Сравнение способов разделения неоногелиевой смеси с позиций технико-экономического анализа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.565

И. А. Архаров, Е. С. Навасардян

СРАВНЕНИЕ СПОСОБОВ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОНОГЕЛИЕВОЙ СМЕСИ С ПОЗИЦИЙ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Приведена методика технико-экономического анализа схем разделения неоногелиевой смеси для мембранного, конденсационного, ди-стилляционного и адсорбционного методов.

E-mail: navasard@mail.ru

Ключевые слова: разделение газов, извлечение неона из воздуха, разделение воздуха, расчет свойств газовых смесей, технико-экономический

анализ.

Неон и гелий являются инертными газами, поэтому разделить их можно лишь физическими методами. Из-за сильного различия кинетических, теплофизических и молекулярных свойств неона и гелия для разделения могут быть использованы конденсация, дистилляция и адсорбция. Методы, в которых используются эти процессы, в настоящее время широко применяются в промышленных установках [1-3]. Чистота получаемого неона в среднем лежит в диапазоне от 99,7 до 99,993 %. Кроме того, процессы, применяемые для разделения изотопов (диффузия и термодиффузия, газовая хроматография, фракционные дистилляция и адсорбция, электромагнитное разделение, центрифугирование, разделение в высокоскоростной струе), могут найти реальное практическое применение в ближайшем будущем, особенно в методах получения сверхчистых газов с объемным содержанием 99,999% и более.

Современные требования рынка газов, ориентированные на рост доли сверхчистых газов, заставляют совершенствовать эти методы, комбинировать процессы и создавать новые их реализующие аппараты. Целью сравнительного технико-экономического анализа является определение на основе одного или нескольких заранее выбранных критериев оптимального варианта схемы разделения и рабочих режимов для мембранного, конденсационного, дистилляционного и адсорбционного методов. Одним из наиболее сложных вопросов является выбор критериев оценки, так как они могут быть неоднозначными для разных методов разделения. При выборе критериев оценки предлагается исходить из следующих положений и допущений:

— мембранное газоразделение [4] является технологией непрерывного действия;

— десублимационная технология разделения дискретна по времени, и в расчетах себестоимости необходимо принимать полное время цикла;

— десублимационная технология разделения полная, т.е. в результате получаются одновременно два конечных продукта;

— смонтированные и введенные в эксплуатацию установки мембранного и десублимационного разделения не требуют дополнительных капитальных затрат в течение всего срока службы. Все расходы по дальнейшей эксплуатации, включая срочный и капитальный ремонт, являются текущими;

— стоимость вторичного продукта учитывается при расчете себестоимости основного продукта через дополнительную работу разделения.

С учетом перечисленных особенностей в качестве основного критерия оценки выбран срок окупаемости (СО) капитальных вложений, который определяется следующим образом:

СО = КВ / ГЧДП, где КВ — капитальные вложения, а ГЧДП — годовой чистый денежный поток, определяемый как разность между доходами от производства и реализации продукции и связанными с этим эксплуатационными расходами и налоговыми отчислениями.

Важной составляющей эксплуатационных расходов (часто используемой непосредственно как критерий выбора того или иного метода) являются энергетические затраты. Поэтому предварительно проанализируем энергетические затраты методов разделения.

В общем случае удельная работа разделения составляет

р

= ¿к + 1 доп = -1п--+ ¿дот (1)

ПК Р0

где ¿к, пк, рк — работа, КПД, давление компрессора соответственно; 1доп — дополнительная работа. Большинство различий методов проявляется именно в структуре и составляющих дополнительной работы

¿доп.

Для десублимационного разделения можно записать

/Не | | 7 _ f RTO, PO

1ож + 2из + 1эл - VHe I -Н- 1n рне-\ /к Рк

RTo , Po n, , RT PO \ . Еэл

+ ln -^N2 - + U"ac-ln- ) + -' (2)

Пк Рк ^в.н pvac / ^эл

где основной составляющей, бесспорно, является удельная работа гелиевого рефрижератора и электронагревателей ¿эл; диз — коэффициент извлечения; пв.н — КПД вакуум-насоса. Поскольку рабочее давление при мембранном и десублимационном способах разделения не превышает 1 МПа, то 1к ^ /доп, в то время как в других способах, использующих более высокие давления (10 МПа), 1к сравнима с /доп.

В случае мембранного разделения можно записать 7 7,7 aRT 1 P° , Еэл

¿дои — 1в.н + 1эл — У-1n--1----(3)

Пв.н Рв.н Пэл

и при отсутствии нагрева (1эл — 0) удельная работа разделения равна сумме удельных работ компрессора 1к и вакуум-насоса lvac. Разность давлений между напорным и дренажным каналами можно обеспечить тремя способами:

— вакуумированием полости дренажного канала, исходная смесь при этом подается под небольшим избыточным давлением;

— сжатием исходной смеси, при этом пенетрат отбирается при атмосферном давлении;

— сжатием исходной смеси и вакуумированием полости дренажного канала. Как следует из уравнения (3), при равенстве КПД компрессора и вакуум-насоса затраты энергии при схеме с вакуумированием будут ниже, так как компрессорным оборудованием сжимается вся подаваемая на разделение смесь, а в схеме вакуумирования большая часть работы, затрачиваемая вакуум-насосом, расходуется на вакууми-рование лишь части потока 9. Поэтому для оценки термодинамической эффективности выбрана схема с вакуумированием как менее энергоемкая.

Основные показатели (чистота продукционного неона, коэффициент извлечения, степень термодинамического совершенства, удельная работа разделения) работы установок, в которых реализованы рассмотренные методы разделения, приведены на рис. 1. Результаты для методов A, D определены по параметрам работы реальных установок. Доля Ne в исходной смеси в этих вариантах составляла 75 %. Результаты для методов B, C, E, F были получены расчетным путем для смеси с 71,8%-ной долей Ne, сжимаемой компрессором до давления 2,5 МПа. Как показали расчеты, при больших значениях давления термодинамический КПД понижается и несколько снижается коэффициент извлечения, а понижение давления ухудшает теплообмен между потоками.

Результаты для метода Е получены расчетным путем с учетом данных работы [5], в которой рассмотрен процесс двухступенчатого разделения для смеси с исходным 70 %-ным содержанием Ne при условии насыщения адсорбера на температурном уровне 77 K и давлениях р — const. Давление составляет 5 атм в первой ступени и 3 атм — во второй. Для определения массы адсорбента использовались данные работ [6, 7] по адсорбции неоногелиевой смеси на угле СКТ-7Б. Расчет мембранного процесса проводился для смеси с 71,8 %-ным содержанием Ne. Перепад давлений соответствовал минимальному значению, при котором можно получить концентрацию Ne, равную 99,99%, в

Рис. 1. Сравнительные характеристики работы установок, в которых реализованы различные методы разделения:

— чистота продукционного %; В^Я — удельная работа разделения;

о — степень термодинамического совершенства т\ У///Л — коэффициент

степень термодинамического совершенства т^; извлечения;----п (пересчет на Суш = 99,975 %); А — цикл с дросселированием, ректификацией и внешним неоновым холодильным циклом [1]; В — цикл с дросселированием; С — разделение по схеме Бевилогуа; В — десублимация [9]; Е — адсорбционное разделение; Г — мембранное разделение

продукционном потоке, при условии, что компоненты смеси проникают через мембрану независимо друг от друга в соответствии со своим парциальным давлением.

Чтобы сравнить варианты с различной конечной концентрацией целевого компонента, расчеты удобнее проводить по значениям эквивалентной производительности чистого целевого компонента [8]. Эквивалентная производительность определяет количество целевого компонента, которое должно быть смешано с исходной смесью, чтобы получилась смесь конечной концентрации.

Тогда удельную работу получения продукционной смеси произвольного состава можно определить как

l = l

CV Ne — C

CV Ne

V NeHe

C

VNe

C

VNeHe

(4)

На рис. 2 приведены зависимости удельных энергозатрат от доли Ке в продукционном потоке, построенные для методов А... Г, которые позволяют сравнить энергозатраты при одинаковой чистоте продукционного неона для всех методов.

Как следует из рис. 1 и 2, среди рассмотренных методов мембранный имеет наименьшее значение удельной работы и характеризуется

наибольшей степенью термодинамического совершенства, при этом обеспечиваются минимальные потери неона, однако не обеспечивается получение неона высокой чистоты. Максимальная чистота неона достигается в методах с ректификацией и десублимацией при больших коэффициентах извлечения и удельных затратах работы.

Из анализа приведенных энергетических характеристик можно сделать следующие выводы:

— низкое остаточное содержание гелия в пористом десублимирован-ном неоне и последующее снижение давления над твердой фазой в методе вымораживания позволяют получить неон наивысшей чистоты при высокой степени извлечения. Однако процесс разделения проводится при температурах ниже 30 К, что связано с дополнительными энергозатратами по сравнению с другими методами;

— в схемах с дросселированием внешний неоновый холодильный цикл позволяет снизить температуру перед дросселем, за счет чего повышаются чистота неона и коэффициент извлечения, однако при этом увеличиваются и энергозатраты;

— введение в схему ректификационной колонны повышает чистоту неона, коэффициент извлечения и производительность, однако также приводит к увеличению энергозатрат, связанных с дополнительными потерями холода;

— адсорбционный метод не обладает высоким термодинамическим совершенством, хотя и осуществляется на более высоком температурном уровне, ввиду того, что отводимая теплота адсорбции превышает теплоту конденсации неона и гелия, а также из-за наличия дополнительных энергозатрат на регенерацию адсорберов.

Рассмотрим теперь мембранный и десублимационный методы с позиций экономической эффективности. На рис. 3 для мембранного способа представлены две зависимости: — соответствует способу ведения процесса, при котором чистота продукционного неона регулируется изменением соотношения давлений между напорным и дренажным каналами мембранного элемента; ¥2 — соответствует режиму, когда отношение давления между каналами остается постоянным и соответствует минимальному значению, при котором возможно получить

/, кДж/кмоль

Ю2 С-1-1-1-1—

99,99 90,00 80,00

CVno %

Рис. 2. Зависимость удельной работы разделения в различных методах от состава продукционного потока:

A, B, C, D и E — соответствуют рис.1; F1 — мембранное разделение (Рн/рд = var); F2 — мембранное разделение (рн /рд = const)

Рис. 3. Зависимость комплекса Zg/KNe (характеризующего число капилляров, их длины, расход исходной смеси) от продукционной концентрации N

неон с концентрацией 99,99%, а изменение состава продукционного потока достигается за счет изменения площади поверхности разделения, т.е. при заданных размерах и значении расхода исходной смеси — вследствие изменения числа капилляров путем отключения от работы мембранных секций. На рис. 3 представлена зависимость комплекса Zg/KNe от состава продукционного потока:

ЬГсрРдКке

^ =

где п — число капилляров; 5 — толщина мембраны, м; гср — среднее значение радиуса капилляра, м; рд — давление в дренажном канале, Па; 1 — длина капилляра, м; — коэффициент проницаемости неона в стекле, нм3-м/(м2-с-Па)]; Цуке — объемный расход ретанта, нм3/с.

Данная зависимость показывает, что повышение на порядок удельных затрат энергии, связанное с увеличением перепада давления между каналами, приводит к сокращению площади почти на четыре порядка. Следовательно, возможное преимущество мембранного метода разделения неоногелиевой смеси над другими методами (по статье эксплуатационных расходов, связанной с энергетическими затратами), не является достаточным для определения области экономически эффективного применения мембранного метода. Поэтому рассмотрим остальные факторы.

Капитальные затраты на организацию мембранного разделения складываются из затрат на:

— приобретение мембранного оборудования;

— приобретение компрессорного оборудования;

— установку, монтаж, подключение, наладку и запуск установки.

Затраты на мембранное оборудование формируются из затрат на

изготовление или приобретение мембранных модулей. По данным производителя (г. Гусь-Хрустальный), цена на капилляры из оптического кварца равна 3500р./кг (на 1 января 2000 г.). При средней плотности 2,2 г/см3 стоимость единицы площади поверхности капилляров экспериментальной установки равна 385р./м2. Стоимость мембранного модуля вместе с мембранами, включая стоимость трубопроводов, вентилей и монтажных работ, принята 550р./м2. Стоимость дополнительного компрессорного оборудования, компенсирующего для выбранной схемы вакуумирования гидравлические потери в напорном канале, можно принять равной 0,2 Кк о.

Для десублимационной установки расчет в целом идентичен, и если условно сравнить удельный расход компонента через единицу площади поверхности раздела, то капитальные затраты на десублима-ционную установку будут существенно меньше.

Затраты на монтаж и запуск установок пропорциональны стоимости монтируемого оборудования. В расчетах это значение было принято равным 5 % стоимости основного модуля и компрессорного оборудования.

При расчете эксплуатационных расходов учитывались следующие составляющие затрат: на электроэнергию; на закупку исходной смеси, расходных материалов и хладоносителей; на амортизацию оборудования; на содержание площади помещения, цеховые расходы; на выплату заработной платы основным и вспомогательным рабочим; на ремонт оборудования.

Срок амортизации рассчитан для оборудования с коэффициентом ускорения 2, исходя из нормы отчислений 6,7%. Этот срок равен 7,5 года для мембранной установки и 2 года 3 месяца для десублимационной установки при производительности 1 м3/ч по чистому неону. Цены на продукционные потоки в расчетах приняты: 1000р./Нм3 — чистый неон (99,9997%); 170р./Нм3 — гелий марки "А" (99,995%); 120р./Нм3 — обогащенный неон (75%); 60р./Нм3 — обогащенный гелий (99%). Средняя стоимость исходной смеси составляет 120р./Нм3. Цена 1 кВт ч электроэнергии была принята равной 1,5 р., а жидкого азота 3,5р./кг (по состоянию на 1 января 2001 г.).

Анализ экономической эффективности обоих методов разделения проводился применительно к двум составам исходной бинарной смеси:

— для смеси с начальным содержанием 72 % неона и 28 % гелия рассчитаны себестоимости получения неона 99,9997 % или обогащения его до 99 %, а также получения гелия марки "А" 99,995 %;

— для смеси с начальным содержанием 20 % неона и 80 % гелия рассчитаны себестоимости получения гелия 99,995 % и обогащенного неона 75 % и 99 %.

Результаты расчетов себестоимости разделения приведены на рис. 4. Как показали расчеты, схема мембранного разделения с ваку-умированием для получения чистых продуктов является нерентабельной даже при глубоком вакуумировании (4 Па) полости дренажного канала из-за большой площади мембранной поверхности и, следовательно, связанными с этим капитальными затратами. Однако при получении обогащенных продуктов она имеет неоспоримые преимущества. Поэтому применение метода разделения на твердой мембране целесообразно для обогащения бедных неоном смесей и ограничено

Рис. 4. Себестоимость получения неона и гелия (расчетная)

областью малых расходов. Десублимационный метод особенно интересен при утилизации таких смесей с получением чистых компонентов, и при этом имеет наилучшие технико-экономические показатели.

Экономическая эффективность эксплуатации установок ухудшается при понижении производительности по целевому компоненту. Это связано с увеличением долей капиталовложений, приходящихся на вспомогательное оборудование, и эксплуатационных расходов. Срок окупаемости также увеличивается. Расчетами установлено что для десублимационной установки зона рентабельности начинается с производительности по неону более 3 Нм3/ч, а для мембранной — свыше 100 Нм3/ч или при отношении давлений не менее 10000. Последнее условие практически не реализуемо сегодня. Провести сравнение с традиционными методами разделения с позиций себестоимости не представляется возможным, так как эти данные, как и структура цены конечного продукта, представляют коммерческую тайну конкретного производителя. Однако общая оценка (рис. 4) позволяет сделать заключение, что оба предложенных метода могут быть вполне конкурентоспособны и рентабельны в определенных технических приложениях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Опыт эксплуатации установки для получения неона высокой чистоты / В.Л. Бондаренко, М.Ю. Савинов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - Спец. выпуск "Криогенная и холодильная техника. Крио-медицина". - 1996. - С. 79-83.

2. L e y a r o v s k i E. I. // Cryogenics. - 1970. - Vol. 10. No. 1. - P. 48-52.

3. Поколение новой техники для криогенного производства неона и гелия высокой чистоты / А.М. Архаров, В.Л. Бондаренко и др. // Холодильная техника и технология. - 1999. - № 62. - С. 88-101.

4. М а с с о н С. Е. Моделирование процесса на одно- и двухмембранном модульном элементе и анализ схем газоразделения на их основе с целью экономической оптимизации: Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1997. - 150 с.

5. Физик о-химические исследования структуры и свойств кварцевого стекла: сборник / В.А. Котельников, Т.А. Карамышева, Г.А. Павлова и др. - 1974. -Вып. 1. - 139 с.

6. Левченко В. Я. Исследование процесса низкотемпературного адсорбционного разделения неоно-гелиевой смеси: Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1980. - 155 с.

7. К у с ы й В. Г. Исследование и разработка безнагревной адсорбционной технологии разделения неоно-гелиевой смеси: Дис. ... канд. техн. наук. - Балашиха, 1995. - 161 с.

8. B h i d e B. D., S t e rn S. A. J. // Membr. Scin. - 1991. - Vol. 62. - P. 13-35.

9. Архаров И. А., Бондаренко В. Л., Шадрина В. Ю. Получение тона высокой чистоты методом десублимации // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. Спец. выпуск "Криогенная и холодильная техника. Технология". -1995. -№ 2. - С. 16-18.

Статья поступила в редакцию 1.10.2010