1.6. Краткая история развития воздухоразделительных установок

Начало разработки первых ВРУ можно считать 1900 г., когда выдающийся немецкий ученый, доктор К. Линде, используя дроссель-эффект Джоуля-Томсона и предварительное аммиачное охлаждение впервые ожижил воздух. От производства жидкого воздуха К. Линде перешел к выделению из него кислорода. Для этого в установках им использовалась вначале дефлегмация жидкого воздуха, а несколько позднее – его разделение в колонне однократной ректификации, и затем в более эффективной колонне двукратной ректификации, которая применяется до сих пор. К. Линде стал создателем одной из известнейших компаний по производству ВРУ – «Linde AG», которая успешно действует и сейчас, выпуская самые современные и разнообразные ВРУ [1,13,24].

Другим не менее известным, первым создателем ВРУ с поршневым детандером (в 1902 – 1904 гг.) был талантливый французский инженер, в последствие академик Ж. Клод, который стал основателем фирмы «Air Liguide», которая также успешно работает до сих пор, выпуская самое современное криогенное оборудование и ВРУ [23].

В 1907 г. немецким ученым Гейляндтом был разработан поршневой детандер высокого давления и на его основе была создана воздухоразделительная установка высокого давления, которую начали выпускать фирма «Гейляндт» [14.16].

В СССР создание первых воздухоразделительных установок можно отнести к 1931 г., когда был введен в действие 1-й Московский автогенный завод. В 1930 г. была начата подготовка специалистов по проектированию советских кислородных установок на кафедре «Химические аппараты» в Московском институте химического машиностроения (МИХМ), а в 1932 г. на кафедре холодильных машин Московского высшего технического училища (МВТУ) им. Баумана была создана специализация по глубокому холоду под руководством профессора С.Я. Герша [13].

Первую советскую воздухоразделительную установку производительностью по газообразному кислороду 100 м³/ч со всем входящим в нее технологическим оборудованием спроектировало особое конструкторское бюро (ОКБ) под руководством технического консультанта Н.И. Гельперина в 1931-1932 гг. по типу немецких образцов фирмы «Гейляндт» [13]. Вскоре 1-ый Московский автогенный завод освоил серийный выпуск ВРУ производительностью по газообразному кислороду 30,60 и 100 м³/ч, а также транспортных установок для оборонной техники.

Дальнейшие работы в области разделения воздуха в большей степени относились к совершенствованию отдельных элементов установок и повышению эффективности и надежности их работы.

Большим достижением советских ученых и конструкторов была разработка в 1935 г крупной и сложной по тому времени ВРУ Г-6800, работающей по схеме двух давлений (низкого и высокого) с предварительным аммиачным охлаждением для Кемеровского азотно-тукового комбината, производство которой освоил 1-ый Московский автогенный завод. Установка Г-6800 производила 6 800 м³/ч чистого азота и до 1 500 м³/ч газообразного технологического кислорода чистотой 94-95 % О₂ [13].

В 30-е годы на 1-ом Московском автогенном заводе была спроектирована и освоена новая отечественная ВРУ высокого давления по производству газообразного технического кислорода «250» с поршневым детандером, что давало возможность одновременно получать и некоторое количество жидкого кислорода [13].

В 1939 г разработкой принципиально новых ВРУ занялся крупнейший советский ученый- физик, с мировым именем, руководитель института физических проблем (ИФП), академик Петр Леонидович Капица. Под его руководством и непосредственным участием впервые в мировой практике была создана ВРУ для производства жидкого кислорода, работающая только на одном низком давлении 0,6 МПа с применением турбодетандера и турбокомпрессора. Для этой цели был разработан новый тип высокоэффективного реактивного турбодетандера с адиабатным КПД 80 %. Турбокомпрессор для этой цели был выписан из Англии у турбокомпрессорной фирмы «Броун-Бовери». И в 1942 г была создана принципиально новая установка на низком давлении «ТК-200» производительностью 200 л/ч жидкого кислорода при переработки 5 000 м3/ч (при нормальных условиях) воздуха. Это была большая победа советских ученых и конструкторов [13].

На установке ТК-200 были применены принципиально новые технологии по осушке и очистке воздуха, в процессах теплообмена и ректификации. Вместо химической осушки и очистки, которая позволяет осушить воздух до точки росы (– 20 ^оС) был применен способ вымораживания с предварительным охлаждением и одновременным регенеративным теплообменом в регенераторах с переключающимися клапанами, что позволяло проводить очистку и осушку воздуха до точки росы (– 40 ^оС). Процесс ректификации в колоннах был заменен ректификационным аппаратом – «вертушкой», что позволяло резко сократить вес и габариты установки и т.д.

Не успели завершиться все работы по установке «ТК-200», как по инициативе П.Л. Капицы были начаты новые, более важные работы по созданию в то время самой крупной в мировой практике ВРУ «ТК-2000» производительностью по жидкому кислороду 2 000 кг/ч. Технологическая схема установки «ТК-2000» в основном повторяла технологическую схему установки «ТК-200». Установка «ТК-2000» была укомплектована имеющимся в наличии турбокомпрессором фирмы «Броун-Бовери» производительностью по воздуху 40 000 м3/ч (при нормальных условиях) с давлением нагнетания 0,8 МПа и новым турбодетандером. В разработке этой установки принимала участие большая группу советских ученых К.С. Буткевич, Б.С. Жданов, М.Б. Столпер, И.Я. Ардашников, Г.В. Лаздин, Р.Р. Зайдель, Б.В. Сазонов, И.Д. Курбатов, Вль, Б.В. Сазонов, уппу советских ученых К.С. Буткевич, Б.С. Жданов, М.Б. Столпер, И.Я. Арда в мировой практике В.И. Епифанова, В.Ф. Густов и другие специалисты по кислородной технике. В 1944 г установка «ТК-2000» была введена в действие, ее характеристики полностью подтвердили работоспособность на проектные показатели [13].

В 1945 г под руководством П.Л. Капицы Институт физических проблем разработал новую принципиальную технологическую схему установки «ТКГ-1000», рассчитанную на получение газообразного кислорода в количестве 1000 м3/ч, также основанную на низком давлении с применением турбодетандера и турбокомпрессора.

В 1945 г по инициативе П.Л. Капицы был образован ВНИИ Кимаш для разработки и проектирования новых установок.

В результате создания таких установок как «ТК-200», «ТК-2000», ТКГ-1000», наша страны в короткий срок вышла на передовые позиции в мире по кислородному машиностроению. Но в 1946 г П.Л. Капица был отстранен от работы по разработке ВРУ.

В 1946 г. директором ВНИИКимаш был назначен д.т.н., профессор МИХМ И.П. Усюкин. После прихода во ВНИИКимаш И.Д. Усюкина была развернута работа по конструированию и исследованию ВРУ на основе процессов высокого давления, которые разрабатывались в то время ведущими немецкими фирмами «Линде», «Гейляндт», и «Мессер», а в дальнейшем и американской фирмой «Айр Продактс» и др.

С образованием ВНИИКимаша в 1945 году по инициативе и непосредственном участии П.Л. Капицы в Подмосковье в г. Балашиха начал строиться специализированный завод кислородного и криогенного машиностроения, который был запущен в 1949 г. и был в последствии переименован в ВНИИкриогенмаш. В настоящее время это одна из крупнейших и широко известной компании ОАО «Криогенмаш» (13) в России и за рубежом.

После отстранения П.Л. Капицы от кислородного машиностроения первой ВРУ во ВНИИКиммаше была разработана по типу немецкой КТ-3600. Криогенный цикл этой установки был основан на цикле двух давлений: высоком – до 22 МПа и низком - 0,6 – 0,8 МПа с предварительным аммиачным охлаждением и поршневым громоздким и тихоходным горизонтальным детандером.

В установке использовались низкооборотные горизонтальные компрессоры с огромными маховиками и двухступенчатые ректификационные колонны с общей высотой 36 м и многотонным конденсатором – испарителем между нижней и верхней колоннами. Для размещения такого громоздкого оборудования требовалось специальное высокое производственное здание с подъемными механизмами и краном. Все это усложнило эксплуатацию установки и повышало стоимость производства кислорода (13).

Хотя до этого по предложению П.Л. Капицы в СССР основным направлением было создание ВРУ, построенных на криогенном цикле низкого давления с быстроходными турбодетандерами и турбокомпрессорами, обеспечивающих высокую производительность установки при низкой стоимости продуктов разделения воздуха.

Ведущие криогенные фирмы мира в послевоенные году быстро перешли на разработку ВРУ большой производительности по Капицинскому принципу на цикле низкого давления.

Однако, и в СССР жизнь брала свое и пришлось вернуться к исследованию, конструированию и подготовке к производству новых ВРУ, построенных на цикле низкого давления П.Л. Капицы, только в середине 50-х годов [13].

После широкой дискуссии организованной в 1954 году ВНИИКимашем Всесоюзной конференции по кислородному машиностроению, был сделан сравнительный анализ немецкой установки КТ-3600, работающей по циклу двух давлений с советскими установками низкого давления. На конференции было принято решение отказаться от производства установок КТ-3600 и перейти к выпуску крупных ВРУ, основанных на цикле П.Л. Капицы, обеспечивающих высокую надежность и взрывобезопасность (до этого были случаи взрывов установок КТ-3600 из-за скопления в них твердых углеводородов), как более экономичных, гарантирующих получение качественных и дешевых продуктов разделения воздуха. Так был открыт на многие годы путь к выпуску большого количества ВРУ типа «БР», которые вывели советскую криогенику на самый высокий мировой технический уровень [13].

Установки типа ТК, предложенные П.Л. Капицей, не были тщательно доработаны, но идея создания ВРУи на цикле низкого давления получила новое дыхание. В этом направлении активно начались поисковые работы по модернизации установки на низком давлении и были созданы специальные стенды для отработки теплообменников, встроенных в регенераторы и т.д.

Проходил поиск путей, обеспечивающих «незамерзаемость» регенераторов, было предложено в установке низкого давления осуществлять тройное дутье в регенераторах и т.д. [13].

В связи с успешным применением в это время аргона в различных металлургических предприятиях и аргонно-дуговой сварки потребовалось производство газообразного аргона. В ВНИИКимаше начались широкие исследования по отработке технологии процесса получения аргона при разделении воздуха [1,10].

Накопленный институтом опыт по разработке ВРУ и наличие высококвалифицированных кадров позволили приступить к созданию мощной установки технологического кислорода БР-1, пригодной к широкому внедрению в металлургические и другие технологические процессы. Установка работала на одном низком давлении воздуха и могла выдавать 10 000 – 12 000 м³/ч технологического кислорода чистотой 94-95 % О₂. В то время БР-1 была самая крупная установка в мире для получения кислорода. При разработке конструкций аппаратов БР-1 конструкторы предложили ряд решений, которые впоследствии легли в основу низкотемпературного аппаратостроения ведущих криогенных фирм всех развитых стран мира. Вторая установки БР-2 была запущена на Новотульском металлургическом заводе в 1958 г. За 20-летний период нашей промышленностью было выпущено более 60 установок БР-1, которые успешно эксплуатировались более чем на 50 предприятиях Советского Союза и зарубежья.

В 1959 г. специалистами ВНИИКимаш была разработана и успешно смонтирована в КНР в г. Хончжоу на заводе кислородного машиностроения более мощная установка технологического кислорода БР-2, производительностью 30 000 м³/ч технологического кислорода, которая стала основой для создания в КНР кислородной отрасли [13].

Установки БР-1 и БР-2 вызвали большой интерес в мире. Ведущие фирмы ФРГ, Франции, Японии и других стран также стали выпускать ВРУ большой производительности для получения технологического кислорода, основанные на цикле низкого давления П.Л. Капицы.

В 70-е годы огромным достижением криогенного машиностроения было создание установки на ЦНД, по типу БР ВРУ Кт-70. Это была одна из крупнейших в мире установок производительностью 70 000 м³/ч технологического кислорода (95% ).

С 1959 г. по 1965 г. по решению Правительства СССР в Омске началось строительство завода кислородного машиностроения, а в Одессе – завода «Автогенного машиностроения».

Стране требовались не только крупные ВРУ для производства технологического кислорода, но и установки специального назначения малой и средней производительности.

Начиная с 1963 г., Омский завод кислородного машиностроения (ОЗКМ) приступил к выпуску малой ВРУ АКДС-30А. Одновременно с этим велась работа по подготовке серийного производства установки АДС-50, освоенной в 1964 году. Также в 1964 г. в производстве была освоена установка АКДС-70, специально разработанная для Министерства обороны страны.

Являясь оборудованием аэродромного обеспечения ВВС, установки АКДС-70 служили для получения как жидких, так и газообразных кислорода и азота в полевых условиях. Оборудование установки размещалось в фургонах на двух автомобилях. Дополнительно они комплектовались передвижной электростанцией и вспомогательной машиной. Такие установки базировались на криогенном цикле высокого давления (ЦВД), специально для них были разработаны высокоскоростные многоступенчатые компрессоры АВШ-3,7/200, которые обладали лучшими в мире массогабаритными характеристиками. Однако высокое давление и высокая скорость компрессоров обусловили и их косвенные недостатки: высокие шум и вибрацию, короткую продолжительность рабочей компании (600 часов) и недостаточно высокую эксплуатационную надежность, что, в конечном счете, значительно снижает потребительские качества ВРУ.

На протяжении последующих лет проводилось несколько модернизаций станции: (1966-1967 гг. – АКДС-70М; 1975-1976 гг. – АКДС-70М2; 1979 г. – СКДС – 70М). С 1992 г. выпускаются станции МКДС-100К и СКДС-100, сменившие АКДС-70М2 и СКДС-70М [7].

Последние установки имеют несколько улучшенные характеристики по сравнению с предшествующими (повышенная производительность и чистота продуктов, снижение удельного энергопотребления). За счет установки станций МКДС-100 на легкую грунтовую площадку, которая располагается в двух фургонах-контейнерах на земле и применения системы гашения вибраций снижен уровень шума и вибрации в компрессорном отделении. Однако, не смотря на проведенные улучшения, основные проблемы (высокий уровень вибраций и шума, слабая автоматизация и ряд других) не решены до конца.

В последнее время в ООО НТК «Криогенная техника» было проведено несколько научно-исследовательских работ по поиску и разработке новых ВРУ малой производительности, основанных на цикле низкого давления (ЦНД), которые изложены в работах [5,6,7,8].

На заводе «Автогенное машиностроение» (сегодня ООО НПО «Кислородмаш») в г. Одессе основное направление разработки ВРУ – это установки средней и малой производительности, основанные на цикле среднего давления. На заводе был разработан целый ряд ВРУ на цикле среднего давления 5 – 7 МПа. Это установки К-0,5; К-0,4; АК-1,5; К-0,25; КА-0,2, АДж-0,6; К-0,15; АК-0,6; А-0,6 [1].

В связи с современными тенденциями перехода ВРУ малой и средней производительности на низкое давление коллективам авторов во главе с главным конструктором ВРУ НПО «Кислородмаш» И.В. Горенштейном при участии Украинской ассоциации производителей технических газов «УА СИГМА», г. Одесса в последние годы была разработана ВРУ низкого давления для производства 250 кг/ч жидких кислорода и азота [15]. Установка базировалась на двухступенчатом винтовом компрессоре американской компании «Ингерсолл-Рэнд» и турбодетандере, производимых в ОАО «НПО Гелиймаш» на газостатических подшипниках. Разработанная установка существенно улучшила характеристики выше выпускаемой стандартной ВРУ КжК Аж-0,25 на цикле высокого давления.