Проєктування ефективних газових систем: професійний підхід Анатолія Псатія

Криптоном заповнюють простір між шибками енергоощадних вікон, а неон застосовують як буферний газ у лазерах для фотолітографії під час виробництва мікросхем. Неон і криптон отримують із повітря, однак їхня концентрація в ньому дуже низька. Вміст неону становить близько 0,0018%, а криптону приблизно 0,00011%. Тому через втрати під час очищення потрібно переробляти більше повітря, що збільшує витрати й тривалість виробництва.

Установка для виділення та повторного використання цих газів працює за глибокого охолодження і підвищеного тиску. Кінцевий продукт має відповідати жорстким вимогам до чистоти. Відхилення від робочих параметрів може призвести до втрати дорогого газу або позапланової зупинки виробництва. Під час тривалої експлуатації система стабільно підтримує необхідні показники навіть за коливань складу вихідної сировини.

Інженер Анатолій Псатій спеціалізується на проєктуванні обладнання для виділення, очищення та повторного використання рідкісних і технічних газів. Він розробляє ректифікаційні колони, у яких газові суміші розділяються на окремі компоненти завдяки різниці температур кипіння, а також адсорбційні системи для видалення домішок. Регенерація відновлює властивості адсорбенту для подальшого використання. Через високу вартість і обмежену доступність газів точність розрахунків та надійність обладнання безпосередньо впливають на виробничі витрати. На прикладі проєкту, який він розпочав у 2020 році, дізнаємося, як працює система очищення та повторного використання рідкісних газів і які інженерні рішення забезпечують її стабільність.

Діагностика перед рішенням

Перш ніж запропонувати зміну в конструкції або режимі роботи установки, Анатолій перевіряє температуру, витрату газу, коливання тиску та стан обладнання. Зіставлення цих показників допомагає простежити зв’язок між відхиленнями на різних етапах технологічного процесу та визначити причину збоїв.

Хроматографічний аналіз відпрацьованої газової суміші показує її склад, зокрема вміст азоту, аргону, кисню та інших домішок. На підставі отриманих результатів інженер обирає схему очищення та розраховує температурний режим колони з урахуванням робочого тиску і фазових властивостей кожного компонента.

Такий підхід він застосував, коли на поверхнях теплообмінного обладнання почала утворюватися тверда фаза ксенону. Це порушувало роботу вузла, а під час перепадів навантаження оператору доводилося вручну змінювати режим. Щоб усунути проблему, фахівець переробив конструкцію конденсатора й додав проміжний теплоносій. Після модернізації ксенон перестав замерзати, а вузол почав стабільно працювати за змінного навантаження. У нових проєктах винахідник аналізує взаємодію всіх частин системи, перш ніж змінювати окремі елементи.

Автоматизований контроль і безпека

Установки для розділення інертних газів працюють за підвищеного тиску та низьких температур. За таких умов відхилення технологічних параметрів створює ризик для обладнання. Різкі коливання тиску навантажують ректифікаційну колону, а надмірне охолодження може спричинити замерзання цільового компонента у трубопроводі. За порушення роботи адсорберів недостатньо очищений газ може потрапити до наступного вузла. Фахівець передбачає автоматизований контроль усіх показників і якості очищення на кожному етапі. Автоматика безперервно підтримує необхідний режим без постійного втручання оператора.

В установці працюють два адсорбери, які по черзі очищують газ. Поки перший затримує домішки з газового потоку, у другому відбувається регенерація адсорбенту. Під час цього процесу система нагріває матеріал до 120–130 °C, звільняє його від накопичених речовин і відновлює здатність до очищення. Адсорбери змінюються ролями раз на тиждень або частіше, що забезпечує безперервну роботу установки.

Перед випуском хроматограф перевіряє склад готового газу та визначає концентрацію залишкових домішок, яка має становити 30–50 часток на мільйон. Окремий етап стосується підготовки балонів. Перед заповненням вакуумна система відкачує з них повітря та створює всередині глибокий вакуум.

Вдвічі менше енергії

Питоме енергоспоживання системи, розробленої інженером, становить 500–600 кВт·год на кубічний метр відновленого газу. Без повернення відпрацьованої суміші цей показник сягає 1000–1200 кВт·год на такий самий обсяг. Отже, установка Анатолія споживає приблизно вдвічі менше електроенергії.

Після очищення газ знову надходить у виробничий цикл, тому підприємству не потрібно отримувати еквівалентний обсяг із нової сировини. Автоматизована регенерація адсорберів та оптимізоване керування процесом додатково зменшують споживання енергії на підтримання заданого режиму. Повторне використання також скорочує втрати цільового газу більш ніж на 70% порівняно зі схемою, за якої відпрацьовану суміш утилізують без подальшої переробки.

Енерговитрати на очищення та відновлення безпосередньо впливають на собівартість криптону й ксенону. Ксенон-129 застосовують у спеціалізованій МРТ легень, а ксенон слугує робочим тілом в електрореактивних двигунах космічних апаратів.

На прохання іншого підприємства Псатій використав цей метод аналізу й оптимізації на об’єкті з іншою конфігурацією обладнання та вихідними параметрами. Модернізація підвищила енергоефективність на 15%, скоротила втрати цільового газу на 20% і зменшила експлуатаційні витрати на 12%. Результати другого проєкту підтвердили можливість адаптувати розроблені рішення до різних виробничих умов.

Критичні матеріали

Без криптону та ксенону неможливе сучасне виробництво мікросхем, лазерної техніки, медичного обладнання й аерокосмічних систем, тому обидва гази належать до критичних матеріалів. Постачання цих газів залежить майже виключно від переробки повітря. Бойові дії в Україні призвели до зупинки виробництва кисню на металургійних підприємствах, де криптон і ксенон отримують як супутній продукт, і це додатково скоротило їхню світову пропозицію.

Напівпровідникова галузь США залежить від тих самих газів, тому питання їхньої доступності регулює національне законодавство. Закон CHIPS and Science Act, ухвалений у 2022 році, визначає зміцнення внутрішніх поставок дефіцитних газів для виробництва мікросхем національним пріоритетом. Методика, яку Псатій відпрацював на конкретному промисловому об’єкті, підходить і для газопереробної інфраструктури в інших країнах, де так само актуальні зниження залежності від імпорту рідкісних газів і модернізація застарілих систем очищення, зокрема у США.

Перевірено практикою

Фактичні умови виробництва можуть відрізнятися від початкових параметрів. Анатолій супроводжує кожен проєкт від перших розрахунків до введення обладнання в експлуатацію. Після запуску він порівнює отримані показники з очікуваними та перевіряє стабільність системи під час щоденної роботи. Отримані показники додатково перевіряє комісія профільного галузевого об’єднання виробників технічних газів. Це дає незалежне підтвердження результатів окрім внутрішньої звітності самого підприємства.

Під час проєктування однієї з ректифікаційних колон фахівець розглянув кілька видів насадки. Це внутрішнє наповнення створює контакт між газовою та рідкою фазами й впливає на розділення суміші. Він порівняв варіанти за ефективністю масообміну, опором газовому потоку та чистотою отриманих компонентів. За результатами виробничих випробувань інженер обрав для колони очищення криптону насадку китайського виробництва розміром 8×8 мм і питомою поверхнею 1100 м²/м³, яка найкраще відповідала вимогам установки.

Попит на гелій, неон, криптон і ксенон зростає, а їхня природна концентрація в повітрі лишається незмінною, тому здатність повертати ці гази у виробничий цикл з мінімальними втратами й економним споживанням енергії цінна для будь-якого підприємства в цій галузі, незалежно від країни. Анатолій Псатій планує й далі розвивати цей напрям, адаптуючи розроблені рішення до модернізації застарілих газових систем і підвищення надійності критично важливої інфраструктури на нових виробничих майданчиках.