Purificarea aerului. Procedeu și descriere Criogenie 2

 

1. Introducere

Înlăturarea umidității și a CO2 este necesară pentru eficiența și siguranța funcționării instalațiilor de separare a aerului (ASU). Dacă nu, umiditatea și gazul CO2 conținut în aer va fi transformat respectiv, în solid, gheață sau zăpadă de CO2, fiind răcit în canalele de aer ale schimbătorul cuvei reci, iar CO2 se poate depune în canalele de oxigen ale vaporizatorului principal conducând la unele riscuri în funcționarea ASU.

De aceea sistemul specific de purificare este prevăzut să îndepărteze H2O și CO2 pentru orice ASU. De aproape 30 de ani, noul ASU este proiectat cu frontalul purificării, în timp ce vechea instalație, încă folosește tehnologia schimbătorului de căldură reversibil (REVEX).

 

2. Scop

Scopul Frontalului Purificării (FEP) este să înlăture impuritățile prin adsorbție după comprimarea aerului și prerăcire, deoarece umiditatea conținută în aer este mai mică la presiune mai mare și la temperatură mai mică conform cu tabelele Robitzsch (relația dintre temperatură și cantitatea maximă de apă (vapori la saturație) în volumul de aer).

Adsorbția constă în fixarea pe o suprafață solidă (numită adsorbant) a moleculelor în formă gazoasă sau lichidă. Aceste molecule penetrează porii care au diametrul de câțiva angstromi. Adsorbția este un fenomen de suprafață care este reversibil, ceea ce înseamnă că moleculele penetrante pot fi scoase prin încălzirea adsorbantului și prin depresurizare (faza de regenerare).

Fenomenul adsorbției este favorizat prin respectarea următorilor factori: presiune mare, temperatură scăzută, particule mici de adsorbanți. Sunt considerate două straturi diferite de adsorbanții: primul (conform cu direcția de curgere a aerului) stratul de alumină care adsoarbe apa, al doilea-stratul de sita moleculară care adsoarbe dioxidul de carbon, de altfel o mică parte de dioxid de carbon este adsorbită prin alumină. Schema cu două straturi reduce regenerarea de energie, deoarece dacă este folosită doar sita moleculară, este necesară o cantitate mai mare de energie pentru a elimina apa din sita moleculară.

Durata ciclului FEP
Faza de adsorbție a gazului

 

3. Absorbanți industriali

Adsorbanții folosiți pentru înlăturarea apei și a dioxidului de carbon din aer, bazați pe adsorbție cu oscilația temperaturii sunt clasificați conform unui cod intern al lui Air Liquide. Acest cod permite produselor să fie identificate fără a prejudicia furnizorul. Cei mai cunoscuți adsorbanți industriali sunt: cărbunii activi, silica gelurile, zeoliții (sitele moleculare) și alumogelurile.

Silica gel KSMG

Silica gelurile sunt adsorbanți comerciali, relativ ieftini, fabricați în cantități mari și utilizați pe scară largă, obținuți prin deshidratarea hidrogelurilor produse prin reacția silicatului de sodiu cu un acid.

Zeolit Na-X

Zeoliții sunt silicați cristalini de aluminiu hidratat cu o structură cadru conține pori care pot fi ocupați de apă și de cationi alcalini și alcaline. Zeoliții sunt minerale naturale, minate în multe părți ale lumii. Cei mai mulți zeoliți utilizați în scop comercial sunt produși sintetici.

Cărbune SKT

Carbonul activ SKT este o formă non-grafit de carbon, este un adsorbant organic, cu suprafețe non-polare, ceea ce face ușoară adsorbția substanțelor organice și dificilă adsorbția electroliților anorganici.

 

4. Procedeu

Cea mai folosită tehnologie este procesul TSA cu un ciclu de ADSORPŢIE – DESORPŢIE: un recipient este în adsorbție și celălalt este în ciclul de regenerare. Există două tipuri de recipiente:

  • recipiente cu straturi orizontale pentru adsorbanți,
  • recipiente cu straturi radiale pentru adsorbanți.

Adsorbția CO2

Profilul istoric al temperaturii

Tabelul Robitzsch

Eficiența Adsorbției

Adsorbția de echilibru a CO2

 

5. Descrierea tehnologiei și a echipamentului

Modulul FEP include toate echipamentele și accesoriile pentru o funcționare autonomă a procesului de purificare. Este format, în principal, din:

  • recipientele de purificare,
  • adsorbanți,
  • sistemul de regenerare: încălzitorul,
  • supapele automate.

Tipul instalațiilor de purificare

Debitul de aer și domeniul de presiune acoperit prin module impune trei praguri tehnologice:

  • pentru conductele de evacuare, pe partea uscată cu DN ≥ 300 mm: folosește 3 supape cu pârghie pentru toate supapele de comutare,
  • pentru conductele de evacuare, pe partea uscată cu DN < 300 mm: folosind supape de control,
  • limita dintre straturile orizontal și radial,
  • straturile orizontale pot fi folosite daca recipientele au Ø < 6000 mm, datorită limitelor de transportare.

Tipuri de straturi

Vedere generală

Schița detaliată

Vedere generală

Schița detaliată

Schema șocurilor de abur

Supapă cu trei pârghii

Schița unei supape cu trei pârghii

 

6. Funcționare generală

Pasul Nr.0: Inițierea secvenței

Acest pas este folosit doar pentru prima pornire sau repornire după o avarie a DCS (când informaţiile paşilor sunt pierdute: poziţia supapelor, regulatoarele).

    Pentru a intra în Pasul 0:
  • Purificarea aerului „oprită” de DCS,
  • Cheie activată în modul de protejat „iniţiere secvenţă”
  • Cazuri diferite pot avea loc pentru poziţia supapelor:
    • un recipient în faza de adsorpţie, celălalt într-un pas coerent,
    • 2 recipiente în paralel: selectaţi un recipient în adsorpţie prin ordonatorul de recipient ,
    • pas incoerent: în cazul în care supapele trebuie puse în poziţie manual de către operator:
      • Supapele de admisie şi evacuare aer ale ambelor R01 şi R02 sunt deschise (V1, 2, 3, 4).
      • Supapele de admisie şi evacuare azot ale ambelor recipiente sunt închise (V5, 6, 7, 8), precum şi supapele de de-presurizare (V9, 10).
      • R01 şi R02 sunt astfel ambele în adsorbţie şi lucrează în paralel. Supapa de presurizare poate fi deschisă şi/sau închisă (V11). Apoi selectaţi un recipient în funcţionare prin ordonatorul de recipient.
  • Apăsaţi butonul „ iniţializare pornită”

Ordonatorul va porni pasul 1 sau 9 conform cu recipientul selectat în modul de adsorbţie

Pasul Nr.0: Inițierea secvenței

Pasul Nr.1: Izolarea la presiune mare

  • R01: în izolare
  • R02: în service
  • Curent de gaz de regenerare: controlat în modul automat de regulatorul de presiune PIC1213B ce acţionează asupra supapei de aerisire azot rezidual (PV1213B), în timp ce PIC1213A care controlează supapa PV1213A pe circuitul de azot rezidual conectat la turnul de apă N2 este în modul manual şi îngheţat la ultima ieşire. → Referitor la PID.
  • V1, V3, V11: închise
  • PDSL: fără diferenţă de presiune
  • Condiţii de modificare la următorul pas:
    • V1 şi V3 închise
Notă: fără limită de comutare la V11
Dacă această condiţie nu este îndeplinită, după pauză (120-180 s), alarma va fi activată afişând mesajul „Izolare la presiune mare prea lungă” şi secvenţa va fi menţinută→ inginerul va rezolva problema.
Pasul Nr.1: Izolarea la presiune mare

Pasul Nr.2: Depresurizarea

  • R01: depresurizare
  • R02: în service
  • V9: deschidere cu o înclinaţie
  • În cazul unei presiuni diferenţiale mici între recipiente, la 1 minut după iniţierea pasului, următoarea alarmă este afişată pe DCS: „Depresurizare prea lungă” → inginerul va rezolva problema.
  • Trecere la următorul pas: PSL = 1 (punctul de referinţă = în jur de 0.2 bar), după pauză (aproximativ 20 minute): altfel alarma care ţine secvenţa, afişează „ Avarie depresurizare” → inginerul va rezolva problema
Pasul Nr.2: Depresurizarea

Pasul Nr.3: Evacuarea

  • R01: evacuează
  • R02: în service
  • V5, V7: deschise
  • V9: închis
  • FIC pe linia WN2: activat

PIC1213B: modul manual cu punct de referinţă la 0%, pentru a închide supapa de evacuare PV1213B.

PIC1213A: mod automat.

Dacă debitul de azot rezidual este prea mic, atunci acest FIC va creşte punctul de referinţă al regulatorului de presiune PIC1213A acţionând asupra supapei PV1213A din linie la turnul de apă N2 → referitor la PID.

  • Trecere la următorul pas:
  • Supapele V5 şi V7 sunt în poziţie şi dacă debitul de azot rezidual este bun: FSL=0
  • Dacă condiţiile nu sunt îndeplinite, după pauză, alarma este activată şi afişează „Avarie evacuare” şi secvenţa se menţine → inginerul va rezolva problema.
Pasul Nr.3: Evacuarea

Pasul Nr.4: Încălzirea

  • R01: în încălzire
  • R02: în service
  • Încălzitorul porneşte (dacă este un încălzitor cu vapori sau cu flacără directă, by-passul încălzitorului este închis şi supapa de încălzire este deschisă)
  • Dacă pauza regulatorului de temperatură de încălzire este mică (aprox. 10 min) chiar după pornirea încălzitorului, alarma este activată şi afişează „Avarie pornire încălzire ” → inginerul va rezolva problema.

    • Trecere la pasul următor:
    • când timpul de încălzire trece
Pasul Nr.4: Încălzirea

Pasul Nr.5: Răcirea

  • R01: în răcire
  • R02: în service
  • Încălzitorul se opreşte (dacă este un încălzitor cu vapori sau cu flacără directă, by-passul încălzitorului este deschis şi supapa încălzitorului este închisă: încălzitorul este by-pass-at, dar este menţinută temperatura)
  • Dacă pauza regulatorului de temperatură de răcire este mare (aprox. 10 min) chiar după oprirea încălzitorului, alarma este activată şi afişează „ Avarie pornirea răcire” → inginerul va rezolva problema.
Pasul Nr.4: Încălzirea
  • Trecere la pasul următor:
    • când durata de răcire (durata minimă) trece şi durata ciclului este aproape de final (durata adsorbţiei maxime minus durata inversării) şi temperatura de ieşire a lui R01 este suficient de mică: TSH=0

Altfel, alarma este activată şi afişează „Avarie răcire” - inginerul va rezolva problema

Pasul Nr.5: Răcirea

Pasul Nr.6: Izolarea la presiune mică

  • R01: în izolare
  • R02: în service
  • V5, V7: închise
  • FIC pe linia WN2: revenire la modul manual
  • FIC1213 este comutat în modul manual şi ieşirea sa este îngheţată la ultima valoare. Aceasta înseamnă că regulatorul de presiune PIC1213A: modul manual cu un punct de referinţă fixat. PIC1213B: modul automat pentru a controla presiunea gazului de regenerare prin supapa de evacuare PV1213B → referitor la PID
  • Trecere la următorul pas:
  • Supapele V5 şi V7 sunt închise
  • Dacă această condiţie nu este îndeplinită, după pauză (120-180 s), alarma va fi activată afişând mesajul „Izolare la presiune mică prea lungă” şi menţinerea secvenţei → inginerul va rezolva problema.
Pasul Nr.6: Izolarea la presiune mică

Pasul Nr.7: Presurizarea

  • R01: în presurizare
  • R02: în service
  • V11: deschisă, cu o pantă
  • În cazul unei detecţii de presiune mică în R01, PSL, 1 minut după iniţierea pasului, următoarea alarmă este afişată pe DCS: „Presurizare prea lungă” → inginerul va rezolva problema.
  • Trecere la următorul pas:
  • PDSL = 1 (punctul de referinţă = 0.2 bar)
  • Dacă această condiţie nu este îndeplinită, după pauză (aprox. 20 min), o alarma este activată şi afişează „ Avarie presurizare” → inginerul va rezolva problema.
Pasul Nr.7: Presurizarea

Pasul Nr.8: Paralel

  • R01: în paralel
  • R02: în service
  • V1, V3: deschise
  • Trecere la pasul următor:
    • V1 & V3 deschise
    • Şi durata de paralel trece (aprox. 5 min) sau conţinut mare de dioxid de carbon
Pasul Nr.8: Paralel

MULȚUMESC!

Prof. dr. ing. Alexandru ȘERBAN