Как компании зарабатывают деньги. Производство промышленных газов

Общий вид ПАО «Акрон»
На предприятии Акрон в Великом Новгороде помимо удобрений существует технологическая цепочка производства карбамидоформальдегидных смол, в основном применяемых для производства древесностружечных плит. Сегодня рассмотрим самое начало этой технологической цепочки — производство чистого кислорода. Кислород на Акроне получают криогенным разделением воздуха, производя в качестве побочных продуктов различные технические газы, которые Акрон тоже продаёт как товарную продукцию.
Впервые кислород подобным образом получили в Германии. Немецкий химик Карл фон Линде сделал открытие, которое могло бы показаться кому-нибудь идеальной предпринимательской концепцией. В 1895 г. он научился превращать воздух в целый ряд ценных продуктов. Линде разработал остроумную схему сжижения газов при охлаждении, основываясь на их термодинамических свойствах, обнаруженных предыдущими исследователями. Сжатие газа приводит к его нагреванию, а если мы позволим ему расшириться, он будет остывать (это так называемый эффект Джоуля-Томпсона, названный в честь английских физиков Джеймса Джоуля и Уильяма Томпсона — между прочим, получившего за научные заслуги титул лорда Кельвина Ларгского, именно в честь него названа абсолютная шкала температуры Кельвина). Устройство, придуманное Линде, охлаждало горячий сжатый воздух до комнатной температуры и ниже при помощи труб, в которых циркулировала вода, поступавшая из подземной скважины. Затем газовой смеси позволяли расширяться, проходя через специальную форсунку (дроссель) в более обширное изолированное пространство, что резко снижало температуру. Эта методика по-прежнему применяется — в холодильниках и кондиционерах. Чтобы убедиться в работоспособности метода, вы можете взять дома освежитель воздуха, поднести поближе к нежному участку своей кожи и удерживать кнопку распылителя в течение минуты. Я гарантирую вам получение обморожения на этом нежном участке, поскольку распылитель по сути будет дросселировать сжатый газ, сильно охлаждая его. Линде не стал баловаться с освежителем, он создал компанию Linde AG, производящую криогенное оборудование по сей день, а тогда, в конце XIX в., сделавшую профессора состоятельным человеком. Первыми заказчиками Linde была пивоварня Guinness, заказавшая холодильные установки, так что скажем спасибо пиву за то, что профессор Линде получил деньги на развитие криогеники.

В пиве твоя сила и мудрость
Сжиженный воздух сам по себе был новинкой промышленности, но Линде не остановился на этом. Затем последовала фракционная перегонка, в ходе которой азот отделялся от кислорода. Да, в этом и есть суть разделения воздуха — жидкий воздух перегоняют как какой-нибудь самогон. Азот и кислород использовались совершенно по-разному (в частности, кислород — для изготовления медицинских дыхательных смесей и в высокотемпературных сталеплавильных печах), и их охотно покупали в охлаждённой форме или в баллонах со сжатым и неочищенным азотом или кислородом. Дальше пришла очередь аргона, а когда через несколько лет открыли другие инертные газы, неон стал ещё одним ценным ходовым товаром подобного рода. В наши дни криогенным разделением получают и гелий, но уже из природного газа, где его побольше, чем в воздухе.
Современные криогенные установки используют для получения низких температур не только дроссели, но и более совершенные устройства — турбодетандеры. Здесь для снижения энергии сжатого газа используют не только расширение, но и преобразование внутренней энергии в механическую работу — сжатый газ вращает специальную высокоскоростную турбину, охлаждаясь ещё сильнее, чем при простом расширении (первый закон термодинамики рулит). Первые турбодетандеры, по-видимому, были разработаны примерно в 1934 или 1935 году Гвидо Зерковицем, итальянским инженером, работающим на немецкую фирму Linde AG. В 1939 году русский физик Петр Капица усовершенствовал конструкцию центробежных турбодетандеров. Его первый практический прототип был изготовлен из металла монель (сплав никеля и меди), имел наружный диаметр всего 8 см, работал со скоростью 40 000 оборотов в минуту и расширял 1000 кубических метров воздуха в час. Он имел КПД 79-83%. Большинство турбодетандеров, используемых в промышленности с тех пор, были основаны на конструкции Капицы, а центробежные турбодетандеры взяли на себя почти 100% промышленного сжижения газа и низкотемпературных процессов. Доступность жидкого кислорода произвела революцию в производстве стали с использованием кислородного процесса выплавки. В 1978 году Петр Капица был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу в области физики низких температур.
Технологическую схему покажу на кошках фотках, причём фотки тут не обязательно Акрон, просто для примера

Компримирование воздуха с помощью турбокомпрессора

Очистка воздуха от влаги и примесей путём конденсации и в цеолитовых адсорберах (цеолит — это минеральный поглотитель, грубо говоря специальный песок)
После очистки осуществляют разделение воздуха:

Охлаждение воздуха с помощью дросселей и турбодетандера

Низкотемпературная двукратная ректификация, в ходе которой сначала отделяют азот, а затем разделяют оставшуюся фракцию на кислород и аргон

Компримирование газообразных продуктов и выдача их цехам-потребителям или на фасовку в баллоны. Баллоны кислорода маркируются синим цветом.
Важно заметить, что среди технических газов в продукции Акрона присутствует углекислый газ. Его получают не здесь, а на установке конверсии природного газа в производстве аммиака. Углекислый газ, получаемый на ней как побочный продукт, используют в производстве карбамида, а также фасуют в баллоны и продают.
Теперь о цифрах. Объёмы производства кислорода и азота Акрон не раскрывает в годовом отчёте 2020, однако исходя из объёмов произведённого метанола 98 тыс. тонн (для него и производится кислород), можно рассчитать требуемое количество кислорода — 49 тыс. т., то есть производительность Акрона по кислороду, как минимум не ниже, так как часть кислорода продаётся ещё и как товарный продукт. Исходя из состава воздуха, можно сказать, что при этом производится 160 тыс. т. азота. Азот помимо того, что продаётся как товарный продукт, всегда необходим для работы химического предприятия — как инертный газ для продувки оборудования и работы некоторых контрольно-измерительных приборов, где недопустима воздушная пневматика. В годовом отчёте 2020 раскрыт объём производства товарного аргона — 7 тыс. т. и углекислого газа — 55 тыс. т. Крупнейшие производители технических газов в России — Linde (крупнейший производитель), Air Liquide, Air Products, Химтэко (крупнейший производитель углекислого газа). Как видите, это в основном зарубежные компании, локализовавшие бизнес в России. Основные потребители — химическая и металлургическая отрасли — часто производят технические газы самостоятельно. Крупнейшим поставщиком оборудования для криогеники в России является предприятие Криогенмаш, у истоков которого стоял сам Пётр Капица. Крупнейшие потребители, как правило, строят себе воздухоразделительные установки необходимой мощности и не поставляют больших объёмов технических газов в виде товарной продукции, чем и пользуются иностранные компании, разделившие российский рынок.
Основными зарубежными потребителями технических газов из России являются Казахстан, Украина и Белоруссия.
В августе 2021 года цены производителей на кислород стартуют от 8400 руб/т, аргон — 135 000 руб/тыс. м3, азот 2100 руб/тыс. м3, углекислый газ 13000 руб/т.