1.3.3. Если производить азот - то каким способом?

В главе «Покупать или производить азот?» мы обозначили общие соображения, которые следует обычно принимать во внимание при оценке целесообразности перехода к самостоятельному производству азота и при расчете экономии от такого перехода (срока окупаемости азотного оборудования). Одним из первых вопросов, которые встанут перед предприятиями и организациями, желающими начать производить азот для собственных нужд самостоятельно, будет вопрос о типе установки для производства азота, который следует выбрать.

В главе «Производство азота» мы уже затронули тему промышленно используемых способов производства азота. Напомним, что все экономически оправданные способы получения азота основаны на его выделении из атмосферного воздуха, и таких способа существует три:
- фракционная перегонка сжиженного воздуха при помощи криогенных азотных линий
- задерживание молекул кислорода в порах молекулярных сит, с повторяемой регенерацией последних, в адсорбционных установках
- разделение сжатого воздуха, основанное на более легкой диффузии молекул кислорода через мембраны, в мембранных установках

Если линии для фракционной перегонки сжиженного воздуха (криогенные линии) малоактуальны для большинства даже крупных промышленных предприятий по причине высокой стоимости, избыточной технической сложности, крупных габаритов и неудобства эксплуатации и обслуживания, то адсорбционный и мембранный способы получения азота оба заслуживают внимания.

Во-первых, справедливо будет отметить, что у мембранных установок имеется ограничение по использованию, которое в части случаев может сразу сделать их применение невозможным. Этим ограничением является неспособность мембранных установок производить азот с чистотой выше 99...99,9% (у разных производителей мембран верхний декларируемый ими предел чистоты немного отличается). Поэтому, в тех случаях, когда необходима чистота азота выше этого уровня, у предприятия нет иного выбора, кроме использования адсорбционных азотных генераторов. Более того, даже при расчетной чистоте азота на уровне 99,5% те производители мембран, которые вообще говорят о возможности обеспечения этого уровня очистки от кислорода, указывают удельное потребление сжатого воздуха, на десятки процентов превышающее потребление сжатого воздуха аналогичными по обеспечиваемой чистоте азота адсорбционными установками. Поэтому, обычно, мембранные генераторы азота могут являться экономически выгодным вариантом только при необходимом уровне чистоты газа на уровне 99...99,5% или ниже.

Итак, относительные преимущества и недостатки адсорбционной и мембранной технологий производства азота:

Адсорбция	Мембранная диффузия
Плюс: легко обеспечивается стабильная чистота азота на уровне до 99,999% - следовательно, возможно использование практически в любых областях производства и непроизводственной деятельности.	Минус: чистота выше 99,5% редко даже декларируется производителями мембран. В тех случаях, когда мембранная установка способна вырабатывать азот с чистотой 99,5...99,9%, она потребляет намного больше сжатого воздуха, чем адсорбционная, что делает ее эксплуатацию экономически невыгодной.
Минус: повышенное содержание парообразной влаги вызывает снижение эффективности работы адсорбента, в связи с чем обязательно требуется установка фреонового осушителя сжатого воздуха, а лучше, для продления срока службы адсорбента, установить адсорбционный осушитель.	Плюс: наличие в сжатом воздухе парообразной влаги не регламентируется и не оказывает заметного влияния на функционирование мембран. Достаточно (причем, некоторые производители мембран даже и это не считают обязательным) установки фреонового осушителя, в более дорогом и тратящем сжатый воздух на регенерацию адсорбционном осушителе нет вообще никакой необходимости.
Плюс: малочувствительны к температуре сжатого воздуха как с точки зрения эффективности работы, так и с точки зрения износа. Подогрев сжатого воздуха не используется.	Минус: мембраны большинства производителей крайне чувствительны к температуре сжатого воздуха. Для эффективной работы требуется подогревание сжатого воздуха до +40...+55°C с помощью ТЭНов, но оно же вызывает и более быстрый износ материала мембран - безвыходная ситуация.
Минус/плюс: изменить расчетную чистоту азота сложно, для этого требуется тщательная регулировка как настроек регуляторов расхода и давления, так и изменение программируемых параметров. В то же время, неполадки в работе регуляторов маловероятны, и даже в случае возникновения обычно не приводят к скачкам чистоты газа.	Плюс/минус: как правило, пара «чистота/производительность» поддается максимально простой регулировке с помощью одного установленного на выходе из мембран регулятора расхода. В то же время, колебания давления или расхода более вероятны и вполне могут привести к падению чистоты.
Плюс: при надлежащей очистке сжатого воздуха, срок службы адсорбента составляет 10...15 лет или больше. Адсорбент нуждается в защите от компрессорного масла и жидкой влаги, но в еще большей степени в защите от масла нуждаются мембраны. Адсорбент стоит дешевле, чем мембраны, как в относительном выражении по сравнению со стоимостью всей установки, так и в абсолютном денежном выражении.	Минус: даже при надлежащей очистке сжатого воздуха, мембраны неизбежно и довольно быстро изнашиваются. Срок службы мембран обычно составляет порядка 5 лет. Мембраны еще больше подвержены повреждению маслом, чем CMS: в компрессоре желательно использовать синтетические масла, теряющие меньше тяжелых углеводородных соединений. Стоимость мембран составляет бóльшую часть цены мембранной азотной установки, а в абсолютном выражении мембранные модули также дороже, чем CMS для адсорбционного генератора аналогичной производительности. Часто, производители мембран для «компенсации» неизбежного и довольно быстрого старения мембран заранее и намеренно переразмеривают установку, однако это не является идеальным решением, т.к. приводит и к повышенному потреблению сжатого воздуха.
Минус: в адсорбционных установках имеется большее количество клапанов, обычно электромагнитных, необходимых для управления потоками сжатого воздуха и азота: 2 впускных клапана, 2 сбросных, и часто также, в зависимости от конструкции, соленоидные клапаны установлены на выходной стороне адсорберов, для перепускания азота из промежуточного ресивера обратно в адсорберы на регенерацию адсорбента и набор давления. В целом, конструкция адсорбционных установок сложнее, чем мембранных, что означает и бóльшую, при прочих равных, вероятность возникновения неполадок.	Плюс: простота конструкции с минимумом движущихся частей. Хотя в мембранных установках и возможны намеренные усложения конструкции, в принципе, для выполнения основных алгоритмов мембранному генератору нужен только 1 соленоидный клапан на входе сжатого воздуха.
Минус: малая приспособленность к монтажу в составе мобильных азотных станций. Несмотря на то, что современные адсорбционные установки для производства азота бывают не только «двухбашенными», но и значительно более компаткными мультимодульными, состоящими не из 2, а из большего числа адсорберов меньшего размера, они все же хуже приспособлены для монтажа в контейнерах, в которых обычно размещаются мобильные азотные станции, востребованные нефтедобывающей и некоторыми другими отраслями промышленности.	Плюс: мембранные модули хорошо подходят для монтажа в контейнерах и эксплуатации в составе мобильных азотных станций.

Итак, свом преимущества и недостатки имеются как у адсорбционных, так и у мембранных систем производства азота. Адсорбционные генераторы азота имеют значительно дольший прогнозиреумый срок до замены основного расходного материала (адсорбента) и не нуждаются в нагреве сжатого воздуха. Мембранные генераторы проще по конструкции, легче поддаются перенастройке на другую обеспечиваемую чистоту и менее чувствительны к температуре точки росы сжатого воздуха. Установки обоих типов очень плохо переносят попадание в них компрессорного масла.

Однако, все же, все вышеизложенные факторы в условиях и масштабах промышленного потребления азота имеют второстепенное значение по отношению к главному - расходам на электроэнергию, затрачиваемую на сжатие атмосферного воздуха в количестве и до давления, необходимым для получения одного и того же количества азота, с одинаковой чистотой и давлением, двумя или более сравниваемыми образцами адсорбционных и мембранных установок для производства азота.