Адсорбционные воздухоразделительные установки для получения газообразного и жидкого азота

Ю.В. Никифоров, А.А. Казакова, М.Б. Алёхина

Адсорбционные воздухоразделительные   
установки для получения   
газообразного и жидкого азота  

Учебное пособие

2-е издание, исправленное

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

 

УДК 541.183 
ББК 24.5я7 
        Н62 

 
 

 
Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/57/book2009.html 
 
Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Холодильная, криогенная  техника,  
системы кондиционирования и жизнеобеспечения» 

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
 
Рецензенты:  
д-р физ.-мат. наук А.А. Фомкин; канд. техн. наук С.Д. Глухов 
 

   Никифоров, Ю. В. 
Адсорбционные воздухоразделительные установки для получения газообразного и жидкого азота : учебное пособие  /       
Ю. В. Никифоров, А. А. Казакова, М. Б. Алёхина.  2-е изд., 
испр. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 
61, [3] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5162-3  

Учебное пособие посвящено проектированию воздухоразделительных адсорбционных установок. Кратко изложены теоретические 
основы адсорбционных технологий и приведены примеры расчетов 
адсорбционных аппаратов. 

 
 
 
УДК 541.183 
ББК 24.5я7 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019, 
с изменениями 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-5162-3                                           МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019 

 Н62 

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 
направлениям подготовки 16.03.03, 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения», 
18.04.01 «Химическая технология» и специальности 16.05.01 «Специальные системы жизнеобеспечения». 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие разработано кафедрой Э4 «Холодильная, 

криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с кафедрой «Технология 
неорганических веществ» РХТУ им. Д.И. Менделеева в соответствии с Самостоятельно устанавливаемым образовательным стандартом (СУОС) МГТУ им. Н.Э. Баумана, основной профессиональной образовательной программой по направлению подготовки: 

16.03.03, 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника, системы 

кондиционирования и жизнеобеспечения»; 

18.04.01 «Химическая технология»; 
и специальности 16.05.01 «Специальные системы жизнеобес
печения». 

Учебное пособие предназначено для приобретения навыков 

расчета и проектирования воздухоразделительных адсорбционных 
установок. В нем изложена технология адсорбционного разделения 
воздуха и дано описание установок для ее реализации. Рассмотрены 
типы адсорбентов, применяемых для этой цели, и механизмы 
адсорбционного разделения газовых смесей. По представленным 
теоретическим описаниям процесса изложена методика расчета адсорбционных аппаратов для установок типа АВРУ-А. 

Учебное пособие может быть использовано при самостоятель
ной подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Криогенные сорбционные установки». Рассмотренные в нем теоретические 

чении дисциплин «Установки ожижения и разделения газовых 
смесей», «Основы теории специальных систем жизнеобеспечения» 
и могут быть полезны при изучении дисциплин «Тепломассообменные устройства», «Приборы и техника эксперимента» и др. 

основы адсорбционных технологий также используются при изу

ВВЕДЕНИЕ 

В промышленности основные объемы азота и кислорода получают методом сжижения воздуха и его ректификации. Попутно при 
ректификации воздуха выделяют аргон, криптоно-ксеноновую фракцию и неоно-гелиевую смесь. Важная область применения азота — 
использование для дальнейшего синтеза таких соединений, как аммиак, азотная кислота, удобрения, взрывчатые вещества и  т. д.  

Промышленное применение газообразного азота  обусловлено 

его химической инертностью. Так, путем замещения кислорода 
азотом можно предотвратить процессы окисления, гниения (размножения бактерий),  уменьшить или исключить риск возгорания 
или взрыва. Газообразный азот также находит применение в разнообразных химических и металлургических процессах, для заполнения свободного пространства  контейнеров из-под горючих 
материалов и в ртутных термометрах, при перекачке горючих 
жидкостей и т. д. Жидкий азот используют в различных холодильных установках. Его хранят и транспортируют в стальных сосудах 
Дьюара, газообразный азот в сжатом виде — в баллонах.  

Особенность низкотемпературных процессов ректификации 

воздуха — зависимость удельных энергозатрат от производительности. По мере снижения производительности габариты установки 
уменьшаются, увеличивается его удельная поверхность, растут потери холода в окружающую среду и, как следствие, повышаются 
удельные затраты энергии. Поэтому в промышленности используют установки низкотемпературного разделения воздуха больших 
габаритов. 
Для малых и средних объемов потребления предназначены адсорбционные генераторы азота и кислорода, где разделение воздуха 
осуществляется при комнатной температуре. Сегодня это промышленно освоенный процесс, который положен в основу выпуска     
серийных установок. Существует два процесса адсорбционного  
разделения воздуха: адсорбция на цеолитах и адсорбция на углеродных молекулярных ситах (УМС), которые различаются тем,    

что в первом происходит селективная адсорбция азота с обогащением газовой фазы кислородом, а во втором — селективная адсорбция 
кислорода с обогащением газовой фазы азотом. 
Адсорбционные  воздухоразделительные установки  для получения азота  (АВРУ-А) эксплуатируют в химической, нефтехимической, нефтегазовой, пищевой и фармацевтической отраслях, в металлообработке (тепловая обработка металлов, лазерная резка металлов, 
формовка некоторых пластиков), а также в электронной промышленности. Их широкое применение обусловлено следующими преимуществами: быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными 
блоками; возможность изменения режима работы, производительности и чистоты азота  в зависимости от  нужд потребителя; простое 
аппаратурное оформление; небольшие затраты на обслуживание; более низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями. Производительность  таких установок изменяется в диапазоне 2,8…1 700 ндм3/с (или 10…6 000 нм3/ч); остаточное содержание 
кислорода в азоте  — 0,0005…5 % (об.); избыточное давление         
азота —  0,5…1,0 МПа.  
В состав АВРУ для получения азота  (рис. В1) входят воздушный компрессор, блок воздухоподготовки, адсорбционный газоразделительный блок и система управления установкой. 
 

 

Рис. В1. Адсорбционные воздухоразделительные  установки, выпускаемые компанией «Грасис» (чистота азота — до 99,9995 % (об.), производительность — до 5 000 нм3/ч) 

Выпускаются также мобильные азотные станции, смонтированные в контейнере (рис. В2), которые позволяют развернуть 
полный цикл производства азота из атмосферного воздуха и закачки его в баллоны на месте. 

 
Рис. В2. Мобильная азотная станция  
 
 
В настоящее время АВРУ-А по производительности и чистоте 
продуцируемого азота становятся альтернативным вариантом 
криогенных воздухоразделительных установок (ВРУ-А).  В России 
основными производителями АВРУ-А являются компания «Грассис» (на базе НПО «Гелиймаш»), ОАО «НПО «Криогенмаш», 
«Провита» и др. 
 
  

1. ТЕХНОЛОГИЯ АДСОРБЦИОННОГО  
ВОЗДУХОРАЗДЕЛЕНИЯ И УСТАНОВКИ  
ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ 

Технологией адсорбционного воздухоразделения называют 
последовательность физико-химических процессов, используемых 
в установке для разделения воздуха, и их совокупность. При этом 
учитывают особенности применяемых процессов и их влияние на 
принципиальную схему установки, ее массогабаритные  показатели и энергопотребление. 
Под технологией АВРУ понимают: 
способ регенерации адсорбента; 
режим получения продукта —  менее сорбируемый компонент 
(МСК) в режиме адсорбции или более сорбируемый компонент 
(БСК) в режиме десорбции; 
цикличность работы установки и число адсорбционных аппаратов (адсорберов). 

1.1. Адсорбционные установки очистки  
и разделения газовых смесей  
с безнагревной регенерацией адсорбента 
 
Адсорбционные процессы очистки и разделения газовых смесей основаны на преимущественном поглощении отдельных компонентов смеси слоем адсорбента. После насыщения адсорбента 
поглощаемым компонентом  выполняют регенерацию адсорбента 
(полное или частичное удаление поглощенных веществ из твердой 
фазы). Для осуществления этого процесса необходимо подвести 
энергию в виде теплоты (нагревная технология) или работы (безнагревная технология). 
В 1960 г. Ч. Скарстром опубликован патент, который фактически послужил началом промышленного производства адсорбционных установок непрерывного действия для разделения воздуха.