Технологии редких газов. Как Анатолий Псатий разрабатывает и внедряет современные решения для криогенных систем
Ксенон, криптон и неон относятся к самым дорогим промышленным газам в мире. Их получают лишь на ограниченном числе предприятий — преимущественно как побочный продукт производства кислорода на крупных металлургических комбинатах, — поэтому в мире немного инженеров, обладающих практическим опытом их промышленного разделения и рециркуляции.
Эти газы используются в производстве полупроводников, лазерной технике, медицинском оборудовании и аэрокосмической отрасли. Украина на протяжении десятилетий остается одним из ведущих мировых производителей такой продукции.
Анатолий Псатий,
Одним из специалистов, работающих с технологиями разделения и очистки редких газов, является украинский инженер Анатолий Псатий. В эту сферу он пришел еще во время учебы, выбрав специальность «Криогенная техника и технологии» и получив квалификацию инженера-энергетика. Позднее он окончил магистратуру по направлению «Электротехника». Анатолий работает в Украине с ксеноном, криптоном, неоном и гелием, разрабатывая и совершенствуя технологии их разделения и очистки. Такие процессы позволяют удалять посторонние примеси и получать газы необходимой чистоты для производства полупроводников, лазерной техники, медицинского оборудования и нужд аэрокосмической отрасли.
Процессная дисциплина
Руководители предприятий, стремящиеся повысить производительность, часто в первую очередь рассматривают приобретение нового оборудования: более современных компрессоров, автоматизированных линий или более дорогих материалов. Однако Анатолий убежден, что начинать следует не с этого.
Этот подход был реализован, в частности, в системе из двух адсорберов — специальных аппаратов для улавливания примесей из газа. Пока один аппарат очищает газ, другой продувают горячим азотом при температуре 120−130°C, чтобы удалить накопившиеся примеси. Рабочий цикл адсорбера длится около недели, а его восстановление занимает примерно вдвое меньше времени. После этого аппараты меняются ролями, благодаря чему производство не останавливается.
Для разделения смеси он разработал две ректификационные колонны — аппараты, в которых компоненты разделяются благодаря разнице температур кипения. Первая очищает полученный ксенон от углеводородных примесей, а вторая отделяет его от аргона. Их конденсаторы он оснастил дополнительными герметичными секциями, работающими под контролируемым давлением, благодаря чему смесь не замерзает внутри аппарата даже при сверхнизких температурах. Правильно настроив эти параметры, он обеспечивает стабильный режим работы, сохраняющийся в течение длительного времени без вмешательства человека.
Прежде чем остановиться на окончательном варианте, Анатолий сравнил три типа насадок: спирально-цилиндрическую, спирально-призматическую и сетчатую. Проще говоря, речь шла о том, какая форма эффективнее разделяет смесь, не препятствуя свободному прохождению газа. С учетом совокупности этих показателей он выбрал оптимальный тип насадки.
Автоматика и контроль
В колоннах давление, температуру и расход хладагента поддерживает автоматический регулятор, который непрерывно сверяет фактические показатели с заданными и самостоятельно корректирует режим в реальном времени. Благодаря этому установка реагирует на малейшие отклонения еще до того, как они перерастут в серьезную проблему, а удаленный доступ через интернет позволяет контролировать ее работу на расстоянии, не находясь непосредственно в цехе.
Иногда можно услышать мнение, что с развитием автоматизации инженеры такого профиля со временем станут ненужными.
Вторая жизнь редких газов
Кубический метр чистого криптона стоит на рынке от 500 до 1500 долларов, тогда как за такой же объем ксенона платят от 3 до 10 тысяч долларов. Они используются в производстве полупроводников, а также в лазерной и медицинской технике. Ксенон также служит рабочим телом в ионных двигателях космических аппаратов. При такой стоимости потеря даже нескольких литров в процессе производства наносит предприятию ощутимый финансовый ущерб.
Раньше после использования значительная часть этого сырья безвозвратно терялась. Теперь комплексы, спроектированные Анатолием, собирают остаточные смеси, очищают их и возвращают ксенон и криптон в производственный цикл. В ходе опытно-промышленной эксплуатации такие установки обеспечили чистоту ксенона и криптона на уровне 99,9998% при потерях менее 1%. По расчетам инженера, это позволяет сократить потребление газа, произведенного «с нуля», на 15−30% и окупить технологию за 2−4 года. В условиях ограниченных объемов мирового производства даже незначительное снижение потерь при очистке увеличивает выход ксенона и криптона из того же сырья без расширения производственных мощностей.
Цена ошибки
С криогенными газами под давлением нужно работать с особой осторожностью. Анатолий считает, что одних лишь инструкций в такой работе недостаточно.
Показательным примером служит узел каталитической очистки, в котором при температуре около 400−450°C углеводородные примеси окисляются до воды и углекислого газа. Избыток кислорода в смеси может привести к возгоранию и повреждению оборудования. Чтобы этого избежать, под руководством Анатолия Псатия внедрили автоматическую систему дозирования кислорода, которая учитывает расход смеси и содержание водорода, поддерживая безопасное соотношение компонентов.
Узкая ниша, широкий спрос
В структуре компании Анатолий Псатий занимает ведущую должность в Научно-инженерном центре, где отвечает за техническое направление исследований и разработок в области очистки, разделения и повторного использования редких инертных газов. Он координирует деятельность руководителей исследовательских групп, инженеров-системотехников, конструкторов и технологов, организует научно-исследовательские работы сразу по трем производственным направлениям компании (охватывающим ксенон и криптон, неон и гелий), а также согласовывает распределение ресурсов между проектами с главным инженером предприятия.
В этой отрасли немного специалистов, сочетающих глубокие технические знания с ответственностью за несколько производственных направлений. В то же время компании в разных странах решают схожие задачи: они повышают чистоту газов, сокращают потери дорогостоящего сырья, налаживают его повторное использование и обеспечивают стабильную работу оборудования. Опыт Анатолия Псатия охватывает все эти этапы, а разработанные им решения могут быть адаптированы к условиям других предприятий. Востребованность таких знаний обусловлена высокой стоимостью ксенона и криптона, сложностью оборудования и значительными убытками даже при незначительных потерях продукта.
По мнению инженера, развитие газовых систем заключается в последовательных инженерных усовершенствованиях. Более точная настройка, снижение потерь и надежный контроль на каждом этапе в конечном счете определяют стабильность производств, использующих редкие газы в медицине, электронике и аэрокосмической отрасли.
Алла Билименко