Схема технологического процесса криогенной сепарации воздуха: пояснение

Как криогенная Установки разделения воздуха Работает: пошаговая технологическая схема

Сжатие и очистка воздуха: удаление CO₂, влаги и углеводородов

Воздух из окружающей среды поступает в эти многоступенчатые компрессоры, где сжимается до давления примерно 0,6–0,8 МПа. После сжатия воздух проходит через так называемые адсорбционные колонны с молекулярными ситами. Эти специальные материалы улавливают такие примеси, как углекислый газ, влага и различные углеводороды. Удаление этих загрязняющих веществ имеет решающее значение, поскольку в противном случае в холодных участках системы впоследствии возникнут обледенение и коррозия. установки разделения воздуха на самом деле большинство современных установок используют технологию адсорбции с изменением температуры. Конструкция обычно включает две колонны, работающие в паре: пока одна колонна очищает воздух, вторая регенерируется — либо продувкой отработанным азотом, либо нагревом материала для высвобождения захваченных примесей.

Глубокое охлаждение и ожижение с помощью турбин расширения и эффекта Джоуля–Томсона

Очищенный и сжатый воздух сначала охлаждается в крупных теплообменниках за счёт прохождения через холодные потоки продукта, возвращающиеся из других частей системы. После этого этапа температура снижается до примерно минус 175 градусов Цельсия. Непосредственное ожижение происходит в основном внутри турбоэкспандеров — это весьма эффективные машины, в которых газ быстро расширяется, превращая энергию давления в механическую работу одновременно с охлаждением благодаря так называемому эффекту Джоуля–Томсона. Азот кипит приблизительно при минус 196 градусах, а кислород — при минус 183 градусах, поэтому различие в их температурах кипения способствует разделению на фазы ещё до стадии ректификации.

Криогенная ректификация в двухколонной установке Linde: разделение потоков кислорода, азота и аргона

Когда сжиженный воздух поступает в так называемую двухколонную установку для дистилляции, это становится одним из ключевых компонентов современных установок разделения воздуха. В колонне высокого давления, работающей при давлении около 5–6 бар, азот в виде пара поднимается вверх, а обогащённая кислородом жидкость стекает вниз. Эта жидкость затем поступает в колонну низкого давления при примерно 1,2–1,3 бар, где фактическое разделение происходит при тщательно контролируемых условиях рефлюкса. Аргон выделяется тем, что его температура кипения составляет около минус 186 °C, поэтому он естественным образом концентрируется в специальном промежуточном отделении между этими двумя колоннами. Непрерывно действующий процесс обеспечивает получение кислорода чистотой около 99,5 % и азота чистотой почти 99,999 %. Эти показатели соответствуют требованиям стандарта ISO 8573-1 и стали общепринятой практикой в различных отраслях, включая медицинские учреждения, предприятия по обработке металлов и производство полупроводников.

Ключевое оборудование современных установок разделения воздуха: холодный блок и тепловая интеграция

Конструкция холодного блока: компактная интеграция колонн, теплообменников и трубопроводов

В основе установки разделения воздуха находится так называемый холодильный блок — по сути, хорошо теплоизолированная камера, в которой все компоненты объединены в единый вакуумный корпус. Внутри этого пространства располагаются колонны ректификации, специализированные паяные алюминиевые теплообменники, а также различные криогенные трубопроводы. Вся конструкция на самом деле весьма продуманна: поскольку все элементы размещены чрезвычайно компактно, вероятность проникновения нежелательного тепла значительно снижается — что особенно важно при температурах ниже минус 180 °C. Специалисты по техническому обслуживанию также высоко ценят данную конструкцию, поскольку ремонт занимает примерно на 30 % меньше времени по сравнению со старыми системами, где компоненты были рассредоточены по всей площади. Холодильные блоки изготавливаются преимущественно из прочной нержавеющей стали с добавлением некоторых алюминиевых сплавов, что позволяет им естественным образом компенсировать различия в коэффициентах теплового расширения и сжатия. Наиболее важным является то, что они обеспечивают полное разделение потоков кислорода, азота и аргона на протяжении всего процесса, предотвращая их смешивание и гарантируя надёжность эксплуатации год за годом.

Основные сети теплообменников и стратегии рекуперации энергии

Современные установки разделения воздуха в значительной степени зависят от сложных систем теплообмена, позволяющих улавливать ценный хладоагент из потоков отходящего азота и холодных продуктовых потоков. Принцип противоточного движения также работает весьма эффективно: он одновременно охлаждает поступающий воздушный поток и нагревает выходящий, сокращая разницу температур до примерно 3 градусов Цельсия. Этого впечатляющего результата удалось достичь главным образом благодаря новому поколению паяных алюминиевых теплообменников, появившихся в последнее время. Согласно данным, полученным на практике, такие современные установки, как правило, снижают суммарное энергопотребление на 40–50 % по сравнению с устаревшими моделями. Для крупных промышленных предприятий, работающих в несколько смен ежедневно, это означает экономию порядка 2,8 млн долларов США ежегодно только за счёт эксплуатационных расходов — согласно данным, собранным в рамках инициативы Министерства энергетики США по промышленным технологиям в 2022 году.

Зачем нужна криогенная технология? Различия в температурах кипения обеспечивают производство газов высокой чистоты

Криогенная ректификация воздуха по-прежнему остаётся практически единственным промышленным способом получения таких сверхчистых газов, как кислород, азот и аргон, в крупном масштабе. Этот процесс возможен благодаря различию температур кипения этих газов, что позволяет производителям достаточно эффективно разделять их с чистотой, зачастую превышающей 99,5 %. Соответствующие стандарты ASTM и ISO (спецификации D1946 и 8573-1) подтверждают это. Если обратиться к конкретным цифрам, то азот кипит при примерно −196 °C, аргон — при около −186 °C, а кислород достигает точки кипения приблизительно при −183 °C. Эти незначительные различия в температурах имеют большое практическое значение, поскольку именно они определяют порядок разделения каждого газа в ходе процесса сжижения с последующей фракционной перегонкой. Хотите точно понять, почему это работает? Ознакомьтесь с приведённой ниже таблицей, где содержатся все важные термодинамические данные, лежащие в основе этой селективной технологии разделения.

Это значительное сокращение объёма (710–875) также обеспечивает эффективное хранение и транспортировку сжиженных газов, делая криогенику незаменимой в отраслях, требующих стабильных поставок высококачественных газов, включая производство полупроводников, аэрокосмическую промышленность и системы кислородоснабжения больниц.