Destillatie van lucht
Van Wikipedia
De destillatie van lucht is een van de methoden voor de productie van stikstof, zuurstof en argon. Deze destillatie wordt uitgevoerd bij extreem lage temperaturen (-180°C à -190°C) en wordt daarom ook wel een cryogene destillatie genoemd.
Inhoud |
[bewerk] Cryogene destillatie
Cryogene destillatie is een destillatie die plaatsvindt bij extreem lage temperaturen. De methode wordt gebruikt om mengsels te scheiden die bij normale druk en temperatuur gasvormig zijn. Het wordt o.a. toegepast bij de scheiding van lucht maar ook bij de scheiding van ethaan en etheen en de scheiding van propaan en propeen in een kraker (Kraken (chemie)). Het gedeelte van het proces dat plaatsvindt bij de lage temperaturen vindt plaats in een goed geisoleerd gedeelte van de fabriek, de zogenaamde `coldbox`.
[bewerk] Globale procesbeschrijving
Achtereenvolgens wordt de lucht
- gecomprimeerd
- gezuiverd van verontreinigingen en water
- afgekoeld
- gedestilleerd
- afvoer van zuivere stikstof, zuurstof en argon als gas of vloeistof
[bewerk] Compressie
Door middel van compressoren (Compressor (gas)) wordt de te scheiden lucht met behulp van compressoren gecomprimeerd tot ongeveer 5 bar (druk). Dit gebeurt in meertrapscompressoren. Tijdens elke trap vindt een drukverhoging plaats waardoor water uit de lucht zal condenseren. Dit water kan makkelijk worden afgevoerd.
[bewerk] Zuivering van verontreinigingen en water
In de gecomprimeerde lucht bevindt zich nog water en andere verontreinigingen zoals CO2, NOx en koolwaterstoffen. Deze verontreinigingen kunnen in het proces grote problemen veroorzaken en dienen daarom verwijderd te worden. CO2 en NOx worden bij de lage temperaturen vaste stoffen en kunnen verstoppingen in warmtewisselaars veroorzaken. Koolwaterstoffen kunnen in de destillatietoren explosies veroorzaken (zie paragraaf "gevaren van koolwaterstoffen").
De zuivering vindt plaats door de lucht door een groot vat te leiden met daarin absorberende korrels (b.v. silica) die deze verontreinigingen opnemen. Na verloop van tijd (b.v. enkele uren) zijn deze korrels verzadigd met verontreinigingen en dienen ze te worden geregenereerd. Deze regeneratie vindt plaats met stikstof of zuivere lucht (d.w.z. lucht zonder verontreinigingen) Er zijn 2 vaten aanwezig, nadat vat A verzadigd is wordt overgeschakeld op vat B. Vat A wordt geregenereerd zodat dit weer gebruikt kan worden voordat ook vat B verzadigd is.
[bewerk] Afkoeling van de ingaande lucht
De destillatie wordt uitgevoerd bij temperaturen van tussen de -180°C en -190°C. De lucht dient daarom afgekoeld te worden voordat het de destillatiekolom ingaat. Deze afkoeling gebeurt op 2 manieren: 1. Afkoeling in een warmtewisselaar De uitgaande stikstof en zuurstof kunnen worden opgewarmd voordat ze de fabriek verlaten. Deze kou kan gebruikt worden om de ingaande lucht af te koelen. Dit gebeurt door de koude stikstof en zuurstof in tegenstroom met lucht door warmtewisselaars te leiden. 2. Afkoeling met behulp van turbines. Door de gecomprimeerde lucht over turbines te laten expanderen kan de lucht drastisch worden afgekoeld. Tevens produceren de turbines hierbij electriciteit.
In de praktijk worden verschillende combinaties van bovenstaande methodes toegepast om de lucht af te koelen.
[bewerk] Destillatie
De destillatie vindt plaats in verschillende stappen.
1. Midden druk kolom
2. Lage druk kolom
3. Argonzuivering
Midden druk kolom In de eerste kolom wordt de lucht onder in de kolom ingevoerd. Over de top van deze kolom gaat zuivere stikstof (vloeibaar of gasvormig). Over de bodem gaat een vloeistof met een hoog percentage (+/- 40%) zuurstof. Omdat (een gedeelte van) de lucht gasvormig de kolom wordt ingevoerd, is hier geen reboiler nodig.
Lage druk kolom De vloeistof met het hoge percentage zuurstof wordt naar de top van de tweede kolom geleidt en zorgt in deze kolom voor de reflux. De druk in deze kolom wordt op een lagere druk (b.v. 200 mbar) bedreven. Gasvormige, onzuivere stikstof gaat over de top van deze 2de kolom en kan eventueel in een extra topsectie nog worden gezuiverd. Over de bodem van deze kolom gaat zuivere zuurstof. Ergens midden in de kolom wordt een argonrijke vloeistof afgescheiden.
Condensor-reboiler De condensor van de 1ste kolom en de reboiler van de 2de kolom zijn samengevoegd in 1 warmtewisselaar (dit is mogelijk om dat bij de hogere druk van de eerste kolom het kookpunt van stikstof iets hoger is dan het kookpunt van zuurstof bij de lagere druk in de tweede kolom, waardoor er warmte overdracht kan plaatsvinden van stikstof naar zuurstof.
Argonzuivering Het rijke gasvormige argonmengsel wordt in de bodem van een kolom gestuurd. Over de top gaat een mengsel waaruit de zuurstof gestript is. Over de bodem gaat een vloeistof met meer zuurstof die weer terug gevoerd wordt naar de lage druk kolom. Het gasmengsel ontdaan van zuurstof bevat dan enkel nog stikstof en argon. In een tweede kolom wordt dit mengsel gescheiden waarbij argon over de top gaat. In de condensors van deze 2 kolommen wordt het gas afgekoeld en gecondenseerd met behulp van koude vloeistoffen die zich in het proces bevinden, b.v. de zuurstofrijke vloeistof over de bodem van de allereerste kolom middendruk kolom.
[bewerk] Afvoer van zuivere producten
Het zuivere stikstof, zuurstof en argon kan als gas of als vloeistof de cold box verlaten. Als vloeistof kan het direct worden opgeslagen in daarvoor bestemde cryogene tanks. Ook in deze tanks heerst een hele lage temperatuur. (er bestaan tanks van miljoenen liters zuivere, vloeibare stikstof of zuurstof bij -180 of -190°C). Tevens kan deze vloeistof met pompen tot de gewenste druk worden gebracht (b.v. tussen 5 en 70 bar), worden verdampt en opgewarmd in de warmtewisselaars die ook de inkomende lucht afkoelen.
Verder kunnen de zuivere producten als gas de coldbox verlaten om vervolgens in de warmtewisselaars te worden opgewarmd. Hierna kan het zuivere gas door middel van compressoren op de gewenste druk worden gebracht (b.v. tussen 5 en 70 bar).
[bewerk] Gevaren van koolwaterstoffen
Eventuele vervuilingen zoals CO2, NOx en koolwaterstoffen hebben een hoger kookpunt dan lucht en zullen dus over de bodem van de eerste kolom, opgelost in de vloeistof, in de tweede (lage druk) kolom terecht komen. Ook hier zullen ze, vanwege hun hoge kookpunt, in de bodem terecht komen.
Op de bodem van deze tweede kolom zuivere zuurstof in vloeibare vorm waarvan met behulp van een reboiler voortdurend een gedeelte wordt verdampt om als gas mee te kunnen doen aan de destillatie. De vervuiling zullen hier, wederom door hun hogere kookpunt, niet verdampen en zich daarom ophopen in dit zuurstofbad. Zelfs minieme hoeveelheden kunnen over voldoende lange tijd zorgen voor een substantiele verhoging van de concentratie van deze vervuilingen in het zuurstofbad.
De condensor wordt gevormd door een warmtewisselaar. De zuurstof circuleert hier voortdurend doorheen. Indien een kanaal van deze warmtewisselaar verstopt raakt (b.v. door CO2-kristallen) kan het zo zijn dat de circulatie stopt en dit kanaal helemaal `droogdampt`. Hierbij verdampt de zuurstof, terwijl vervuilingen, zoals koolwaterstoffen niet verdampan vanwege hun hogere kookpunt. De concentratie van deze vervuilingen neemt toe totdat uiteindelijk een explosief mengsel bereikt wordt. Indien er bovendien een ontlading plaatsvindt kan dit mengsel ontsteken. Een dergelijke `explosie´ kan de warmtewisselaar beschadigen of in het ergste geval een desastreuze ontploffing veroorzaken door de reactie van de enorme hoeveelheid zuurstof aanwezig in het bad en het aluminium van de warmtewisselaar. Dit gebeurde bijvoorbeeld op 25 december 1997 in Bintulu, Maleisië, mede veroorzaakt door bosbranden in de buurt, waardoor grote hoeveelheden verontreinigingen in de lucht aanwezig waren. [1]
Er zijn verschillende manieren om een dergelijk scenario te voorkomen.
-De lucht wordt gezuiverd voordat deze de destillatiekolom inkomt (zie paragraaf "zuiverering van verontreinigingen en water").
-De verschillende vloeistofstromen kunnen nog eens extra worden gefilterd om alle verontreinigingen te verwijderen
-met enige regelmaat kan het zuurstofbad gespuid worden, waardoor ook de concentratie aan vervuilingen wordt verminderd. De zuurstof die op deze manier wordt gespuid, hoeft niet verloren te gaan maar kan zuiver genoeg zijn om te worden verkocht. Moderne fabrieken produceren enkel vloeibare zuurstof die later in het proces wordt verdampt indien dit nodig is.
-met enige regelmaat kan de installatie worden gestopt en worden opgewarmd om alle verontreinigen te verwijderen en te voorkomen dat deze zich te veel kunnen ophopen.
-De concentratie aan vervuilingen kan voortdurend worden gemeten waardoor tijdig de installatie kan worden gestopt indien nodig.
-De luchtkwaliteit in de buurt van de installatie kan geevalueerd en gemonitord worden.
Categorieën: Chemische scheidingsmethode
