Бизнес по производству технических газов уникален. Не только потому, что исходный материал — это атмосферный воздух, которым мы дышим. То есть за сырье никому не надо платить и его ресурс практически неистощим. Но и потому, что после использования и переработки технические газы вновь возвращаются в атмосферу. В технических газах нуждаются металлургия и пищевая промышленность, атомная энергетика, косметология, здравоохранение и космическая отрасль. Ни одна ракета не полетит без топлива, в качестве которого используются жидкий кислород, водород или азот, которые извлекаются опять же из воздуха. Причем атмосферный воздух действительно дорог. Например, 1 куб. м ксенона, очень редкого газа, стоит до $20 тыс.
Фото: «Криогенмаш»
Продукты
К техническим и медицинским газам относятся кислород (О2), азот (N2), аргон (Ar), водород (H2), углекислый газ (CO2) и различные смеси на их основе. К редким (благородным/инертным) газам относятся гелий (He), ксенон (Xe), криптон (Xr), неон (Ne).
Криптон и ксенон получают в промышленности как побочный продукт разделения воздуха на кислород и азот. Криптон — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Входит в группу инертных газов в периодической таблице. В 1 куб. м воздуха содержится около 1 куб. см криптона. Получение криптона из воздуха энергоемко — так, для получения единицы объема криптона ректификацией ожиженного воздуха нужно переработать более 1 млн единиц объемов воздуха. Ксенон — благородный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Ксенон — весьма редкий элемент. При нормальных условиях 1 тыс. куб. м воздуха содержит около 87 куб. см ксенона. Из-за своей малой распространенности ксенон гораздо дороже более легких инертных газов: 1 куб. м чистого ксенона может стоить до $20 тыс.
Потребители
Кислород и аргон широко применяются в цветной и черной металлургии. Использование кислорода изменило теплотехнические параметры и технико-экономические показатели металлургических процессов. При продувке кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, снижаются выбросы вредных газов, в металлургических агрегатах становится возможным получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих специальное техническое применение) и др. Также кислород широко применяется в медицине, химической промышленности, нефтедобыче, для очистки сточных вод, газификации твердого топлива и т. д.
Основная часть добываемого азота используется для промышленного производства аммиака, который затем в значительных количествах перерабатывается в азотную кислоту, удобрения и т. д. Азот применяют во многих отраслях промышленности: как инертную среду при разнообразных химических и металлургических процессах, при перекачке горючих жидкостей, как безопасный рабочий агент при газлифтном способе добычи нефти, для замораживания прорыва при авариях на нефтепроводах, для тушения пожаров на нефтяных и газовых скважинах, в медицине для сохранения крови, быстрого замораживания и хранения тканей, различных органов, в пищевой промышленности для заморозки, транспортировки и хранения пищевых продуктов и др. В защитной атмосфере из аргона проводят сварку различных металлов, плавку титана, вольфрама и т. д. В атмосфере аргона выращивают кристаллы полупроводниковых материалов.
Криптон используется в производстве сверхмощных эксимерных лазеров (Kr-F), в энергосберегающих лампочках, фториды криптона предложены в качестве окислителей ракетного топлива и в качестве компонента для накачки боевых лазеров. Используется в качестве заполнения пространства между стеклами в стеклопакете для придания стеклопакету повышенных теплофизических (он обладает пониженной теплопроводностью) и звукоизоляционных свойств. Стоимость чистого криптона может достигать $0,5-2 тыс. за 1 куб. м.
Ксенон, несмотря на высокую стоимость, абсолютно незаменим. Ксенон используют для наполнения ламп накаливания, мощных газоразрядных и импульсных источников света (высокая атомная масса газа в колбах ламп препятствует испарению вольфрама с поверхности нити накаливания). Радиоактивные изотопы (127Xe, 133Xe, 137Xe, и др.) ксенона применяют в качестве источников излучения в радиографии и для диагностики в медицине, для обнаружения течи в вакуумных установках. Фториды ксенона используют для пассивации металлов. Ксенон как в чистом виде, так и с небольшой добавкой паров цезия-133 является высокоэффективным рабочим телом для электрореактивных (главным образом ионных и плазменных) двигателей космических аппаратов. В конце XX века был разработан метод применения ксенона в качестве средства для общего наркоза и обезболивания. Первые диссертации о технике ксенонового наркоза появились в России в 1993 году. В 1999-м ксенон был разрешен к медицинскому применению в качестве средства для общего ингаляционного наркоза. В наши дни ксенон проходит апробацию в лечении зависимых состояний. Жидкий ксенон иногда используется как рабочая среда лазеров. Фториды и оксиды ксенона предложены в качестве мощнейших окислителей ракетного топлива, а также компонентов газовых смесей для лазеров. В изотопе ксенона 129Xe возможно поляризовать значительную часть ядерных спинов для создания состояния с сонаправленными спинами, называемого гиперполяризацией. Также ксенон используется для транспортировки фтора, проявляющего сильные окисляющие свойства.
Технологии
Выбор способа разделения воздуха определяется характеристиками продукта, которые желает получить заказчик. К таким характеристикам относятся прежде всего производительность и качество продукта (состав газа) для конечного потребления. В зависимости от требуемых объемов и чистоты газов используют три основных типа оборудования для их получения.
Криогенные воздухоразделительные установки — установки высокой производительности, предназначенные для комплексного разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации с целью получения кислорода, азота, аргона и редких газов (криогенная технология). Применяются для комплексного извлечения чистых продуктов (кислород, азот, аргон) в газообразном, жидком состоянии или в смешанном режиме производства. Максимальная чистота продукта приближается к 100%. Производительность криогенных установок варьируется в пределах от 50 куб. м/ч до 100 тыс. куб. м/ч по кислороду (по азоту иногда реализуются проекты с большей производительностью).
Мембранные газоразделительные установки (МВА) и установки короткоцикловой адсорбции (КЦА) — установки средней и малой производительности, предназначенные для разделения воздуха и газовых смесей, основанные на избирательной проницаемости газов при прохождении через специальную полимерную мембрану под действием перепада давлений (МВА) или использовании специальных поглощающих веществ — адсорбентов (КЦА). Помимо оборудования для получения технических газов составной частью производственного комплекса, как правило, является оборудование для хранения, транспортировки и газификации технических газов, которые могут находиться в жидком (криогенном) или газообразном (под давлением) состоянии. Причем с помощью мембранных технологий возможно получение азота газообразного.
Некриогенные технологии разделения воздуха основаны на применении мембран или сорбентов (короткоцикловые установки). Короткоцикловые технологии позволяют получать как кислород, так и азот, но для каждого продукта необходимо создавать отдельную установку, поскольку для каждого продукта используется свой сорбент. Качество газа (по содержанию основного продукта) в режиме с максимальной производительностью ограничено, как правило, уровнем 94-96%. Дальнейшее повышение качества продукта сопровождается значительным снижением производительности и увеличением удельного расхода электроэнергии. Размеры некриогенных воздухоразделительных установок определяются производительностью и ограничены, как правило, уровнем 8 тыс. куб. м/ч для короткоцикловых установок и 2 тыс. куб. м/ч для мембранных установок.
подпись
Система криогенного обеспечения "Токамак 7" (на снимке) была создана на "Криогенмаше" еще в 1978 году для первой в мире крупной тороидальной установки для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. За прошедшие более чем тридцать лет научные компетенции компании не утеряны, о чем свидетельствует участие ее специалистов на этот раз в международном проекте термоядерного реактора ИТЭР. "Криогенмаш" разработает и изготовит четыре стенда для натурных испытаний порт-плагов, которые необходимы для диагностики плазмы в термоядерном реакторе