Teknik Pemisahan Udara Non-Kriogenik yang Efisien

Proses Pemisahan Udara Non-Kriogenik

Udara atmosfer kering menurut volume mengandung 78,08 % nitrogen, 20,95 % oksigen, dan 0,93 % argon bersama dengan jejak sejumlah gas lainnya (Gambar 1). Udara atmosfer juga dapat mengandung jumlah air vapour yang bervariasi (tergantung pada kelembaban) dan gas lain yang dihasilkan oleh proses alam dan aktivitas manusia. Ada dua teknologi primer untuk memisahkan gas udara seperti (i) distilasi kriogenik, dan (ii) proses pemisahan non-kriogenik. Proses non-kriogenik biasanya digunakan untuk memisahkan satu komponen dari udara atmosfer.

Gambar 1 Komposisi udara atmosfer

Proses pemisahan udara non-kriogenik adalah proses pemisahan suhu dekat ambient dan digunakan untuk produksi nitrogen atau oksigen sebagai gas. Proses ini adalah pilihan yang hemat biaya ketika permintaan gas relatif kecil dan ketika kemurnian gas yang sangat tinggi tidak diperlukan. Pabrik pemisahan udara non-kriogenik kompat dan menghasilkan gaseous nitrogen yang biasanya 95,5 % hingga 99,5 % bebas oksigen atau gaseous oxygen yang 90 % hingga 95,5 % murni.

Pabrik non-kriogenik kurang efisien energi daripada pabrik kriogenik (untuk kemurnian produk yang serupa) namun pada saat yang sama lebih murah untuk dibangun. Ukuran fisik pabrik dapat dikurangi sesuai dengan kemurnian yang dibutuhkan, dan daya yang diperlukan untuk mengoperasikan unit juga berkurang. Pabrik non-kriogenik relatif cepat dan mudah untuk dihidupkan dan dapat dioperasikan dalam waktu kurang dari setengah jam. Ini berguna ketika produk tidak diperlukan sepanjang waktu. Seperti pabrik kriogenik, proses pemisahan udara non-kriogenik juga dimulai dengan kompresi udara.

Tidak seperti pabrik kriogenik yang menggunakan perbedaan titik didih nitrogen dan oksigen untuk memisahkan dan memurnikan produk ini, pabrik pemisahan udara non-kriogenik menggunakan perbedaan properti fisik seperti struktur molekul, ukuran, dan massa untuk menghasilkan nitrogen dan oksigen. Proses non-kriogenik didasarkan pada selective adsorption atau permutation melalui membran.

Teknologi paling umum yang digunakan untuk pabrik pemisahan udara non-kriogenik adalah adsorption process technology, (ii) chemical process technologies, (iii) membrane separation technology, dan (iv) ion transport membrane technology.

Adsorption process technology

Adsorption process technology didasarkan pada kemampuan beberapa material alami dan sintesis untuk secara preferensial menyerap nitrogen atau oksigen. Teknologi ini digunakan untuk menghasilkan nitrogen atau oksigen dengan melewatkan compressed air pada beberapa tekanan atmosfer melalui wadah yang berisi bahan adsorban. Adsorben dipilih berdasarkan karakteristik adsorpsinya. Bahan adsorptif khusus digunakan sebagai molecular sieve, yang secara preferensial menyerap spesies gas target. Adsorben yang diinginkan memiliki affinities yang jauh lebih besar terhadap non product molecules daripada terhadap product gas (nitrogen atau oksigen). Karakteristik ini menghasilkan sebagian besar molekul product gas melewati bed dan masuk ke product stream, sementara komponen udara lainnya tertangkap oleh adsorban.

Pabrik produksi oksigen menggunakan adsorption technology biasanya menggunakan zeolite molecular sieves untuk menyerap nitrogen, carbon dioxide, air vapour yang tersisa dan gas lainnya. Tekanan pengiriman oksigen khas yang keluar dari pabrik adalah 1 atmosphere hingga 3 atmospheres. Kemurnian oksigen biasanya biasanya dalam rentang 93 % hingga 95%, dan terutama terbatas oleh kandungan argon, yang biasanya dalam rentang 4,5 % hingga 5 %.

Pabrik produksi nitrogen menggunakan adsorption technology menggunakan activated carbon molecular sieve material yang menghilangkan oksigen dan komponen tidak diinginkan melalui adsorpsi. Alternatifnya, 'de-oxo' unit ditambahkan yang secara katalitik menggabungkan hydrogen dengan oksigen dalam produk nitrogen yang keluar dari proses adsorpsi, menghasilkan air. Air ini dihilangkan oleh pendinginan dan adsorpsi tambahan. Nitrogen biasanya diambil dari unit produksi pada tekanan 6 atmospheres hingga 8 atmospheres dan dengan kemurnian 95 % hingga 99,5 %. Jika kemurnian yang lebih tinggi diperlukan maka ukuran peralatan dan rasio air feed terhadap product make harus naik. Waste stream dari pabrik produksi nitrogen kaya akan oksigen yang seringkali sekitar 40 % oksigen. Stream ini kadang-kadang digunakan untuk combustion enhancement atau operasi peralatan pengolahan limbah di pabrik.

Dalam kasus zeolites, non-uniform electric fields ada dalam void spaces material, menyebabkan adsorpsi preferensial terhadap molekul yang lebih polarizable daripada yang memiliki electrostatic quadrapolar moments yang lebih tinggi. Oleh karena itu, dalam pemisahan udara, nitrogen molecules lebih kuat diadserpsi daripada oxygen atau argon molecules. Seperti udara dilewatkan melalui bed dari zeolitic material, nitrogen dipertahankan dan oxygen-rich stream keluar dari bed. Ini karena zeolites selektif untuk nitrogen.

Dalam kasus carbon molecular sieves, mereka memiliki pore sizes yang berada dalam urutan magnitud yang sama dengan ukuran air molecules. Karena oxygen molecules sedikit lebih kecil dari nitrogen molecules, mereka diffuse lebih cepat ke dalam cavities adsorban. Oleh karena itu, carbon molecular sieves selektif untuk oxygen.

Proses adsorban pada dasarnya adalah batch process, karena adsorban bed memerlukan desorption secara berkala. Oleh karena itu, pabrik produksi berdasarkan teknologi ini biasanya memiliki setidaknya dua adsorban vessels untuk memberikan kontinuitas operasi. Pada setiap waktu, salah satu vessel sedang membuat product dengan adsorpsi komponen udara yang tidak diinginkan, sementara vessel lain sedang mengalami regenerasi melalui depressurization ke tekanan atmosfer. Ketika adsorbing vessel mendekati saturasi, set of valves dengan cepat mengalihkan streams ke vessel lain. Surge vessel (buffer vessel) downstream dari absorbers memastikan bahwa pengiriman product gas berkelanjutan. Meskipun two vessel system paling umum, mono vessel atau three vessel configurations kadang-kadang juga digunakan. Mono vessel system memberikan capital savings sementara three vessel system memberikan kontinuitas produksi yang lebih besar. Flowsheet khas untuk proses pemisahan udara berdasarkan adsorption technology ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Proses pemisahan udara berdasarkan adsorption technology

Pressurized air masuk ke vessel yang berisi adsorban bed. Nitrogen / oxygen diadserpsi dan oxygen / nitrogen rich effluent stream dihasilkan sampai adsorban bed telah terjangkapi nitrogen / oxygen. Pada titik ini, feed air dialihkan ke vessel fresh dan regenerasi adsorban bed di vessel pertama dapat dimulai. Regenerasi dapat dilakukan dengan memanaskan adsorban bed atau dengan mengurangi tekanan di adsorban bed, yang mengurangi equilibrium nitrogen / oxygen holding capacity adsorban.

Penambahan panas biasa disebut temperature swing adsorption (TSA), dan pengurangan tekanan disebut pressure atau vacuum swing adsorption (PSA atau VSA). Pabrik pemisahan udara menggunakan vacuum disebut VPSA (vacuum pressure swing adsorption), VSA (vacuum swing adsorption) atau PVSA (pressure vacuum swing adsorption) plants. Digunakan untuk produksi oksigen. Proses cycle mirip dengan PSA plants kecuali vacuum pumps digunakan untuk mengurangi desorption pressure. Desorption pressure yang lebih rendah mengurangi inlet pressure. Cycle time yang lebih cepat dan operasi yang disederhanakan yang terkait dengan pengurangan tekanan biasanya menjadikannya proses pilihan untuk pemisahan udara.

VPSA plant menghasilkan oksigen pada sekitar 0,2 atmospheres (gauge). Ketika tekanan pengiriman oksigen yang lebih tinggi diperlukan, oxygen booster compressor ditambahkan ke pabrik. Secara keseluruhan, VPSA plants lebih mahal tetapi lebih efisien energi daripada PSA plants untuk kondisi product flow, pressure dan kemurnian yang sama.

VPSA plants meregenerasi sieve material dalam kondisi vacuum. Ini menghasilkan molecular sieve material yang lebih ter-regenerasi sepenuhnya. Sieve material ini lebih selektif daripada material yang mengalami regenerasi di PSA plant. Sebagai hasilnya, persentase yang lebih tinggi dari oxygen yang tersedia direcover yang berarti kurang air yang harus diproses. Air compressor power sangat dikurangi dibandingkan dengan PSA plant karena lower air flow dan lower compressor discharge pressure yang biasanya kurang dari setengah atmosphere (gauge). Namun ada offset terhadap penghematan air compression power karena daya yang diperlukan untuk mengoperasikan vacuum pump.

VPSA units biasanya lebih hemat biaya daripada PSA units ketika production rate yang diinginkan lebih dari 20 tons per hari. Mereka biasanya pilihan produksi oksigen yang paling hemat biaya hingga 60 tons per hari asalkan oksigen murni tinggi tidak diperlukan. Di atas 60 tons per hari, cryogenic plants biasanya pilihan teknologi produksi oksigen, meskipun dalam beberapa kasus, dua VPSA plants memungkinkan pencocokan yang lebih baik dari step-changes besar dalam permintaan.

Variasi dalam proses yang berpengaruh pada efisiensi operasi mencakup pretreatment terpisah dari air untuk menghilangkan air dan carbon dioxide, multiple vessels untuk mengizinkan pressure energy recovery selama adsorban bed switching, dan vacuum operation selama depressurization. Optimasi sistem didasarkan pada product flow, kemurnian dan pressure, biaya energi dan umur operasi yang diharapkan. Karena sifat siklus dari proses adsorpsi, adsorban bed size adalah faktor kontrol dalam capital cost. Karena produksi proporsional dengan volume adsorban bed, capital costs meningkat lebih cepat sebagai fungsi dari production rate dibandingkan dengan cryogenic plants.

Chemical process technologies

Beberapa material memiliki kemampuan untuk menyerap oxygen pada satu set kondisi tekanan dan suhu, dan untuk desorption oxygen pada set kondisi yang berbeda. Sebuah proses yang diinvestigasi pada awal tahun 1990-an adalah MOLTOXe process, sebuah molten salt chemical process. Proses ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Proses kimia untuk pemisahan udara

Variasi proses yang ditunjukkan didasarkan pada absorption of oxygen oleh circulating molten salt stream, diikuti oleh desorption melalui kombinasi panas dan pengurangan tekanan salt stream. Air dikompresi dari 1,4 atmospheres hingga 12,5 atmospheres dan dirawat untuk menghilangkan air dan carbon dioxide dalam adsorbent-based system. Air dan carbon dioxide keduanya merusak salt jika tidak dihilangkan pada tahap ini.

Air mengalir melalui adsorbent bed sampai bed saturation tercapai. Adsorbent beds diubah dan saturated adsorbent bed diregenerasi oleh dry nitrogen dari proses. Clean, dry air dipanaskan terhadap returning product streams ke antara 480 deg C dan 650 deg C di main heat exchangers. Hot air mengalir ke bawah absorber di mana ia bersentuhan dengan molten liquid salt. Oxygen dalam air bereaksi secara kimia dengan salt dan dihilangkan dengan liquid salt yang keluar dari bawah absorber. Oxygen-bearing salt di-heat interchanged dengan oxygen-free salt dan dipanaskan lebih lanjut sebelum tekanannya dikurangi dan mengalir ke desorber. Gaseous oxygen keluar dari atas desorber, sementara oxygen-lean salt dihilangkan dari bawah desorber, di-heat interchanged dan dikirim ke atas absorber vessel untuk menutup loop.

Hot oxygen dan hot nitrogen streams masuk ke main heat exchanger dan didinginkan terhadap feed air. Oxygen dikompresi ke delivery pressure, sementara sebagian nitrogen digunakan untuk regenerasi air pretreatment system. Main process advantage dari TSA based system adalah bahwa air hanya perlu dikompresi ke pressure yang mengatasi pressure drop melalui air pretreatment dan heat exchanger, sehingga mengurangi jumlah air compression power dibandingkan dengan cryogenic plant. Sebuah sumber energi termal harus tersedia untuk melepaskan salt melalui pemanasan. Sebuah small-scale pilot unit dioperasikan yang memverifikasi process conditions (99,9 % oxygen purity pada expected salt loading), namun, korosi pada salt / oxygen two-phase areas fasilitas ditentukan sebagai masalah ekonomi.

Membrane separation technology

Proses berdasarkan membrane separation technology menggunakan tingkat yang berbeda di mana air gases diffuse melalui polymer membrane. Membrane processes menggunakan polymeric materials didasarkan pada perbedaan tingkat difusi oxygen dan nitrogen melalui membrane yang memisahkan high-pressure dan low-pressure process streams. Membrane separation technology menggunakan tube bundles yang terbuat dari special polymers, sering dikonfigurasi dengan cara yang mirip dengan shell and tube heat exchanger. Prinsip pemisahan udara adalah bahwa berbagai gas memiliki tingkat permeasi yang berbeda melalui polymer film. Schematic dari polymeric membrane process untuk pemisahan udara ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4 Proses polimerik untuk pemisahan udara

Flux dan selectivity adalah dua properti yang menentukan ekonomi sistem membrane, dan keduanya adalah fungsi dari specific membrane material. Flux menentukan membrane surface area, dan adalah fungsi dari pressure difference dibagi dengan membrane thickness. Sebuah konstanta proporsionalitas yang bervariasi dengan jenis membrane disebut permeability. Selectivity adalah rasio dari permeabilities dari gas yang akan dipisahkan. Karena ukuran oxygen molecule yang lebih kecil, sebagian besar membrane materials lebih permeable terhadap oxygen daripada nitrogen.

Prinsip pemisahan udara adalah bahwa berbagai gas memiliki tingkat permeasi yang berbeda melalui polymer film. Oxygen bersama dengan water vapour dan carbon dioxide dianggap 'fast gases' yang diffuse lebih cepat melalui tube walls daripada 'slow gases' argon dan nitrogen. Ini memungkinkan dry air diubah menjadi produk yang merupakan inert mix dari sebagian besar nitrogen gas dan argon, dan low pressure 'permeate' atau waste gas yang kaya dengan oxygen, water vapour dan carbon dioxide yang di-vent dari shell.

Atmospheric air difilter, dikompresi ke pressure yang diperlukan, dikeringkan dan kemudian dilewatkan melalui membrane module. Air components dengan tingkat difusi yang lebih tinggi (O2 dan CO2) menembus polymer membrane fibres lebih cepat, menghasilkan nitrogen-rich flow sebagai primary product. Kemurnian N2 gas flow bergantung pada flow rate melalui membrane module, mencapai 93 % hingga 99,5% dan lebih jika dioperasikan secara efisien.

Nitrogen product muncul dari membrane units pada dekat compressed air feed pressure. Karena tidak ada moving parts dalam proses pemisahan, membrane units dapat dengan cepat diaktifkan ketika diperlukan dan dimatikan ketika tidak.

Membrane separation plants biasanya dibuat dalam standard size modules dengan nitrogen production ratings yang bergantung pada nitrogen purity yang diinginkan. Untuk given standard module nitrogen production rate meningkat dengan higher inlet air flow rates namun pada saat yang sama nitrogen purity menurun. Ketika needed production capacity (at a specified purity level) lebih dari largest standard module size, sejumlah smaller units biasanya digabungkan dalam manifold untuk memungkinkan mereka beroperasi secara paralel.

Membrane plants hemat biaya untuk aplikasi dengan permintaan rendah. Karena larger capacity plants biasanya terdiri dari multiple smaller capacity modules, membrane plants memiliki biaya yang hampir konstan per plant dari production capacity di atas rentang produksi yang luas. Ini berkontras dengan declining cost for marginal capacity yang umum dengan PSA nitrogen plants dan cryogenic air separation nitrogen plants.

Dalam kasus desired product adalah oxygen, membrane systems biasanya terbatas pada produksi oxygen enriched air (25 % hingga 50 % oxygen). Active atau facilitated transport membranes, yang mengakomodasi oxygen-complexing agent untuk meningkatkan oxygen selectivity, adalah cara potensial untuk meningkatkan oxygen purity dari membrane systems, assuming oxygen compatible membrane materials juga tersedia.

Oxygen permeates melalui fibre (hollow fibre type) atau melalui sheets (spiral wound type) dan di-ambill sebagai product. Vacuum pump biasanya mempertahankan pressure difference di seluruh membrane dan delivers oxygen pada pressure yang diperlukan. Carbon dioxide dan water biasanya muncul dalam oxygen enriched air product, karena mereka lebih permeable daripada oxygen untuk sebagian besar membrane materials.

Manfaat utama dari membrane separation adalah bahwa prosesnya sederhana, kontinu, dan beroperasi pada kondisi dekat ambient. Air blower menyediakan cukup head pressure untuk mengatasi pressure drop melalui filters, membrane tubes dan piping. Membrane materials biasanya dirakit dalam cylindrical modules yang di-manifold bersama untuk menyediakan production capacity yang dibutuhkan.

Seperti adsorption systems, capital pada dasarnya adalah fungsi linier dari production rate dan product backup biasanya tidak tersedia tanpa separate liquid oxygen storage tank dan delivery support system. Membrane systems cocok untuk aplikasi hingga 20 tons per hari, di mana air enrichment purities dengan water dan carbon dioxide contaminants dapat ditoleransi. Teknologi ini lebih baru daripada adsorption atau cryogenics dan perbaikan dalam materials dapat membuat membranes menarik untuk oxygen requirements yang sedikit lebih besar. Fast start-up time, karena operasi dekat ambient, terutama menarik untuk oxygen-use systems yang menunjukkan discontinuous usage patterns. Passive nature dari prosesnya juga menarik.

Membrane plants hemat biaya untuk aplikasi dengan permintaan rendah. Karena larger capacity plants biasanya terdiri dari multiple smaller capacity modules, membrane plants memiliki biaya yang hampir konstan per plant dari production capacity di atas rentang produksi yang luas. .

Ion transport membrane (ITM) technology

ITMs adalah solid inorganic oxide ceramic materials yang menghasilkan oxygen dengan lewat oxygen ions melalui ceramic crystal structure. Sistem ini beroperasi pada suhu tinggi, biasanya di atas 600 deg C. Oxygen molecules diubah menjadi oxygen ions pada permukaan membrane dan diangkut melalui membrane oleh applied electric voltage atau oxygen partial pressure difference, kemudian membentuk oxygen molecules setelah melalui membrane material. Membrane materials dapat difabriksikan menjadi flat sheets atau tubes. Gambar 5 menunjukkan schematic sederhana dari ion transport membrane air separation process.

Gambar 5 Ion transport membrane air separation process

Untuk large energy conversion processes, pressure difference transport driving force adalah metode pilihan. Membranes, yang beroperasi oleh pressure difference, disebut mixed conducting membranes karena mereka mengkonduksi oxygen ions dan electrons. Oxygen ions berjalan melalui ITM pada flow rate yang sangat tinggi dan menghasilkan almost pure oxygen di permeate side membrane. Oxygen dapat dipisahkan sebagai pure product, atau gas lain dapat digunakan untuk sweep di permeate side membrane untuk menghasilkan lower purity product. Jika reactive sweep gas digunakan, oxidative product dapat dihasilkan langsung, misal natural gas methane sweeps untuk membuat synthesis gas untuk gas-to-liquid (GTL) conversion.

Air dikompresi dan kemudian dipanaskan ke operating temperature dengan pertukaran terhadap hot process streams (non-permeate dan oxygen product) dan kemudian auxiliary heat addition. Secara umum, pemanasan air dapat dilakukan dengan indirect heat exchange dan / atau direct firing of fuel. Oxygen stream dikompresi ke delivery pressure. Pressurized nitrogen enriched non-permeate stream digunakan di tempat lain di balance of energy conversion process, misal expanded di integrated gas turbine cycle untuk menghasilkan electric power.

ITM oxygen process cocok untuk integrasi dengan power generation dan energy conversion processes yang membutuhkan oxygen sebagai feedstock untuk combustion atau gasification, atau di dalam oxygen-based application yang membutuhkan power.