Воздухоразделительные установки: принцип работы и типы ВРУ

[locolizator]

Воздухоразделительные установки (ВРУ) — это оборудование, которое извлекает из воздуха кислород, азот и другие газы. Они решают задачи производства чистых газов для промышленности без зависимости от поставщиков.

Такие системы нужны в металлургии, нефтехимии и медицине, где газы используются в больших объемах. Понимание принципа работы помогает выбрать подходящий тип и избежать простоев. В этой статье разберем, как функционируют ВРУ, их типы и ключевые этапы.

Криогенные воздухоразделительные установки

Криогенные ВРУ — самые универсальные, они разделяют воздух на все компоненты при сверхнизких температурах. Воздух сжимается компрессором, очищается от примесей, охлаждается до -190°C и сжижается. Затем в ректификационных колоннах газы разделяются по разнице температур кипения: азот кипит при -196°C, кислород — при -183°C.

Процесс начинается с фильтрации и сжатия воздуха до 5–20 МПа. Охлаждение происходит в теплообменниках за счет исходящих холодных газов. В нижней колонне образуется жидкий азот и обогащенный кислородом куб. Если нужен кислород, куб подается в верхнюю колонну, где ректификация доводит его до 99,5% чистоты. Жидкий кислород скапливается в конденсаторе-испарителе, а неон и гелий стравливаются для стабильности.

Вот основные этапы криогенного процесса:

• Фильтрация и сжатие: Удаление пыли, влаги, CO₂ через БКОО (блок комплексной очистки и осушки).
• Охлаждение: Теплообмен с продуктами для глубокого охлаждения.
• Ректификация: Разделение в двух колоннах с конденсатором-испарителем.
• Отбор продуктов: Газообразный или жидкий азот, кислород, аргон.

Компонент	Температура кипения (°C)	Продукт в колонне
Азот	-196	Верхняя часть
Кислород	-183	Куб нижней колонны
Аргон	-186	Средняя фракция

Важно: Давление в конденсаторе должно строго контролироваться, иначе процесс нарушается.

Адсорбционные ВРУ: принцип PSA

Адсорбционные установки работают при комнатной температуре, используя давление для разделения газов. Сжатый воздух проходит через адсорберы с цеолитами, которые селективно поглощают кислород, оставляя азот. Второй адсорбер регенерируется сбросом давления.

Цикл длится минуты: под давлением (5–10 бар) кислород адсорбируется, азот выходит продуктом. При сбросе адсорбент очищается. Установки автоматизированы, подходят для газообразного азота чистотой 95–99,9%. Они компактны, не требуют криогеники и легко монтируются в цехах.

Преимущества и особенности:

• Полная автоматика с режимом ожидания.
• Производительность от 1 до 1000 м³/ч.
• Срок службы адсорбента — до 20 лет без замены.
• Низкие энергозатраты по сравнению с криогенными.

Параметр	Значение
Чистота азота	95–99,9%
Давление воздуха	5–10 бар
Цикл регенерации	2–10 минут

Ключевой плюс: Нет нужды в сложном охлаждении, но чистота ниже криогенных аналогов.

Мембранные установки для азота

Мембранные ВРУ разделяют газы за счет разницы скоростей проникновения через полимерные мембраны. Кислород проходит быстрее под перепадом давления, азот остается в пермеате. Это простой метод для средних объемов азота до 99,5% чистоты.

Воздух сжимается до 7–12 бар, очищается и подается на мембрану. Процесс непрерывный, без движущихся частей. Установки компактны, дешевы в обслуживании, но ограничены по чистоте и производительности. Идеальны для локального производства на месте.

Основные характеристики:

• Чистота азота: до 99,5%.
• Нет регенерации, низкие затраты.
• Подходят для пищевой и легкой промышленности.
• Минус: чувствительны к качеству воздуха.

Что дает выбор типа ВРУ

Разные типы ВРУ подходят под конкретные нужды: криогенные — для полного спектра газов в больших объемах, адсорбционные и мембранные — для азота в малом и среднем масштабе. Каждый метод балансирует между чистотой, стоимостью и сложностью.

В промышленности часто комбинируют типы для оптимизации. Например, в нефтегазе криогенные ВРУ обеспечивают кислород для сварки, а адсорбционные — инертный азот для хранения. Стоит учитывать энергопотребление и пространство при выборе.