СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИПТОНОКСЕНОНОВОЙ СМЕСИ И КИСЛОРОДА ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F25J3/02 C01B23/00 C01B13/16 B01D53/00 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к технологии низкотемпературной ректификации смесей, и может быть использовано в химической, нефтехимической и металлургической промышленности.

Известен способ получения криптоно-ксеноновой смеси, примененный в установке УСК-1М. Способ включает подачу потока первичного криптоно-ксенонового концентрата в линию первичного концентрата, физико-химическую очистку от взрывоопасных и отвердевающих примесей, охлаждение и ректификационное разделение с получением криптоно-ксеноновой смеси и газообразного потока отвального кислорода (см. Установки разделения воздуха и оборудование для хранения, транспортировки и газификации низкотемпературных жидкостей. - Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970, c.118-119).

Недостатком известного способа является низкая экономичность, что обусловлено получением при переработке первичного криптоно-ксенонового концентрата только одного целевого продукта - криптоно-ксеноновой смеси и с недостаточно высоким коэффициентом извлечения (90%).

Целью изобретения является увеличение экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты, включающем подачу потока первичного криптоно-ксенонового концентрата в линию первичного концентрата, физико-химическую очистку от взрывоопасных и отвердевающих примесей, охлаждение и ректификационное разделение с получением криптоно-ксеноновой смеси и потока отвального кислорода, отличительной особенностью является то, что поток отвального кислорода очищают от примесей ректификацией с получением кислорода особой чистоты, на очистку направляют весь или часть потока отвального кислорода преимущественно в ожиженном виде, при этом в качестве флегмообразующего хладоагента дополнительно используют сжижаемый сухой сжатый воздух.

Известна установка для получения криптоно-ксеноновой смеси, содержащая побудители расхода, блок физико-химической очистки первичного криптоно-ксенонового концентрата, низкотемпературный теплообменник и тарельчатую ректификационную колонну с линиями выхода - продукционной криптоно-ксеноновой смеси из куба и потока отвального кислорода вверху колонны (см. Установки разделения воздуха и оборудование для хранения, транспортировки и газификации низкотемпературных жидкостей. - Каталог-справочник. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1970, с.118-119).

Недостатком известного устройства является низкая экономичность, что обусловлено получением при переработке первичного криптоно-ксенонового концентрата только одного целевого продукта - криптоно-ксеноновой смеси и с недостаточно высоким коэффициентом извлечения (90%).

Целью изобретения является увеличение экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты, содержащем побудители расхода, блок физико-химической очистки первичного криптоно-ксенонового концентрата от взрывоопасных и отвердевающих примесей, низкотемпературный теплообменник, ректификационную колонну получения криптоно-ксеноновой смеси с линиями выхода продукционной криптоно-ксеноновой смеси и потока отвального кислорода отличительной особенностью является то, что оно дополнительно содержит узел очистки, включающий ректификационную колонну и установленный на линиях потока отвального кислорода, контактное пространство колонн получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты выполнено из структурированной или насыпной спирально-призматической насадок, причем контактное пространство ректификационных колонн с насыпной спирально-призматической насадкой содержит продольные разделяющие насадку на вертикальные слои обечайки, а ректификационная колонна получения криптоно-ксеноновой смеси дополнительно содержит патрубок и линию вывода потока отвального кислорода в жидком виде.

Заявленный способ получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты может быть реализован, например, в устройстве, схематично показанном на фиг.1. На фиг.2 показано поперечное сечение контактного пространства ректификационной колонны, заполненной насыпной насадкой.

Устройство включает побудитель расхода 1, блок 3 физико-химической очистки, ректификационную колонну 10 получения криптоно-ксеноновой смеси с контактным пространством 11, конденсатором-испарителем 12, кубом 13 и узел очистки 14.

Блок 3 физико-химической очистки содержит рекуперативный теплообменник 4, электронагреватель 5, реактор 6, водяной холодильник 7, попеременно работающие адсорберы 8 и соединен с одной стороны линией 2 первичного концентрата с побудителем расхода 1, а с другой стороны линией 9 очищенного концентрата через фильтр 15, змеевик куба 13, низкотемпературный теплообменник 16 со входом потока питания в ректификационную колонну 10 получения криптоно-ксеноновой смеси.

Узел очистки 14 содержит ректификационную колонну 17 получения кислорода особой чистоты с контактным пространством 18, конденсатором-испарителем 19 и кубом 20, снабженным змеевиковым кипятильником 21 и линией 22 выхода продукционного кислорода особой чистоты, многопоточный теплообменник 23, переохладитель 34 и линию 24 сухого сжатого воздуха. Линия 24 через многопоточный теплообменник 23, змеевик кипятильника 21, переохладитель 34, дроссельный клапан 25 соединена линией 24-1 с полостью кипения конденсатора-испарителя 19, а линией 24-2 через дроссельный клапан 26 - с полостью кипения конденсатора-испарителя 12.

Конденсаторы-испарители 12, 19 снабжены также, соответственно, линиями 27-1 и 27-2 подачи жидкого азота, линиями 28-1 и 28-2 выхода паров хладоагента, линией 30 выхода потока отвального кислорода в газообразном виде и линией 35 выхода потока отдувочных газов. Конденсатор-испаритель 12 имеет, кроме того, еще линию 29 выхода потока отвального кислорода в жидком виде, которая соединена со входом потока питания ректификационной колонны 17 получения кислорода высокой чистоты. Вход потока питания ректификационной колонны 17 соединен также линией 32 с линией 30 выхода потока отвального кислорода в газообразном виде из конденсатора-испарителя 12. Линии 30 и 35 соединены с линией 36, а линии 28-1 и 28-2 - с линией 28, которая через переохладитель 34 и многопоточный теплообменник 23 соединена с атмосферой.

Контактные пространства 11 и 18, соответственно, ректификационных колонн 10 и 17 выполнены из структурированной (регулярной) или насыпной спирально-призматической насадок. Контактное пространство колонн (фиг.2) с насыпной насадкой содержит продольные обечайки 33, разделяющие насадку 18(11) на вертикальные слои.

Заявленный способ реализуют следующим образом. Первичный криптоно-ксеноновый концентрат, получаемый на воздухоразделительных установках и содержащий в своем составе кислород O₂ (содержание 99-99,7 мол.%), криптон Kr, ксенон Хе (суммарное содержание Kr+Xe 0,02-0,2 мол.%) с примесями, например, аргона Аr, азота N₂, углеводородов C_nH_m, озона О₃, неона Ne, гелия Не, водорода Н₂, оксида углерода СО, диоксида углерода СO₂, тетрафторметана CF₄, гексафторэтана С₂F₆, монофтортрихлорметана СFСl₃, дифтордихлорметана CF₂Cl₂ и др., подают побудителем расхода 1 преимущественно при избыточном давлении 0,06-0,6 МПа в линию 2 первичного концентрата и далее в блок 3 физико-химической очистки. В блоке физико-химической очистки поток первичного криптоно-ксенонового концентрата нагревают в рекуперативном теплообменнике 4 и электронагревателе 5, осуществляют каталитическое окисление углеводородов в реакторе 6, охлаждение в рекуперативном теплообменнике 4 и водяном холодильнике 7 и поглощение воды и диоксида углерода в адсорберах 8.

Из блока 3 физико-химической очистки поток криптоно-ксенонового концентрата, уже не содержащий взрывоопасных и отверждающихся при рабочей температуре в колонне примесей (углеводородов, диоксида углерода и воды), поступает в линию 9 очищенного концентрата и далее через фильтр 15, змеевик куба 13, низкотемпературный теплообменник 16 - на вход в среднюю часть ректификационной колонны 10 получения криптоно-ксеноновой смеси, контактное пространство 11 которой выполнено из структурированной или спирально-призматической насадки, а флегмой является конденсат кислорода. В результате процесса ректификации в кубе колонны собираются криптон, ксенон, все менее летучие по отношению к кислороду примеси (CF₄, С₂F₆, O₃, СFСl₃, CF₂Cl₂ и др.), а также небольшое количество кислорода (1-2 мол.%). Эту смесь в виде продукционной криптоно-ксеноновой смеси по линии 31 выводят из устройства для дальнейшей переработки.

В голове колонны концентрируется поток отвального кислорода, который состоит из кислорода и летучих по отношению к кислороду примесей (Ar, N₂, Ne, CO, Не, Н₂ и др.) Его частично или полностью получают преимущественно в сжиженном виде и по линии 29 направляют в ректификационную колонну 17 получения кислорода особой чистоты. Возможные неконденсируемые примеси, а также оставшуюся часть потока отвального кислорода в газообразном виде выводят из колонны по линии 30. По линии 32 газообразный поток отвального кислорода может быть направлен в колонну 17. Флегмой в ректификационной колонне 17 является конденсат кислорода.

В результате процесса ректификации в кубе 20 собирается продукционный кислород особой чистоты, который по линии 22 через переохладитель 34 и многопоточный теплообменник 23 выводят из устройства. Из головы колонны по линии 35 выводят поток отдувочных газов, который в своем составе кроме кислорода (50-75 мол. %) содержит Ar, N₂, Ne, СО, Не, Н₂ и др.

Флегмообразующими хладоагентами в устройстве являются жидкий кислород и жидкий воздух. Жидкий азот подают в полости кипения конденсаторов-испарителей 12 и 19 по линиям 27, 27-1 и 27-2 из стороннего источника, а жидкий воздух получают в устройстве в результате охлаждения и конденсации потока сжатого сухого воздуха обратными холодными потоками испарившихся хладоагентов, продукционного потока кислорода особой чистоты и отвода тепла от воздуха в кипятильнике 21. Для этого поток сухого сжатого воздуха, например, под давлением 0,6 МПа подают в линию 24, охлаждают в многопоточном теплообменнике 23 потоками отходящих газов и потоком продукционного кислорода особой чистоты, конденсируют в змеевиковом кипятильнике 21 за счет испарения жидкого кислорода особой чистоты, находящегося в кубе 20, охлаждают в переохладителе 34 и по линии 24-1 через дроссельный клапан 25 направляют в полость кипения конденсатора-испарителя 19 и по линии 24-2 через дроссельный клапан 26 в полость кипения конденсатора-испарителя 12. Линию 37 используют при подаче сухого газообразного азота или воздуха для регулирования парового потока в колонне 11.

Авторы заявляемого способа и устройства провели экспериментальное исследование процессов, осуществляемых в описанной выше схеме. В результате исследования получено, что практически полное извлечение криптона и ксенона из первичного криптоно-ксенонового концентрата и одновременно глубокая очистка потока отвального кислорода от нелетучих по отношению к кислороду примесей (до концентрации микропримесей, характеризующейся долями ррм) может быть достигнута только с использованием в колоннах высокоэффективных структурированной, например, К600, или спирально-призматической, например, 3,0×2,0×0,2 мм насадок.

Очистка потока отвального кислорода, уже не содержащего нелетучих примесей, от летучих примесей в этих же колоннах со структурированной или спирально-призматической насадками позволила получить кислород особой чистоты, который превышал требования первой категории чистоты по ОСТ 110050.003-83 (суммарное содержание микропримесей в кислороде не превышало 0,5·10^-6 мол. доли).

Подача потока отвального кислорода на очистку в жидком виде позволяет за счет действия паро-жидкостного равновесия уменьшить начальную концентрацию летучих примесей, что облегчает процесс очистки.

Подачу потока отвального кислорода на очистку в газообразном виде осуществляют только в случае низкого избыточного давления (0,06-0,07 МПа) первичного криптоно-ксенонового концентрата, когда из-за недостаточного перепада давления между колоннами 10 и 17 не удается осуществить качественное регулирование процесса при подаче потока отвального кислорода в жидком виде.

Насыпные спирально-призматические насадки являются весьма эффективными насадками при их применении в ректификационных колоннах относительно небольших диаметров, 100-150 мм. Однако при увеличении диаметра колонн эффективность их резко уменьшается за счет увеличения неравномерности распределения потоков пара и жидкости.

Предложенное в заявке техническое решение о размещении в контактном пространстве ректификационных колонн с насыпной спирально-призматической насадкой продольных разделяющих насадку на вертикальные слои обечаек позволяет избежать снижения эффективности массообмена при увеличении диаметра колонн, что увеличивает компактность узлов ректификации.

Предложенные в заявке технические решения повышают экономичность способа и устройства:

- за счет комплексного разделения исходного криптоно-ксенонового концентрата с одновременным получением продукционных криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты;

- за счет увеличения извлечения криптона и ксенона из потока смеси, поступающего на переработку;

- за счет снижения суммарных затрат электроэнергии при регенерации холода выходящих из устройства потоков.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Устройство включает побудители расхода 1, блок 3 физико-химической очистки от взрывоопасных и отвердевающих примесей, низкотемпературный теплообменник 16 и ректификационную колонну 10 получения криптоно-ксеноновой смеси с линиями выхода криптоно-ксеноновой смеси 31 и потока отвального кислорода 29, 30, узел очистки 14, включающий ректификационную колонну 17 и установленный на линиях потока отвального кислорода 29, 30. Контактное пространство 11, 18 колонн и получения криптоно-ксеноновой смеси 10 и кислорода особой чистоты 17 выполнено из структурированной или насыпной спирально-призматической насадок. Поток первичного криптоно-ксенонового концентрата подают в линию 2 первичного криптоно-ксенонового концентрата, осуществляют физико-химическую очистку от взрывоопасных и отвердевающих примесей, охлаждение и ректификационное разделение с получением криптоно-ксеноновой смеси и потока отвального кислорода. Поток отвального кислорода очищают от примесей ректификацией с получением кислорода особой чистоты. Изобретение позволяет снизить себестоимость получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения криптоноксеноновой смеси и кислорода особой чистоты, включающий подачу потока первичного криптоно-ксенонового концентрата в линию первичного криптоно-ксенонового концентрата, физико-химическую очистку от взрывоопасных и отвердевающих примесей, охлаждение и ректификационное разделение с получением криптоно-ксеноновой смеси и потока отвального кислорода, отличающийся тем, что поток отвального кислорода очищают от примесей ректификацией с получением кислорода особой чистоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве флегмообразующего хладагента дополнительно используют сжижаемый сухой сжатый воздух.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что поток отвального кислорода получают и направляют на очистку преимущественно в ожиженном виде.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что очищают часть потока отвального кислорода.

5. Устройство получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты, содержащее побудители расхода, блок физико-химической очистки от взрывоопасных и отвердевающих примесей, низкотемпературный теплообменник и ректификационную колонну получения криптоно-ксеноновой смеси с линиями выхода криптоно-ксеноновой смеси и потока отвального кислорода, отличающееся тем, что дополнительно содержит узел очистки, включающий ректификационную колонну и установленный на линиях потока отвального кислорода, причем контактное пространство колонн получения криптоно-ксеноновой смеси и кислорода особой чистоты выполнено из структурированной или насыпной спирально-призматической насадки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что контактное пространство ректификационных колонн с насыпной спирально-призматической насадкой содержит продольные разделяющие насадку на вертикальные слои обечайки.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ректификационная колонна получения криптоно-ксеноновой смеси дополнительно содержит патрубок и линию вывода потока отвального кислорода в жидком виде.