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 воздухораздели-
тельных 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, криоген-
ная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения», 
18.04.01 «Химическая технология» и специальности 16.05.01 «Специ-
альные системы жизнеобеспечения». 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие разработано кафедрой Э4 «Холодильная, 

криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспе-
чения» МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с кафедрой «Технология 
неорганических веществ» РХТУ им. Д.И. Менделеева в соответ-
ствии с Самостоятельно устанавливаемым образовательным стан-
дартом (СУОС) МГТУ им. Н.Э. Баумана, основной профессиональ-
ной 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 ад-
сорбционных аппаратов для установок типа АВРУ-А. 

Учебное пособие может быть использовано при самостоятель-

ной подготовке к лекционным занятиям по дисциплине «Криоген-
ные 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 «Тепломассооб-
менные устройства», «Приборы и техника эксперимента» и др. 

основы адсорбционных технологий также используются при изу-

ВВЕДЕНИЕ 

В промышленности основные объемы азота и кислорода полу-
чают методом сжижения воздуха и его ректификации. Попутно при 
ректификации воздуха выделяют аргон, криптоно-ксеноновую фрак-
цию и неоно-гелиевую смесь. Важная область применения азота — 
использование для дальнейшего синтеза таких соединений, как ам-
миак, 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 (раз-
множения бактерий),  уменьшить или исключить риск возгорания 
или взрыва. Газообразный азот также находит применение в раз-
нообразных химических и металлургических процессах, для за-
полнения свободного пространства  контейнеров из-под горючих 
материалов и в ртутных термометрах, при перекачке горючих 
жидкостей и т. д. Жидкий азот используют в различных холодиль-
ных 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 производитель-
ности. По мере снижения производительности габариты установки 
уменьшаются, увеличивается его удельная поверхность, растут по-
тери холода в окружающую среду и, как следствие, повышаются 
удельные затраты энергии. Поэтому в промышленности исполь-
зуют установки низкотемпературного разделения воздуха больших 
габаритов. 
Для малых и средних объемов потребления предназначены ад-
сорбционные генераторы азота и кислорода, где разделение воздуха 
осуществляется при комнатной температуре. Сегодня это промыш-
ленно освоенный процесс, который положен в основу выпуска     
серийных установок. Существует два процесса адсорбционного  
разделения воздуха: адсорбция на цеолитах и адсорбция на угле-
родных молекулярных ситах (УМС), которые различаются тем,    

что в первом происходит селективная адсорбция азота с обогащени-
ем газовой фазы кислородом, а во втором — селективная адсорбция 
кислорода с обогащением газовой фазы азотом. 
Адсорбционные  воздухоразделительные установки  для получе-
ния азота  (АВРУ-А) эксплуатируют в химической, нефтехимиче-
ской, нефтегазовой, пищевой и фармацевтической отраслях, в метал-
лообработке (тепловая обработка металлов, лазерная резка металлов, 
формовка некоторых пластиков), а также в электронной промышлен-
ности. Их широкое применение обусловлено следующими преиму-
ществами: быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными 
блоками; возможность изменения режима работы, производительно-
сти и чистоты азота  в зависимости от  нужд потребителя; простое 
аппаратурное оформление; небольшие затраты на обслуживание; бо-
лее низкая стоимость установок по сравнению с криогенными техно-
логиями. Производительность  таких установок изменяется в диапа-
зоне 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 воздуш-
ный компрессор, блок воздухоподготовки, адсорбционный газо-
разделительный блок и система управления установкой. 
 

 

Рис. В1. Адсорбционные воздухоразделительные  установки, выпускае-
мые компанией «Грасис» (чистота азота — до 99,9995 % (об.), произво-
дительность — до 5 000 нм3/ч) 

Выпускаются также мобильные азотные станции, смонтиро-
ванные в контейнере (рис. В2), которые позволяют развернуть 
полный цикл производства азота из атмосферного воздуха и закач-
ки 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 «Грас-
сис» (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  показате-
ли 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 (без-
нагревная технология). 
В 1960 г. Ч. Скарстром опубликован патент, который фактически 
послужил началом промышленного производства адсорбционных 
установок непрерывного действия для разделения воздуха.  

В нем обосновано применение безнагревной регенерации адсорбента 
в  установках для разделения и очистки газовых смесей и 
предложена схема установки для реализации рассмотренного способа 
регенерации адсорбента. Главное преимущество технологии 
безнагревной регенерации адсорбента  —  отсутствие  в цикле ад-
сорбционного аппарата инерционных  по времени процессов теп-
лообмена,  необходимых для нагревания и охлаждения слоя адсор-
бента.  
Технология коротковолновой безнагревной адсорбции (КБА 
или по зарубежной технологии PSA (pressure swing adsorption) — 
адсорбция с переменным давлением) лежит в основе современных 
воздухоразделительных установок.   
В установке, работающей по технологии КБА (рис. 1.1) ад-
сорбционные аппараты А1 и А2 соединены дросселем Др. В на-
чальный момент времени (τ = 0) слой адсорбента в аппаратах А1 и 
А2 заполнен компонентом  i. При этом равновесное содержание 
компонента  i  в газовой фазе соответствует парциальному давле-
нию 
0i
p . 
Предположим, что адсорбент обладает избирательной погло-
тительной способностью только по одному компоненту i. 
Как показано на рис. 1.1, в аппарат А1 подается газ со скоро-
стью w под давлением 
см
p
 смеси и парциальным давлением 
0i
p  
компонента i. В этом случае расход поглощенного компонента i  в 
слое адсорбента аппарата А1 не изменится. После дросселя Др газ 
поступает в слой адсорбента аппарата А2 с более высокой скоро-
стью w и низким парциальным давлением компонента i. Поэтому 
из слоя адсорбента аппарата А2 поглощенный ранее компонент i 
частично выбрасывается в окружающую среду, т. е. происходит 
регенерация адсорбента в аппарате А2. Затем в аппаратах А1 и А2 
(рис. 1.1, в) осуществляется обратная продувка адсорберов исход-
ной газовой смесью. В слое адсорбента в аппарате А2 частично 
поглощается компонент i (режим адсорбции), а в аппарате А1 про-
исходит более «глубокая» регенерация слоя адсорбента по сравне-
нию с регенерацией адсорбента в аппарате А2 во время предыду-
щей стадии (рис. 1.1, б). 

Рис. 1.1. Схема регенерации адсорбента 
 в установке, работающей по технологии КБА 

 
Совокупность режимов работы аппаратов А1 и А2 (см.  рис. 
1.1, а, б) образует первый цикл, который состоит для каждого ап-
парата из процессов адсорбции (поглощении компонента i) и реге-
нерации адсорбента (десорбции компонента i). Длительность цик-
ла 
ц
  установки равна сумме длительностей процессов адсорбций 

адс

 и десорбций 
дес

: 

ц
адс
дес.
  
 
 

Далее идет второй цикл (рис. 1.1, г, д). С каждым последую-
щим циклом происходит все более глубокая регенерация слоя ад-
сорбента и, следовательно, увеличивается расход поглощенного 
компонента i за цикл, который соответствует парциальной равно-
весной адсорбции компонента i слоем адсорбента. 
Адсорбционное разделение воздуха на цеолитах основано на 
селективной адсорбции азота, при этом  газовая фаза обогащается 
кислородом. Азот выделяется на стадии регенерации адсорбента. 
Схема установки, работающей по технологии безнагревной ад-
сорбции, предложенная Ч. Скарстром, приведена на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Схема установки Скарстрома: 
К — компрессор; А1, А2 — адсорбционные аппараты;       
Др — дроссель; 1–8 — клапаны 
 
 

Установка включает в себя два адсорбционных аппарата А1 и 
A2 с цеолитом, каждый из которых попеременно работает в режи-
мах адсорбции и регенерации. Совокупность двух режимов обра-
зует рабочий цикл  каждого адсорбера. При этом каждый режим 
состоит из двух стадий.  На первой стадии режима воздух, сжатый 
примерно до давления 0,4…0,6 МПа, подается в аппарат А1. В 
слое адсорбента одновременно происходит повышение давления и 
преимущественная адсорбция азота из воздуха. В верхней части 
аппарата А1 слой адсорбента свободен от азота, а газовая фаза 
обогащена кислородом. На второй стадии  осуществляется непо-
средственное продуцирование кислорода, часть которого может 
противотоком через дроссель Др подаваться на продувку аппарата 
А2  при атмосферном давлении. На третьей стадии в аппарате А1 
начинается режим регенерации слоя адсорбента. Давление газовой 
фазы понижается до атмосферного путем ее сброса в окружающую 
среду, а в адсорбере А2 начинается первая стадия — повышение 
давления за счет подачи воздуха.  Четвертая стадия аппарата А1