Азот, кислород, инертные газы — все это ценнейшие материалы для химической промышленности, других видов производств, а также медицины. Сырье для их получения не надо добывать из недр: их источник — атмосферный воздух, который постоянно окружает нас. В нем 21% кислорода, 78% азота, кроме этого в атмосфере присутствует углекислый газ и смесь прочих газов. Однако чтобы выделить из природной смеси продукт в чистом виде, необходимо создать целое производство. Посмотреть на одно из таких производств нас пригласила компания Air Liquide.
Air Liquide: как из воздуха добывают азот и кислород

Air Liquide — старейшая французская фирма, созданная в 1902 году. Ее основателем стал Жорж Клод — бизнесмен и предприниматель, получивший неофициальный титул «французского Эдисона». Ему принадлежит множество изобретений, среди которых, например, неоновая реклама. Однако, пожалуй, главным его достижением следует считать разработку технологии сжижения воздуха с последующим разделением его на составляющие газы. С тех пор технология развивалась и совершенствовалась, и в наши дни Air Liquide работает по всему миру, в том числе и в России. Одно из производств по разделению воздуха со­здано вблизи города Кстово Нижегородской области. Предприятие занимает небольшую территорию и обслуживает в основном находящееся рядом химическое производство. В частности, азот используется для продувания объемов, где могут скопиться взрывоопасные смеси. Производство поставляет заказчику кислород, азот и аргон как в сжиженной, так и в газообразной форме.

Как это устроено Как это устроено 1. Охлаждение воздуха и производство чистого азота. Входящий воздух сжимается до давления около 6,7 бар. Из воздуха удаляется вода и CO2, чтобы избежать их замерзания в теплообменнике. Воздух проходит через теплообменник и поступает в нижнюю часть колонны среднего давления при температуре -173 градуса. Некоторое количество жидкого азота из основного конденсатора-испарителя спускается вниз по колонне. Этот встречный поток заставляет кислород и аргон конденсироваться, отделяясь от идущего вверх пара. В результате жидкость, содержащая в основном кислород, скапливается на дне колонны высокого давления, откуда поступает в колонну низкого давления. Результат: При давлении 6 бар производится чистый азот. Другая его часть конденсируется в основном конденсаторе-испарителе. 2. Жидкость, богатая кислородом, охлаждается путем снижения давления. Она подается в среднюю часть колонны низкого давления и стекает вниз, после чего попадает в основной конденсатор-испаритель. Здесь она закипает, так что азот и аргон (наиболее легкие компоненты), а также некоторое количество кислорода начинает подниматься вверх. Спускающийся навстречу холодный жидкий азот заставляет конденсироваться идущий вверх кислород, и тот стекает на дно колонны в виде жидкости. Аргон аккумулируется где-то на трети пути вверх, имея при этом 10%-ную чистоту. Если производство требует получение чистого аргона, он откачивается в другую, специальную колонну. Холодный неиспользованный азот возвращается в атмосферу через теплообменник. Результат: производится чистый кислород при температуре -179 градусов и давлении 1,6 бар. 3. Циклический процесс для экономного использования энергии. Цикл начинается заново — это основное изобретение Жоржа Клода. Газообразный азот выходит из колонны среднего давления и проходит через расширитель, где давление падает с 6 до 1 бара. В результате температура падает, и входящий воздух охлаждается в теплообменнике до -173 градусов перед вхождением в колонну среднего давления. Основной испаритель отмечен «*». Испаритель оказывает двойной эффект: 1. Газообразный азот попадает в этот теплообменник при температуре -177 градусов. Поскольку азот немного «теплее» жидкого кислорода в колонне низкого давления (-179 градусов), он заставляет выкипать более легкие фракции, очищая кислород. 2. При температуре -179 градусов жидкий кислород на дне колонны низкого давления сжижает азот при давлении 6,7 бар, так как под давлением температура кипения азота становится значительно выше. Дальше жидкий азот разделяется на два потока и подается в верхнюю часть колонны низкого давления и колонны среднего давления.

Процесс производства основан на базовых принципах физики. Воздух забирается из атмосферы, нагнетается в установку с помощью компрессоров, в результате чего возрастает его давление, очищается с помощью адсорбента от водяных паров и углекислого газа и охлаждается в теплообменнике путем испарения жидкого азота.

Процесс разделения газов с точки зрения технологии — это обычная ректификация, то есть разделение жидкой смеси на фракции, каждая из которых имеет свою температуру кипения. При повышении давления температура кипения растет, при понижении давления она падает.

Статья «Секрет добычи газов» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2015).