There is a growing interest in the problems of methane hydrates. Increased attention to them is caused by the abundant occurrence of hydrate containing reserves in seas and permafrost. High specific concentration of methane in hydrates (150 ... 180 volumes of methane per volume of water) and their shallow formation under the seabed starting from the depths of 300 ... 500 m allow us to consider natural hydrates as a real alternative to now mined various hydrocarbons. Despite a great number of discovered hydrate reserves, their industrial development has not been carried out yet. In the future, these resources will certainly be used. So far, only the first steps in the study of the geology of gas hydrate deposits have been made. Currently, however, there is a lot of interest in several developed advanced gas hydrate technologies. Transportation and storage of natural gas in a hydrate state are considered. Foreign experience shows that it allows a 25 % reduction in operating costs as compared with the delivery of natural gas in a liquefied form. Work on organizing methane extraction by means of its replacement by using CO2 is extremely relevant. In addition, the problem of a reliable disposal of carbon dioxide can be solved. Implementation of combined processes such as gas transportation from offshore fields to the mainland and delivery of CO2 gas hydrates for their burial at sea in the opposite direction has a great potential.

When making a modern liquid and gas-liquid air separation units (ASU) on the basis of medium-pressure cycles a special attention is paid to the point of ensuring their efficiency. The scheme of ASU with the expander-compressor unit (ECU) of multi-shaft design in which the expansion work of a part of the processed air is converted into an additional refrigerating capacity are considered. In ECU a turbo reducer is used to ensure the optimal rotation frequency of the compressor stage (CS) shaft which is mechanically connected with the expander stages of a high (ES1) and low (ES2) pressure of the unit. A modal and structural optimization of ECU used in the scheme of ASU has allowed to estimate the marginal indices of the unit in the calculated and off-design operation modes. The studies showed that ASU that had produced over 1000 kg/h of liquid oxygen could efficiently produce both liquid oxygen or nitrogen and gaseous products under pressure using for that only machines with dynamic action principle.

In the modern air separation installations (ASU) which realise the cycles of medium pressure with the circulation of the air flow to use efficiently the operation of its expansion in the expander is not possible. The studies has shown that the operation of expansion of a part of the processed air can be transformed into the additional refrigerating capacity in the expander compressor unit (ECU) of a special design. The characteristics of the ASU are analyzed at its operation in the mode of outputting liquid oxygen or in gas liquid mode when gaseous oxygen under pressure is additionally produced. The optimal mode and constructive characteristics of the ECU which fitted with maximum of its coefficient of efficiency were found. The ECU was developed for the mode of outputting only liquid oxygen. In the course of simultaneous production of compressed and liquid oxygen the ECU operates in a off-design mode. The carried out research has shown that the developed ECU provides also an economical operation of the ASU in a gas liquid mode. It confirms the possibility of creation of a reliable and quite efficient dual mode ASU only with machinery of a dynamic principle of action.

There is a growing demand for liquid oxygen. In order to reduce the cost of its production in an air separation unit (ASU) of medium productivity a two-shaft expander-compressor unit (ECU) is proposed to use. To increase its effectiveness in ECU a turbo reducer is used which reduces the rotation frequency of the compressor stage (CS) up to its optimal value comparatively to the rotation frequency of the expander stage (ES). The results of a modal and structural optimization of ASU and ECU used in it have been presented. As a result, the specific energy consumption for the production of liquid oxygen can be reduced from 1,17 to 1,06 kWh/kg compared to the basic ASU. 3D-models of CS and ES impellers forming part of the two-shaft ECU have been presented.

There is a need for air separation units (ASU) for the production of 1000 kg/h of liquid oxygen. To ensure their high efficiency it is necessary to make the units based on the medium-pressure cycles. Two schemes of ASU with the expander-compressor units (ECU) of two- and multi-shaft design in which the expansion work of a part of the processed air is converted into an additional refrigerating capacity are considered. It is noted that in ECU a turbo reducer should be used to ensure the optimal rotation frequency of the compressor stage (CS) shaft which is mechanically connected with the expander stage (ES) of the unit. A modal and structural optimization of ECU used in the two schemes of ASU has allowed to improve their efficiency and increase the yield of liquid oxygen. Optimization calculations of ASU together with ECU showed that the coefficient of efficiency of the two units had similar values, but different refrigerating capacity. This opportunity allowed to reduce the specific energy consumption in ASU with ECU of multi-shaft design from 1,17 to 1,06 kWh/kg of liquid oxygen. The studies showed that ASU that produces 1000 kg/h of liquid oxygen can be made on the basis of a centrifugal turbo compressor of «Ingersoll Rand» company with the discharge pressure of 4,2 MPa.

The work of the processed air expansion in the air separation units (ASU) of medium productivity can be usefully converted into an additional refrigerating capacity in the expander-compressor unit (ECU) of a special design. Such ECU should be made on the basis of a turbo reducer using which it is possible to ensure the most appropriate number of revolutions of the compressor stages (CS) shafts. At the same time to improve ASU it is advisable to apply in them a two-stage air expansion. It stipulates to use in ASU of a three-shaft ECU in which on separate shafts the expander stages ES1 and ES2 are located, and they are connected mechanically with the shaft of CS. A modal and structural optimization of ASU was made as well as three-shaft ECU which was included in its structure. By varying the intermediate pressure P13 (the pressure of the end of the expansion process in the high-pressure expander stage ES1) it was found that when P13=1,9 or 1,7 MPa the number of revolutions of ES1 and ES2 shafts became equal nES1=nES2 and accepted the values 92580 or 86500 rpm depending on the presence or absence of pre-cooling. The equality of ES1 and ES2 shafts rotation speed allows to use two-shaft ECU instead of a three-shaft one in which the two expander stages are placed on the same shaft as their efficiencies are close. The analysis shows that ECU construction with three shafts though it is slightly more complicated it is easier to be implemented, unlike the two-shaft construction with ES1 and ES2 stages on one common shaft. The three-shaft turbo reducer becomes more simple with the equal rotation speed of ES1 and ES2 shafts.

In the existing air-separating unit (ASU) that carries out the cycles of medium pressure it is not possible to use effectively the operation of air expansion in the turbo gas-expansion machine. The scheme of ASU which includes the gas-expansion machine-compressor unit is considered. The mathematical models used in the course of the calculations enable us to find the optimum values of the direct stream pressure and the consumption of the processed air when they were changed. The optimum pressure and air consumption correspond to two extremums: a minimum of specific work and a maximum of oxygen production. It was found that when the pressure of the direct stream was reduced from 6,5 to 4,6 MPa and simultaneously the air consumption was increased the cost per unit of the liquid oxygen production decreased from 1,15 to 0,98 kWh/kg.

В современных воздухоразделительных установках (ВРУ), реализующих циклы среднего давления, не удается эффективно использовать работу расширения воздуха в детандере. Исследования показали, что работу расширения части перерабатываемого воздуха можно полезно преобразовать в дополнительную холодопроизводительность в детандер-компрессорном агрегате (ДКА) специальной конструкции. ДКА отличает наличие, во-первых, турборедуктора для обеспечения оптимальной частоты вращения вала компрессорной ступени (КС), во-вторых, двух детандерных ступеней, в которых происходит расширение воздуха. В КС агрегата многовальной конструкции с использованием работы двух детандерных ступеней сжимается поток воздуха, поступающий после этого в детандерную ступень низкого давления. В процессе режимной и конструктивной оптимизации ДКА найдены условия, при которых две детандерные ступени можно расположить на одном валу. Оптимизационные расчеты ВРУ совместно с ДКА показали, что удельные затраты энергии в этой установке можно снизить с 1,1 до 0,89 кВтч/кг жидкого кислорода.

Demand for liquid cryogenic products is constantly growing. The creators of cryogenic liquid air separation plants (ASP) aim at further reduction of energy consumption when producing liquid oxygen, its extracting from the air and liquation. The analysis of various ASP schemes allows finding an effective solution of this problem for further introduction into small-tonnage plants. Applying the medium-pressure of expander-compressor unit in the ASP makes it possible to reduce energy consumption from 1.10 to 1.04 kWh per kg of produced liquid oxygen without using additional source of cold. Modernization of the investigated ASP will yield energy savings up to 216.000 kWh per year, and also will increase liquid oxygen output by 56 t compared with conventional plant.

Воздухоразделительные установки (ВРУ) высокой производительности, работающие по циклам низкого давления воздуха, создаются на базе эффективных одновальных детандер-компрессорных агрегатов (ДКА). В них работа расширения воздуха в детандерной ступени (ДС) используется для повышения давления в компрессорной ступени (КС) воздуха, направляемого в ДС. Для ВРУ средней производительности, реализующих циклы со средним и высоким давлениями перерабатываемого воздуха, по ряду причин практически невозможно создать ДКА одновальной конструкции. Показано, что в ДКА, создаваемых для таких ВРУ, нужно применять двухвальную систему с турборедуктором. Излагается методика разработки двухвального ДКА. Определены оптимальные показатели конструкции КС, используемой в составе двухвального ДКА. С их учетом рассчитаны характеристики ВРУ средней производительности, имеющей в своей схеме двухвальный ДКА.

Demand for liquid cryogenic products is constantly growing. The creators of cryogenic liquid air separation plants (ASP) aim at further reduction of energy consumption when producing liquid oxygen, its extracting from the air and liquation. The analysis of various ASP schemes allows finding an effective solution of this problem for further introduction into small-tonnage plants. Applying the medium-pressure of expandercompressor unit in the ASP makes it possible to reduce energy consumption from 1.10 to 1.04 kWh per kg of produced liquid oxygen without using additional source of cold. Modernization of the investigated ASP will yield energy savings up to 216.000 kWh per year, and also will increase liquid oxygen output by 56 t compared with conventional plant.

Растёт потребность в эффективных и надёжных воздухоразделительных установках (ВРУ) малой и средней производительности для получения жидкого кислорода. Обычно такие ВРУ создаются на основе циклов среднего и высокого давлений. Сообщается о разработке кислородной ВРУ средней производительности, реализующей цикл низкого давления с циркуляцией детандерного потока воздуха. Анализируются характеристики ВРУ при её работе в режиме выдачи только жидкого кислорода или в газожидкостном режиме, когда производится газообразный кислород под давлением и одновременно жидкий кислород. Найдены оптимальные режимные и конструктивные показатели детандер-компрессорного агрегата (ДКА), соответствующие максимуму его КПД. ДКА разрабатывался для режима выдачи только жидкого кислорода. Показано, что при работе ВРУ в газожидкостном режиме ДКА сохраняет высокую эффективность. Проведённое исследование показало, что возможно создание экономичной ВРУ с надежными машинами динамического действия для производства 700 кг/ч жидкого кислорода или 200 кг/ч жидкого кислорода и 607 м3/ч кислорода под давлением 3 МПа.

Рост тарифов на электроэнергию делает актуальным снижение удельных затрат энергии на производство жидких продуктов разделения воздуха. В связи с этим при разработке новых воздухоразделительных установок (ВРУ) стремятся выявить и использовать возможные резервы повышения их эффективности. Показано, что удельные затраты на производство жидкого кислорода в ВРУ среднего давления можно существенно снизить за счет применения в установках многовальных детандер-компрессорных агрегатов (ДКА) с двумя ступенями расширения воздуха. Сравнение таких установок, содержащих ДКА, с известной ВРУ показало, что удельные затраты энергии могут быть уменьшены в них с 1,12 до 0,94 кВтч/кг жидкого кислорода.

Наблюдается рост интереса к энтропийному методу термодинамического анализа. На его основе проведено исследование особенностей криогенного разделения воздуха. В качестве объекта выбрана воздухоразделительная установка (ВРУ) с колонной однократной ректификации. Определены значения эксергетических потерь в основных элементах ВРУ. Изложена процедура вывода нескольких выражений для минимальной работы разделения воздуха. Предложена термодинамическая модель для объяснения процессов, реализуемых при обратимом разделении воздуха с целью производства чистых кислорода и азота или этих газов с примесями друг друга. Проведен анализ потерь в ректификационной колонне однократной ректификации. Показано, что основной вклад в потери вносит необратимый теплообмен в испарителе колонны.

There is a growing demand for liquid air separation products, especially in the liquid oxygen. For their production in large quantities air separation units (ASU) is applied, which work in cycles of two pressures. In cases when the demand for liquid oxygen up to 1000 kg/h, it`s possible to use the scheme with one medium pressure. The rates of ASU average pressure in the circuit which included expander-compressor unit (ECU) are analyzed. Its comparison with ASU, containing low-temperature refrigeration machine showed that the specific energy consumption can be reduced by using ECU from 1.12 to 1 kWh/kg of liquid oxygen.

Циклы с низким давлением перерабатываемого воздуха являются основой для создания высокоэффективных крупнотоннажных воздухоразделительных установок (ВРУ). Особенность таких ВРУ состоит в использовании работы детандера в компрессорной ступени, которая механически связана с ним. Применение агрегатов детандер-компрессор и специальных дожимающих компрессоров обусловливает работу современных ВРУ по циклам с несколькими давлениями. Рассматриваются три варианта схем агрегатов детандер-компрессор. Для установления ряда общих закономерностей проведён термодинамический анализ характеристик ожижителей воздуха низкого давления. Разработаны замкнутые математические модели трёх ожижителей, определены потери эксергии во внутренне необратимых процессах. Использовался энтропийный метод термодинамического анализа. Наиболее эффективными оказались ожижители с дожатием детандерного потока воздуха перед его расширением или с дожатием потока, имеющего давление ниже атмосферного, до давления всасывания в основной компрессор.

The cycle of low pressure proposed by Kapitza has undergone several improvements. Despite this based on it large-tonnage air separation units (ASU) continue to be created. To him at the present time resort also at the development of ASU middle and even low capacity. We investigate the energy characteristics of Kapitsa's cycle and low-pressure cycle in which the expander work is converted into heat, be played by the environment, with oil brake or gas blowers, mechanical connection with an expander. The second cycle has a lower efficiency, while providing the same value of the coefficients of liquefaction, as a Kapitsa's cycle. Entropy analysis is carried out of losses from internal and external irreversibility. Shown that these losses are the same, under the condition support cycling of processes and closed loop. In the calculations of the characteristics the realizability of heat transfer controlled in regenerative heat exchangers for the second law of thermodynamics. Cycle characteristics were determined at a pressure of 0,1 MPa backflow and three pressures, the direct flow: 0,6; 1,0 and 1,4 MPa. Pressurization in cycles leads to an increase coefficients of liquefaction and exergy efficiency. At the same time, the value of specific exergy losses reduces in the air liquefier.

В детандерах криогенных установок, наряду с охлаждением газа, также производится и работа. Использование работы детандера приводит к повышению ряда энергетических показателей криогенных систем. Анализируется характер изменения отношения работы детандера к работе компрессора в простом детандерном цикле. Полученные выводы могут быть распространены на более сложные циклы рефрижераторов и ожижителей. Приводятся результаты термодинамического исследования способов использования работы детандера в криогенных установках. Из эксергетических балансов криогенных установок найдены выражения для максимальных дополнительных величин продуктов рефрижераторных и ожижжтельных криогенных установок, полученных за счёт использования работы детандера.