หน่วยแยกอากาศ (ASU) คืออะไร? หลักการ กระบวนการ และการประยุกต์

การแนะนำ
ในภูมิทัศน์ของอุตสาหกรรมหนักสมัยใหม่ การผลิตสารเคมี และการดูแลรักษาทางการแพทย์ ก๊าซพื้นฐานบางชนิดจำเป็นต้องใช้ในปริมาณมหาศาล องค์ประกอบต่างๆ เช่น ออกซิเจนบริสุทธิ์สูง- ไนโตรเจน และอาร์กอนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการผลิตเหล็ก การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ กระบวนการแปรสภาพเป็นแก๊ส และระบบช่วยชีวิต อย่างไรก็ตาม ก๊าซเหล่านี้ไม่มีอยู่ในรูปแบบธาตุบริสุทธิ์ภายในชั้นบรรยากาศของโลก แต่กลับถูกขังอยู่ในส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งประกอบด้วยไนโตรเจน-แปดเปอร์เซ็นต์โดยประมาณ ออกซิเจน 20- เปอร์เซ็นต์ และอาร์กอน 1 เปอร์เซ็นต์ พร้อมด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำ นีออน ฮีเลียม คริปทอน และซีนอนในปริมาณเล็กน้อย
การสกัดก๊าซเหล่านี้ในเชิงพาณิชย์ต้องใช้โรงงานอุตสาหกรรมที่เชี่ยวชาญและซับซ้อนสูงที่เรียกว่า Air Separation Unit (ASU) หน่วยแยกอากาศทำงานบนหลักการของการกลั่นด้วยความเย็นเยือกแข็ง โดยนำอากาศในบรรยากาศโดยรอบมาและทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิของเหลว โดยสามารถแยกส่วนประกอบแต่ละส่วนตามจุดเดือดที่แตกต่างกันได้ การทำความเข้าใจหลักการทางอุณหพลศาสตร์ ขั้นตอนการประมวลผลแบบหลาย- และการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่หลากหลายของหน่วยแยกอากาศ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรเคมี ผู้ปฏิบัติงานในโรงงาน และนักยุทธศาสตร์ทางอุตสาหกรรมที่ต้องพึ่งพาการจ่ายก๊าซอย่างต่อเนื่อง บทความที่ครอบคลุมนี้จะสำรวจความมหัศจรรย์ทางวิศวกรรมเบื้องหลังการแยกอากาศ โดยให้รายละเอียดว่าอากาศโดยรอบถูกเปลี่ยนให้เป็นก๊าซอุตสาหกรรมที่มีความบริสุทธิ์สูง-ซึ่งช่วยรักษาห่วงโซ่อุปทานทั่วโลกได้อย่างไร

 

หลักการทางอุณหพลศาสตร์ของการแยกอากาศ
การทำงานของหน่วยแยกอากาศอาศัยกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ การเปลี่ยนแปลงเฟส และพฤติกรรมที่ซับซ้อนของส่วนผสมของก๊าซหลาย-ที่อุณหภูมิแช่แข็ง แม้ว่าการแยกก๊าซอย่างง่ายสามารถทำได้ผ่านการกรองเมมเบรนหรือการดูดซับด้วยแรงดันสวิง (PSA) สำหรับความต้องการ-ความบริสุทธิ์ที่ต่ำกว่า การกลั่นด้วยความเย็นเยือกแข็งยังคงเป็นเทคโนโลยีเดียวที่สามารถผลิต-ออกซิเจน ไนโตรเจน และอาร์กอนที่มีความบริสุทธิ์สูง-ได้พร้อมกันในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่
การกลั่นแบบเศษส่วนที่อุณหภูมิเยือกแข็ง
หัวใจสำคัญของหน่วยแยกอากาศทุกเครื่องคือหลักการของการกลั่นแบบแยกส่วน ซึ่งแยกส่วนผสมทางเคมีตามความแตกต่างของจุดเดือดภายใต้แรงกดดันในการทำงานเฉพาะ ภายใต้ความดันบรรยากาศมาตรฐาน ส่วนประกอบหลักของอากาศมีจุดเดือดที่แตกต่างกันอย่างมาก ได้แก่ ไนโตรเจนเดือดที่อุณหภูมิประมาณลบหนึ่งร้อยเก้าสิบ-หกองศาเซลเซียส อาร์กอนที่อุณหภูมิลบหนึ่งร้อยแปดสิบ-หกองศาเซลเซียส และออกซิเจนที่อุณหภูมิลบหนึ่งร้อยแปดสิบ-สามองศาเซลเซียส เนื่องจากจุดเดือดเหล่านี้ต่ำมาก อากาศจึงต้องทำให้เป็นของเหลวผ่านการทำความเย็นแบบสุดขีดก่อนจึงจะสามารถกลั่นได้ คอลัมน์การกลั่นด้วยความเย็นเยือกแข็งภายใน ASU ใช้ชุดบรรจุภัณฑ์ที่มีโครงสร้างหรือถาดตะแกรงที่ช่วยให้สัมผัสอย่างใกล้ชิดและต่อเนื่องระหว่างไอระเหยจากน้อยไปหามากและกระแสของเหลวไหลย้อนจากมากไปหาน้อย กลไกการถ่ายเทมวลนี้ทำให้ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดต่ำกว่า เช่น ไนโตรเจน ลอยขึ้นไปที่ด้านบนของคอลัมน์ ในขณะที่ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดสูงกว่า เช่น ออกซิเจน สะสมที่ด้านล่าง
จูล-ปรากฏการณ์ของทอมสันและวัฏจักรการทำความเย็น
เพื่อให้บรรลุถึงอุณหภูมิแช่แข็งที่ต้องการเพื่อทำให้อากาศกลายเป็นของเหลว หน่วยแยกอากาศใช้วงจรการทำความเย็นขั้นสูงโดยอิงตามอุณหพลศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปรากฏการณ์จูล-ทอมสันและการระบายความร้อนด้วยกังหันแบบขยายตัว เนื่องจากก๊าซแรงดันสูง-ได้รับอนุญาตให้ขยายตัวอย่างรวดเร็วผ่านวาล์วหรือกังหันขยายตัวโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อม อุณหภูมิจึงลดลงอย่างมากเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี ASU สมัยใหม่ใช้วงจรทำความเย็นของ Claude หรือ Reversed Brayton โดยที่ส่วนหนึ่งของอากาศอัดจะถูกขยายผ่านตัวขยายเทอร์โบประสิทธิภาพสูง- เพื่อสร้างความสามารถในการทำความเย็นที่จำเป็นเพื่อรักษาสภาวะการแช่แข็งภายในคอลัมน์การกลั่น สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าโรงงานสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องในสภาวะคงที่โดยไม่ต้องใช้ไครโอเจนเหลวจากภายนอก หลังจากเริ่มการทำความเย็นครั้งแรกเสร็จสิ้นแล้ว

 

กระบวนการหลายขั้นตอน-: วิธีการทำงานของหน่วยแยกอากาศ
การเปลี่ยนแปลงของอากาศในบรรยากาศโดยรอบให้เป็นผลิตภัณฑ์-ของเหลวหรือก๊าซบริสุทธิ์พิเศษเป็นกระบวนการทางวิศวกรรมหลายขั้นตอนที่ต่อเนื่อง- ซึ่งต้องการการควบคุมความดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหลของมวลอย่างพิถีพิถัน หน่วยแยกอากาศทางอุตสาหกรรมทั่วไปดำเนินการผ่านขั้นตอนการปฏิบัติงานที่แตกต่างกันหลายขั้นตอนตั้งแต่การรับเข้าจนถึงการกระจายขั้นสุดท้าย
การบีบอัดและการทำให้บริสุทธิ์
กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการดูดอากาศเข้าผ่านโรงกรองขนาดใหญ่-ที่มีการป้องกันสภาพอากาศ ซึ่งออกแบบมาเพื่อกำจัดอนุภาคของแข็ง ฝุ่น ละอองเกสรดอกไม้ และมลพิษในอากาศที่อาจทำให้อุปกรณ์ปลายน้ำเหม็นได้ เมื่อกรองแล้ว เครื่องอัดอากาศแบบหมุนเหวี่ยงหรือแนวแกนหลาย-ขนาดใหญ่จะยกระดับความดันอากาศ โดยทั่วไปจะมีตั้งแต่ 5 ถึง 10 บาร์สำหรับโรงงานแรงดันต่ำ-มาตรฐาน หรือสูงกว่าสำหรับรอบแรงดันสูง-เฉพาะทาง การอัดจะทำให้อากาศร้อนขึ้นอย่างมากเนื่องจากการทำงานของอะเดียแบติก ดังนั้นจึงต้องผ่านอินเตอร์คูลเลอร์และอาฟเตอร์คูลเลอร์เพื่อลดอุณหภูมิให้กลับไปอยู่ใกล้ระดับ-โดยรอบ หลังจากการทำความเย็น อากาศอัดจะเข้าสู่หน่วยเตรียมการฟอก (PPU) ก่อน PPU ใช้เบดสลับกันของอะลูมินากัมมันต์และตะแกรงโมเลกุลเพื่อขจัดความชื้นที่เหลืออยู่ คาร์บอนไดออกไซด์ และไฮโดรคาร์บอนที่ระเหยง่าย การกำจัดน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากสารประกอบเหล่านี้จะแข็งตัวทันทีที่อุณหภูมิเยือกแข็ง เสียบปลั๊กตัวแลกเปลี่ยนความร้อนภายใน และก่อให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัยขั้นรุนแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับการสะสมของไฮโดรคาร์บอนที่ระเบิดได้
การแลกเปลี่ยนความร้อนและการทำให้เป็นของเหลว
หลังจากการทำให้บริสุทธิ์อย่างเข้มงวด อากาศที่สะอาดและแห้งจะเข้าสู่แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนแบบครีบอะลูมิเนียม{0}}ที่ประสานกัน หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก ที่นี่ อากาศจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิแช่แข็งโดยการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบสวนทาง-กับกระแสผลิตภัณฑ์เย็น รวมถึงกระแสไนโตรเจนและออกซิเจนบริสุทธิ์ที่เพิ่มขึ้นจากคอลัมน์การกลั่น การรวมความร้อนนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์และลดพลังงานภายนอกที่ป้อนเข้ามาให้เหลือน้อยที่สุด เมื่ออากาศออกจากตัวแลกเปลี่ยนความร้อนหลัก ส่วนสำคัญจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงจุดทำให้กลายเป็นของเหลว พร้อมที่จะเข้าสู่คอลัมน์แยกสำหรับการกลั่นแบบแยกส่วน
การกลั่นแบบคอลัมน์คู่- (คอลัมน์คู่ของลินเด้)
การแยกแกนกลางเกิดขึ้นภายในกล่องเย็น ซึ่งเป็นกล่องหุ้มฉนวนอย่างแน่นหนาที่ใช้เก็บคอลัมน์การกลั่น คอนเดนเซอร์ และท่อ หน่วยแยกอากาศอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้-การจัดเรียงคอลัมน์คู่ ซึ่งประกอบด้วยคอลัมน์แรงดันสูง-และคอลัมน์ความดันต่ำ-ที่เชื่อมต่อกันทางความร้อนด้วยคอนเดนเซอร์-เครื่องระเหย ในคอลัมน์แรงดันสูง-ซึ่งทำงานประมาณ 5-6 บาร์ อากาศจะถูกแยกบางส่วนออกเป็นก๊าซไนโตรเจนที่ด้านบนและของเหลวเสริมออกซิเจน-ที่ด้านล่าง ของเหลวที่เติมออกซิเจน-นี้จะถูกถ่ายโอนไปยังคอลัมน์ความดันต่ำ- เนื่องจากไนโตรเจนมีจุดเดือดต่ำกว่าออกซิเจน ไนโตรเจน-ความบริสุทธิ์สูงจึงถูกดึงมาจากด้านบนของคอลัมน์ความดันต่ำ- ขณะที่ของเหลวที่มีความบริสุทธิ์สูง-หรือก๊าซออกซิเจนจะถูกรวบรวมจากด้านล่าง หากจำเป็นต้องมีการนำอาร์กอนกลับมาใช้ใหม่ จะมีการรวมคอลัมน์ด้าน-เฉพาะเข้ากับระบบเพื่อแยกอาร์กอนออกจากส่วนผสม-ออกซิเจนของออกซิเจน โดยใช้ประโยชน์จากจุดเดือดตรงกลาง

 

การใช้งานทางอุตสาหกรรมที่สำคัญของผลิตภัณฑ์ ASU
ก๊าซที่ผลิตโดยหน่วยแยกอากาศทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบพื้นฐานและสาธารณูปโภคในอุตสาหกรรมต่างๆ ทั่วโลก ขับเคลื่อนการผลิตทางเศรษฐกิจ การผลิตทางเทคโนโลยี และโครงสร้างพื้นฐานด้านการดูแลสุขภาพ
การผลิตเหล็กและการผลิตโลหะ
ในอดีต อุตสาหกรรมโลหะวิทยาเป็นผู้บริโภครายใหญ่ที่สุดของผลผลิตจากหน่วยแยกอากาศใดๆ ออกซิเจนบริสุทธิ์สูง-ถูกฉีดเข้าไปในเตาหลอมเหล็กและเตาออกซิเจนพื้นฐาน (BOF) เพื่อแยกส่วนประกอบของเหล็กหลอมเหลวอย่างรวดเร็ว และแปลงเป็นเหล็กคุณภาพสูง- เพิ่มอุณหภูมิการเผาไหม้อย่างมีนัยสำคัญ และปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตโดยไม่เพิ่มไนโตรเจนเจือปนที่ทำให้เกิดความเปราะของโครงสร้าง ไนโตรเจนถูกใช้อย่างกว้างขวางเป็นก๊าซเฉื่อยป้องกันในระหว่างการหลอม การบำบัดความร้อน และกระบวนการตัดโลหะ เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการเกิดตะกรัน นอกจากนี้ อาร์กอนยังทำหน้าที่เป็นก๊าซป้องกันที่จำเป็นในการเชื่อมอาร์กทังสเตนด้วยแก๊ส (GTAW) และการเชื่อมอาร์กโลหะด้วยแก๊ส (GMAW) เพื่อปกป้องสระเชื่อมหลอมเหลวจากการปนเปื้อนของไนโตรเจนและออกซิเจนในบรรยากาศ ทำให้มั่นใจได้ว่าข้อต่อการเชื่อมมีความสมบูรณ์-สูง
การแปรรูปทางเคมีและปิโตรเคมี
การสังเคราะห์สารเคมีและการกลั่นปิโตรเคมีอาศัยหน่วยแยกอากาศขนาดใหญ่-อย่างมากเพื่อจัดหาสารตั้งต้นและบรรยากาศในการป้องกัน ออกซิเจนเป็นสารตั้งต้นหลักในกระบวนการออกซิเดชันบางส่วนที่ใช้ในการผลิตก๊าซสังเคราะห์ (ซินกาส) ซึ่งเป็นส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งต่อมาถูกแปลงเป็นแอมโมเนีย เมทานอล และเชื้อเพลิงเหลวสังเคราะห์ นอกจากนี้ ออกซิเจนยังใช้ในการผลิตตัวกลางทางเคมีที่มีคุณค่า เช่น เอทิลีนออกไซด์และโพรพิลีนออกไซด์ ไนโตรเจนมีบทบาทสำคัญไม่แพ้กันในโรงงานเคมี โดยจะใช้คลุมถังเก็บ ล้างท่อ แทนที่ไอระเหยไวไฟ เพื่อป้องกันเพลิงไหม้และการระเบิดที่รุนแรง และทำหน้าที่เป็นก๊าซพาหะในปฏิกิริยาเคมีที่มีความละเอียดอ่อน
การดูแลสุขภาพ อิเล็กทรอนิกส์ และพลังงานสะอาด
นอกเหนือจากอุตสาหกรรมหนักแล้ว ผลลัพธ์ของหน่วยแยกอากาศยังสัมผัสกับภาคส่วนสังคม-เทคโนโลยีขั้นสูงและสังคมที่สำคัญอีกด้วย ในการดูแลสุขภาพ -ออกซิเจนเกรดทางการแพทย์จะถูกส่งไปยังโรงพยาบาลผ่านทางเครือข่ายท่อหรือถังเก็บความเย็นเพื่อสนับสนุนการหายใจของผู้ป่วย ขั้นตอนการผ่าตัด และการดูแลฉุกเฉิน ในภาคการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ จำเป็นต้องใช้ไนโตรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง-สูง-เป็นพิเศษในปริมาณมหาศาลเพื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่บริสุทธิ์และเฉื่อยในระหว่างการทำความสะอาดแผ่นเวเฟอร์ การพิมพ์หินด้วยแสง และบรรจุภัณฑ์ชิปซิลิคอน ซึ่งการปนเปื้อนในระดับจุลภาคเพียงตัวเดียวสามารถทำลายชุดการผลิตทั้งหมดได้ นอกจากนี้ เทคโนโลยีพลังงานสีเขียวที่เกิดขึ้นใหม่ยังใช้ออกซิเจนที่ผลิตได้-โดย ASU สำหรับการแปลงก๊าซถ่านหินที่สะอาด ระบบดักจับคาร์บอน และโรงงานผลิตไฮโดรเจนขั้นสูง ส่งผลให้โรงงานก๊าซอุตสาหกรรมอยู่ในแนวหน้าของการเปลี่ยนแปลงระดับโลกไปสู่โซลูชันพลังงานที่ยั่งยืน

 

บทสรุป
หน่วยแยกอากาศถือเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่โดดเด่นที่สุดของอุณหพลศาสตร์ประยุกต์และวิศวกรรมเคมี ด้วยการควบคุมคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซในชั้นบรรยากาศที่อุณหภูมิเยือกแข็ง หน่วยแยกอากาศจะแปลงอากาศแวดล้อมธรรมดาให้เป็นสินค้าอุตสาหกรรมที่สำคัญอย่างต่อเนื่องด้วยระดับความบริสุทธิ์ที่ยอดเยี่ยม ตั้งแต่การบีบอัดหลายขั้นตอน-เริ่มต้นและขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ที่แม่นยำ ไปจนถึงการกลั่นแบบแยกส่วนที่ซับซ้อนซึ่งเกิดขึ้นภายในกล่องเย็นที่มีฉนวนหุ้ม ทุกระบบย่อยได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อประสิทธิภาพการดำเนินงาน ความน่าเชื่อถือ และความปลอดภัยสูงสุด ในขณะที่ความต้องการทางอุตสาหกรรมทั่วโลกขยายไปสู่การผลิตขั้นสูง การริเริ่มด้านพลังงานสะอาด และโครงสร้างพื้นฐานด้านการดูแลสุขภาพที่ขยายออกไป ความสำคัญเชิงกลยุทธ์ของหน่วยแยกอากาศจะยังคงเติบโตต่อไป เพื่อให้มั่นใจว่าอุปทานที่เชื่อถือได้ขององค์ประกอบหลักที่ขับเคลื่อนอารยธรรมสมัยใหม่