Pemisahan Udara Kriogenik Canggih: Ekstraksi Efisien Nitrogen dan Oksigen
Proses Pemisahan Udara Kriogenik
Udara memiliki komposisi berbagai gass, di mana nitrogen (N2) dan oksigen (O2) secara kolektif mencakup sekitar 99,03 % dari total volume sampel. Udara kering menurut volume mengandung sekitar 78,08 % nitrogen, sekitar 20,95 % oksigen, dan sekitar 0,93 % argon bersama dengan jejak sejumlah gas lain seperti hydrogen, neon, helium, krypton, xenon, dan carbon dioxide. Udara ambien dapat mengandung jumlah air vapour yang bervariasi (tergantung pada kelembaban) dan gas lain yang dihasilkan oleh proses alam dan aktivitas manusia. Oxygen dan nitrogen dihasilkan melalui proses pemisahan udara, yang melibatkan pemisahan udara menjadi konstituennya. Rare gasses seperti, contohnya, argon, krypton dapat direcover sebagai byproducts dari proses pemisahan udara.
Pemisahan udara menjadi konstituen gasnya dilakukan melalui implementasi teknologi pemisahan udara tertentu. Ada berbagai teknologi pemisahan udara yang tersedia saat ini, masing-masing bertujuan untuk mengeksploitasi atribut yang berbeda dengan hubungan pada perbedaan properti fisik antara konstituen gas udara. Dengan kata lain, teknologi pemisahan udara didasarkan pada fakta bahwa setiap konstituen gas udara memiliki properti fisik yang berbeda dan oleh karena itu, pemisahan udara terwujud dengan mengeksploitasi properti fisik seperti (i) membedakan ukuran molekul konstituen gas, (ii) membedakan perbedaan tingkat difusi melalui material tertentu, (iii) preferensi adsorpsi yang dimiliki material khusus terhadap gas tertentu, dan (iv) perbedaan suhu didih dll.
Beberapa teknologi yang digunakan saat ini meliputi cryogenic, adsorption, chemical processes, polymeric membranes, dan ion transport membrane (ITM). Dari teknologi ini, cryogenic air separation technology berada pada tahap matang dari siklus hidupnya, sehingga menjadikannya satu-satunya cara yang layak dari teknologi yang tersedia saat ini untuk produksi massal produk udara seperti oxygen, nitrogen, dan argon.
Teknologi pemisahan udara digunakan untuk produksi oxygen dan / atau nitrogen sebagai gas dan kadang-kadang sebagai produk cair. Beberapa pabrik juga menghasilkan argon baik sebagai gas, atau cair, atau keduanya. Semua proses pemisahan udara dimulai dengan kompresi udara. Semua pabrik pemisahan udara menggunakan teknologi non cryogenic based atau cryogenic based. Pabrik pemisahan udara menggunakan teknologi pemisahan udara non cryogenic menghasilkan gaseous oxygen atau nitrogen products menggunakan proses pemisahan suhu dekat ambient. Pabrik ini menghasilkan oxygen yang biasanya 90 % hingga 95,5 % murni atau nitrogen yang biasanya 95,5 % hingga 99,5 % bebas oxygen. Pabrik pemisahan udara dapat menghasilkan lebih dari tiga kali lebih banyak nitrogen daripada oxygen, namun rasio nitrogen-to-oxygen product 1:1 hingga 1,5:1 biasanya dipertahankan.
Proses kriogenik dikembangkan pertama kali oleh Carl Von Linde pada 1895 dan ditingkatkan oleh George Claude pada tahun 1900-an untuk menghasilkan oxygen dalam skala kecil untuk memenuhi persyaratan berbagai proses industri seperti welding, dan cutting serta sebagai gas medis.
Cryogenic air separation pada skala industri dimulai pada awal abad ke-20 yang mendorong perkembangan metalurgi dan cabang industri lain yang sangat tergantung pada ketersediaan oxygen, nitrogen, dan akhirnya argon. Cryogenic air separation plants (ASP) ditandai oleh kualitas produk yang sangat baik, kapasitas besar, dan reliabilitas tinggi. Meski ada teknologi pemisahan udara lain yang muncul, cryogenics air separation technology masih menjadi teknologi dasar untuk produksi oxygen. Cryogenic air separation plants paling sering digunakan untuk menghasilkan gaseous products dengan kemurnian tinggi. Namun, penggunaan teknologi ini terbatas untuk aplikasi yang membutuhkan gas dalam jumlah besar biasanya di atas beberapa ratus ton gas yang dipisah per hari. Mereka dapat menghasilkan produk sebagai gas atau cair.
Teknologi pemisahan udara kriogenik memanfaatkan perbedaan titik didih gas untuk pemisahannya. Ini didasarkan pada fakta bahwa konstituen gas udara yang berbeda memiliki titik didih yang berbeda dan dengan memanipulasi lingkungan langsung dalam hal suhu dan tekanan, udara dapat dipisahkan menjadi komponennya. Titik didih oxygen pada tekanan 1 atmosphere dan 0 deg C adalah minus 182,9 deg C dan pada tekanan 6 atmosphere dan 0 deg C adalah minus 160,7 deg C. Titik didih nitrogen yang sesuai adalah minus 195,8 deg C dan minus 176,6 deg C, dan untuk argon adalah minus 185,8 deg C dan minus 164,6 deg C masing-masing.
Pemisahan kriogenik adalah proses paling efektif ketika salah satu dari tiga kriteria perlu dipenuhi yaitu (i) oxygen dengan kemurnian tinggi diperlukan (lebih dari 99,5 %), (ii) volume oxygen yang besar diperlukan (lebih dari 100 ton oxygen / hari), atau (iii) oxygen tekanan tinggi diperlukan. Cryogenic air separators membutuhkan lebih dari satu jam untuk start up. Selain itu, karena cryogenics dapat menghasilkan kemurnian oxygen yang sangat tinggi, waste nitrogen stream berkualitas yang dapat digunakan. Ini dapat memberikan manfaat keuangan yang signifikan untuk proses yang terintegrasi dengan pabrik pemisahan udara kriogenik.
Pemisahan kriogenik udara menjadi konstituen gasnya melibatkan berbagai proses. Kombinasi proses-proses ini diperlukan di pabrik pemisahan udara kriogenik, di mana yang dasar adalah (i) air compression, (ii) air purification, (iii) heat exchanging, (iv) distillation, dan (v) product compression. Gambar 1 menunjukkan proses-proses ini.
Gambar 1 Proses dasar yang terlibat dalam pemisahan udara kriogenik
Pabrik pemisahan udara kriogenik didasarkan pada proses pemisahan udara kriogenik. Proses dasar sejak komersialisasinya pada awal abad ke-20 telah terus berkembang sebagai proses industri. Sejumlah besar variasi konfigurasi proses telah muncul, dorong keinginan untuk menghasilkan produk gas dan campuran produk tertentu seefisien mungkin pada berbagai tingkat kemurnian dan tekanan yang diperlukan. Cycle proses pemisahan udara ini telah berkembang paralel dengan kemajuan dalam kompresi machinery, heat exchangers, distillation technology, dan gas expander technology.
Proses distilasi adalah jantung dari keseluruhan proses karena melakukan pemisahan aktual udara menjadi konstituennya. Produk udara dihasilkan dengan kemurnian tertentu, yang didefinisikan sebagai rasio antara jumlah produk udara 100 % murni terhadap jumlah total produk udara pada output.
Dalam proses distilasi, trays digunakan. Fungsi dasar trays adalah untuk memungkinkan kontak yang efisien antara cairan yang menurun dan gas yang naik. Oleh karena itu, tray menyiapkan tahapan untuk (i) pendinginan dan kondensasi parsial dari gas yang naik, dan (ii) pemanasan dan penguapan parsial dari cairan yang menurun. Gambar 2 menunjukkan distillation column tipis dengan fractional distillation tray. Kolom distilasi ini hanya memiliki satu vapourizer dan satu condenser. Distilasi dibuat mungkin oleh kontak cairan-gas yang efisien dan ini diaktifkan melalui kontak yang tepat antara cairan yang menurun dan gas yang naik. Kemurnian masing-masing elemen paling mudah menguap dan kurang mudah menguap berbeda di setiap tray, dengan sisi bawah dan atas kolom distilasi menjadi dua ekstrem, yang juga di mana elemen murni diperoleh.
Gambar 2 Kolom distilasi tipis dengan fractional distillation trays untuk produksi oksigen dan nitrogen
Gambar 2 menunjukkan bahwa tray memberikan resistance tertentu pada gas yang naik, dan dengan itu menciptakan pressure drop. Pressure drop harus kecil mungkin karena memiliki dampak signifikan pada konsumsi energi air compressor dan juga merupakan parameter penting dalam pengembangan teknologi tray. Distillation packing adalah teknologi lain yang digunakan dan, berbeda dengan fractional distillation trays, memastikan total pressure drop yang jauh lebih kecil serta kontak cairan-gas yang ditingkatkan.
Untuk menghasilkan oksigen, campuran cair oksigen dan nitrogen dan kolom, yang dilengkapi dengan vapourizer di bagian bawah, diperlukan, sementara untuk menghasilkan nitrogen, campuran gas oksigen dan nitrogen serta kolom, yang dilengkapi dengan condenser di bagian atas, diperlukan dan dalam proses ini, byproduct, kaya akan oksigen, juga dihasilkan. Dengan menumpuk kedua jenis kolom ini satu di atas yang lain dan dengan merouting oksigen-rich liquid, yang diperoleh di bagian bawah kolom nitrogen, ke atas kolom oksigen, mungkin untuk menghasilkan oksigen dan nitrogen dengan menggunakan hanya satu condenser. Ini ditunjukkan pada Gambar 2.
Oksigen-rich liquid masuk ke atas kolom distilasi atas, dan melalui distilasi, menghasilkan liquid oxygen (LOX) di bagian bawah kolom yang sama. Vapurization dari LOX menjadi gaseous oxygen (GOX) disediakan oleh heat exchanging yang terjadi antara gaseous nitrogen (GAN) di atas kolom bawah dan LOX di bawah kolom atas. Di atas kolom atas, waste product, yang terdiri dari campuran gas nitrogen dan oksigen, juga dihasilkan.
Dalam praktik, fungsi condenser dipenuhi oleh heat exchanger yang memastikan panas yang tepat disalurkan dari GAN ke LOX dan sebaliknya, untuk mengaktifkan vapurization dari LOX dan condensation dari GAN, yang diperlukan untuk operasi kontinu dari kolom distilasi. Dalam model ini, kolom ditumpuk satu di atas yang lain, tetapi juga mungkin untuk menempatkannya berdampingan, seperti kadang-kadang dilakukan dalam praktik.
Pemisahan udara kriogenik adalah proses yang intensif energi, suhu rendah yang memisahkan udara menjadi gas konstituennya. Konsumsi energi untuk pemisahan oksigen adalah fungsi yang meningkat dari kemurnian oksigen. Biaya energi listrik adalah biaya operasional tunggal terbesar yang ditanggai di pabrik pemisahan udara. Biasanya berada dalam rentang satu per tiga atau dua per tiga dari biaya operasional yang terkait dengan produksi produk gas dan cair. Karena industri baja menggunakan luas oxygen, nitrogen, dan argon gas, harga gas ini mempengaruhi biaya produksi baja dan produk baja. Efisiensi energi ASP sangat dipengaruhi oleh rasio produksi oksigen dan nitrogen, yang dapat bervariasi tergantung pada kebutuhan.
Pekerjaan termodinamis minimum untuk pemisahan oksigen dari udara sama dengan 53,1 kWh / ton oksigen. Saat ini, cryogenic ASP yang paling baik dibangun ditandai oleh konsumsi energi yang melebihi minimum termodinamis sekitar tiga kali.
Kompleksitas proses pemisahan udara kriogenik, ukuran fisik peralatan, dan energi yang diperlukan untuk mengoperasikan proses bervariasi dengan jumlah produk gas dan cair, kemurnian produk yang diperlukan, dan tekanan pengiriman yang diperlukan. Pabrik dengan produksi hanya nitrogen gas lebih sederhana dan memerlukan kurang daya untuk dioperasikan daripada pabrik dengan produksi hanya oxygen gas. Co-production dari kedua gas meningkatkan capital cost dan efisiensi energi. Membuat gas ini dalam bentuk cair membutuhkan peralatan tambahan dan lebih dari dua kali lipat daya yang diperlukan per unit gas yang diterapkan.
Produksi argon ekonomis hanya sebagai co-product dengan oxygen. Membuatnya pada kemurnian tinggi menambahkan ukuran fisik dan kompleksitas pabrik pemisahan udara. Flow diagram dari pabrik pemisahan udara kriogenik tipis ditunjukkan pada Gambar 3. Flow diagram menunjukkan inter-relasi tipis antara berbagai komponen pabrik. Namun, hubungan aktual tergantung pada desain pabrik pemisahan udara yang dapat bervariasi untuk memenuhi persyaratan.
Gambar 3 Flow diagram pabrik pemisahan udara kriogenik tipis
Langkah-langkah dalam proses pemisahan udara kriogenik
Ada beberapa langkah dalam proses pemisahan udara kriogenik. Langkah pertama adalah filtering, compressing dan cooling udara masuk. Dalam sebagian besar kasus udara dikompresi antara 5 MPa dan 8 MPa tergantung pada campuran produk dan tekanan produk yang dibutuhkan. Dalam langkah ini, compressed air didinginkan dan sebagian besar air vapour dalam udara masuk dikondensasi dan dihilangkan saat udara melewati serangkaian inter stage coolers plus after cooler setelah tahap kompresi terakhir.
Langkah kedua terdiri dari penghapusan impurities, khususnya, namun tidak terbatas pada, residual water vapour dan carbon dioxide (CO2). Komponen-komponen ini dihilangkan untuk memenuhi spesifikasi kualitas produk dan sebelum udara masuk ke bagian distilasi pabrik. Ada dua pendekatan dasar untuk penghapusan air vapour dan CO2. Mereka adalah (i) molecular sieve units (ii) reversing exchangers. Sebagian besar pabrik pemisahan udara baru menggunakan molecular sieve pre purification unit untuk menghapus air vapour dan CO2 dari udara masuk. Reversing exchangers untuk penghapusan air vapour dan CO2 lebih hemat biaya untuk pabrik yang lebih kecil. Di pabrik yang menggunakan reversing heat exchangers, cool down dari compressed air feed dilakukan dalam dua set brazed aluminum heat exchangers. Ketika reversing heat exchangers digunakan, cold absorption units dipasang untuk menghapus hydrocarbons apa pun.
Langkah ketiga adalah transfer panas tambahan terhadap product dan waste gas streams untuk membawa air stream ke suhu kriogenik (- 185 deg C). Pendinginan ini dilakukan dalam brazed aluminum heat exchangers yang memungkinkan pertukaran panas antara incoming air feed dan cold product dan waste gas streams yang keluar dari proses pemisahan. Selama heat exchange, leaving gas streams dipanaskan hingga dekat dengan suhu udara ambien. Recovery refrigeration dari gaseous product streams dan waste stream meminimalkan jumlah refrigeration yang harus dihasilkan oleh pabrik. Suhu sangat rendah yang diperlukan untuk cryogenic distillation diciptakan oleh proses refrigeration yang termasuk expansion dari satu atau lebih elevated pressure process streams.
Langkah keempat adalah proses distilasi yang memisahkan udara menjadi produk yang diinginkan. Untuk membuat oksigen, sistem distilasi menggunakan dua distillation columns secara berurutan, yang biasanya disebut high dan low pressure columns. Nitrogen plants dapat hanya memiliki satu column, meskipun banyak memiliki dua. Nitrogen keluar dari atas setiap distillation column sementara oksigen keluar dari bawah. Impure oxygen yang dihasilkan di column awal (higher pressure) difurnish lebih lanjut di column kedua, lower pressure. Argon memiliki titik didih yang mirip dengan oksigen dan secara preferensial tetap dengan oksigen. Jika high pure oxygen diperlukan, argon harus dihilangkan. Pengurangan argon terjadi pada titik di low pressure column di mana konsentrasi argon berada pada tingkat tertingginya. Argon, yang dihilangkan, biasanya diproses di 'draw' crude argon distillation column tambahan yang terintegrasi dengan low pressure column argon refining facilities. Cold gaseous products dan crude argon dapat di-vent, difurnish lebih lanjut di tempat, atau dikumpulkan sebagai liquid, atau vapourized untuk menghasilkan gaseous argon.
Waste streams yang muncul dari air separation columns di-routing kembali melalui front end heat exchangers. Saat mereka dipanaskan hingga suhu dekat ambien, mereka mendinginkan incoming air. Pertukaran panas antara feed dan product streams meminimalkan net refrigeration load pada pabrik dan oleh karena itu konsumsi energi.
Refrigeration dihasilkan pada suhu kriogenik untuk mengompensasi heat leak ke dalam cold equipment dan untuk imperfect heat exchange antara incoming dan outgoing gaseous streams. Dalam refrigeration cycle pabrik pemisahan udara, satu atau lebih elevated pressure streams (yang dapat berupa intake air, nitrogen, waste gas, feed gas, atau product gas, tergantung pada jenis pabrik) dikurangi tekanannya, yang mendinginkan stream. Untuk memaksimalkan pendinginan dan efisiensi energi pabrik, pengurangan tekanan (atau expansion) dilakukan di dalam expander (sebuah bentuk turbine). Menghapus energi dari gas stream mengurangi suhunya lebih banyak daripada dalam kasus simple expansion melalui valve. Energi yang dihasilkan oleh expander digunakan untuk menggerakkan process compressor, electrical generator, atau perangkat lain yang mengkonsumsi energi.
Gaseous products biasanya keluar dari cold box (insulated vessel yang berisi distillation columns dan peralatan lain yang beroperasi pada suhu sangat rendah) pada tekanan relatif rendah, seringkali hanya sedikit di atas satu atmosphere (absolute). Secara umum, semakin rendah delivery pressure, semakin tinggi efisiensi proses pemisahan dan pemurnian. Product gas kemudian dikompresi di compressors ke tekanan yang dibutuhkan oleh product gas untuk penggunaannya.
Bagian dari proses pemisahan udara kriogenik yang beroperasi pada suhu sangat rendah (contoh distillation columns, heat exchangers, dan cold interconnecting piping) harus diinsulasi dengan baik. Item-item ini terletak di dalam sealed (and nitrogen purged) 'cold boxes' yang merupakan struktur yang relatif tinggi yang berbentuk persegi panjang atau bundar dalam cross section. Cold boxes diisi dengan rock wool untuk memberikan isolasi dan meminimalkan convection currents. Tergantung pada jenis dan kapasitas pabrik, cold boxes dapat berukuran 2 meter hingga 4 meter di sisi dan memiliki tinggi 15 meter hingga 60 meter.
Produksi argon
Argon murni biasanya dihasilkan dari crude argon melalui proses multi-tahap. Pendekatan tradisional adalah pengurangan dua hingga tiga persen oxygen yang ada dalam crude argon dalam 'de-ox' unit. Unit kecil ini secara kimia menggabungkan oxygen dengan hydrogen di dalam catalyst containing vessel. Water yang dihasilkan dengan mudah dihilangkan (setelah pendinginan) di molecular sieve drier. Oxygen free argon stream kemudian diproses di 'pure argon' distillation column untuk menghapus residual nitrogen dan unreacted hydrogen.
Kemajuan dalam packed-column distillation technology telah menciptakan opsi produksi argon kedua, totally cryogenic argon recovery yang menggunakan distillation column yang sangat tinggi (namun diameter kecil) untuk membuat argon / oxygen separation yang sulit. Jumlah argon yang dapat dihasilkan oleh pabrik dibatasi oleh jumlah oxygen yang diproses di distilasi sistem ditambah sejumlah variabel lain yang mempengaruhi recovery percentage. Ini termasuk jumlah oxygen yang dihasilkan sebagai liquid dan ketahanan kondisi operasi pabrik. Karena rasio yang secara alami terjadi dari gas di udara, produksi argon tidak dapat melebihi 4,4 % dari oxygen feed rate menurut volume, atau 5,5 % menurut berat.
Produksi produk cair
Ketika produk cair dihasilkan di pabrik pemisahan udara kriogenik biasanya supplemental refrigeration unit ditambahkan ke (atau terintegrasi ke) basic air separation plant. Unit ini disebut liquefier dan menggunakan nitrogen sebagai primary working fluid. Liquefier capacity dapat bervariasi dari sebagian kecil dari air separation plant capacity hingga maksimum production capacity untuk oxygen plus nitrogen dan argon dari air separation plant.
Basic process cycle yang digunakan di liquefiers telah tidak berubah selama bertahun-tahun. Sebuah liquefier tipis mengambil nitrogen pada suhu dan tekanan dekat ambient, mengompresinya, mengdinginkannya dan kemudian mengexpand high pressure stream untuk menghasilkan refrigeration. Perbedaan dasar antara liquefiers baru dan lama adalah bahwa maximum operating pressure rating dari cryogenic heat exchangers telah meningkat seiring dengan meningkatnya cryogenic heat exchanger manufacturing technology. Sebuah liquefier baru tipis dapat lebih efisien energi daripada yang dibangun tiga puluh tahun yang lalu jika ia menggunakan higher peak cycle pressures dan higher efficiency expanders.
