซิเจนที่ต่ำเพียงพอ อาการทางสรีรวิทยาครั้งแรกอาจทำให้หมดสติอย่างรวดเร็ว มาพร้อมกับอาการโคม่าและความตาย ความยากลำบากของ ODH จึงรุนแรงเป็นพิเศษ

ที่อุณหภูมิห้องเย็น ใช้เฉพาะสารที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำงานที่อุณหภูมิเหล่านั้น พึงระลึกไว้ว่าสารที่ควรทำงานที่อุณหภูมิแวดล้อม (เช่น ผนังด้านนอกของภาชนะสูญญากาศ) อาจบรรลุอุณหภูมิด้วยการแช่แข็งในกลไกความล้มเหลวบางอย่างในระหว่างการประเมินอันตราย

ตรวจสอบว่าทุกคนที่ทำงานด้วยหรือรอบๆ อุปกรณ์แช่แข็ง แม้กระทั่งผู้ใช้ทั่วไปหรือเป็นครั้งคราว ได้รับการฝึกอบรมด้านความปลอดภัยสำหรับอันตรายจากภาวะอุณหภูมิต่ำและอันตรายจากออกซิเจนตามระดับที่กำหนด

สวมอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลที่เหมาะสมและปฏิบัติตามขั้นตอนการปฏิบัติงานที่กำหนดไว้เสมอ การใช้ทางลัดมักทำให้เกิดความโชคร้าย

5. ส่วนที่สำคัญที่สุด

ในกระบวนการแยกอากาศด้วยความเย็น สารทำแห้งเป็นสิ่งจำเป็น คุณต้องทำงานกับโรงงานผลิตที่สามารถนำเสนอผลิตภัณฑ์คุณภาพสูงแก่คุณได้ ติดต่อเราและเรายินดีเป็นอย่างยิ่งที่จะให้บริการแก่คุณ