Воздухоразделительные установки

Для разделения воздушной смеси на отдельные ингредиенты (кислород, азот, неон, т.д.) служат воздухоразделительные установки (ВРУ), в основу принципа действия которых положено различие в физических свойствах компонентов, в молекулярных массах, термодинамических характеристиках. Такие системы востребованы в металлургии, медицине, электронике, пищевой, химической промышленности, играют важную роль для производства чистых газов. В этой статье освещены основные положения, характеризующие работу и применение ВРУ.

Принцип работы воздухоразделительных установок

В соответствии с методами разделения воздуха установки подразделяются на:

• Адсорбционные,
• Мембранные,
• Криогенные.

Адсорбционный метод

В основе адсорбционного метода разделения воздуха лежит избирательная адсорбция компонентов воздуха синтетическими цеолитами, а также природными цеолитами и углеродными молекулярными ситами. Адсорбционные установки предназначены для получения только одного продукта разделения воздуха и только в газообразном состоянии. В соответствии с этим адсорбционные установки разделения воздуха подразделяют на кислородные и азотные. Для осуществления непрерывного процесса разделения воздуха адсорбционным методом необходимо как минимум 2 циклически работающих адсорбера. В то время как один адсорбер находится в режиме получения продукта, второй регенерируется. Процесс получения продукта может происходить как при повышенном давлении (напорный вариант), так и при атмосферном (безнапорный). Регенерация адсорбента в напорном варианте осуществляется, как правило, при атмосферном давлении, а в безнапорном – при вакууме. Установки, работающие по напорной схеме, получили название КЦА, а работающие по безнапорной схеме ВКЦА.

Кислородные адсорбционные установки

Процесс получения кислорода адсорбционным методом основан на различии в равновесных величинах сорбции азота и кислорода на синтетических цеолитах. Установки малой производительности (примерно до 500 Нм3/ч), строятся по напорной схеме (КЦА). Установки большой производительности строятся по безнапорной схеме (ВКЦА). Чистота кислорода, которую можно получить на КЦА, достигает 95 % , однако на практике чистота кислорода не превышает 93 - 94 %, особенно на установках большой производительности (ВКЦА). Степень извлечения кислорода чистотой 93 % на существующих адсорбентах не превышает 10-12%. Установки КЦА выдают кислород под давлением до 5 бар. Установки ВКЦА выдают кислород под атмосферным давлением.

Азотные адсорбционные установки

В качестве адсорбента в азотных адсорбционных установках используются углеродные молекулярные сита (УМС). Процесс получения азота адсорбционным методом основан на различие в скорости диффузии молекул в полости УМС. Иными словами, скорость адсорбции кислорода УМС намного превышает скорость адсорбции азота. Азотные адсорбционные установки строятся преимущественно по напорной схеме. Чистота азота может быть от 0,0005 % до 5 % по кислороду. В отличие от кислородных адсорбционных установок, степень извлечения азота на азотных установках сильно зависит от требуемой чистоты азота и может быть от 11 % до 45 %.

Общие принципы адсорбционных установок:

• получение только одного продукта разделения
• получение продукта разделения только в газообразном виде
• ограничение в чистоте продуктов разделения
• работа только в одном режиме

Мембранный метод

В основе мембранного метода разделения воздуха является разница в скорости диффузии компонентов газа через вещество мембраны, которое представляет собой пористое полимерное волокно, на внешнюю поверхность которого нанесен тончайший газоразделительный слой. Мембранные установки предназначены только для получения азота или обогащенного до 50 % кислородом воздуха. И азот и обогащенный кислородом воздух выходят из мембранной установки только в газообразном состоянии.

Область применения мембранных установок или диапазон производительности практически совпадает с областью применения азотных адсорбционных установок, однако чистота азота на адсорбционной установке будет выше, чем на аналогичной по производительности мембранной установке.

Общие принципы мембранных установок:

• получение только одного продукта разделения
• получение продукта разделения только в газообразном виде
• ограничение в чистоте продуктов разделения
• работа только в одном режиме

Следует отметить, что в случае выхода из строя мембраны, стоимость которой составляет значительную часть стоимости всей установки, она подлежит замене.

Криогенный метод

В основе криогенного метода разделения воздуха лежит низкотемпературная ректификация, базирующаяся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов находящихся в равновесии жидких и паровых смесей. В отличие от адсорбционных и мембранных установках, в которых процесс разделения воздуха проходит при температурах окружающей среды, в криогенных установках процесс разделения происходит при низких (криогенных) температурах. На криогенных установках, в отличие от адсорбционных и мембранных, можно одновременно получать несколько продуктов разделения (кислород, азот, аргон), а также получать эти продукты как в газообразном, так и в жидком виде. Криогенным методом можно получить практически любую чистоту продуктов разделения и в любом количестве.

Общие принципы криогенных установок:

• комплексное разделение воздуха (получение одновременно нескольких продуктов разделения)
• получение продуктов разделения как в газообразном, так и в жидком виде
• нет ограничений в чистоте получаемых продуктов
• многорежимность установки

Преимущества и недостатки адсорбционных установок

Применение установки короткоцикловой адсорбции (ВКЦА) для производства кислорода оправдано когда требуется чистота кислорода не более 93 % и при незначительной производительности. Также выбор ВКЦА оправдан, когда не требуется длительная эксплутация происходит частый пуск и остановка установки. Во время эксплуатации может возникнуть попадание примесей (масло, вода) в адсорберы, чистка в свою очередь требует замены адсорбента, промывки адсорберов и обслуживания клапанов. Однако применение системы современной фильтрации, а также защитного слоя минимизирует данные риски.

Возможно истирание адсорбента в зависимости от применяемых внутренних технологий, применяемых комплектующих, изготовителя адсорбента, применяемой системы подачи воздуха, скорости воздушных потоков, засыпки, прессовки адсорбента, конструктивных элементов адсорбера и т.д. В установке короткоцикловой адсорбции (ВКЦА) в виду своих технических особенностей, кислород выходит из установки под атмосферным давлением и для обеспечения требуемого давления необходимо применение дожимающих кислородных компрессоров.

Преимущества и недостатки мембранных установок

Мембранные установки не предназначены для получения кислорода. На мембранных установках возможно получения только обогащенного кислородом воздуха, поэтому в дальнейшем мембранные установки не будут рассматриваться.

Преимущества и недостатки криогенных установок

Основным достоинством криогенных воздухоразделительных установок является то, что на криогенных установках возможно производить продукты разделения воздуха в любых количествах и любой чистоты. Только на криогенных установках возможно одновременное получение нескольких продуктов разделения воздуха. Только на криогенных установках возможно получение жидких продуктов разделения воздуха. В отличие от адсорбционных и мембранных установок, увеличение чистоты продуктов разделения воздуха не сильно сказывается на коэффициенте извлечения и на стоимости установки.

В качестве недостатков криогенных установок следует отнести длительный период пуска оборудования, что обуславливается работой установки при криогенных температурах, достижение которых (захолаживание оборудования) требует определенного времени (8..24 часа).

Экономическая целесообразность различных способов производства кислорода

На рисунке представлена диаграмма, иллюстрирующая оптимальные диапазоны по производительности и чистоте азота различных типов воздухоразделительных установок.

На данной диаграмме видно, что при производительности 20 000 Нм³/ч газообразного кислорода чистотой 92 % и выше целесообразно выбрать криогенную установку.

Заключение

Рассмотрев существующие методы получения продуктов разделения воздуха в промышленных масштабах, можно определить условные границы применимости того или иного метода. Следует отметить, что выбор метода должен основываться на сочетании нескольких факторов, основными из которых являются стоимость установки (капитальные затраты) и эксплуатационные затраты. При выборе КЦА и мембранных технологий следует учитывать существенное увеличение удельных энергозатрат с повышением чистоты продукта. Например, при одной и той же производительности выбор криогенного или адсорбционного метода разделения будет зависеть от чистоты получаемого продукта.

Учитывая вышесказанное, мы остановились на криогенном методе разделения. Основные критерии выбора: низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Следует отметить, что с увеличением чистоты продукта выбор в сторону криогенной установки станет еще более очевидным, а при чистоте продукта свыше 95 % криогенная установка является единственным вариантом.