Перегонка воздуха — это промышленный процесс разделения атмосферной газовой смеси на отдельные составляющие с заданной чистотой для дальнейшего использования в производстве. Для этого применяют технологии глубокого охлаждения, адсорбции или мембранной диффузии. Такой подход снижает зависимость от поставщиков, обеспечивает стабильность технологических процессов.
Рассмотрим подробнее технологии разделения воздуха в промышленности на компоненты и принципы выбора подходящей.
Содержание:
- Зачем промышленности разделение воздуха и какие газы получают в результате
- Что такое криогенная ректификация воздуха
- Как работают адсорбционные установки
- Технология мембранного разделения воздуха
- Как выбрать технологию перегонки воздуха
- Вопросы и ответы
- Коротко о главном
Зачем промышленности разделение воздуха и какие газы получают в результате
Атмосферный воздух — это не однородная среда, а смесь газов. Около 78% приходится на азот, 21% — на кислород, остальное — на аргон и редкие инертные газы. Чтобы использовать составляющие, требуется разделение воздуха на компоненты — в промышленности это технологический процесс, при котором из смеси выделяют газы заданной чистоты.
Именно так решается практический вопрос — как разделить воздух на отдельные газы и получить продукт с прогнозируемыми характеристиками. В зависимости от технологии применяют:
- охлаждение,
- адсорбцию,
- диффузию через мембраны.
Продукты разделения воздуха — это прежде всего кислород и азот, которые востребованы:
- в металлургии,
- химической промышленности,
- медицине,
- энергетике,
- пищевом производстве.
При использовании криогенных методов дополнительно извлекают аргон, неон, криптон, ксенон.
Современные воздухоразделительные установки позволяют организовать производство технических газов непосредственно на площадке предприятия. Это снижает зависимость от поставщиков, упрощает логистику, обеспечивает стабильность технологических процессов. Разберем три основные технологии перегонки воздуха.
Что такое криогенная ректификация воздуха
Когда требуется высокая степень очистки и большие объемы газа, применяют криогенное разделение. Это классическая технология, в основе которой лежит глубокое охлаждение и последующая перегонка сжиженного воздуха.
Если кратко ответить на вопрос, что такое фракционная перегонка воздуха, — это процесс, при котором компоненты воздуха разделяются за счет разницы температур кипения.
Технология заключается в нескольких этапах:
- Сжатие и очистка атмосферного воздуха от пыли, влаги.
- Глубокое охлаждение до криогенных температур.
- Фракционная перегонка жидкого воздуха в ректификационной колонне.
В ходе тепломассообмена происходит разделение: азот, имеющий более низкую температуру кипения, концентрируется в верхней части колонны, а кислород — в нижней. Именно таким способом перегонки воздуха получают газы высокой чистоты.
Установки обеспечивают:
- азот чистотой до 99,99999%,
- кислород — до 99,9%,
- аргон — до 99,9999%.
Криогенные станции эффективны при больших объемах производства. Себестоимость кубометра газа снижается по мере увеличения производительности.
Однако такие комплексы:
- требуют значительных капитальных вложений;
- занимают большую площадь;
- нуждаются в круглосуточном контроле;
- выходят на рабочий режим от нескольких часов до суток.
Главное преимущество метода — возможность получать продукт не только в газообразном, но и в жидком состоянии. Это важно для создания резервных запасов или процессов глубокого охлаждения.
Как работают адсорбционные установки
Если криогенная технология ориентирована на крупные производства, то для средних или малых предприятий чаще выбирают адсорбционный метод. Он основан на принципе короткоцикловой адсорбции — КЦА или PSA. Это решение позволяет эффективно организовать разделение воздуха на компоненты в промышленности без глубокого охлаждения или сложной криогенной инфраструктуры.
Адсорбционная система работает при положительных температурах, не требует сжижения воздуха.
Типовая схема включает два адсорбера, заполненных специальным материалом:
- на стадии поглощения адсорбент удерживает один из компонентов (например, кислород при получении азота);
- на стадии регенерации давление снижается, и адсорбент освобождается от накопленных примесей.
Циклы проходят автоматически и чередуются, обеспечивая непрерывную подачу целевого газа.
Адсорбционный метод позволяет получать:
- азот чистотой до 99,9999%,
- технический кислород — до 95%.
Популярность технологии объясняется несколькими факторами:
- компактность оборудования;
- быстрый выход на рабочий режим;
- высокая степень автоматизации;
- меньшие капитальные затраты по сравнению с криогенными системами.
Предприятия, которым необходим стабильный поток азота, применяют адсорбционные азотные установки, а при более высокой производительности — адсорбционные азотные станции. Такие комплексы позволяют организовать автономное производство газа непосредственно на площадке.
При всех преимуществах адсорбция имеет ограничения:
- невозможно получение газа в жидком состоянии;
- при очень больших объемах производства себестоимость выше, чем у криогенных систем.
Тем не менее для большинства технологических задач КЦА остается оптимальным решением по соотношению «стоимость — производительность — надежность».
Технология мембранного разделения воздуха
Когда требуется компактное решение для получения азота в газообразном состоянии, применяют мембранное разделение воздуха. Это самый простой по конструкции способ, который подходит для удаленных объектов, временных площадок или полевых условий. Он решает задачу перегонки воздуха без сложной инфраструктуры и капитального строительства.
В основе технологии — диффузия газов через полимерные мембраны. Разные компоненты воздуха проходят через стенки волокна с различной скоростью.
Процесс выглядит так:
- воздух предварительно очищается, затем подается под давлением;
- «быстропроникающие» газы частично выводятся через мембрану;
- «медленнопроникающий» азот концентрируется и направляется потребителю.
Мембранные установки эффективны для получения:
- азота чистотой до 99,0% (в зависимости от конфигурации),
- газа исключительно в газообразном состоянии.
По сравнению с адсорбцией и тем более с криогенной технологией, уровень очистки ниже. Поэтому для задач, где требуется сверхвысокая чистота или жидкий продукт, мембраны не применяют.
Основные преимущества перегонки воздуха по этой технологии:
- компактность оборудования;
- минимальные требования к обслуживанию;
- быстрый запуск;
- высокая мобильность.
Именно поэтому для удаленных производственных объектов или нефтегазовой отрасли широко используют мобильные мембранные азотные установки и станции.
Метод подходит:
- при небольших объемах потребления газа;
- при нестабильной нагрузке;
- в условиях, где важна мобильность оборудования;
- при отсутствии возможности капитального строительства.
Как выбрать технологию перегонки воздуха
Выбор технологии зависит от пяти факторов: требуемой чистоты газа, объема потребления, агрегатного состояния продукта, режима работы, бюджета проекта. Ошибка на этапе проектирования может привести к избыточным капитальным затратам или, наоборот, к нехватке производительности. Проведем наглядное сравнение решений в таблице.
| Критерий | Криогенная технология | Адсорбционная (PSA / КЦА) | Мембранная |
| Метод | Фракционная перегонка сжиженного воздуха | Адсорбция при переменном давлении | Мембранное разделение воздуха |
| Чистота азота | До 99,99999% | До 99,9999% | До 99% |
| Чистота кислорода | До 99,9% | До 99,5% | Практически не применяется |
| Получение жидкого продукта | Да | Нет | Нет |
| Производительность | Крупные объемы | Малые и средние | Небольшие |
| Выход на рабочий режим | Несколько часов | Быстрый запуск | Почти мгновенный |
| Капитальные затраты | Высокие | Средние | Низкие |
| Требования к персоналу | Постоянный контроль | Автоматизированная работа | Минимальный контроль |
Криогенная технология реализует полноценный процесс ректификации воздуха, поэтому применяется там, где важна максимальная чистота, а также большие объемы. Адсорбция — это компромисс между производительностью и финансовыми вложениями. Мембраны выбирают, когда ключевыми являются мобильность, простота эксплуатации.
Ответ на вопрос, как разделить воздух на отдельные газы, всегда определяется балансом между чистотой, объемами и экономикой проекта. Универсального метода не существует — каждая технология эффективна в своей промышленной нише.
Вопросы и ответы
Что выгоднее: собственная воздухоразделительная установка или закупка газа у поставщика?
Все зависит от объема потребления. При стабильном, большом расходе газа собственная установка снижает себестоимость кубометра, устраняет логистические риски. При малых или нерегулярных объемах закупка может быть экономически оправданной. Расчет делают на основе годового потребления, стоимости доставки, простоев производства.
Можно ли масштабировать систему при росте производства?
Да, но способ зависит от технологии. Криогенные станции проектируют под определенную производительность, масштабирование требует модернизации. Адсорбционные или мембранные комплексы проще наращивать модульным способом, добавляя дополнительные блоки.
Насколько критична стабильность электроснабжения?
Для всех типов установок требуется надежное электропитание. Криогенные системы особенно чувствительны к остановкам из-за длительного выхода на целевой режим. Поэтому для промышленных объектов часто предусматривают резервное питание.
Как температура и климат влияют на выбор технологии?
В суровых климатических условиях мембранные или адсорбционные установки проще адаптировать за счет компактности, утепленного исполнения. Криогенные комплексы требуют более сложной инфраструктуры, но их также успешно эксплуатируют при правильном проектировании.
Коротко о главном
- Промышленное разделение воздуха позволяет получать кислород, азот и редкие газы заданной чистоты непосредственно на площадке предприятия.
- Криогенная ректификация обеспечивает максимальную чистоту, подходит для крупных объемов, включая производство жидких газов.
- Адсорбционные установки оптимальны для средних производств или технических задач.
- Мембранные системы эффективны при небольшом потреблении, в мобильных решениях.
- Выбор технологии зависит от требуемой чистоты, объема потребления, режима работы и экономической модели предприятия.
Компания «Провита» разрабатывает и поставляет адсорбционные азотные установки, адсорбционные азотные станции и мобильные мембранные комплексы для автономного производства технических газов на территории предприятия по России и СНГ. Оборудование подбираем под требуемую чистоту, производительность, условия эксплуатации. Звоните или оставляйте заявку на сайте.
