Efficiënte Non-Cryogene LuchtscheidingsTechnieken

Non-Cryogene Processen van Luchtscheiding

Droge atmosferische lucht bevat per volume 78,08% stikstof, 20,95% zuurstof, 0,93% argon en Spuren andere gassen (waterstof, neon, helium, krypton, xenon, kooldioxide). Atmosferische lucht kan ook wisselende hoeveelheden waterdamp bevatten (afhankelijk van vochtigheid) en gassen uit natuurlijke processen en menselijke activiteiten. Er zijn twee primaire technologieën voor gasscheiding: (i) cryogene destillatie, (ii) non-cryogene scheidingsprocessen. Non-cryogene processen worden typisch gebruikt om één component uit atmosferische lucht te scheiden.

Non-cryogene luchtscheidingsprocessen zijn nabij-omgevingstemperatuur scheidingsprocessen gebruikt voor productie van stikstof of zuurstof als gassen. Deze processen zijn kosteneffectieve keuzes bij relatief kleine vraag en wanneer zeer hoge zuiverheid niet nodig is. Non-cryogene installaties zijn compact en produceren gasvormige stikstof (typisch 95,5-99,5% zuurstofvrij) of gasvormige zuurstof (90-95,5% zuiver).

Non-cryogene installaties zijn minder energie-efficiënt dan cryogene (bij vergelijkbare productzuiverheid), maar kosten minder om te bouwen. Fysieke grootte kan verminderd worden bij lagere vereiste zuiverheid, evenals benodigde vermogen. Non-cryogene installaties zijn relatief snel en gemakkelijk op te starten, on-line in minder dan een half uur. Nuttig wanneer product niet fulltime nodig is. Net als cryogene installaties beginnen non-cryogene processen met comprimeren van lucht.

In tegenstelling tot cryogene installaties (verschil in kookpunten stikstof/zuurstof), gebruiken non-cryogene installaties fysieke eigenschapsverschillen: moleculaire structuur, grootte, massa. Non-cryogene processen gebaseerd op selectieve adsorptie of permeatie door membranen.

Meest Voorkomende Technologieën

1. Adsorptieproces technologie
2. Chemische proces technologieën
3. Membraanscheidings technologie
4. Ionentransportmembraan (ITM) technologie

Adsorptieproces Technologie

Gebaseerd op vermogen van natuurlijke en synthetische materialen om preferentieel stikstof of zuurstof te adsorberen. Gebruikt om stikstof of zuurstof te produceren door gecomprimeerde lucht bij meerdere atmosferische drukken door een vat met adsorberend materiaal te laten stromen. Adsorberende materialen gekozen op adsorptiekarakteristieken. Speciale adsorberende materialen als moleculaire zeef, preferentieel adsorberend doelgas. Een wenselijke adsorber heeft veel grotere affiniteit voor niet-productmoleculen dan voor productgas (stikstof/zuurstof). Resultaat: meeste productgasmoleculen passeren bed naar productstroom, andere luchtcomponenten gevangen door adsorber.

Zuurstofproductie-installaties met adsorptietechnologie gebruiken normaal zeoliet moleculaire zeven om stikstof, CO2, rest waterdamp en andere gassen te adsorberen. Typische zuurstofafgifte druk: 1-3 atmosferen. Zuiverheid typisch 93-95%, beperkt door argongehalt (4,5-5%).

Stikstofproductie-installaties met adsorptie gebruiken geactiveerd koolstof moleculaire zeefmateriaal dat zuurstof en andere ongewilde componenten adsorbeert. Alternatief: 'de-oxo' eenheid toegevoegd die katalytisch waterstof combineert met zuurstof in stikstofproduct, producerend water. Water verwijderd door afkoeling en additionele adsorptie. Stikstof typisch afgeleverd bij 6-8 atmosferen, zuiverheid 95-99,5%. Hogere zuiverheid = grotere apparatuur en hogere verhouding luchttoevoer/product. Afvalstroom uit stikstofinstallatie verrijkt in zuurstof (~40%), soms gebruikt voor verbrandingsverbetering of afvalbehandeling.

Bij zeolieten: non-uniforme elektrische velden in lege ruimtes materiaal, preferentiële adsorptie moleculen met hogere electrostatische quadrupolaire momenten. In luchtscheiding: stikstofmoleculen sterker geadsorbeerd dan zuurstof/argon. Lucht door zeolietisch materiaal bed: stikstof behouden, zuurstofrijke stroom verlaat bed. Zeolieten selectief voor stikstof.

Bij koolstofmoleculaire zeven: poriêngrootte dezelfde orde als luchtmoleculen. Zuurstofmoleculen iets kleiner dan stikstof, diffunderen sneller in kaviteiten adsorber. Koolstofmoleculaire zeven selectief voor zuurstof.

Adsorptieproces is basis batchproces (adsorberbed heeft periodieke desorptie nodig). Productie-installaties hebben minimaal twee adsorbervaten voor operationele continuïteit. Op elk moment: één vat produceert product door adsorptie ongewilde componenten, ander vat herstelt door depressurisering tot atmosferische druk. Bij benadering verzadiging: snelle klepenschakeling naar ander vat. Surge vat (buffervat) stroomafwaarts zorgt voor continue productgaslevering. Tweevatsysteem meest gebruikelijk, maar eenvats- of drievatsconfiguraties ook gebruikt. Eenvatsysteem: kapitaalbesparing. Drievatsysteem: grotere productiecontinuïteit. Figuur 2 toont typisch stromenschema.

Geperste lucht gaat in vat met adsorberbed. Stikstof/zuurstof geadsorbeerd, zuurstof/stikstofrijke effluentstroom geproduceerd tot adsorberbed verzadigd. Dan: toelucht geschakeld naar vers vat, regeneratie eerste vat begint. Regeneratie via verwarmen adsorberbed of drukverlaging (verlaagt evenwichtshoudercapaciteit). Verwarmen = Temperature Swing Adsorption (TSA). Drukverlaging = Pressure/Vacuum Swing Adsorption (PSA/VSA). Vacuum gebruik = VPSA, VSA, PVSA. Gebruikt voor zuurstofproductie. Procescyclus vergelijkbaar PSA, maar vacuümpompen voor desorptiedruk. Lagere desorptiedruk verlaagt toedruk. Snellere cyclus en vereenvoudigde operatie maakt drukverlaging keuzeproces.

VPSA produceert zuurstof bij ~0,2 atmosferen (overdruk). Hogere afgifte druk: zuurstofboostercompressor toegevoegd. Over het algemeen: VPSA duurder maar energie-efficiënter dan PSA bij zelfde productiestroom, druk, zuiverheid.

VPSA herstelt zeefmateriaal onder vacuümcondities. Resulteert in meer volledig geregenereerd moleculair zeefmateriaal. Dit materiaal is selectiever dan PSA-regeneratie. Hogere percentage beschikbare zuurstof hersteld = minder te verwerken lucht. Compressormacht aanzienlijk gereduceerd (lagere luchtstroom, lagere compressie-uitlaatdruk <0,5 atm overdruk). Echter: offset door vermogen vacuümpomp.

VPSA eenheden normaal kosteneffectiever dan PSA bij gewenste productiesnelheid >20 ton/dag. Meest kosteneffectieve zuurstofkeuze tot 60 ton/dag mits hoge zuiverheid niet nodig. Boven 60 ton/dag: cryogene installaties normaal keuze, hoewel twee VPSA installaties betere matching grote stapveranderingen in vraag toelaten.

Procesvariaties met effect op operationele efficiëntie: afzonderlijke pre-behandeling lucht (verwijderen water/CO2), meerdere vaten voor drukenergieherwinning bij adsorberbedschakeling, vacuümoperatie tijdens depressurisering. Optimalisatie gebaseerd op productstroom, zuiverheid, druk, energiekosten, verwachte levensduur. Vanwege cyclische aard adsorptie: adsorberbedgrootte bepalende factor in kapitaalkosten. Productie evenredig met volume adsorberbed → kapitaalkosten stijgen sneller als functie van productiesnelheid vs cryogene installaties.

Chemische Proces Technologieën

Verschillende materialen kunnen zuurstof absorberen bij één set druk/temperatuur condities en desorberen bij andere. Een proces onderzocht begin jaren '90: MOLTOXe proces, gesmolten zout chemisch proces. Figuur 3 toont proces.

Procesvariatie: absorptie zuurstof door circulerende gesmolten zoutstroom, gevolgd door desorptie via combinatie warmte en drukverlaging zoutstroom. Lucht gecomprimeerd van 1,4 tot 12,5 atmosferen, behandeld voor verwijdering water/CO2 in adsorbergebaseerd systeem. Water en CO2 degraderen zout indien niet verwijderd.

Lucht stroomt door adsorberbed tot verzadiging. Adsorberbedden geschakeld, verzadigde bed geregenereerd door droge stikstof uit proces. Schone, droge lucht verhit tegen terugkerende productstromen tot 480-650°C in hoofdwarmtewisselaars. Hete lucht stroomt naar bodem absorber waar het contact maakt met gesmolten vloeibare zout. Zuurstof in lucht reageert chemisch met zout, verwijderd met vloeibare zout verlatend bodem absorber. Zuurstofdragend zout warmtegewisseld met zuurstofvrij zout, verder verhit, drukverlaagd, stroomt naar desorber. Gasvormige zuurstof verlaat top desorber, zuurstofarme zout verwijderd bodem desorber, warmtegewisseld, naar top absorbervat om lus te sluiten.

Hete zuurstof en stikstof stromen gaan hoofdwarmtewisselaar, afgekoeld tegen toelucht. Zuurstof gecomprimeerd tot afgifte druk, deel stikstof gebruikt voor regeneratie luchtpre-behandeling. Hoofdvoordeel TSA-systeem: lucht hoeft alleen gecomprimeerd te worden tot druk die drukval door pre-behandeling en warmtewisselaar overwint → reductie luchtcompressiemacht vs cryogene installatie. Bron thermische energie nodig om zout via verwarmen te vrijmaken. Kleinschalige pilotunit geopereerd, verifieerde procescondities (99,9% zuurstofzuiverheid bij verwachte zoutlading), maar corrosie zout/zuurstof tweefase gebieden bepaald als economisch probleem.

Membraanscheidings Technologie

Proces gebaseerd op verschillende snelheden waarmee luchtgassen diffunderen door polymere membraan. Membraanprocessen met polymere materialen gebaseerd op verschil in diffusiesnelheden zuurstof/stikstof door membraan die hoogdruk en laagdruk processtromen scheidt. Membraanscheidings technologie gebruikt buisbundels van speciale polymeren, frequent geconfigureerd als shell-and-tube warmtewisselaar. Scheidingsprincipe: verschillende gassen hebben verschillende permeatiesnelheden door polymere film. Figuur 4 toont schematisch polymere proces.

Flux en selectiviteit bepalen economie van membraansystemen, beide functies van specifiek membraanmateriaal. Flux bepaalt membraanoppervlakte, functie van drukverschil gedeeld door membraandikte. Proportionaliteitsconstante (variërt met membraantype) = permeabiliteit. Selectiviteit = verhouding permeabiliteiten gassen te scheiden. Vanwege kleinere zuurstofmolecuul: meeste membraanmaterialen meer permeabel voor zuurstof dan stikstof.

Scheidingsprincipe: verschillende gassen, verschillende permeatiesnelheden door polymere film. Zuurstof + waterdamp + CO2 = 'snelle gassen' die sneller diffunderen door buiswanden dan 'langzame gassen' argon en stikstof. Droge lucht geconverteerd tot product: inerte mengsel voornamelijk stikstofgas en argon, en laagdruk 'permeaat' of afvalgas rijk in zuurstof, waterdamp, CO2, geventileerd uit mantel.

Atmosferische lucht: gefilterd, gecomprimeerd tot vereiste druk, gedroogd, door membraanmodule. Componenten met hogere diffusiesnelheid (O2, CO2) penetreren polymere vezels sneller → stikstofrijke stroom als primair product. Zuiverheid N2-gasstroom hangt af van stroomsnelheid door module, bereikt 93-99,5%+ bij efficiënte operatie.

Stikstofproduct ontstaat uit membraineenheden bij druk dicht bij gecomprimeerde toeluchtdruk. Geen bewegende delen in scheiding → membraineenheden snel activeerbaar bij behoefte, afsluitbaar wanneer niet nodig.

Membraaninstallaties standaardgemaakt in standaardmodules met stikstofproductiecapaciteit afhankelijk van gewenste zuiverheid. Voor gegeven module: productiesnelheid stijgt bij hogere toeluchtstroom, maar zuiverheid daalt. Benodigde capaciteit (bij gespecificeerde zuiverheid) > grootste standaardmodule: meerdere kleinere eenheden gecombineerd in manifold voor parallelle operatie.

Membraaninstallaties kosteneffectief voor relatief lage vraag. Omdat grotere capaciteit = meerdere kleinere modules: membraaninstallaties hebben constante kosten per productiecapaciteit over breed bereik. In tegenstelling tot dalende marginale kosten typisch bij PSA stikstofinstallaties en cryogene luchtscheidingsinstallaties.

Indien gewenst product zuurstof: membraansystemen normaal beperkt tot zuurstofverrijkte lucht (25-50% zuurstof). Actieve/gefaciliteerde transportmembraan (met zuurstofcomplexerend agent voor verhoogde zuurstofselectiviteit) potentiële middelen voor hogere zuiverheid, mits zuurstofcompatibele membraanmaterialen beschikbaar.

Zuurstof permeert door vezel (holle vezel) of vellen (spiraalgewonden) en als product onttrokken. Vacuümpomp houdt typisch drukverschil over membraan en levert zuurstof bij vereiste druk. CO2 en water normaal in zuurstofverrijkt product (meer permeabel dan zuurstof voor meeste materialen).

Groot voordeel membraanscheiding: eenvoudige, continue aard proces bij nabij-omgevingcondities. Luchtblower levert voldoende drukhoofd voor drukval door filters, membraanbuizen, leidingen. Membraanmaterialen gemonteerd in cilindrische modules, gemanifoldeerd voor benodigde capaciteit.

Zoals bij adsorptiesystemen: kapitaal lineaire functie productiesnelheid, productback-up typisch niet beschikbaar zonder aparte vloeibare zuurstofopslag en leveringssysteem. Membraansystemen passen bij toepassingen tot 20 ton/dag, waar luchtverrijkingszuiverheden met water/CO2 verontreinigingen accepteerbaar. Technologie nieuwer dan adsorptie/cryogenie, materialenverbeteringen kunnen membranden aantrekkelijk maken voor grotere zuurstofbehoeftes. Snelle opstart (nabij-omgevingoperatie) vooral aantrekkelijk voor zuurstofsystemen met discontinue gebruiks patronen. Passieve aard proces ook aantrekkelijk.

Membraaninstallaties kosteneffectief voor relatief lage vraag. Omdat grotere capaciteit = meerdere kleinere modules: constante kosten per productiecapaciteit over breed bereik.

Ionentransportmembraan (ITM) Technologie

ITMs: vaste anorganische oxide keramische materialen die zuurstof produceren door doorlaat van zuurstofion door keramische kristalstructuur. Systemen opereren bij hoge temperaturen, normaal >600°C. Zuurstofmoleculen geconverteerd tot zuurstofionten aan membraanoppervlak, getransporteerd door membraan via toegepaste elektrische spanning of zuurstofpartiële drukverschil, hervormen zuurstofmoleculen na passage. Membraanmaterialen fabricageerbaar in platte vellen of buizen. Figuur 5 toont schema ITM luchtscheiding.

Voor grote energiemvortingsprocessen: drukverschil als dryvende kracht is keuze. Membranen opererend via drukverschil = 'mixed conducting membranes' (geleiden zowel zuurstofionten als elektronen). Zuurstofionten reizen door ITM bij zeer hoge stroomsnelheden, produceren bijna zuivere zuurstof op permeaatzijde. Zuurstof kan gescheiden worden als zuiver product, of ander gas gebruikt als 'sweep gas' op permeaatzijde voor lagere zuiverheid. Reactief sweep gas: direct oxidatief product, bv. aardgas methaan sweep voor syngas voor gas-to-liquid (GTL) conversie.

Lucht gecomprimeerd, verhit tot bedrijfstemperatuur door warmtewisseling tegen hete processtromen (non-permeaat en zuurstofproduct) en auxiliere verwarming. Algemeen: verwarmen lucht via indirecte warmtewisseling en/of direct branden brandstof. Zuurstofstroom gecomprimeerd tot afgifte druk. Geperste stikstofverrijkte non-permeaatstroom gebruikt elders in energieomzettingsproces, bv. geëxpandeerd in geïntegreerde gasturbinecyclus voor stroomopwekking.

ITM zuurstofproces geschikt voor integratie met stroomopwekking en energieomzettingsprocessen die zuurstof nodig hebben als voedsel voor verbranding/gasificering, of zuurstofgebaseerde toepassingen met stroombehoefte.