Рідкісні гази: український інженер будує системи рециркуляції ксенону й криптону

Ксенон, криптон і неон — серед найдорожчих промислових газів світу. Їх отримують лише на обмеженій кількості підприємств, переважно як побічний продукт виробництва кисню на великих металургійних комбінатах. Тому інженерів із практичним досвідом промислового розділення й рециркуляції цих газів у світі небагато. Україна вже десятиліттями залишається одним із провідних виробників такої продукції.

Застосування рідкісних газів охоплює виробництво напівпровідників, лазерну техніку, медичне обладнання та аерокосмічну галузь. Кубічний метр чистого криптону коштує від 500 до 1500 доларів, а ксенону — від 3 до 10 тисяч доларів. Ксенон також використовують як робоче тіло в іонних двигунах космічних апаратів. За такої вартості втрата навіть кількох літрів під час виробництва обертається відчутними збитками.

Один із фахівців, які працюють у цій ніші, — Анатолій Псатій. Він здобув кваліфікацію інженера-енергетика за спеціальністю «Кріогенна техніка і технології», згодом закінчив магістратуру з електричної інженерії. В Україні він працює з ксеноном, криптоном, неоном і гелієм, удосконалюючи технології їх розділення й очищення. У структурі компанії він обіймає провідну посаду в Науково-інженерному центрі та відповідає за технічний напрям досліджень і розробок з очищення, розділення й повторного використання рідкісних інертних газів. Він координує керівників дослідницьких груп, інженерів-системотехніків, конструкторів і технологів, організовує науково-дослідні роботи у трьох виробничих напрямках компанії — ксенон і криптон, неон і гелій — та узгоджує розподіл ресурсів між проєктами з головним інженером підприємства.

Замість нового обладнання — дисципліна процесу

Псатій переконаний, що підвищення продуктивності варто починати не з закупівлі сучасніших компресорів, автоматизованих ліній чи дорожчих матеріалів. Його підхід утілено, зокрема, в системі з двох адсорберів — апаратів для вловлювання домішок із газу. Поки один очищає газ, другий продувають гарячим азотом за температури 120–130°C, щоб звільнити від накопичених домішок. Робочий цикл адсорбера триває близько тижня, відновлення — приблизно вдвічі менше. Після цього апарати міняються ролями, тож виробництво не зупиняється.

Для розділення суміші інженер розробив дві ректифікаційні колони, у яких компоненти поділяються завдяки різниці температур кипіння. Перша очищає ксенон від вуглеводневих домішок, друга відокремлює його від аргону. Конденсатори колон обладнані додатковими герметичними секціями під контрольованим тиском — завдяки цьому суміш не замерзає всередині апарата навіть за наднизьких температур. Налаштування цих параметрів дає стабільний режим роботи, що тримається тривалий час без ручного втручання. Перед остаточним вибором Псатій порівняв три типи насадок — спірально-циліндричну, спірально-призматичну й сітчасту — і обрав оптимальний варіант за сукупністю показників розділення та вільного проходження газу.

Тиск, температуру та витрату холодоагенту в колонах підтримує автоматичний регулятор, який безперервно звіряє фактичні показники із заданими й коригує режим у реальному часі. Установка реагує на найменші відхилення ще до того, як вони переростуть у серйозну проблему, а дистанційний доступ через інтернет дозволяє стежити за нею здалеку.

Економіка рециркуляції

Раніше після використання значна частина рідкісних газів втрачалася безповоротно. Комплекси, спроєктовані Псатієм, збирають залишкові суміші, очищають їх і повертають ксенон і криптон у виробничий цикл. У пілотно-промисловій експлуатації такі установки підтвердили чистоту ксенону й криптону на рівні 99,9998% із втратами менш ніж 1%. За розрахунками інженера, це скорочує споживання щойно виробленого газу на 15–30% і окупає технологію за 2–4 роки. За обмежених обсягів світового виробництва навіть невелике зменшення втрат під час очищення збільшує вихід ксенону та криптону з тієї самої сировини без розширення потужностей.

Безпека як інженерна вимога

Робота з кріогенними газами під тиском потребує особливої обережності. Показовий приклад — вузол каталітичного очищення, де за температури близько 400–450°C вуглеводневі домішки окиснюються до води та вуглекислого газу. Надлишок кисню в суміші здатен спричинити займання й пошкодити обладнання. Під керівництвом Псатія впровадили автоматичну систему дозування кисню, яка враховує витрату суміші й вміст водню та підтримує безпечне співвідношення компонентів.

Реакція ринку

Фахівців, які поєднують глибокі технічні знання з відповідальністю за кілька виробничих напрямів, у галузі небагато. Водночас компанії в різних країнах працюють над схожими завданнями: підвищують чистоту газів, скорочують втрати дорогої сировини, налагоджують її повторне використання та забезпечують стабільну роботу обладнання. Досвід Псатія охоплює всі ці етапи, а напрацьовані рішення можна адаптувати до умов інших підприємств. Попит на такі знання зумовлений високою вартістю ксенону й криптону, складністю обладнання та значними збитками навіть через невеликі втрати продукту.

Підсумок

На думку інженера, розвиток газових систем складається з послідовних удосконалень. Точніше налаштування, менші втрати й надійніший контроль на кожному етапі зрештою визначають стабільність виробництв, що використовують рідкісні гази в медицині, електроніці та аерокосмічній галузі.