Промышленное разделение воздуха на компоненты¶

Промышленное разделение воздуха на компоненты — совокупность технологических процессов, применяемых для выделения из атмосферного воздуха индивидуальных газов (азота, кислорода, аргона, а также редких газов) в промышленных масштабах. Основной продукцией такого разделения являются технические и особо чистые газы, используемые в металлургии, химической промышленности, медицине, электронике и других отраслях.

¶Физико-химические основы процесса

Атмосферный воздух представляет собой многокомпонентную газовую смесь. Основные компоненты и их объёмная доля в сухом воздухе: азот — 78,08 %, кислород — 20,95 %, аргон — 0,93 %, диоксид углерода — около 0,04 %, неон — 18,2 ppm, гелий — 5,2 ppm, криптон — 1,1 ppm, ксенон — 0,09 ppm, водород — 0,5 ppm. Также в воздухе содержатся водяной пар, пыль, оксиды азота и серы, углеводороды.

Разделение основано на различии физических свойств компонентов — прежде всего температур кипения (при атмосферном давлении): кислород — минус 182,96 °C, аргон — минус 185,85 °C, азот — минус 195,8 °C, неон — минус 246,05 °C, водород — минус 252,88 °C, гелий — минус 268,93 °C. Наибольшее промышленное значение имеют два метода: криогенная ректификация (низкотемпературная дистилляция) и адсорбционные процессы (короткоцикловая адсорбция, КЦА). Мембранное разделение применяется для получения азота средней чистоты.

¶Криогенное разделение

Криогенный метод является доминирующим для крупнотоннажного производства (сотни тысяч кубометров газа в час). Первая промышленная установка по сжижению воздуха была создана Карлом фон Линде в 1895 году. В 1902 году он же разработал ректификационную колонну для разделения жидкого воздуха, а в 1903 году построил первую установку для получения кислорода.

¶Технологическая схема

Процесс включает несколько стадий:

• Очистка — удаление пыли, влаги и диоксида углерода (адсорбентами или вымораживанием), так как при низких температурах эти примеси замерзают и забивают оборудование.
• Сжатие — воздух компрессорами сжимается до давления 0,6–6 МПа.
• Охлаждение и ожижение — сжатый воздух охлаждается в теплообменниках, расширяется в детандерах и дроссельных вентилях (эффект Джоуля — Томсона), достигая криогенных температур и переходя в жидкое состояние.
• Ректификация — разделение жидкого воздуха в ректификационных колоннах на фракции. В нижней колонне предварительно отделяется азот, в верхней колонне происходит окончательное разделение кислорода и аргона.

¶Продукция криогенных установок

Криогенные воздухоразделительные установки (ВРУ) позволяют получать:

• Кислород — технический (чистота до 99,5 %) и медицинский (99,2–99,9 %);
• Азот — технический (до 99,999 %), особой чистоты (99,9999 % и выше);
• Аргон — газообразный и жидкий, чистотой до 99,999 %;
• Криптон и ксенон — выделяются как побочные продукты из кубовых фракций колонн (криптоновый концентрат);
• Неон и гелий — извлекаются из отдувок конденсаторов.

Современные крупные ВРУ (например, производства Air Liquide, Linde, «Криогенмаш») имеют производительность по кислороду 30–120 тыс. м³/ч и более. Энергоёмкость процесса составляет около 0,4–0,6 кВт·ч на 1 м³ кислорода.

¶Адсорбционные методы

¶Короткоцикловая адсорбция (КЦА)

Метод основан на избирательной адсорбции компонентов воздуха на цеолитах или активированном угле при повышенном давлении и десорбции при пониженном. Процесс циклический: в адсорберах попеременно проводятся стадии адсорбции и регенерации. КЦА-установки компактны, запускаются за минуты, но имеют меньшую производительность (до 5–10 тыс. м³/ч) и чистоту продукта (азот до 99,999 %, кислород до 95 %). Применяются на предприятиях средней мощности — в пищевой промышленности, на судах, в лабораториях.

¶Вакуумно-адсорбционные установки (VPSA)

Разновидность КЦА, в которой регенерация адсорбента проводится под вакуумом. Используются преимущественно для производства кислорода чистотой до 93–95 % в средних масштабах.

¶Мембранное разделение

Мембранные газоразделительные установки используют полимерные полые волокна, через которые азот и кислород проникают с разной скоростью. Скорость проникновения кислорода выше, поэтому в пермеате (прошедшем через мембрану газе) обогащается кислород, а в ретентате — азот. Метод экономичен при небольших расходах (до 1000 м³/ч) и позволяет получать азот чистотой до 99,9 %. Основные недостатки — относительно низкая чистота продукта и зависимость от температуры.

¶Применение продуктов разделения

• Кислород — используется в конвертерном производстве стали (вдувание в расплав), в цветной металлургии, при газовой сварке и резке, в химической промышленности (окисление углеводородов), в медицине (дыхательная поддержка), в авиации и космонавтике (окислитель в ракетных двигателях).
• Азот — применяется как инертная среда при хранении и транспортировке пищевых продуктов, в электронной промышленности (создание инертной атмосферы при производстве полупроводников), в химической промышленности (производство аммиака, азотной кислоты), при продувке трубопроводов и резервуаров, в металлургии (защитная атмосфера при термообработке).
• Аргон — используется при дуговой сварке алюминия, титана и нержавеющих сталей, в металлургии (продувка стали для удаления газов), в производстве ламп накаливания и люминесцентных ламп.
• Криптон и ксенон — применяются в светотехнике (лампы, прожекторы), в медицине (анестезия ксеноном), в космической технике (рабочее тело ионных двигателей).
• Неон — используется в газоразрядных трубках (неоновая реклама), в криогенной технике (хладагент).

¶История развития

До конца XIX века кислород и азот получали химическими методами (разложением перекиси марганца, сжиганием фосфора). Изобретение процесса ожижения воздуха и ректификации Карлом Линде в 1895–1903 годах произвело революцию в промышленности. В 1902 году французский инженер Жорж Клод разработал метод с поршневым детандером, что повысило эффективность ожижения. В СССР первые ВРУ были построены в 1930-х годах; в 1940-х годах академик П. Л. Капица разработал высокоэффективный турбодетандер, что позволило создавать установки большой производительности. В послевоенные годы развитие кислородно-конвертерной металлургии стимулировало строительство крупных ВРУ. К началу XXI века мировое производство промышленных газов достигло сотен миллионов тонн в год.

¶Источники

• Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1981.
• Скобло А. И., Трегубов В. А., Молоканов Ю. К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. — М.: Химия, 1982.
• Капица П. Л. Турбодетандеры и их применение в технике низких температур. — М.: Наука, 1965.
• Технические газы: справочник / под ред. Д. Л. Глизманенко. — М.: Металлургия, 1975.