Установки для разделения воздуха — их классификация 

Жидкие и газообразные криопродукты, полученные криогенным разделением воздушной смеси, применяются как для резки и сварки металлов, так и для реализации основных циклов крупных производств в металлургической, химической других отраслях.

Разделение воздуха включает несколько стадий:

• Очищают поступающую воздушную смесь от крупных и мелких примесей;
• Сжимают в компрессорных агрегатах до давления цикла;
• Очищают сжатый воздух от углекислого газа (СО₂,) углеводородов и осушают;
• Охлаждают до сверхнизких температур;
• Отправляют сжиженную смесь на ректификационные колонны для разделения на кислород и азот, с извлечением редких газов;
• Накапливают жидкие (цистерна-хранилище) или газообразные (газгольдер) кислород и азот с последующей подачей газов по  трубопроводам  в баллоны или наполняют сжиженным продуктом транспортные танки и цистерны;
• Очищают редкие газы от кислорода и водорода с последующей транспортировкой в баллонах.

Процесс основывается на принципе глубокого охлаждения воздушной смеси с дальнейшим разделением её на компоненты благодаря разнице в температурах кипения.

Комплектация установки для разделения воздуха зависит от  конечной цели проекта. В базовое оснащение входят: машины для сжатия и расширения воздуха, устройства для осушки и очистки, разделительные блоки, теплообменники, рекуператоры, конденсаторы, адсорберы, ректификационные колонны, контрольно-измерительные приборы, системы безопасности, управления и автоматизации, трубопроводы, газгольдеры, баллоны, криоёмкости.

Классификация ВРУ

Устройство и конструкция ВРУ зависит от следующих факторов:

• Особенности технологии (различаются по методу получения холода, очистки от влаги, двуокиси углерода, схемой ректификации);
• Требования к оборудованию;
• Производительность (малая, средняя, высокая);
• Конечный продукт: (основной: О₂, N₂, Ar, дополнительные: Ne, He, Kr, Xe, прочие);
• Концентрация (процентное содержание основного продукта и примесей), 
• Агрегатное состояние (жидкое, газообразное); 
• Тип установки (кислородные, азотные, азотно-кислородные, т.д.);
• Назначение (например, для кислорода: технический, медицинский, технологический);
• Ограничения давления цикла ректификации (высокое, среднее, низкое);
• Условия эксплуатации (стационарные или мобильные установки, способ и место монтажа).

Получение кислорода и азота

Установка для разделения воздуха:

• Система высокого давления холодильного цикла небольшой производительности нужна для получения О₂, N₂ методом двукратной ректификации. Кислород необходим для сварки и резки металлов, азот — для продувки труб и создания инертной среды. Установка с жидкостным насосом более компактная, упрощает обслуживание, и газы не требуют осушки. Однако по сравнению с кислородным компрессором (при давлении на  последней ступени сжатия от 50 до 70 кгс/ см² , при пуске 200 кгс/см²), требуется более высокое рабочее давление (110-120 кгс/см²), что связано с потерями  насосного агрегата. Кроме того, увеличение его производительности приводит к снижению чистоты получаемого криопродукта.
• ВРУ среднего давления отличаются использованием более экономичного холодильного цикла (избыточное давление поддерживается в пределах 50 ‒ 55 кгс/см²), воздух расширяется в поршневом детандере.
• Криогенный промышленный аппарат двух давлений применим, когда холодопотери на один квадратный метр снижаются из-за его большой производительности. Поэтому сжатию до высокого давления подлежит только часть поступающего воздуха. Этого достаточно для компенсации холодопотерь, при этом энергопотребление значительно уменьшается. 
• ВРУ низкого давления эксплуатируют тогда, когда производительность по кислороду составляет 3500 ‒ 4000 м³/ч, холодопотери снижаются до 1 ккал/кг. Рабочее давление в цикле 5 ‒ 6 кгс/см², требуется для температурного напора в конденсаторе при двукратной ректификации. Холод получают в двух эффективно работающих турбодетандерах.  Важным является нормальное функционирование регенераторов, чтобы не допустить загрязнение твёрдым диоксидом углерода.

Получаемый газообразный азот необходим для высокопродуктивной работы электронных устройств, выращивания жидких кристаллов, сборки полупроводников, пайки в инертной среде, для закаливания стали, повышения давления в нефтяных скважинах, для производства аммиака, удобрений, прочих веществ. Кислород в виде газа востребован для интенсификации процессов горения, выплавки стали, сварки и резки металлов, а также в медицине, для производства озона и химических реагентов.

Установки для получения жидкого кислорода и азота

Основные показатели технологического режима для производства жидкого криопродукта  ー это давление воздуха перед детандером и температура до и после него, в этом состоит главное отличие от получения газообразного продукта.  Это отражается в технологических особенностях и аппаратурном оформлении. Промышленные системы для сжиженного продукта требуют более мощных холодильных циклов, включая оснащение детандерными агрегатами и криогенными насосами, что увеличивает энергопотребление.

Жидкий азот используют в качестве инертной среды и низкотемпературного хладагента для глубокой заморозки продуктов, биоматериалов и в криотерапии.  Жидкий кислород необходим для работы ракетных двигателей в космической отрасли, при изготовлении взрывчатых веществ, в газовой, целлюлозно-бумажной, химической промышленности, в медицине и энергетике. 

Установки для получения редких газов

Сжиженные газообразные вещества распределяются  в колонне двойной ректификации в соответствии с их температурой кипения:

• Ne, He скапливаются в виде газа под крышкой конденсатора;
• Kr, Xe концентрируются в кубовой жидкости, переходят в кислород;
• Ar распределяется между О₂ и N₂. 

Особенности воздухоразделительных систем для извлечения благородных газов.

1. Аргон (Ar) 

Технология получения аргона включает три стадии: 

• Сначала получают  азото-аргоно-кислородную смесь с преобладанием аргона  (до 90%).
• Затем из сырого аргона удаляют кислород катализатором при помощи его соединения с водородом.
•  Оставшийся продукт разделяют на чистый аргон и азот, который выбрасывается в атмосферу.  

В аппарате двукратной ректификации аргонная фракция скапливается в верхней колонне, и важно отводить ее с конкретной тарелки. В систему входят, помимо основной колонны, также аргонная колонна, контактная печь, заполненная палладиевым катализатором, газгольдер и специализированные аппараты для освобождения от азота. Существуют также системы для очистки сырого аргона с использованием цеолитов. Степень чистоты аргона достигает 99,99%.  Рентабельным считается получение аргона на ВРУ производительностью более 150 ‒ 200 м³/ч кислорода. Аргон востребован при дуговой сварке, плазменно-дуговой резке, для создания инертной среды при производстве металлов, а также в химической, электротехнической и металлургической промышленности.

2. Криптон (Kr) и ксенон (Xe) 

Экономически целесообразно получать криптон и ксенон на ВРУ, перерабатывающих свыше 150 00 ‒ 20 000 м³/ч воздуха. Производственный процесс включает 3 этапа: 

• Получают бедный криптоно-ксеноновый концентрат;
• Доводят содержание смеси компонентов до 99% и более путём выжигания углеводородов в электропечах и последующего поглощения СО₂ и воды цеолитами;
• Выделяют чистые криптон и ксенон на адсорбере с активированным углем. 

Каждая стадия оснащается специальными блоками оборудования. Получаемые на установках разделения воздуха криптон и ксенон применяются в высокотехнологичных отраслях: используют для заправки газоразрядных ламп, в медицине, водолазной практике, эксимерных лазерах, космической технике и электровакуумных приборах.

3. Неоно-гелиевая смесь. 

ВРУ для её получения дополнительно снабжают дефлегматором. Сырой продукт подвергается обогащению на специальных аппаратах, а затем происходит выделение чистого неона с помощью  адсорбции (коэффициент извлечения 0,74) или конденсационного метода (коэффициент извлечения 0,95). 

Гелий нужен для заполнения сигнальных, газосветных ламп, а также предназначен для работы различной криогенной техники.