Принцип работы и эксплуатация ВРУ

Для разделения воздуха на отдельные ингредиенты (кислород, азот, неон, т.д.) служат различные типы воздухоразделительных установок (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.

В основу классификации положен метод разделения воздушной смеси:

• адсорбционный;
• мембранный;
• криогенный.

Нормативная база воздухоразделительных установок регулируется ГОСТ Р 54892-2012, ОСТ 26-04-538-79 (монтаж и эксплуатация), ОСТ 290.0004-02 (проектирование), ФНиП в области промбезопасности, правилами пожарной безопасности ПБПРВ-88, приказом Ростехнадзора от 30.12.2013 №6565, прочими документами. 

Адсорбция

Метод разделения воздуха базируется на избирательной сорбции его составляющих на поверхности синтетических, природных цеолитов или углеродных молекулярных сит. Адсорбционные установки предназначаются для выделения только одного продукта воздушной смеси в виде газа. В соответствии с этим разделительные системы подразделяют на кислородные и азотные. Для осуществления непрерывного процесса необходимо, как минимум, два циклически работающих адсорбера. В то время как один находится в режиме извлечения кислорода или азота, второй регенерируется. Существуют два способа получения продукта: напорный при высоком давлении (КЦА) и безнапорный при атмосферном (ВКЦА). Восстановление адсорбента в напорном варианте происходит, как правило, в условиях атмосферного давления, а в безнапорном – в вакууме. 

Кислородные адсорбционные ВРУ

Различие в равновесных величинах показателя поглощения N₂ и О₂ поверхностью синтетических цеолитов положено в основу адсорбционного метода. Воздухоразделительные установки различаются по схеме и по производительности:

• малопроизводительные до 500 Нм³/ч, напорный вариант под давлением до 5 бар;
• высокопроизводительные, по безнапорной схеме в условиях атмосферы.

Степень чистоты кислорода, которую можно получить на КЦА, достигает 95%.  На установках большой производительности ВКЦА этот показатель, как правило, не превышает 93 ‒ 94%. Извлечение кислорода с уровнем очистки 93% на существующих адсорбентах не превышает 10-12%. 

Кислородный генератор состоит из двух адсорберов. При прохождении рабочей смеси через первый происходит поглощение N₂ цеолитом., при этом газовая среда обогащается О₂. Когда поглотитель дойдёт до стадии насыщения, давление снижается до атмосферного и происходит продувка продукционным кислородом, удаление адсорбированного азота, регенерация закончена.  Рабочая температура от +10 до +40°C.

Азотные адсорбционные установки

Выделение азота при помощи адсорбции основано на различии в скорости диффузии молекул в полости УМС, углеродных молекулярных сит, которые используются в качестве адсорбента. Иными словами, скорость захвата кислорода УМС намного превышает поглощение 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 в азотных ВРУ очень зависит от требуемой чистоты N₂ и составляет от 11% до 45%.

Азотный генератор работает также, как кислородный, только вместо цеолита задействуют УМС, которые сорбируют О₂ и не поглощают N₂.

Общие принципы адсорбционных систем 

• извлечение только одного продукта разделения в газообразном состоянии;
• ограничения по степени очистки извлекаемых веществ;
•  один режим работы.

Где применяют

• химическая промышленность: добывание компонентов для проведения синтеза;
• металлообработка: создание инертной среды при сварочных работах, резке металла;
• нефтегазовая отрасль: создание азотной подушки;
• медицина: генерация кислорода в концентраторах, востребованного в больницах для функционирования систем жизнеобеспечения, терапии. 

Адсорбционные ВРУ применяют в отраслях, где не нужен жидкий продукт, а требуется газообразный N₂ высокой степени чистоты или О₂ (93+2%) при малых и средних потребностях в технических газах. На первый план выходят мобильность, компактность, возможность быстрой остановки/запуска, автоматическая работа без многочисленного персонала, низкие эксплуатационные расходы. Обслуживание заключается в регулярной замене фильтров, контроле давления, в проверке получаемого процента чистоты встроенными газоанализаторами.

Мембранный метод

Принцип разделения воздушной смеси базируется на разнице скорости прохождения газообразных компонентов через мембрану. Избирательно проницаемое волокно представляет собой пористый полимер, на внешнюю поверхность которого нанесен тончайший газоразделительный слой толщиной не более 0.1 мкм. На мембранных установках получают N₂ или обогащённый до 50% О₂ воздух, причём только в виде газов.

Область применения мембранных установок или диапазон производительности практически совпадает со сферой использования азотных адсорбционных разделительных систем. Однако, чистота азота в первом случае будет ниже по сравнению с методом его извлечения при помощи адсорбции.

Мембранный модуль включает картридж и корпусную оболочку. Волокна в сменной кассете плотно упакованы (плотность до 3500 м² на один метр кубический объёма).  Это позволяет значительно уменьшить габариты аппарата. На входе корпуса расположен входной патрубок для газовой смеси, на выходе патрубковые приспособления для разделенных ингредиентов.

Разделительная технология базируется на разнице парциального Р снаружи и изнутри половолоконной мембраны. Газообразные кислород, водород, диоксид углерода, водяной пар быстро проходят внутри волокна и выпускаются через первый патрубок.  Медленные газы (азот, метан) выводятся через второе выходное отверстие.

Общие принципы мембранных установок

• получается только один продукт в виде газа;
• существуют ограничения в чистоте получаемых веществ;
• предусмотрен единственный режим работы.

Основную часть стоимости системы составляют расходы на приобретение мембраны, которую при повреждении необходимо будет заменить. Её производительность уже в первый год снижается примерно на 10%.

Эксплуатация

Мембранные технологии чаще используют для небольших установок, вырабатывающих до 500 мм³/ч азота с выходом чистоты 95 ‒ 99.5%. Часто их задействуют при подготовке/переработке попутного нефтяного газа, а также в электронике, пищевой промышленности, нефтегазовой отрасли для создания защитных атмосфер, подходят они для создания мобильных азотных станций.

Особенности эксплуатации: предварительная очистка воздуха от влаги, масла, пыли, подача электроэнергии для работы агрегатов, создающих необходимое давление, периодическая модульная замена мембранных элементов. 

Криогенный метод  

Методологической базой служит ректификация при сверхнизких температурах воздушной смеси, компоненты которой имеют разные температуры кипения. Кроме того, различаются составы жидких и паровых фракций, находящихся в равновесии. Если процесс адсорбции и мембранного разделения протекает при нормальных параметрах окружающей среды, то криогенный способ требует охлаждения до температур ниже -150°C. Отличием также служит то, что установка позволяет получать сразу несколько криопродуктов в виде жидкости/газа любой запрашиваемой степени чистоты в требуемых количествах.

Криогенная технология включает несколько этапов:

• сжатие воздуха поршневым компрессором или турбокомпрессором;
• осушка от влаги, очистка от примесей (пыль, двуокись углерода);
• расширение в детандере/турбодетандере до 93К, сжижение смеси;
• ректификация на ректификационных колоннах: азот выпаривается и поднимается вверх (Т кип 77,36К), а внизу жидкость всё более обогащается кислородом (Ткип 90,18К); в результате многократного повторения выделяются N₂, О₂, Ar и отводятся благородные газы;
• хранение полученных жидкостей, газов, подача потребителю.
  

Каждая стадия оснащена соответствующим оборудованием.  ВРУ комплектуются машинами для сжатия и расширения воздуха, фильтрами, теплообменниками, регенераторами, конденсаторами, ректификационными колоннами, адсорберами, теплоизоляцией, трубопроводами, технологическими емкостями, т.д.

Основные принципы криогенных установок

• комплексное разделение воздушной смеси с выходом нескольких продуктов в двух агрегатных состояниях;
• степень чистоты очень высокая, без ограничений;
• многорежимность промышленного оборудования, возможность реализации в рамках одной ВРУ различных комбинаций параметров.

Когда применяют

Низкотемпературные ректификационные системы востребованы, когда нужно снижение себестоимости криопродукта, получаемого в больших объёмах в жидком и газообразном состоянии с минимумом примесей. Криогенные ВРУ производят:

• кислород:

• интенсификация выплавки стали, чугуна, цветных металлов в металлургии;
• зарядка аппаратов искусственного дыхания в медицине;
• проведение синтезов в качестве окислителя;
• реализация газоплазменной резки и сварки металлов в металлообработке;
• азот:

• производство минеральных удобрений, лакокрасочных материалов, азотной кислоты, взрывчатки в химической промышленности, лекарственных препаратов в фармацевтической;
• продувка трубопроводов, увеличение выработки месторождений в газонефтепереработке;
• создание взрывобезопасной зоны в горном деле;
• передавливание топлива в ракетостроении;

• аргон: создание защитной атмосферы в машиностроении, в полупроводниковой промышленности;
• благородные газы (неон, гелий, криптон, ксенон): в криогенной технике, в лазерах, наполнение ламп накаливания, т.д.
  

Специфика эксплуатации: требуют высокопрофессионального обслуживания для поддержания заданного технологического режима, строгого соблюдения техники безопасности, автоматизации работы, своевременного проведения текущих ремонтов, а также компетентного подхода при строительстве воздухоразделительных установок.

Преимущества и недостатки воздухоразделительных установок

Адсорбционные установки

Оправданные возможности применения ВКЦА, короткоцикловой адсорбции:

• для производства О₂, если требуется его чистота до 93% и незначительная производительность;
• при продолжительной работе с частым пуском и остановкой агрегатов;
• несложная, энергоэффективная эксплуатация;
• возможность автоматизации;
• быстрое включение/выключение;
• использование современных систем фильтрации, защитного слоя, что предотвращает замену адсорбента, дополнительные усилия на очистку, промывку оборудования при попадании масла, воды в адсорберы.

Возможные проблемы:

• истирание адсорбента в зависимости от:

• выбранных технологий; 
• используемых комплектующих; 
• производителя поглотителя, его засыпки, прессовки;
• системы подачи воздушных потоков, их скорости; 
• конструктивных особенностей адсорбера; 
• т.д.;

• необходимость в дожимающих кислородных компрессорах, так как в ВКЦА О₂ выходит под давлением атмосферы, необходимо его дополнительное сжатие;
• ограничения по объёму;
• зависимость между чистотой газа и эффективностью процесса.

Мембранные установки

Получение кислорода при помощи мембран не предусмотрено. Таким способом получают только обогащённый кислородом воздух и азот.

К преимуществам относят: компактность, надежность, модульность, устойчивость к влаге. Использование ассиметрично структурированных пористых подложек допускает разделение газов при высоких давлениях. Недостатки: ограниченная чистота, дорогой ремонт, эффективны только на малых мощностях.

Криогенные установки

Плюсы:

• производство криопродуктов в любых объёмах и уменьшение примесей до заданного предела;
• одновременное извлечение нескольких составляющих воздушной смеси;
• получение кроме газообразной и жидкой фракции;
• низкая себестоимость при масштабном производстве;
• отсутствие зависимости между процентом выхода криопродукта и коэффициентом извлечения, а также стоимостью ВРУ.

Минусы:

• длительный период запуска оборудования, так как технология требует достижения криогенных температур, на захолаживание может понадобиться от 8 до 24 часов;
• большие капитальные затраты, неэффективность для малого потребления;
• сложность обслуживания, потребность в высококвалифицированном обученном персонале;
• необходимость в больших производственных площадях для размещения;
• невозможность перевода в режим ожидания.

Срок службы воздухоразделительной установки гарантирован до двадцати пяти лет при соблюдении правил эксплуатации и своевременного технического обслуживания.

Экономическая целесообразность различных способов производства кислорода

Ниже показана диаграмма, иллюстрирующая оптимальные диапазоны по производительности и чистоте О₂ различных типов ВРУ.

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

Заключение

Рассмотрев существующие методы получения продуктов разделения воздуха в промышленных масштабах, можно обозначить условные границы применимости того или иного способа. Следует отметить, что этот выбор должен основываться на сочетании нескольких факторов, основными из которых являются стоимость установки 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 уровня очистки получаемого вещества.

Учитывая вышесказанное, мы остановились на криогенном методе разделения.  Опирались на следующие критерии: низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Следует отметить, что с увеличением чистоты продукта выбор криогенного способа станет еще более очевидным, а при выходе сверхчистого криопродукта (свыше 95%) низкотемпературная ВРУ является единственным вариантом.

---