1. Inleiding: De strategische rol van luchtscheidingseenheden
De luchtscheidingseenheid (ASU) is een essentieel onderdeel van de kerninfrastructuur voor de moderne industrie. Door middel van geavanceerde fysische en chemische processen scheidt en zuivert het alomtegenwoordige atmosferische lucht in de belangrijkste componenten, onder andere de gassen -hoog-zuivere zuurstof (O₂), stikstof (N₂) en argon (Ar),-en levert deze flexibel in vloeibare of gasvormige vorm. Dit proces maakt niet alleen volledig gebruik van natuurlijke hulpbronnen, maar dient ook als de hoeksteen voor efficiënte, schone en veilige activiteiten in tal van belangrijke industriële sectoren. Van de brandende ovens van de staalproductie tot de levens-reddende medische zuurstof, van fotolithografie en etsen voor geavanceerde- halfgeleiders tot de inerte atmosfeer waarin voedsel wordt bewaard: het 'industriële levensbloed' dat door ASU's wordt geleverd, doordringt elk aspect van de nationale economische en technologische ontwikkeling. Hun technologische bekwaamheid en operationele betrouwbaarheid hebben een directe invloed op het concurrentievermogen en de duurzame ontwikkeling van downstream-industrieën.
2. Kernscheidingstechnologieën: principes en toepasbaarheid
ASU-luchtscheiding vertrouwt voornamelijk op de volgende drie kerntechnologiebenaderingen, elk met zijn eigen unieke principes, voordelen en toepasbare scenario's:
Cryogene destillatie:
Principe: Dit is de gouden standaardtechnologie voor grootschalige, hoog-zuivere gasproductie. Het kernprincipe is het benutten van de significante verschillen in kookpunten tussen luchtcomponenten (voornamelijk stikstof, zuurstof en argon) (N₂: -195,8 graden, O₂: -183 graden, Ar: -185,9 graden). Het proces is sterk geïntegreerd: de omgevingslucht ondergaat compressie en drukverhoging in meerdere- fasen. Vervolgens wordt het gekoeld tot nabij of op het vloeibaarmakingspunt (ongeveer -172 graden tot -190 graden) door middel van diepe voorkoeling en een hoofdwarmtewisselaar. De vloeibaar gemaakte lucht wordt vervolgens in een destillatiekolomsysteem geleid (meestal een structuur met twee kolommen: een onderhoge drukkolom en een bovenkolom met lage druk).
Destillatieproces: Binnen de destillatiekolom ondergaan de gas- en vloeistoffase uitgebreid tegenstroomcontact op trays of pakkingen. Stikstof, met het laagste kookpunt, verdampt bij voorkeur en stijgt naar de top van de toren, waar een zeer-zuiver stikstofproduct wordt gevormd. Zuurstof, met een hoger kookpunt, heeft de neiging zich te concentreren in de vloeibare fase onderaan. Door meerdere, herhaalde gedeeltelijke verdampings- en condensatieprocessen in de toren worden de componenten geleidelijk gezuiverd. Uiteindelijk wordt stikstof met hoge-zuiverheid (tot meer dan 99,999%) verkregen bovenaan de bovenste toren met lage-druk, en wordt onderaan -vloeibare zuurstof met hoge zuiverheid verkregen. De met argon-verrijkte fractie wordt doorgaans uit het midden van de bovenste toren onttrokken en naar een aparte argonkolom gevoerd voor verdere destillatie en zuivering om vloeibaar argon met hoge-zuiverheid te produceren.
Voordelen: Ultra{0}}grote verwerkingscapaciteit (tot honderdduizenden Nm³/u O₂), hoge productzuiverheid (vooral voor zuurstof, stikstof en argon), flexibele productvorm (vloeistof/gas), gelijktijdige productie van meerdere hoog-zuivere gassen en relatief laag energieverbruik (op grote schaal).
Toepassingen: grootschalige industriële gasproductie- (staal-, chemische- en steenkoolchemische industrie), hoge zuiverheidseisen (elektronica, medische sector) en toepassingen die vloeibare stikstof/vloeibare zuurstof vereisen (gebruik van koude LNG-energie, raketbrandstof). Pressure Swing-adsorptie (PSA):
Principe: Het maakt gebruik van de verschillen in adsorptiecapaciteit of diffusiesnelheid van specifieke adsorbentia (zoals moleculaire koolstofzeven en moleculaire zeolieten) voor verschillende gasmoleculen in de lucht. Als we de stikstofproductie als voorbeeld nemen, hebben moleculaire koolstofzeven een veel grotere adsorptiecapaciteit en diffusiesnelheid voor zuurstof dan voor stikstof. Wanneer perslucht een adsorptietoren binnengaat die gevuld is met moleculaire koolstofzeven, worden zuurstof, waterdamp, kooldioxide en andere gassen snel geadsorbeerd in de poriën van de moleculaire zeven, terwijl stikstof als productgas uit de toren stroomt. Wanneer het adsorbens de verzadiging nadert, komen de geadsorbeerde gassen vrij door de torendruk snel te verlagen (desorptie/regeneratie). Meestal worden twee of meer adsorptietorens parallel gebruikt, met programmeerbare klepschakeling om continue adsorptie- en regeneratiecycli te bereiken, wat resulteert in een continue stikstofproductie.
Voordelen: relatief eenvoudige processtroom, snel opstarten, hoge operationele flexibiliteit, relatief lage investeringen (voor kleine en middelgrote- schaalgroottes), hoge mate van automatisering en relatief eenvoudig onderhoud. Toepassingen: stikstofbehoeften op kleine{2}} tot middelgrote- schaal (zuiverheid van 95%-99,999%), gasproductie op- locatie, toepassingen met minder strenge vereisten voor de zuiverheid van zuurstof (zoals met zuurstof verrijkte beluchting voor de behandeling van afvalwater) en scenario's die een snelle reactie vereisen. PSA-zuurstofproductietechnologie evolueert ook.
Membraanscheiding:
Principe: Maakt gebruik van holle vezels of platte membranen gemaakt van gespecialiseerde polymeren of anorganische materialen. Deze membraanmaterialen vertonen selectieve permeabiliteit voor gassen. Wanneer perslucht door de ene kant van het membraan stroomt, lossen gasmoleculen met hogere permeatiesnelheden (zoals zuurstof en waterdamp) bij voorkeur op en diffunderen ze door de membraanwand, waarbij ze zich concentreren op de andere kant (de permeaatzijde). Gasmoleculen met lagere permeatiesnelheden (zoals stikstof) worden opgevangen en geconcentreerd aan de voedingszijde (de retentaatzijde), waardoor scheiding wordt bereikt. De meest voorkomende toepassing is de productie van verrijkte stikstof (N₂).
Voordelen: extreem eenvoudige en compacte structuur van de apparatuur, geen bewegende delen, extreem eenvoudige bediening, onmiddellijke opstart, laag gewicht, laag geluidsniveau en minimale investeringskosten (voor productie op kleine- schaal). Toepassingen: kleinschalige-schaal, lage-zuivere stikstofbehoefte (95%-99,5%), omgevingen met beperkte ruimte (zoals containers en mobiele apparatuur), instrumentatie-beschermgas en spoelgas voor voedselverpakkingen.
3. Gedetailleerde uitleg van de kernsysteemcomponenten van een luchtscheidingseenheid
Een compleet moderne, grootschalige cryogene luchtscheidingseenheid- (mainstream-technologie) is een sterk geïntegreerd, complex systeemengineeringproject, dat hoofdzakelijk uit de volgende belangrijke subsystemen bestaat:
Luchtcompressiesysteem:
Functie: Levert de energiebron voor het gehele scheidingsproces, zuigt omgevingslucht aan en comprimeert deze tot de vereiste hoge druk (doorgaans enkele tot tientallen bar).
Kernuitrusting:
Main Air Compressor: Performs the majority of the compression work. Large ASUs (>10.000 Nm³/h O₂) maken over het algemeen gebruik van hoog-efficiënte, hoge- stroom, meer--traps centrifugaalcompressoren (aangedreven door stoom/motor), aangevuld met een geavanceerd aerodynamisch ontwerp en waaiermaterialen. Middelgrote-eenheden kunnen gebruik maken van meer-traps centrifugale compressoren of hoog-efficiënte schroefcompressoren. Kleine eenheden kunnen gebruik maken van zuiger- of schroefcompressoren.
Booster-/hercompressiesysteem: levert lucht onder hoge- druk aan de expander of verhoogt de druk van het productgas. Overwegingen: Efficiëntie (kernenergieverbruik), betrouwbaarheid, overspanningsbeheersing, geluidsreductie en aandrijfmethode (stoomturbine, elektromotor, gasturbine) zijn sleutelfactoren bij selectie en ontwerp.
Luchtvoorkoel- en zuiveringssysteem:
Functie: Verwijdert onzuiverheden zoals vocht, kooldioxide, koolwaterstoffen (zoals acetyleen) en lachgas (N₂O) uit perslucht. Deze onzuiverheden kunnen bij lage temperaturen bevriezen en apparatuur en leidingen (vooral de hoofdwarmtewisselaar) verstoppen. Koolwaterstoffen vormen een explosierisico in zuurstof{2}}rijke omgevingen.
Kernapparatuur en processen:
Precooling System: Utilizing cooling towers or mechanical refrigeration units (chillers), compressed air is cooled from the high outlet temperature (>100 graden) tot bijna-omgevingstemperatuur (~10-30 graden ) via watergekoelde warmtewisselaars of direct contact-koeltorens, waarbij het grootste deel van het vloeibare water wordt gecondenseerd en afgescheiden.
Zuiveringssysteem: Moderne ASU's maken bijna uitsluitend gebruik van dubbele (of meervoudige) moleculaire zeefadsorbers. Het adsorbens (voornamelijk moleculaire zeven van aluminiumoxide en zeoliet) adsorbeert selectief vocht, CO₂, de meeste koolwaterstoffen en N₂O bij kamertemperatuur. Het dubbele-torenontwerp zorgt ervoor dat terwijl de ene toren adsorptie uitvoert, de andere toren wordt verwarmd, geregenereerd en gekoeld met behulp van een kleine hoeveelheid droog productgas (of hete lucht), waardoor een continue en ononderbroken gastoevoer wordt gegarandeerd. Dit systeem is van cruciaal belang om de -langetermijn, veilige en stabiele werking van de unit te garanderen.
Hoofdwarmtewisselaarsysteem:
Functie: Maakt een efficiënte warmte-uitwisseling tussen warme en koude vloeistoffen mogelijk. De kernfunctie ervan is het diep-afkoelen van gezuiverde lucht onder hoge- druk tot nabij het vloeibaarmakingspunt (ongeveer -170 graden ) en tegelijkertijd het opnieuw opwarmen van de productgassen op lage temperatuur (zuurstof, stikstof en verontreinigde stikstof) tot bijna omgevingstemperatuur, waardoor het koudeherstel wordt gemaximaliseerd en het energieverbruik van het systeem aanzienlijk wordt verminderd.
Kernuitrusting: Warmtewisselaars met aluminium -lamellen (BAHX's) zijn de dominante keuze. Ze bieden een hoge compactheid, uitstekende warmteoverdrachtsefficiëntie, sterke drukweerstand en lichtgewicht ontwerp. Meerdere grote platenwarmtewisselaarmodules met lamellen worden doorgaans geïntegreerd met kernkoelapparatuur, zoals destillatiekolommen, in een sterk geïsoleerde koelbox om koelverliezen te minimaliseren.
Destillatiekolomsysteem (cryogene kern):
Functie: De kernfaciliteit voor de uiteindelijke scheiding en zuivering van luchtcomponenten.
Typische structuur:
Hogedrukkolom- (onderste kolom): Ontvangt lucht onder hoge- druk van de hoofdwarmtewisselaar, gekoeld tot nabij het vloeibaarmakingspunt. Bij deze druk wordt de eerste scheiding uitgevoerd, waarbij aan de bovenkant hoog{3}}zuiver stikstofgas wordt geproduceerd en aan de onderkant zuurstof-verrijkte vloeibare lucht (ongeveer 35-40% O₂).
Lage-drukkolom (bovenste kolom): ontvangt zuurstof-verrijkte vloeibare lucht uit de onderste kolom (gereduceerd door een smoorklep) en hoog-zuiver stikstofgas uit de bovenkant van de onderste kolom (vloeibaar gemaakt door een condensorverdamper). De einddestillatie wordt uitgevoerd bij bijna-normale druk (iets boven atmosferische druk). Aan de bovenkant wordt stikstofgas met hoge-zuiverheid (gas of vloeistof) geproduceerd, en aan de onderkant wordt zuurstofgas met hoge-zuiverheid (gas of vloeistof) geproduceerd. De condensor/verdamper is een belangrijk onderdeel dat de bovenste en onderste kolommen met elkaar verbindt, waarbij gebruik wordt gemaakt van de condensatiewarmte van stikstofgas aan de bovenkant van de onderste kolom om de vloeibare zuurstof aan de onderkant van de bovenste kolom te verdampen.
Ruwe/geraffineerde argonkolom: Grote ASU's extraheren doorgaans een argonfractie die ongeveer 8-12% argon bevat uit het midden van de bovenste kolom. Eerst verwijdert de ruwe argonkolom (meestal bestaande uit twee fasen) het grootste deel van de zuurstof om ruw argon te produceren (met O₂ < 2 ppm, N₂ < 100 ppm). Het ruwe argon komt vervolgens de geraffineerde argonkolom binnen, waar katalytische hydrogenering (of cryogene destillatie) zuurstof verwijdert en verdere fractionering stikstof verwijdert, wat uiteindelijk zeer zuiver vloeibaar argon oplevert (groter dan of gelijk aan 99,999%).
Overwegingen: Kolomefficiëntie (selectie van trays/pakkingen), vloeistofdistributie, drukregeling en preventie van overstromingen/lekkage zijn belangrijke ontwerpoverwegingen.
Expandersysteem:
Functie: Dit is de kernkoelapparatuur die de koelcapaciteit levert die nodig is voor het gehele cryogene systeem. Het principe van adiabatische expansie van gas onder hoge-druk om extern werk te genereren (het aandrijven van een generator of een remventilator) zorgt ervoor dat de gastemperatuur dramatisch daalt (Joule-Thomson-effect).
Kernuitrusting: De turbo-expander is de mainstream. Hogedruklucht (of stikstof) uit het middengedeelte van de hoofdwarmtewisselaar, die nog niet volledig vloeibaar is geworden, wordt in de expander geleid, waar deze snel uitzet tot een lage druk (dicht bij de bovenste kolomdruk), waardoor de temperatuur scherp onder het vloeibaarmakingspunt daalt. Hierdoor ontstaat een grote hoeveelheid vloeibare lucht (of vloeibare stikstof), die de koelcapaciteit aanvult om warmtelekverliezen en door het product meegevoerde koeling te compenseren. De efficiëntie van de expander heeft rechtstreeks invloed op het energieverbruik van de unit.
Productopslag- en verdampingssysteem:
Functie: Het balanceren van productie- en vraagschommelingen, waardoor een stabiele gasvoorziening wordt gewaarborgd; het verstrekken van vloeibare producten.
4. Brede toepassingsgebieden van luchtscheidingsunits
ASU-producten hebben een breed scala aan toepassingen, die een diepgaande impact hebben op veel pijlerindustrieën van de moderne samenleving:
Metaalsmelten en verwerken:
Staal: Hoog-zuivere zuurstof is de belangrijkste grondstof voor de staalproductie in basiszuurstofovens (BOF's), waardoor de efficiëntie aanzienlijk wordt verbeterd, het energieverbruik wordt verminderd en de onzuiverheden worden verminderd. Stikstof wordt gebruikt voor het reinigen van de ovenbekleding, bescherming bij continu gieten en warmtebehandeling in de atmosfeer. Argon wordt gebruikt bij de ontkoling van argonzuurstof (AOD) om roestvrij staal en speciaal staal te raffineren.
Non-ferrometalen: Zuurstof wordt gebruikt voor de verbranding van autogeen (koper-, aluminium-, lood- en zinksmelten), snelsmelten, boven- ondergedompeld smelten en andere processen om de smeltintensiteit en thermische efficiëntie te verbeteren. Stikstof wordt gebruikt als beschermende atmosfeer.
Chemische en petrochemische industrie:
Basischemicaliën: Zuurstof wordt gebruikt bij de vergassing van steenkool (synthetische ammoniak, methanol en waterstof), verbeterde verbranding in ethyleenkraakovens en de productie van zwavelzuur/salpeterzuur. Stikstof wordt gebruikt voor het zuiveren, inert maken, afdichten, draaggas en drukoverdracht.
Steenkoolchemische industrie: Grootschalige kolenvergassing op- schaal (IGCC, steenkool-tot-vloeistoffen en steenkool-tot-olefinen) vereist grote hoeveelheden zeer-zuivere zuurstof als vergassingsmiddel.
Olieraffinage: Zuurstof wordt gebruikt voor met zuurstof-verrijkte regeneratie in regeneratoren voor gefluïdiseerd katalytisch kraken (FCC) en voor vertraagde verkooksing. Stikstof wordt veel gebruikt voor veiligheidszuivering en inertisering. Elektronica en halfgeleiders:
Ultra-Gassen met een hoge zuiverheid: Gassen zoals stikstof, zuurstof, argon en waterstof vereisen zuiverheidsniveaus die het niveau van ppb (parts per miljard) of zelfs ppt (parts per biljoen) bereiken voor gebruik in kritische processen bij de productie van wafels, zoals lithografie, etsen, chemische dampdepositie (CVD), ionenimplantatie, uitgloeien en zuiveren bescherming. 6. ASU's zijn de belangrijkste bron van bulkgassen met hoge- zuiverheid voor de front-end.
Gezondheidszorg:
Medische zuurstof: Gecentraliseerde zuurstofsystemen in ziekenhuizen, zuurstoftherapie thuis, medische hulpdiensten en anesthesiebeademingsapparaten vertrouwen allemaal op ASU's voor zeer zuivere zuurstof- die voldoet aan strenge farmacopee-normen.
Andere medische gassen: Vloeibare stikstof wordt gebruikt voor medische cryopreservatie (behoud van cellen, weefsels, sperma en eieren) en chirurgische cryochirurgen. Stikstof met hoge-zuiverheid wordt gebruikt bij de productie van medische apparatuur.
Eten en drinken:
Stikstof van voedsel-kwaliteit: als kernlid van de 'voedselgas'-familie wordt het veel gebruikt in:
Modified Atmosphere Packaging (MAP): Het vervangt zuurstof in de verpakking, remt de microbiële groei en oxidatie, waardoor de houdbaarheid van voedingsmiddelen (vlees, fruit en groenten, snacks, koffie en zuivelproducten) aanzienlijk wordt verlengd. Stikstofvulling voor behoud van versheid: Stikstof wordt toegevoegd aan de bovenkant van drank- (bier, sap) en bakoliecontainers om oxidatie en bederf te voorkomen.
Blanking en Purging: Creëert een inerte beschermende atmosfeer in de voedselverwerking, opslagtanks en pijpleidingen.
Vloeibare stikstof: wordt gebruikt voor het snel invriezen van voedsel (om de smaak en voedingsstoffen te behouden), transport in de koude keten en malen op lage- temperatuur (voor kruiden, enz.).
Energie- en milieubescherming:
Zuurstof-verrijkte verbranding/zuivere zuurstofverbranding: gebruikt in industriële ovens zoals steenkool-gestookte/gas-elektriciteitscentrales, glassmeltovens en cementovens. Het verhoogt de vlamtemperatuur en de verbrandingsefficiëntie, vermindert het brandstofverbruik en produceert een hoge- concentratie CO₂-rookgas voor daaropvolgende opname (CCUS).
Kolenvergassing/IGCC: ASU is de kerneenheid van geïntegreerde steenkoolvergassing, gecombineerde energieopwekking en steenkoolchemische centrales.
Afvalwaterbehandeling: het gebruik van zuurstof-verrijkte beluchting of zuivere zuurstofbeluchtingstechnologie verbetert de capaciteit, efficiëntie en stabiliteit van afvalwaterbehandeling aanzienlijk, vooral bij de behandeling van hoog-geconcentreerd organisch afvalwater. 7. NEWTEK: uw luchtscheidingseenheid, EPC en kant-en-klare oplossingsexpert
In de sector luchtscheidingseenheden gaat het succes van projecten veel verder dan het selecteren van het juiste technologiepad. Grote, complexe industriële luchtscheidingsprojecten omvatten talrijke gespecialiseerde interfaces (proces, apparatuur, leidingwerk, elektriciteit, instrumentatie, civiele techniek, installatie en inbedrijfstelling), strenge wettelijke normen (veiligheid en milieubescherming), nauwkeurige planningscontrole en de coördinatie van uitgebreide middelen. Dit is de kernwaarde van NEWTEK-we bieden end-to-EPC (engineering, algemene contractering) en kant-en-klare oplossingen, van conceptueel ontwerp tot stabiele werking.
5. NEWTEK: Uw expert in EPC-luchtscheidingsunits en kant-en-klare oplossingen
In de sector luchtscheidingsunits gaat het succes van projecten veel verder dan het selecteren van de juiste technologie. Grote, complexe industriële luchtscheidingsprojecten omvatten talrijke gespecialiseerde interfaces (proces, apparatuur, leidingwerk, elektriciteit, instrumentatie, civiele techniek, installatie en inbedrijfstelling), strenge wettelijke normen (veiligheid en milieubescherming), nauwkeurige planningscontrole en de coördinatie van uitgebreide middelen. Dit is de kernwaarde van NEWTEK-we bieden end-to-EPC (Engineering, Project Construction) en kant-en-klare oplossingen, van conceptueel ontwerp tot stabiele werking.
6. Conclusie: De toekomst van de industrie versterken
Luchtscheidingseenheden vormen het ‘gashart’ van de moderne industriële beschaving. Met technologische vooruitgang en industriële upgrades blijft de vraag naar zeer-zuivere, diverse, grootschalige- en goedkope- industriële gassen groeien, waardoor hogere eisen worden gesteld aan de efficiëntie, betrouwbaarheid, veiligheid en milieuprestaties van deze eenheden. Het kiezen van het juiste technische pad is van fundamenteel belang, terwijl het selecteren van een partner met sterke capaciteiten voor resource-integratie en uitgebreide technische ervaring cruciaal is voor het succes van projecten.
Als professionele EPC-dienstverlener op het gebied van gastechniek zet NEWTEK zich in om klanten te helpen de talrijke uitdagingen van complexe industriële projecten te overwinnen door middel van haar geïntegreerde, gespecialiseerde en op maat gemaakte EPC-luchtscheidingseenheid en kant-en-klare oplossingen. Wij zijn meer dan alleen een apparatuurleverancier of ontwerpinstituut; wij zijn uw eind-tot-projectsuccesadviseur. Van blauwdruk tot stabiele gasstroom, NEWTEK zorgt ervoor dat uw investering in luchtscheidingseenheden zich vertaalt in efficiënte productiviteit, een betrouwbare toeleveringsketen en aanzienlijke economische voordelen, waardoor een solide "gas"-basis wordt gelegd waarmee u kunt concurreren op de fel concurrerende markt.
