ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ МЕТОДІВ РОЗДІЛЕННЯ ПОВІТРЯ ДЛЯ МАЛОТОННАЖНОГО ВИРОБНИЦТВА КИСНЮ

Анотація

У статті проведено системний порівняльний аналіз трьох основних методів розділення повітря — кріогенного, адсорбційного (КЦА) та мембранного — з метою визначення їх придатності для малотоннажного виробництва технічного кисню під тиском 160 бар. Показано, що мембранний метод принципово не дозволяє отримати кисень чистотою вище 60%, а адсорбційні установки потребують дорогого кисневого компресора для досягнення необхідного тиску, що суттєво погіршує їхню економіку у малотоннажному сегменті. Лише кріогенний метод забезпечує концентрацію кисню 99,7% і вище при коефіцієнті вилучення понад 40%, що є необхідною умовою для заправки балонів. Для реалізації обрано схему з надлишковим зворотнім циклом, в якій рідкий азот із зовнішньої ємності виступає єдиним джерелом холоду, що дозволяє відмовитися від компресора середнього тиску та детандера — найдорожчих вузлів класичних повітророздільних установок. Проведено тепловий розрахунок основного пластинчасто-ребристого теплообмінника з побудовою Q-T та Q-(1/T) діаграм, розраховано матеріальні та теплові баланси нижньої (~6 бар) та верхньої (~1,3 бар) ректифікаційних колон. Досліджено три режими роботи з витратами рідкого азоту 10, 13 і 17 кг/год. Встановлено, що оптимальним є режим із витратою 13 кг/год, який забезпечує продуктивність по газовому кисню 34,73 м³/год при питомих витратах електроенергії 0,88 кВт·год/кг. Техніко-економічне обґрунтування підтвердило рентабельність 35% і термін окупності 2,83 року, що є конкурентоспроможним показником. Обґрунтовано, що установки на основі надлишкового зворотного циклу є економічно привабливою і технічно досяжною альтернативою адсорбційним системам у ніші малотоннажного виробництва кисню високої чистоти під тиском.