В МРТ-томографах жидкий гелий охлаждает сверхпроводящий магнит, создающий поле для формирования изображений. Другие редкие газы также используются в технологиях, с которыми люди сталкиваются каждый день.
Криптоном заполняют пространство между створками энергосберегающих окон, а неон используют в качестве буферного газа в лазерах для фотолитографии при производстве микросхем. Неон и криптон получают из воздуха, однако их концентрация в нём очень низкая. Содержание неона составляет около 0,0018%, а криптона — примерно 0,00011%. Поэтому из-за потерь при очистке приходится перерабатывать больше воздуха, что увеличивает затраты и продолжительность производства.
Установка для извлечения и повторного использования этих газов работает в условиях глубокого охлаждения и повышенного давления. Конечный продукт должен соответствовать строгим требованиям к чистоте. Отклонение от рабочих параметров может привести к потере дорогостоящего газа или внеплановой остановке производства. В ходе длительной эксплуатации система стабильно поддерживает необходимые показатели даже при колебаниях состава исходного сырья.
Инженер Анатолий Псатий специализируется на проектировании оборудования для извлечения, очистки и повторного использования редких и технических газов. Он разрабатывает ректификационные колонны, в которых газовые смеси разделяются на отдельные компоненты благодаря разнице температур кипения, а также адсорбционные системы для удаления примесей. Регенерация восстанавливает свойства адсорбента для дальнейшего использования. Из-за высокой стоимости и ограниченной доступности газов точность расчетов и надежность оборудования напрямую влияют на производственные затраты. На примере проекта, который он начал в 2020 году, мы узнаем, как работает система очистки и повторного использования редких газов и какие инженерные решения обеспечивают её стабильность.
Диагностика перед принятием решения
Прежде чем предложить изменение в конструкции или режиме работы установки, Анатолий проверяет температуру, расход газа, колебания давления и состояние оборудования. Сравнение этих показателей помогает проследить связь между отклонениями на разных этапах технологического процесса и определить причину сбоев.
Хроматографический анализ отработанной газовой смеси показывает её состав, в частности содержание азота, аргона, кислорода и других примесей. На основании полученных результатов инженер выбирает схему очистки и рассчитывает температурный режим колоны с учётом рабочего давления и фазовых свойств каждого компонента.
Такой подход он применил, когда на поверхностях теплообменного оборудования начала образовываться твёрдая фаза ксенона. Это нарушало работу узла, а при перепадах нагрузки оператору приходилось вручную менять режим. Чтобы устранить проблему, специалист переработал конструкцию конденсатора и добавил промежуточный теплоноситель. После модернизации ксенон перестал замерзать, а узел начал стабильно работать при переменной нагрузке. В новых проектах изобретатель анализирует взаимодействие всех частей системы, прежде чем изменять отдельные элементы.
Автоматизированный контроль и безопасность
Установки для разделения инертных газов работают при повышенном давлении и низких температурах. В таких условиях отклонения технологических параметров создают риск для оборудования. Резкие колебания давления создают нагрузку на ректификационную колонну, а чрезмерное охлаждение может привести к замерзанию целевого компонента в трубопроводе. При нарушении работы адсорберов недостаточно очищенный газ может попасть в следующий узел. Специалист предусматривает автоматизированный контроль всех показателей и качества очистки на каждом этапе. Автоматика непрерывно поддерживает необходимый режим без постоянного вмешательства оператора.
В установке работают два адсорбера, которые поочередно очищают газ. Пока первый задерживает примеси из газового потока, во втором происходит регенерация адсорбента. В ходе этого процесса система нагревает материал до 120–130 °C, освобождает его от накопленных веществ и восстанавливает способность к очистке. Адсорберы меняются ролями раз в неделю или чаще, что обеспечивает непрерывную работу установки.
Перед отгрузкой хроматограф проверяет состав готового газа и определяет концентрацию остаточных примесей, которая должна составлять 30–50 частей на миллион. Отдельный этап посвящён подготовке баллонов. Перед наполнением вакуумная система откачивает из них воздух и создает внутри глубокий вакуум.
Вдвое меньше энергии
Удельное энергопотребление системы, разработанной инженером, составляет 500–600 кВт·ч на кубический метр восстановленного газа. Без рециркуляции отработанной смеси этот показатель достигает 1000–1200 кВт·ч на тот же объем. Таким образом, установка Анатолия потребляет примерно в два раза меньше электроэнергии.
После очистки газ вновь поступает в производственный цикл, поэтому предприятию не требуется добывать эквивалентный объём из нового сырья. Автоматизированная регенерация адсорберов и оптимизированное управление процессом дополнительно снижают потребление энергии для поддержания заданного режима. Повторное использование также сокращает потери целевого газа более чем на 70 % по сравнению со схемой, при которой отработанную смесь утилизируют без дальнейшей переработки.
Энергозатраты на очистку и регенерацию напрямую влияют на себестоимость криптона и ксенона. Ксенон-129 применяется в специализированной МРТ легких, а ксенон служит рабочим средством в электрореактивных двигателях космических аппаратов.
По просьбе другого предприятия Псатий применил этот метод анализа и оптимизации на объекте с иной конфигурацией оборудования и исходными параметрами. Модернизация повысила энергоэффективность на 15%, сократила потери целевого газа на 20% и снизила эксплуатационные расходы на 12%. Результаты второго проекта подтвердили возможность адаптации разработанных решений к различным производственным условиям.
Критические материалы
Без криптона и ксенона невозможно современное производство микросхем, лазерной техники, медицинского оборудования и аэрокосмических систем, поэтому оба газа относятся к критически важным материалам. Поставки этих газов зависят почти исключительно от переработки воздуха. Боевые действия в Украине привели к остановке производства кислорода на металлургических предприятиях, где криптон и ксенон получают в качестве побочного продукта, и это дополнительно сократило их мировое предложение.
Полупроводниковая отрасль США зависит от тех же газов, поэтому вопрос их доступности регулируется национальным законодательством. Закон CHIPS and Science Act, принятый в 2022 году, определяет укрепление внутренних поставок дефицитных газов для производства микросхем национальным приоритетом. Методика, которую Псатий отработал на конкретном промышленном объекте, подходит и для газоперерабатывающей инфраструктуры в других странах, где столь же актуальны снижение зависимости от импорта редких газов и модернизация устаревших систем очистки, в частности в США.
Проверено на практике
Фактические условия производства могут отличаться от исходных параметров. Анатолий сопровождает каждый проект от первых расчетов до ввода оборудования в эксплуатацию. После запуска он сравнивает полученные показатели с ожидаемыми и проверяет стабильность системы в ходе ежедневной работы. Полученные показатели дополнительно проверяет комиссия профильного отраслевого объединения производителей технических газов. Это дает независимое подтверждение результатов в дополнение к внутренней отчетности самого предприятия.
При проектировании одной из ректификационных колонн специалист рассмотрел несколько видов насадок. Эта внутренняя насадка обеспечивает контакт между газовой и жидкой фазами и влияет на разделение смеси. Он сравнил варианты по эффективности массообмена, сопротивлению газовому потоку и чистоте получаемых компонентов. По результатам производственных испытаний инженер выбрал для колоны очистки криптона насадку китайского производства размером 8×8 мм и удельной поверхностью 1100 м²/м³, которая наилучшим образом соответствовала требованиям установки.
Спрос на гелий, неон, криптон и ксенон растёт, а их естественная концентрация в воздухе остается неизменной, поэтому способность возвращать эти газы в производственный цикл с минимальными потерями и экономным потреблением энергии ценна для любого предприятия в этой отрасли, независимо от страны. Анатолий Псатий планирует и дальше развивать это направление, адаптируя разработанные решения к модернизации устаревших газовых систем и повышению надёжности критически важной инфраструктуры на новых производственных площадках.