Happilaitos - laite, joka tuottaa happea erottamalla sen muista ilman komponenteista . Sen toiminta perustuu erilaisiin periaatteisiin - fyysiseen adsorptio (short-cycle (PSA) ja tyhjiölyhytkierto (VPSA)), kalvo- ja kryogeeninen erotus.
Happikasveja käytetään laajasti erilaisissa teknologisissa prosesseissa lähes kaikilla teollisuudenaloilla, lääketieteessä ja maataloudessa. Tämä johtuu hapen vahvoista hapettavista ominaisuuksista , esimerkiksi kyvystä tukea palamisprosessia .
Happilaitokset ovat hyvin yleisiä metallintyöstö-, hitsaus-, leikkaus- ja juotosprosesseissa. Kemian-, petrokemian- ja öljy- ja kaasuteollisuudessa happea käytetään suuria määriä hapettavana aineena kemiallisissa reaktioissa.
Happikasvit käyttävät ilmiötä, jossa kiinteä adsorptioaine absorboi happea selektiivisesti heterogeenisesti ilmasta . Laitoksille on ominaista korkea luotettavuus, yksinkertaisuus ja korkeat tekniset ja taloudelliset ominaisuudet.
Menetelmät kaasumaisen hapen saamiseksi ilmasta adsorptiotekniikalla on nyt saatu lähes täydellisiksi. Nykyaikaisen adsorptiohappilaitoksen toiminta perustuu siihen, että adsorptioaineen kaasun absorptio riippuu suuresti kaasukomponentin lämpötilasta ja osapaineesta .
Siten painetta ja lämpötilaa muuttamalla on mahdollista ohjata adsorbentin kaasun absorptio- ja regeneraatioprosesseja.
Happilaitoksen toimintaprosessi on suunniteltu siten, että kaasuseoksen helposti adsorboituvat komponentit imeytyvät adsorbenttiin, kun taas heikosti adsorboituneet ja adsorboimattomat komponentit kulkevat laitoksen läpi. Tähän mennessä kolme menetelmää syklisen, lämmittämättömän adsorptioilman erotusprosessin järjestämiseksi on yleistynyt: paine (PSA), tyhjiö (VSA) ja sekoitettu (VPSA). Painepiireissä happi uutetaan ilmakehän paineen yläpuolella, ja adsorbentin regenerointivaihe etenee ilmakehän paineessa . Tyhjiöpiireissä happea tuotetaan ilmakehän paineessa, regenerointi suoritetaan alipaineessa. Sekapiirien työ yhdistää paineen muutoksen positiivisesta negatiiviseksi.
Kaasuväliaineiden erottaminen kalvohappilaitoksilla perustuu eroihin kaasuseoksessa olevien komponenttien tunkeutumisnopeuksissa kalvoaineen läpi. Erotusprosessia ohjaa osapaineiden ero kalvon eri puolilla.
Nykyaikainen kaasunerotuskalvo ei suinkaan ole tasainen levy tai kalvo, vaan ontto kuitu. Kalvokaasun erotustekniikoissa käytetään nykyaikaista onttokuitukalvoa, joka koostuu huokoisesta polymeerikuidusta, jonka ulkopinnalle on levitetty kaasunerotuskerros. Rakenteellisesti onttokuitukalvo on koottu sylinterimäisen patruunan muotoon, joka on kela, jonka ympärille on kierretty erityisellä tavalla polymeerikuitu. Huokoisella kuidulla on monimutkainen epäsymmetrinen rakenne, polymeerin tiheys kasvaa, kun se lähestyy kuidun ulkopintaa. Epäsymmetrisen rakenteen omaavien huokoisten substraattien käyttö mahdollistaa kaasujen erottamisen korkeissa paineissa (jopa 6,5 MPa).
Kuitukaasun erotuskerroksen paksuus ei ylitä 0,1 µm , mikä varmistaa kaasujen korkean ominaisläpäisevyyden polymeerikalvon läpi. Nykyinen teknologian kehitystaso mahdollistaa sellaisten polymeerien valmistuksen, joilla on korkea selektiivisyys eri kaasujen erottamisessa, mikä varmistaa kaasumaisten tuotteiden korkean puhtauden. Nykyaikainen happitehtaissa käytetty kalvomoduuli koostuu vaihdettavasta kalvopatruunasta ja kotelosta. Kuitujen pakkaustiheys patruunassa saavuttaa 500-700 neliömetriä kuitua patruunan kuutiometriä kohti, mikä mahdollistaa happikasvien koon minimoimisen.
Kalvoaineen korkean hapen läpäisevyyden vuoksi, toisin kuin typessä, happikalvokompleksien suunnittelussa tarvitaan erityinen lähestymistapa. Periaatteessa on olemassa kaksi tekniikkaa hapen saamiseksi kalvojen avulla: kompressori ja tyhjiö. Kompressoritekniikan tapauksessa kuitutilaan syötetään ylipaineista ilmaa, happi poistuu kalvosta lievällä ylipaineella ja paineistetaan tarvittaessa kompressorilla haluttuun paineeseen. Käytettäessä tyhjiötekniikkaa happilaitoksessa osapaine-eron luomiseen käytetään tyhjiöpumppua.
Kryogeenisten happi-ilmaerotuslaitosten toiminta perustuu matalan lämpötilan rektifikaatiomenetelmään, joka perustuu ilman komponenttien kiehumispisteiden eroihin sekä tasapainossa olevien neste- ja höyryseosten koostumuseroihin. Ilman erotusprosessissa kryogeenisissä lämpötiloissa massan ja lämmön vaihto tapahtuu kosketuksissa olevien, ilmakomponenteista koostuvien neste- ja höyryfaasien välillä. Tämän seurauksena höyryfaasi rikastuu matalalla kiehuvalla komponentilla (komponentilla, jolla on alempi kiehumispiste) ja nestefaasi rikastuu korkeassa kiehuvassa komponentissa. Siten noustessa tislauskolonniin höyry rikastuu matalalla kiehuvalla komponentilla, typellä, ja alas virtaava neste kyllästetään korkealla kiehuvalla komponentilla, hapella.
Kryogeeninen menetelmä on ainoa menetelmä, joka tarjoaa korkean erotustuotteiden puhtauden, mikä on tärkeää korkeilla talteenottomäärillä ja kaikilla tuotemäärillä, mikä johtaa korkeaan hyötysuhteeseen. Samalla menetelmän avulla voidaan saada samanaikaisesti useita erotustuotteita ja saada tuotteita sekä kaasu- että nestemäisinä tuotteina. Tässä tapauksessa, mitä enemmän tuotteita saadaan ulostulossa, sitä tehokkaammin laitos toimii. Siten kryogeeninen teknologia tarjoaa suuremman teknologian joustavuuden.
Kryogeenisten happilaitosten haittoja ovat pidempi käynnistysaika adsorptio- ja kalvolaitoksiin verrattuna. Tästä syystä tätä menetelmää tulisi käyttää suurille kiinteille komplekseille, joilla on korkea tuottavuus ja pitkä jatkuva toiminta.