Настоящее изобретение относится к разделению компонентов газовых смесей, а более конкретно - к способу получения высокообогащенного ксенонового концентрата (варианты).
Уникальные физические свойства делают ксенон незаменимым для многих отраслей человеческой деятельности, в том числе в космической промышленности, электронике и медицине.
В настоящее время основными потребителями ксенона являются предприятия светотехнической, электронной, аэрокосмической, лазерной промышленности, а также фундаментальных физических исследований и медицины.
Ксенон - идеальное рабочее тело ионных ракетных двигателей, незаменим в производстве интегральных микросхем нового поколения с трехмерной архитектурой, обладает мощным легко управляемым наркотическим эффектом, многими терапевтическими свойствами, комфортен в использовании.
Ксенон считается анестетиком XXI века. Внесен в государственный реестр лекарственных средств России и еще двенадцати стран Европы.
В настоящее время себестоимость ксенона высока, так как единственным его источником остается атмосферный воздух, содержание ксенона в котором составляет 8,7×10-6 объемных %.
В качестве сырья для получения чистого ксенона используют криптоноксеноновую смесь (Kr 93% объемных, Xe 7% объемных), получаемую на воздухоразделительных установках металлургических комбинатов как дополнительный продукт производства кислорода, используемого при выплавке стали. Причем сырьевая база для получения указанной криптоноксеноновой смеси жестко ограниченна металлургической промышленностью. При производстве одного миллиона тонн стали может быть получено всего около 25 нм3 ксенона.
В настоящее время некоторые области применения ксенона находятся под давлением высокой цены, что препятствует развитию соответствующих производств. Это формирует накопленный отложенный спрос, объем которого многократно превосходит сегодняшние возможности человечества по его производству. На протяжении десяти лет с 2007 по 2017 годы человечество производило ежегодно около 10000 нм3 ксенона в год.
Экспертное сообщество едино во мнении, что начало широкомасштабного применения ксенона в новых технологиях тормозит отсутствие технологических возможностей стабильно этот спрос удовлетворять.
Известен способ получения очищенного газообразного кислорода из воздуха на воздухоразделительных установках (RU №2174041), в котором в качестве дополнительного (побочного) продукта получают криптоноксеноновый концентрат. Этот способ включает разделение воздуха на потоки, подачу основного потока жидкого кислорода из верхней колонны в группу последовательно соединенных основных конденсаторов, испарение части потока жидкого кислорода в группе конденсаторов, вывод части потока жидкого кислорода из группы основных конденсаторов в виде циркуляционного потока жидкого кислорода, частичное испарение в испарителе-конденсаторе потока с образованием двух потоков - потока очищенного газообразного кислорода (в качестве целевого продукта) и потока жидкого кислорода, обогащенного ксеноном и криптоном (в качестве побочного продукта), после чего из потока жидкого кислорода получают газовую смесь, содержащую криптоноксеноновый концентрат.
Данный способ предполагает использование атмосферного воздуха в качестве исходной газовой смеси для получения заданного количества очищенного газообразного кислорода, получаемого в качестве целевого продукта. При этом в качестве дополнительного продукта при осуществлении данного способа получают криптоноксеноновый концентрат, количество которого ограничено полученным количеством газообразного кислорода.
Применение данного способа непосредственно для получения ксенонового концентрата из углеводородных газовых смесей в качестве основного целевого продукта, невозможно, так как данный способ реализует термобарические условия и технологические режимы, обеспечивающие разделение азота и кислорода, что исключает получения ксенонового концентрата из углеводородных газовых смесей в качестве основного целевого продукта.
Известен способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата (RU 2259522), взятый нами за прототип. Данный способ содержит три различных технологических процесса. Первый технологический процесс заключатся в последовательном выполнении цикла шагов, включающих: направление исходной газовой смеси, содержащей ксенон и сопутствующие газы, на адсорбцию в адсорбер, предварительно заполненный адсорбентом, непрерывное измерение на выходе из адсорбера состава проходящей через адсорбер газовой смеси, осуществление адсорбции ксенона и сопутствующих газов при постоянном отводе тепла с получением газовой смеси, которую до появления в этой газовой смеси ксенона выводят из процесса, а после появления в ней ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления одновременной десорбции ксенона и всех имеющихся сопутствующих газов, которую ведут с постоянным подводом тепла при температуре от 333 до 353°К и продолжают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента в десорбируемую газовую смесь. Полученная в результате осуществления одновременной десорбции десорбированная газовая смесь содержит ксенон и сопутствующие газы, которые присутствовали в исходной газовой смеси и были десорбированы одновременно с ксеноном.
При этом выполнение одновременной десорбции ксенона и сопутствующих газов при осуществлении первого технологического процесса исключает качественное удаление сопутствующих газов из исходной газовой смеси и требует осуществления еще двух различных технологических процессов для получения высокообогащенного ксенонового концентрата.
Для последующего удаления из полученной десорбированной газовой смеси оставшихся сопутствующих газов осуществляют второй технологический процесс - каталитическое выжигание, при котором десорбированную газовую смесь направляют на каталитическое выжигание углеводородов при температуре 900-950 К. После этого полученную газовую смесь пропускают через слой смеси магния с активной окисью алюминия при постоянном подводе тепла при температуре от 720 до 1050 К, в результате чего происходит каталитическое выжигание фторхлордериватов предельных углеводородов.
После этого осуществляют третий технологический процесс, при котором полученную газовую смесь охлаждают до температуры 290-300 К и направляют на адсорбционную очистку от паров воды и двуокиси углерода.
В результате трех разных технологических процессов получают газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат (содержание ксенона от 30 до 85% объемных).
Выполнение одновременной десорбции ксенона и всех сопутствующих газов при использовании описанных выше температурных режимов приводит к одновременному выведению из исходной газовой смеси в десорбированную газовую смесь ксенона и всех сопутствующих газов, что снижает концентрацию ксенона в высокообогащенном ксеноновом концентрате, а следовательно снижает качество последнего.
Кроме того, осуществление указанных трех технологических процессов требует использования большого количества различного сложного оборудования и больших затрат электроэнергии, что приводит к высоким капитальным и энергетическим затратам, что приводит к увеличению себестоимости целевого продукта.
В данном способе в качестве исходной газовой смеси может быть использована только дорогостоящая газовая смесь с высоким содержанием ксенона, (например, от 10 до 28% объемных (далее об. %), полученная в качестве дополнительного продукта в результате предыдущего многоступенчатого технологического процесса, (например, разделения атмосферного воздуха на воздухоразделительных установках металлургических комбинатов), который ограничивает количество получаемого высокообогащенного ксенонового концентрата необходимым количеством целевого продукта предыдущего технологического процесса. При этом в данном способе исключена возможность использования газовой смеси с низким (например, от 10-2 до 10-1 об. %) и особо низким (например, 10-2 об. % и менее) содержанием ксенона в качестве исходной газовой смеси, так как при осуществлении одновременной десорбции происходит увеличение содержания в десорбированной газовой смеси первых и вторых сопутствующих газов (то есть увеличение в десорбированной газовой смеси концентрации углеводородов), наличие которых снижает концентрацию ксенона, что снижает качество высокообогащенного ксенонового концентрата. Это сужает ассортимент исходных газовых смесей, а также исключает возможность его производства в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, что исключает возможность увеличения его производства.
При этом использование в качестве исходной газовой смеси указанного дополнительного продукта обеспечивает наличие в этой газовой смеси свободного кислорода в количестве более 10 об. %, то есть в качестве сопутствующего газа. Это исключает возможность использования наиболее эффективных адсорбентов, обладающих наиболее высокой сорбционной емкостью в отношении ксенона, например, активированного угля. Это обусловлено тем, что при взаимодействии с кислородом в количестве 10 об. % и более активированный уголь может создать взрывоопасные условия.
В основу настоящего изобретения положена задача создать такой способ, который обеспечит возможность получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, повысит качество высокообогащенного ксенонового концентрата путем увеличения в нем концентрации ксенона, позволит расширить ассортимент исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона, что обеспечит снижение себестоимости целевого продукта.
Эта задача решена созданием способа получения высокообогащенного ксенонового концентрата, содержащего выполнение цикла шагов, включающих направление исходной газовой смеси, содержащей ксенон и сопутствующие газы, в адсорбер, предварительно заполненный адсорбентом, непрерывное измерение на выходе из адсорбера состава проходящей через адсорбер газовой смеси, осуществление адсорбции ксенона и сопутствующих газов с получением газовой смеси, которую до появления в ней ксенона выводят из процесса, а после появления в ней ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления десорбции ксенона и сопутствующих газов, при этом, согласно изобретению, последовательно выполняют по меньшей мере два цикла указанных шагов, при этом при каждом из которых осуществляют раздельную десорбцию, включающую первую десорбцию, при которой выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона, и вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении, ниже давления вакуумирования адсорбера при первой десорбции, и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов, причем при первой десорбции по меньшей мере первого цикла шагов образуют десорбированную газовую смесь, содержащую ксенон и первые сопутствующие газы, которую направляют в замкнутый объем, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента, а при второй десорбции каждого цикла шагов образуют десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса, при этом по меньшей мере на последнем цикле шагов в качестве исходной газовой смеси используют десорбированную газовую смесь, накопленную в замкнутом объеме по меньшей мере первого цикла шагов, и при первой десорбции последнего цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении новой функциональной возможности способа, а именно возможности получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, в повышении качества высокообогащенного ксенонового концентрата путем увеличения в нем концентрации ксенона, в расширении ассортимента исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона, что обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта.
Это обусловлено тем, что осуществление раздельной десорбции улучшает десорбирование ксенона из адсорбента, обеспечивает возможность использования в качестве исходной газовой смеси при выполнении соответствующих последующих циклов шагов обогащенной ксеноном газовой смеси, полученной при выполнении предыдущих циклов шагов, что повышает содержание ксенона в десорбированной газовой смеси последнего цикла шагов и обеспечивает повышение качества высокообогащенного ксенонового концентрата. Кроме того, осуществление раздельной десорбции при выполнении каждого цикла шагов обеспечивает практически полное удаление из исходной газовой смеси вторых сопутствующих газов, так как эти газы при выполнении каждого цикла шагов выводят из процесса, а последовательное выполнение по меньшей мере двух циклов шагов уменьшает в целевом продукте количество первых сопутствующих газов, так как эти газы при выполнении адсорбции каждого цикла шагов только частично поглощаются адсорбентом, а частично эти газы выводят из адсорбера с проходящей газовой смесью при выполнении каждого цикла шагов. Все это уменьшает в целевом продукте количество первых и вторых сопутствующих газов и увеличивает содержание ксенона, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата, а также исключает необходимость осуществления дополнительных технологических процессов, что, обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта. При этом последовательное выполнение по меньшей мере двух циклов шагов позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона без ограничения количества получения высокообогащенного ксенонового концентрата предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет по существу неограниченно расширять производство ксенона в качестве основного целевого продукта.
Целесообразно, чтобы перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на первом цикле шагов осуществляли предварительную очистку исходной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей, а на каждом цикле шагов стабилизировали давление исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов от 6 до 10 бар и ее температуру от 268 до 293 К. Это предохраняет адсорбент от повреждения и засорения, продлевает срок его работы до замены. А также увеличивает количество проходящих через адсорбер неадсорбированных первых сопутствующих газов и уменьшает их количество при первой десорбции.
Желательно, чтобы на начальном этапе первой десорбции первого цикла шагов образовывали первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси первого цикла шагов, которую выводили из процесса, а в замкнутый объем направляли вторую часть десорбированной газовой смеси, которую образовывали в результате продолжения первой десорбции первого цикла шагов после указанного выведения. Автором настоящего изобретения экспериментально установлено, что на начальном этапе первой десорбции раньше начала десорбции ксенона последовательно десорбируют первые сопутствующие газы. Поэтому сначала образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона, а затем образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, обогащенную ксеноном и имеющую пониженное содержание первых сопутствующих газов. Это уменьшает количество первых сопутствующих газов и увеличивает содержание ксенона в целевом продукте, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Благоприятно, чтобы на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов образовывали первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси последнего цикла шагов, которую выводили из процесса, а высокообогащенный ксеноновый концентрат получали во второй части десорбированной газовой смеси, которую образовывали в результате продолжения первой десорбции последнего цикла шагов после указанного выведения. Как было описано выше, автором настоящего изобретения экспериментально установлено, что на начальном этапе первой десорбции раньше начала десорбции ксенона последовательно десорбируют первые сопутствующие газы. Поэтому сначала образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона, а затем образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, содержащий остаточную концентрацию первых сопутствующих газов. Это уменьшает количество первых сопутствующих газов и увеличивает содержание ксенона в целевом продукте, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Полезно, чтобы первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов, частично возвращали в исходную газовую смесь первого цикла шагов. Это повышает коэффициент извлечения ксенона (до 40%).
Возможно, чтобы в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов использовали природную углеводородную газовую смесь, в которой в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород, при этом при выполнении каждого цикла шагов в качестве адсорбента использовали активированный уголь. Это увеличивает содержание ксенона в десорбированной газовой смеси, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата, а также обеспечивает возможность получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного продукта в неограниченном количестве.
Удобно, чтобы в качестве природной углеводородной газовой смеси использовали газовую смесь, которая в качестве первых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, метан и углекислый газ, а в качестве вторых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, этан, пропан, бутан. Такая газовая смесь широко распространена в природе и ее использование дает возможность получить высокообогащенный ксеноновый концентрат в качестве основного, целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей для получения высокообогащенного ксенонового концентрата и обеспечить снижение себестоимости целевого продукта при повышении качества высокообогащенного ксенонового концентрата.
Предпочтительно, чтобы при выполнении каждого цикла шагов первую десорбцию осуществляли путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар и постоянной температуре от 268 до 293 К, а вторую десорбцию осуществляли путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 2 до 30 мбар и постоянной температуре от 373 до 423 К. Автором настоящего изобретения экспериментально установлено, что при указанных характеристиках процесса первой десорбции сначала начинает происходить десорбция первых сопутствующих газов, а затем начинает происходить десорбция ксенона, в результате происходит отделение первых сопутствующих газов и ксенона от вторых сопутствующих газов, что повышает содержание ксенона в десорбированной газовой смеси, которую накапливают в замкнутом объеме, что, в свою очередь, повышает качество полученного при последнем цикле шагов высокообогащенного ксенонового концентрата. Кроме того, автором экспериментально установлено, что при указанных характеристиках процесса второй десорбции происходит десорбция этана, пропана, бутана и по существу полная регенерация адсорбента, что улучшает последующие адсорбцию и десорбцию ксенона и обеспечивает улучшение качества высокообогащенного ксенонового концентрата. При этом происходит образование десорбированной газовой смеси, содержащей вторые сопутствующие газы: этан, пропан, бутан, которую выводят из процесса, что повышает содержание ксенона в высокообогащенном ксеноновом концентрате и повышает качество целевого продукта.
Возможно, чтобы в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов использовали природную углеводородную газовую смесь, содержащую ксенон в количестве 10-2 об. % и менее, при этом выполняли по меньшей мере четыре цикла шагов, из которых по меньшей мере второй и третий циклы шагов выполняли аналогично первому циклу шагов, а при выполнении каждого последующего цикла шагов в качестве исходной газовой смеси использовали газовую смесь, накопленную в соответствующем замкнутом объеме при выполнении соответствующего предыдущего цикла шагов. Это позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей путем использования газовых смесей не только с низким, но и особо низким содержанием ксенона без ограничения количества получения высокообогащенного ксенонового концентрата предыдущими технологическими процессами, что снижает себестоимость целевого продукта при увеличении содержания ксенона в десорбированной газовой смеси, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Благоприятно, чтобы на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов образовывали первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов, которую выводили из процесса, а в замкнутый объем направляли вторую часть десорбированной газовой смеси, которую образовывали в результате продолжения первой десорбции каждого последующего цикла шагов после указанного выведения. При этом полезно, чтобы на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов образовывали первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов, которую выводили из процесса, а высокообогащенный ксеноновый концентрат получали во второй части десорбированной газовой смеси, которую образовывали в результате продолжения первой десорбции последнего цикла шагов после указанного выведения. Автором настоящего изобретения экспериментально установлено, что на начальном этапе первой десорбции раньше начала десорбции ксенона последовательно десорбируют первые сопутствующие газы, поэтому сначала образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона, которую выводят из процесса, а затем образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, содержащий остаточную концентрацию первых сопутствующих газов. Это уменьшает количество первых сопутствующих газов и увеличивает содержание ксенона в целевом продукте, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Предпочтительно, чтобы первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов, частично возвращали в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов. Это увеличивает коэффициент извлечения ксенона.
Возможно, чтобы полученную при выполнении последнего цикла шагов вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, направляли на тонкую очистку от оставшихся сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона. Это позволяет получать ксенон с чистотой 99,9999.
Таким образом предлагаемый способ обеспечивает новую функциональную возможность получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, обеспечивает повышение качества высокообогащенного ксенонового концентрата путем увеличения в нем концентрации ксенона, а также обеспечивает возможность расширения ассортимента исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона, что обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта.
Поставленная задача решена также созданием способа получения высокообогащенного ксенонового концентрата, содержащего выполнение цикла шагов, включающих: направление исходной газовой смеси, содержащей ксенон и сопутствующие газы, в адсорбер, предварительно заполненный адсорбентом, непрерывное измерение на выходе из адсорбера состава проходящей через адсорбер газовой смеси, осуществление адсорбции ксенона и сопутствующих газов с получением газовой смеси, которую до появления в этой газовой смеси ксенона выводят из процесса, а после появления в ней ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления десорбции ксенона и сопутствующих газов, при этом, согласно изобретению, последовательно выполняют, по меньшей мере, четыре цикла указанных шагов, на первом из которых в качестве исходной газовой смеси используют природную углеводородную газовую смесь, которая содержит ксенон в количестве 10-2 об. % и менее и в которой в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород, при этом при каждом цикле шагов в качестве адсорбента используют активированный уголь и осуществляют раздельную десорбцию, включающую первую десорбцию, при которой выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона, и вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении, ниже давления вакуумирования адсорбера при первой десорбции, и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов, при этом на начальном этапе первой десорбции каждого цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов, которую выводят из процесса, а в результате продолжения первой десорбции после указанного выведения образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, которую на каждом из первых трех циклов шагов направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента, а при второй десорбции каждого цикла шагов образуют десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса, причем на каждом последующем цикле шагов в качестве исходной газовой смеси используют соответствующую вторую часть десорбированной газовой смеси, накопленную в соответствующем замкнутом объеме соответствующего предыдущего цикла шагов, а на последнем цикле шагов в результате продолжения первой десорбции после указанного выведения получают вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат.
Технический результат предлагаемого способа заключается в обеспечении новой функциональной возможности получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, в повышении качества высокообогащенного ксенонового концентрата путем увеличения в нем концентрации ксенона, а также в расширении ассортимента исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона, что обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта.
Это обусловлено тем, что осуществление раздельной десорбции улучшает десорбирование ксенона из адсорбента, обеспечивает возможность использования при выполнении последующих циклов шагов в качестве исходной газовой смеси обогащенной ксеноном газовой смеси, полученной при выполнении предыдущего цикла шагов, что повышает содержание ксенона в десорбированной газовой смеси каждого последующего цикла шагов, в результате чего повышает содержание ксенона в высокообогащенном ксеноновом концентрате, что обеспечивает повышение качества последнего. Кроме того, осуществление раздельной десорбции при выполнении каждого цикла шагов обеспечивает практически полное удаление из исходной газовой смеси вторых сопутствующих газов, так как эти газы при выполнении каждого цикла шагов выводят из процесса. При этом последовательное выполнение по меньшей мере четырех циклов шагов и осуществление раздельной десорбции при выполнении каждого цикла шагов уменьшает в целевом продукте количество первых сопутствующих газов в результате последовательного выведения из адсорбера этих газов сначала с проходящей газовой смесью при адсорбции каждого цикла шагов, а затем с первой частью десорбированной газовой смеси на начальном этапе десорбции каждого цикла шагов. Все это уменьшает в целевом продукте количество первых и вторых сопутствующих газов и увеличивает содержание ксенона, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата, а также исключает необходимость осуществления дополнительных технологических процессов, что, обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта. При этом последовательное выполнение по меньшей мере четырех циклов шагов позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона без ограничения количества получения высокообогащенного ксенонового концентрата предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет по существу неограниченно расширять производство ксенона в качестве основного целевого продукта.
Целесообразно, чтобы перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на первом цикле шагов осуществляли предварительную очистку исходной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей, а на каждом цикле шагов стабилизировали давление исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов от 6 до 10 бар и ее температуру от 268 до 293 К. Это предохраняет адсорбент от повреждения и засорения, что продлевает срок его работы до замены, что, в свою очередь, снижает себестоимость целевого продукта. А также увеличивает количество проходящих через адсорбер неадсорбированных первых сопутствующих газов и уменьшает их количество при первой десорбции.
Желательно, чтобы первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов, частично возвращали в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов. Это увеличивает коэффициент извлечения ксенона.
Благоприятно, чтобы в качестве природной углеводородной газовой смеси использовали газовую смесь, которая в качестве первых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, метан и углекислый газ, а в качестве вторых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, этан, пропан, бутан. Такая газовая смесь распространена в природе и ее использование дает возможность получить высокообогащенный ксеноновый концентрат в качестве основного, целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей для получения высокообогащенного ксенонового концентрата и обеспечить снижение себестоимости целевого продукта при сохранении высокого коэффициента извлечения ксенона.
Предпочтительно, чтобы при выполнении каждого цикла шагов первую десорбцию осуществляли путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар и постоянной температуре от 268 до 293 К, а вторую десорбцию осуществляли путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 2 до 30 мбар и постоянной температуре от 373 до 423 К. Как было описано выше, автором настоящего изобретения экспериментально установлено, что при указанных характеристиках процесса первой десорбции сначала происходит десорбция первых сопутствующих газов, а затем ксенона, в результате чего происходит отделение первых сопутствующих газов и ксенона от вторых сопутствующих газов, что повышает концентрацию ксенона в десорбированной газовой смеси, которую накапливают в замкнутом объеме, что обеспечивает увеличение содержания ксенона в десорбированной газовой смеси, что, в свою очередь, повышает качество полученного при последнем цикле шагов высокообогащенного ксенонового концентрата. Кроме того, экспериментально установлено, что при указанных характеристиках процесса второй десорбции происходит десорбция этана, пропана, бутана и по существу полная регенерация адсорбента, что улучшает последующие адсорбцию и десорбцию ксенона и обеспечивает улучшение качества высокообогащенного ксенонового концентрата. При этом происходит образование десорбированной газовой смеси, содержащей вторые сопутствующие газы: этан, пропан, бутан, которую выводят из процесса, что повышает концентрацию ксенона в высокообогащенном ксеноновом концентрате и повышает качество целевого продукта.
Полезно, чтобы полученную на последнем цикле шагов вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, направляли на тонкую очистку от оставшихся сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона. Это позволяет получать ксенон с чистотой 99,9999.
Таким образом предлагаемый способ обеспечивает новую функциональную возможность получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного, целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, обеспечивает повышение качества высокообогащенного ксенонового концентрата путем увеличения в нем концентрации ксенона, а также обеспечивает расширение ассортимента исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона, что снижает себестоимости целевого продукта.
Предлагаемый способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата (первый вариант) осуществляют следующим образом.
Предлагаемый способ включает последовательное выполнение по меньшей мере двух циклов шагов, каждый из которых включает: направление исходной газовой смеси, содержащей ксенон и сопутствующие газы, в адсорбер, предварительно заполненный адсорбентом, непрерывное измерение на выходе из адсорбера состава проходящей через адсорбер газовой смеси, осуществление адсорбции ксенона и сопутствующих газов с получением неадсорбированной газовой смеси, которую до появления в ней ксенона выводят из процесса, а после появления ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления раздельной десорбции ксенона и сопутствующих газов.
Под словосочетанием "по меньшей мере двух циклов шагов" мы понимаем, что указанный цикл указанных шагов последовательно повторяют по меньшей мере два раза. Количество циклов шагов зависит от количества ксенона в исходной газовой смеси первого цикла шагов. Предлагаемый способ позволяет использовать исходную газовую смесь с высоким содержанием ксенона (например, от 10 до 28 об. %), с низким содержанием ксенона (например, от 10-2 до 10-1 об. %) и особо низким содержанием ксенона (10-2 об. % и менее). Чем меньше количество ксенона в исходной газовой смеси первого цикла шагов, тем большее количество циклов необходимо выполнить. Первый и последующие циклы шагов (при их наличии перед последним циклом шагов) осуществляют последовательно и по существу аналогично. Отличие первого и последующих циклов шагов заключается в количестве ксенона и сопутствующих газов в исходной газовой смеси каждого цикла шагов.
При каждом цикле шагов осуществляют раздельную десорбцию исходной газовой смеси. При этом сначала осуществляют первую десорбцию, при которой выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона. Затем осуществляют вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении, ниже давления вакуумирования адсорбера при первой десорбции, и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов. Причем при первой десорбции по меньшей мере первого цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую ксенон и первые сопутствующие газы, которую направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента, а при второй десорбции каждого цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса. На последнем цикле шагов в качестве исходной газовой смеси используют десорбированную газовую смесь, накопленную в замкнутом объеме предыдущего цикла шагов, и при первой десорбции последнего цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат.
В качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов может быть использована любая газовая смесь, содержащая ксенон, первые сопутствующие газы, каждый из которых энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, и вторые сопутствующие газы, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона. Под словосочетанием "сопутствующие газы" мы понимаем газы, содержащиеся в исходной газовой смеси в количестве более 1%, а под термином "примеси" мы понимаем газы, содержащиеся в исходной газовой смеси в количестве менее 1%.
Использование раздельной десорбции исходной газовой смеси основано на теории кинетики десорбции, которая описана в книге "Основы адсорбционной техники", Кельцев Н.В., Москва, издательство Химия, 1984 год (стр. 152-157).
В соответствии с этой теорией на стр. 155 указано: 
где Ед - энергия активации десорбции; Q - теплота адсорбции; Еа - энергия активации адсорбции.
Далее на стр. 155 указано: 
где с - коэффициент пропорциональности.
Из (1) и (2) следует: 
то есть энергия активации десорбции пропорциональна величине теплоты адсорбции, которая численно равна работе адсорбции.
В том же источнике на стр. 69 приведена таблица 2.9 подобия адсорбции нормальных предельных углеводородов микропористыми сорбентами, из которой следует, что энергия активации десорбции возрастает по мере роста молекулярной массы членов ряда нормальных предельных углеводородов.
В том же источнике на стр. 157 приведена таблица 7.1 температур совмещения кинетических кривых для нормальных углеводородов, из которой следует, что десорбция двух углеводородов гомологического ряда при одинаковом давлении описывается единой кинетической кривой, но со сдвигом по температуре. Чем больше молекулярная масса членов ряда нормальных предельных углеводородов, тем больше температура их десорбции. Таким образом при одинаковом давлении десорбция каждого следующего нормального углеводорода происходит при более высокой температуре, чем предыдущего.
Исходя из описанной выше теории автором настоящего изобретения было экспериментально установлено, что последовательную десорбцию нормальных углеводородов из микропористых адсорбентов возможно также осуществлять при постоянной температуре путем изменения давления (глубины вакуума).
В качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов может быть использована природная углеводородная газовая смесь, с низким или особо низким содержанием ксенона. Так, например, исходная газовая смесь первого цикла шагов может содержать ксенон в количестве 10-1 об. % и более или в количестве 5×10-4 об. % и менее.
Количество ксенона в исходной газовой смеси первого цикла шагов определяет необходимое количество последующих циклов шагов. Чем меньше количество ксенона в исходной газовой смеси первого цикла шагов, тем большее количество последующих циклов шагов, аналогичных первому циклу шагов, необходимо последовательно выполнить.
Природную углеводородную газовую смесь с помощью трубопровода с запорной арматурой отбирают, например, из сформированного потока газовой смеси на обустроенном природном месторождении и при необходимости перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на первом цикле шагов осуществляют предварительную очистку исходной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей. Указанные операции осуществляют любым известным способом, например, путем использования фильтра - коалесцера и фильтра механической очистки. Это предохраняет адсорбент от повреждения и засорения, что продлевает срок его работы до замены. При этом при необходимости перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на каждом цикле шагов стабилизируют давление исходной газовой смеси от 6 до 10 бар и ее температуру от 268 до 293 К. Это увеличивает количество проходящих через адсорбер неадсорбированных первых сопутствующих газов и уменьшает их количество при первой десорбции.
В качестве природной углеводородной газовой смеси может быть использована газовая смесь, в которой в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород, это обеспечивает возможность в качестве адсорбента использовать активированный уголь, который имеет самую высокую сорбционную емкость по отношению к ксенону среди известных адсорбентов. Отсутствие в сопутствующих газах свободного кислорода исключает возможность возникновения взрывоопасной ситуации, риск которой имеется при взаимодействии активированного угля со свободным кислородом, присутствующим в сопутствующих газах в большом количестве (10 об. % и более). То есть в исходной газовой смеси свободный кислород может присутствовать, например, в качестве примеси (менее 1 об. %), но его количество не должно превышать 10 об. %, которое может создать взрывоопасную ситуацию.
Использование активированного угля способствует повышению концентрации ксенона в накопленной десорбированной газовой смеси, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
При использовании газовой смеси, в которой в сопутствующих газах присутствует свободный кислород, в качестве адсорбента могут быть использованы, например, силикагель или цеолиты, использование которых исключает риск возгорания или взрыва.
Наиболее эффективно в качестве природной углеводородной газовой смеси использовать газовую смесь, которая в качестве первых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, метан и углекислый газ, а в качестве вторых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, этан, пропан, бутан. Такая газовая смесь имеет широкое распространение и дает возможность получать высокообогащенный ксеноновый концентрат в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей.
Исходная газовая смесь в качестве первых сопутствующих газов может дополнительно содержать, например, азот, при этом в указанных сопутствующих газах возможно присутствие различных примесей (например, криптона, гелия), содержание каждого из которых менее 1 об. %.
При осуществлении адсорбции ксенона и сопутствующих газов на поверхности адсорбента адсорбируют ксенон, первые сопутствующие газы и вторые сопутствующие газы, а в объеме адсорбера в межзеренном пространстве адсорбента образуется неадсорбированная газовая смесь, содержащая плохо адсорбируемые (например, метан) или совсем не адсорбируемые (например, азот) компоненты первых сопутствующих газов. Неадсорбированная газовая смесь проходит через адсорбер и ее выводят из процесса (эту смесь называют проходящей через адсорбер газовой смесью). Это обеспечивает частичное удаление первых сопутствующих газов из исходной газовой смеси при выполнении каждого цикла шагов, что повышает концентрацию ксенона в десорбированной газовой смеси каждого цикла шагов. При постоянном измерении состава выходящей из адсорбера газовой смеси на выходе из адсорбера определяют момент появления ксенона в неадсорбированной газовой смеси, которую выводят из процесса. После появления ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления раздельной десорбции ксенона и сопутствующих газов.
При выполнении по меньшей мере первого цикла шагов первую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар, и постоянной температуре от 268 до 293 К, обеспечивающих десорбцию ксенона. Экспериментально установлено, что раньше десорбции ксенона начинает происходить десорбция первых сопутствующих газов, так как каждый из них имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, после чего постепенно начинает происходить десорбция ксенона. Причем десорбция ксенона начинается раньше, чем заканчивается десорбция первых сопутствующих газов в соответствии с их энергиями активации процесса десорбции. При этом происходит отделение ксенона и первых сопутствующих газов от вторых сопутствующих газов, которые почти полностью остаются в адсорбенте. То есть в результате осуществления первой десорбции первого цикла шагов на выходе из адсорбера получают обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь, которая имеет пониженное содержание удаленных при адсорбции первых сопутствующих газов и содержит минимальное количество вторых сопутствующих газов. Эту смесь направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают по существу (почти) до прекращения выделения ксенона из адсорбента.
Если вакуумирование при первой десорбции осуществляют при постоянном давлении менее 30 мбар или при постоянной температуре более 293 К, то одновременно с десорбцией первых сопутствующих газов и ксенона может произойти десорбция, по меньшей мере, одного из вторых сопутствующих газов, который имеет наименьшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов, (например, этана), который может попасть в десорбированную газовую смесь, накапливаемую в замкнутом объеме, и снизить концентрацию ксенона. Если при первой десорбции вакуумирование осуществляют при постоянном давлении более 100 мбар или при постоянной температуре менее 268К, то десорбция ксенона может быть осуществлена недостаточно эффективно и ксенон будет извлечен не полностью.
Как было указано выше, автором настоящего изобретения экспериментально установлено, что осуществление первой десорбции происходит постепенно, при этом на начальном этапе первой десорбции в соответствии с энергиями активации десорбции (от меньшего значения к большему) раньше начала десорбции ксенона последовательно десорбируют первые сопутствующие газы, а затем постепенно начинает десорбировать ксенон. Причем десорбция ксенона начинается раньше, чем заканчивается десорбция первых сопутствующих газов в соответствии с их энергиями активации десорбции. В результате на начальном этапе первой десорбции по меньшей мере первого цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона по сравнению с их концентрацией в исходной газовой смеси первого цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси выводят из процесса. При этом после указанного выведения продолжают первую десорбцию, при которой происходит максимальная десорбция ксенона, и образуют обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси, которая имеет остаточную концентрацию первых сопутствующих газов. Эту вторую часть десорбированной газовой смеси направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента. Это значительно снижает концентрацию первых сопутствующих газов и повышает концентрацию ксенона во второй части десорбированной газовой смеси, которую накапливают в соответствующем замкнутом объеме, что повышает содержание ксенона в высокообогащенном ксеноновом концентрате, получаемом на последнем цикле шагов, а следовательно повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата. Таким образом при первом цикле шагов в замкнутом объеме накапливают десорбированную газовую смесь, которая по сравнению с исходной газовой смесью обогащена ксеноном, имеет пониженное содержание первых сопутствующих газов и содержит минимальное количество вторых сопутствующих газов.
После первой десорбции при выполнении каждого цикла шагов осуществляют вторую десорбцию, а именно десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона. Вторую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении, ниже давления вакуумирования адсорбера при десорбции ксенона (при первой десорбции), и при температуре, обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа с наибольшей энергией активации десорбции (в описываемом примере это бутан). При указанных характеристиках процесса второй десорбции происходит десорбция вторых сопутствующих газов (этана, пропана, бутана) и полная регенерация адсорбента, что улучшает дальнейшую десорбцию ксенона. В результате происходит образование десорбированной газовой смеси, содержащей вторые сопутствующие газы: этан, пропан, бутан, которую выводят из процесса, что повышает концентрацию ксенона в накопленной десорбированной газовой смеси, а следовательно повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Вторую десорбцию наиболее эффективно осуществлять путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 2 до 30 мбар и постоянной температуре от 373 до 423 К. Если вакуумирование при второй десорбции осуществляют при давлении менее 2 мбар или при температуре более 423 К, это не улучшит десорбцию указанных вторых сопутствующих газов, а требующаяся на это энергия будет затрачена впустую. Если вакуумирование при второй десорбции осуществляют при давлении более 30 мбар или при температуре менее 373 К, то может произойти неполная десорбция бутана из адсорбента и, следовательно, неполная регенерацию адсорбента, что может препятствовать дальнейшей адсорбции ксенона и снизить качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
После осуществления первого цикла шагов последовательно аналогично осуществляют последующие циклы шагов (при их наличии), которые осуществляют аналогично описанному первому циклу шагов. После каждого из указанных циклов шагов в соответствующем замкнутом объеме получают более обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь.
Затем осуществляют последний цикл шагов, при котором в качестве исходной газовой смеси используют обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь, накопленную в соответствующем замкнутом объеме в результате соответствующей первой десорбции первого (предыдущего) цикла шагов. Эту накопленную десорбированную газовую смесь снова направляют в адсорбер, который заполнен активированным углем. Далее аналогично первому циклу шагов осуществляют адсорбцию ксенона и сопутствующих газов с получением адсорбированной газовой смеси, которую до появления в ней ксенона выводят из процесса, а после появления в ней ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления раздельной десорбции. При раздельной десорбции последнего цикла шагов сначала осуществляют первую десорбцию, где выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, а затем осуществляют вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона.
Первую десорбцию последнего цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар, и постоянной температуре от 268 до 293 К, обеспечивающих десорбцию ксенона. При этом, как было описано выше, раньше десорбции ксенона начинает происходить десорбция первых сопутствующих газов, так как каждый из них имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, а затем постепенно начинает происходить десорбция ксенона. Причем десорбция ксенона начинается раньше, чем заканчивается десорбция первых сопутствующих газов в соответствии с их энергиями активации десорбции. При этом происходит отделение ксенона и первых сопутствующих газов от вторых сопутствующих газов, которые почти полностью остаются в адсорбенте. То есть в результате осуществления первой десорбции последнего цикла шагов на выходе из адсорбера получают десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, содержащий минимальное остаточное содержание первых сопутствующих газов, при этом возможно наличие минимального количества вторых сопутствующих газов.
Необходимость второй десорбции последнего цикла шагов обусловлена тем, что десорбция ксенона при первой десорбции может закончиться несколько позже, чем начнут вторую десорбцию компоненты вторых сопутствующих газов, имеющие наименьшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов (например, этан). В результате в замкнутый объем могут попасть указанные компоненты вторых сопутствующих газов, которые будут выведены из процесса при второй десорбции последнего цикла шагов.
Вторую десорбцию последнего цикла шагов осуществляют аналогично описанной выше второй десорбции первого цикла шагов.
При этом при осуществлении первой десорбции последнего цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона, например, от 32 до 38 об. % и остаточным содержанием первых сопутствующих газов (например, содержание метана от 50 до 60 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
Как было описано выше, экспериментально установлено, что осуществление первой десорбции последнего цикла шагов (аналогично описанному для первого цикла шагов) происходит постепенно, при этом на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов в соответствии с энергиями активации процесса десорбции раньше десорбции ксенона последовательно начинают десорбировать оставшиеся первые сопутствующие газы, а затем постепенно начинает десорбировать ксенон. Поэтому на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, имеющей повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона по сравнению с их концентрацией в исходной газовой смеси последнего цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси выводят из процесса. После указанного выведения продолжают первую десорбцию последнего цикла шагов и образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона, например, от 62 до 68 об. % и минимальным остаточным содержанием первых сопутствующих газов (например, содержание метана от 23 до 28 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси). В результате этого на последнем цикле шагов оставшиеся в десорбированной газовой смеси первые сопутствующие газы в значительной степени удаляют из процесса и увеличивают содержание ксенона в высокообогащенном ксеноновом концентрате, что повышает качество последнего.
Возможен вариант выполнения настоящего изобретения, при котором выведенную на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов первую часть десорбированной газовой смеси частично возвращают в исходную газовую смесь первого цикла шагов. Это повышает коэффициент извлечения ксенона.
Возможен вариант выполнения настоящего изобретения, при котором в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов используют природную углеводородную газовую смесь с особо низким содержанием ксенона в количестве 10-2 об. % и менее. При этом выполняют по меньшей мере четыре цикла шагов, из которых по меньшей мере второй и третий циклы шагов выполняют аналогично первому циклу шагов, а при выполнении каждого последующего цикла шагов (второго, третьего, последнего циклов шагов) в качестве исходной газовой смеси используют газовую смесь, накопленную в соответствующем замкнутом объеме при выполнении соответствующего предыдущего цикла шагов (первого, второго и третьего циклов шагов, соответственно).
После осуществления последующих циклов шагов выполняют описанный выше последний цикл шагов, в результате которого получают десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона, например, от 90 до 94 об. %) и остаточным содержанием первых сопутствующих газов (например, содержание метана от 2,5 до 4,0 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и/или примеси).
Однако, как было описано выше, авторами настоящего изобретения экспериментально установлено, что осуществление первой десорбции при каждом последующем цикле шагов (также, как указывалось выше для первого и последнего циклов шагов) происходит постепенно, при этом на начальном этапе первой десорбции этих циклов шагов раньше десорбции ксенона последовательно десорбируют оставшиеся первые сопутствующие газы, а затем постепенно десорбирует ксенон. Поэтому на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, имеющую повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона по сравнению с их концентрацией в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси выводят из процесса. После указанного выведения продолжают первую десорбцию каждого последующего цикла шагов и образуют соответствующую обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси, которая имеет остаточную концентрацию первых сопутствующих газов. Эту обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси каждого последующего цикла шагов направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента. Это значительно снижает концентрацию первых сопутствующих газов и повышает концентрацию ксенона в десорбированной газовой смеси, которую накапливают в соответствующем замкнутом объеме, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Таким образом при выполнении каждого последующего цикла шагов (второго, третьего и последнего циклов шагов) в результате десорбции ксенона и первых сопутствующих газов после указанного выведения получают более обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь, чем при выполнении каждого предыдущего цикла шагов. В результате этого оставшиеся в десорбированной газовой смеси при выполнении каждого предыдущего цикла шагов первые сопутствующие газы последовательно удаляют из процесса и достигают значительного повышения содержания ксенона в соответствующей десорбированной газовой смеси, что значительно повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Возможен вариант, при котором выведенную при выполнении каждого последующего цикла шагов десорбированную газовую смесь, полученную на начальном этапе первой десорбции этого цикла шагов, частично возвращают в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов.
После осуществления последующих циклов шагов выполняют описанный выше последний цикл шагов, в результате которого получают десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона, например, от 96 до 98 об.% и остаточным содержанием первых сопутствующих газов (содержание метана менее 1 об.%, остальное оставшиеся сопутствующие газы и/или примеси).
После первой десорбции при выполнении каждого цикла шагов осуществляют вторую десорбцию, которая обеспечивает удаление из адсорбента вторых сопутствующих газов, что обеспечивает улучшение характеристик адсорбента для осуществления дальнейших шагов.
Полученную на последнем цикле шагов десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, например, закачивают в баллоны и отправляют потребителю.
При этом полученную на последнем цикле шагов десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, можно направлять на тонкую очистку от оставшихся сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона, что позволяет получать ксенон с чистотой 99,9999. Тонкую очистку от примесей возможно осуществлять любым известным методом, пригодным для аналогичных целей.
Таким образом предлагаемый способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования в качестве исходных смесей газовых смесей с низким содержанием ксенона, (например, от 10-2 до 10-1 об. %) и особо низким содержанием ксенона, (например, 10-2 об. % и менее), и обеспечить производство высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, а также повысить качество высокообогащенного ксенонового концентрата при снижении себестоимости целевого продукта.
Другой вариант выполнения настоящего изобретения относится к предлагаемому способу получения высокообогащенного ксенонового концентрата, при котором в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов используют природную углеводородную газовую смесь с особо низким содержанием ксенона.
Предлагаемый способ в данном варианте выполняют путем последовательного осуществления по меньшей мере четырех описанных выше циклов шагов. Количество циклов шагов зависит от количества ксенона в исходной газовой смеси первого цикла шагов. Предлагаемый способ в данном варианте выполнения позволяет использовать исходную газовую смесь с особо низким содержанием ксенона (10-2 об. % и менее). Чем меньше количество ксенона в исходной газовой смеси первого цикла шагов, тем большее количество циклов необходимо выполнить. Первый, второй и третий циклы шагов осуществляют последовательно и по существу аналогично. Отличие этих циклов шагов заключается в количестве ксенона и сопутствующих газов в исходной газовой смеси каждого цикла шагов.
В этом варианте при выполнении первого цикла шагов в качестве исходной газовой смеси используют природную углеводородную газовую смесь, в которой в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород. При этом при каждом цикле шагов в качестве адсорбента используют активированный уголь и осуществляют раздельную десорбцию, включающую первую десорбцию, при которой выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона, и вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении, ниже давления вакуумирования адсорбера при первой десорбции, и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов. При этом на начальном этапе первой десорбции каждого цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, которую выводят из процесса, а в результате продолжения первой десорбции после указанного выведения образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, которую на каждом из первых трех циклов шагов направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента, а при второй десорбции каждого цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса. Причем на каждом последующем цикле шагов в качестве исходной газовой смеси используют соответствующую вторую часть десорбированной газовой смеси, накопленную в соответствующем замкнутом объеме соответствующего предыдущего цикла шагов, а на последнем цикле шагов в результате продолжения первой десорбции после указанного выведения получают вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат.
При осуществлении этого варианта предлагаемого способа получают высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона от 96 до 98 об. % и остаточным содержанием первых сопутствующих газов (содержание метана в количестве менее 1 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и/или примеси).
Осуществление этого варианта предлагаемого способа включает вышеописанное для первого, второго, третьего и последнего циклов шагов (по меньшей мере четырех циклов шагов) первого варианта настоящего изобретения.
Аналогично описанному выше перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на первом цикле шагов осуществляют предварительную очистку исходной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей, а на каждом цикле шагов стабилизируют давление исходной газовой смеси от 6 до 10 бар и ее температуру от 268 до 293 К.
Аналогично описанному выше первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов, частично возвращают в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов.
Аналогично описанному выше в качестве природной углеводородной газовой смеси используют газовую смесь, которая в качестве первых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, метан и углекислый газ, а в качестве вторых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, этан, пропан, бутан.
Аналогично описанному выше при выполнении каждого цикла шагов первую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар и постоянной температуре от 268 до 293 К, а вторую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 2 до 30 мбар и постоянной температуре от 373 до 423 К.
Аналогично описанному выше полученную на последнем цикле шагов вторую часть десорбированной газовой смеси, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат, направляют на тонкую очистку от оставшихся сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона.
Использование предлагаемого способа во втором варианте его выполнения также обеспечивает новую функциональную возможность способа, а именно возможность получения высокообогащенного ксенонового концентрата в качестве основного целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, в повышении качества высокообогащенного ксенонового концентрата путем увеличения в нем концентрации ксенона, а также в расширении ассортимента исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона, что обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта при сохранении высокого коэффициента извлечения ксенона (до 40%).
Это обусловлено тем, что осуществление раздельной десорбции улучшает десорбирование ксенона из адсорбента, обеспечивает возможность использования при выполнении последующих циклов шагов в качестве исходной газовой смеси обогащенной ксеноном газовой смеси, полученной при выполнении предыдущего цикла шагов, что повышает содержание ксенона в десорбированной газовой смеси последнего цикла шагов и обеспечивает повышение качества высокообогащенного ксенонового концентрата. Кроме того, осуществление раздельной десорбции при выполнении каждого цикла шагов обеспечивает практически полное удаление из исходной газовой смеси вторых сопутствующих газов, так как эти газы при выполнении каждого цикла шагов выводят из процесса, а последовательное выполнение по меньшей мере четырех циклов шагов уменьшает в целевом продукте количество первых сопутствующих газов, так как эти газы при выполнении адсорбции каждого цикла шагов только частично поглощаются адсорбентом, а частично эти газы выводят из адсорбера с проходящей газовой смесью при выполнении каждого цикла шагов. При этом поглощенные адсорбентом первые сопутствующие газы первыми десорбируют на начальном этапе первой десорбции, так как имеют энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, и их удаляют на начальном этапе десорбции каждого цикла шагов. Все это уменьшает в целевом продукте количество первых и вторых сопутствующих газов и увеличивает содержание ксенона, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата, а также исключает необходимость осуществления дополнительных технологических процессов, что, обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта. При этом последовательное выполнение по меньшей мере четырех циклов шагов позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей путем обеспечения возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона без ограничения количества получения высокообогащенного ксенонового концентрата предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет по существу неограниченно расширять производство ксенона в качестве основного целевого продукта.
Более подробно предлагаемый способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата в его вариантах будет описан ниже при описании работы установки для его осуществления.
Для лучшего понимания изобретения ниже приведены конкретные примеры установки для осуществления предлагаемого способа получения высокообогащенного ксенонового концентрата в разных вариантах со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 схематично изображает установку для осуществления предлагаемого способа в первом варианте выполнения;
фиг. 2 - схематично изображает установку для осуществления предлагаемого способа в другом варианте выполнения.
Рассмотрим первый вариант выполнения установки для осуществления первого варианта предлагаемого способа получения высокообогащенного ксенонового концентрата (фиг. 1), при котором исходная газовая смесь первого цикла шагов имеет низкое содержание ксенона и при котором последовательно осуществляют по меньшей мере два цикла шагов.
В качестве исходной газовой смеси используют, например, природную углеводородную газовую смесь, содержащую ксенон в количестве, например, 1,5×10-1 об. %. В качестве первых сопутствующих газов указанная природная углеводородная газовая смесь содержит метан, например, в количестве 94, 17 об. %, углекислый газ и азот. В качестве вторых сопутствующих газов указанная природная углеводородная газовая смесь содержит этан, пропан и бутан. При этом смесь содержит примеси, например, криптон и гелий.
Указанную газовую смесь с помощью трубопровода (а) с запорной арматурой (на чертеже не показана) отбирают, например, из сформированного потока на обустроенном природном месторождении, которое находится, например, в Западной Сибири. Общеизвестно, что газовая смесь природного месторождения может содержать механические примеси и капельную жидкость, а также может иметь повышенное давление и температуру. В этом случае газовую смесь направляют в блок подготовки исходной газовой смеси первого цикла шагов, где осуществляют предварительную очистку отобранной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей, соответственно, в фильтре-коалесцере и в фильтре механической очистки и с помощью регулятора давления и теплообменника стабилизируют ее давление и температуру, соответственно, от 6 до 10 бар и от 268 до 293 К для дальнейшего использования ее в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов.
Установка для осуществления первого варианта предлагаемого способа содержит блок 1 подготовки исходной газовой смеси первого цикла шагов, имеющий, например, фильтр 2 механической очистки исходной газовой смеси от механических примесей, фильтр-коалесцер 3 очистки исходной газовой смеси от капельной жидкости, регулятор 4 давления для стабилизации давления исходной газовой смеси до подачи в соответствующий адсорбер первого цикла шагов и теплообменник 5 для стабилизации температуры исходной газовой смеси до подачи в соответствующий адсорбер первого цикла шагов; блок 6 адсорберов первого цикла шагов, содержащий, по меньшей мере, два (первый и второй) одинаковых адсорбера 7, 8, включенных параллельно и работающих поочередно; вакуумную насосную станцию 9 для снижения давления в адсорберах 7, 8 первого цикла шагов; систему стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорберах 7, 8 первого цикла шагов; буферную емкость 10 (выше при описании предлагаемого способа ее называли замкнутый объем) для накопления десорбированной газовой смеси первого цикла шагов; компрессор 11 и теплообменник 12 для стабилизации, соответственно, давления и температуры десорбированной газовой смеси первого цикла шагов до подачи в соответствующий адсорбер последнего цикла шагов; блок 13 адсорберов последнего цикла шагов, содержащий, по меньшей мере, два одинаковых адсорбера 14, 15, включенных параллельно и работающих поочередно; вакуумную насосную станцию 16 для снижения давления в адсорберах 14, 15 последнего цикла шагов; систему стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорберах 14, 15 последнего цикла шагов. Все перемещения газовых смесей осуществляют с помощью трубопроводов (а) с запорной арматурой (на чертеже не показано).
Предлагаемый способ можно осуществлять с использованием одного адсорбера, однако в этом случае невозможно обеспечить непрерывный процесс получения высокообогащенного ксенонового концентрата, из чего следует, что более рационально использовать, по меньшей мере, два адсорбера.
Каждый адсорбер 7, 8 первого цикла шагов заполняют адсорбентом. Отсутствие кислорода в сопутствующих газах исходной газовой смеси позволяет использовать в качестве адсорбента активированный уголь, который имеет наибольшую адсорбционную емкость по ксенону из известных адсорбентов, что улучшает десорбцию ксенона и повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Предлагаемый способ осуществляют путем последовательного выполнения по меньшей мере двух циклов шагов (первый и последний циклы шагов), которые были подробно описаны выше и будут описаны ниже.
Сначала подготовленную исходную газовую смесь подают в первый адсорбер 7 блока 6 адсорберов первого цикла шагов. В первом адсорбере 7 адсорбируют компоненты поступающей исходной газовой смеси. На выходе из адсорбера 7 постоянно измеряют состав неадсорбированной выходящей в процессе адсорбции из адсорбера 7 газовой смеси. Это осуществляют с помощью любого известного приспособления, пригодного для аналогичных целей, например, с помощью спектрометра, который на чертеже не показан. Выходящую из адсорбера 7 неадсорбированную газовую смесь до появления в ней ксенона выводят из процесса. После появления ксенона на выходе из адсорбера 7 процесс адсорбции в этом адсорбере 7 прекращают, а подготовленную исходную газовую смесь подают во второй адсорбер 8 блока 1 адсорберов первого цикла шагов, где осуществляют действия, аналогичные описанным действиям в первом адсорбере 7.
Затем в первом адсорбере 7 осуществляют раздельную десорбцию, при которой сначала осуществляют первую десорбцию (десорбцию первых сопутствующих газов и ксенона), а затем осуществляют вторую десорбцию (десорбцию вторых сопутствующих газов).
Первую десорбцию первого цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера 7 при постоянном давлении от 30 до 100 мбар (например, 30 мбар) и постоянной температуре от 268 до 293 К (например, 268 К), обеспечивающих десорбцию ксенона. Это осуществляют посредством вакуумной насосной станции 9, с помощью которой откачивают десорбированную газовую смесь из адсорбера 7, и системы стабилизации температуры исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов. В результате при выполнении первого цикла шагов получают обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов, которые были частично выведены из адсорбера 7 с проходящей газовой смесью. Первую десорбцию продолжают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента.
Полученную при выполнении первого цикла шагов обогащенную ксеноном (содержание ксенона от 3,5 до 5,0 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов (от 93, 0 до 94,0 об. %, из них содержание метана от 83, 0 до 91, 0 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси), направляют в буферную емкость 10, где накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента. Таким образом накопленная десорбированная газовая смесь по сравнению с исходной газовой смесью обогащена ксеноном и имеет пониженное содержание первых сопутствующих газов.
Однако, так как осуществление первой десорбции первого цикла шагов происходит постепенно, на начальном этапе первой десорбции раньше ксенона последовательно десорбируют первые сопутствующие газы, а затем постепенно десорбирует ксенон. В результате на начальном этапе первой десорбции первого цикла шагов происходит образование первой части десорбированной газовой смеси, имеющей повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона по сравнению с их концентрацией в исходной газовой смеси первого цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси выводят из процесса. При этом после указанного выведения продолжают первую десорбцию и получают обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси (содержание ксенона 3,1 об. %), которая имеет остаточную концентрацию первых сопутствующих газов (91,11 об. %, из них содержание метана 89,7 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси). В этом случае в буферную емкость 10 направляют эту вторую часть десорбированной газовой смеси, где ее накапливают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента.
Затем в адсорбере 7 осуществляют вторую десорбцию первого цикла шагов, то есть десорбцию вторых сопутствующих газов. Вторую десорбцию первого цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера 7 при постоянном давлении от 2 до 30 мбар (например, 2 мбар), ниже давления вакуумирования адсорбера 7 при первой десорбции, и при постоянной температуре от 373 до 423 К (например, 373 К), обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа, который имеет наибольшую характеристическую энергию десорбции из вторых сопутствующих газов (в описываемом примере это бутан). В результате получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса.
Далее десорбированную газовую смесь из буферной емкости 10 направляют в компрессор 11, где стабилизируют ее давление от 6 до 10 бар (например, 7 бар), а затем в теплообменник 12, где стабилизируют ее температуру от 268 до 293 К (например, до 293 К). После чего подготовленную десорбированную газовую смесь направляют в блок 13 адсорберов 14, 15 последнего цикла шагов в качестве исходной газовой смеси последнего цикла шагов.
Сначала указанную исходную газовую смесь последнего цикла шагов направляют в первый адсорбер 14 блока 13 адсорберов последнего цикла шагов. В первом адсорбере 14 адсорбируют компоненты исходной газовой смеси. На выходе из адсорбера 14 непрерывно измеряют состав выходящей из адсорбера 14 газовой смеси. Это осуществляют с помощью любого известного приспособления, пригодного для аналогичных целей, например, масс-спектрометра, который на чертеже не показан. Выходящую из адсорбера 14 неадсорбированную газовую смесь до появления в ней ксенона выводят из процесса, например, с помощью трубопровода (а) с запорной арматурой (на чертеже не показана). После появления ксенона на выходе из адсорбера 14 процесс адсорбции в этом адсорбере 14 прекращают, а подготовленную исходную газовую смесь последнего цикла шагов подают во второй адсорбер 15 блока 13 адсорберов последнего цикла шагов.
При этом в первом адсорбере 14 осуществляют раздельную десорбцию, при которой сначала осуществляют первую десорбцию, то есть десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет характеристическую энергию десорбции меньше чем у ксенона, а затем осуществляют вторую десорбцию, то есть десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона.
Первую десорбцию последнего цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера 14 при постоянном давлении от 30 до 100 мбар (например, 100 мбар) и постоянной температуре от 268 до 293 К (например, 293 К), обеспечивающих десорбцию ксенона. Это осуществляют посредством вакуумной насосной станции 16, с помощью которой откачивают десорбированную газовую смесь из адсорбера 14, и системы стабилизации температуры исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов.
При этом при первой десорбции на последнем цикле шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат (содержание ксенона 35,04 об. %) и остаточное, пониженное по сравнению с исходной газовой смесью последнего цикла шагов, содержание первых сопутствующих газов, (64.96 об. %, где содержание метана 57,2 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
Однако, так как осуществление первой десорбции последнего цикла шагов происходит постепенно, на начальном этапе первой десорбции раньше ксенона последовательно десорбируют первые сопутствующие газы, а затем постепенно десорбирует ксенон. В результате на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов происходит образование первой части десорбированной газовой смеси, имеющей повышенную концентрацию первых сопутствующих газов и пониженную концентрацию ксенона по сравнению с их концентрацией в исходной газовой смеси первого цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси выводят из процесса. При этом после указанного выведения продолжают первую десорбцию и получают вторую часть десорбированной газовой смеси, которая содержит высокообогащенный ксеноновый концентрат (содержание ксенона 65,4 об. % и остаточная концентрация первых сопутствующих газов 35,6 об. %, из них содержание метана 25,3 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При этом возможно полученную на последнем цикле шагов первую часть десорбированной газовой смеси после ее выведения из процесса частично возвращать в исходную газовую смесь первого цикла шагов. Это обеспечивает увеличение коэффициента извлечения ксенона.
Затем в первом адсорбере 14 осуществляют вторую десорбцию последнего цикла шагов, то есть десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона. Вторую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера 14 при постоянном давлении от 2 до 30 мбар (например, 30 мбар) ниже давления вакуумирования адсорбера 7 при первой десорбции, и при постоянной температуре от 373 до 423 К (например, 423 К), обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа, который имеет наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов (в описываемом примере это бутан). В результате получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса.
В том случае, если в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов используют природную углеводородную газовую смесь, содержащую ксенон в особо низком количестве, то выполняют, по меньшей мере, четыре цикла шагов, то есть между первым и последним циклами шагов последовательно выполняют, по меньшей мере, два промежуточных цикла шагов (второй и третий циклы шагов), аналогичных шагам первого цикла, причем при выполнении каждого последующего цикла шагов (второго, третьего и последнего циклов шагов) в качестве исходной газовой смеси используют газовую смесь, накопленную в соответствующей буферной емкости (замкнутом объеме) при выполнении соответствующего предыдущего цикла шагов.
В этом случае первую десорбцию первого цикла шагов осуществляют аналогично описанной выше, а первую десорбцию второго и третьего циклов шагов осуществляют аналогично указанной первой десорбции первого цикла шагов.
При выполнении второго цикла шагов без выведения первой части десорбированной газовой смеси получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 16,4 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов (83,6 об. %, из них содержание метана 74,57 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При выполнении второго цикла шагов с выведением первой части десорбированной газовой смеси получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 24,2 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов (75,8 об.%, из них содержание метана 67,8 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При выполнении третьего цикла шагов без выведения первой части десорбированной газовой смеси получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 72,1 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов (27,9 об. %, из них содержание метана 20, 9 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При выполнении третьего цикла шагов с выведением первой части десорбированной газовой смеси получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 76,0 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов (24,0 об. %, из них содержание метана 17,81 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
Таким образом накопленная десорбированная газовая смесь третьего цикла шагов по сравнению с исходной газовой смесью этого цикла шагов обогащена ксеноном и имеет пониженное содержание первых сопутствующих газов.
Затем в соответствующем первом адсорбере второго и третьего цикла шагов осуществляют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше чем у ксенона. Вторую десорбцию осуществляют аналогично описанному выше. В результате получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса.
Далее аналогично описанному выше осуществляют последний цикл шагов, на котором без выведения первой части десорбированной газовой смеси при первой десорбции получают десорбированную газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона 92,0 об. % и остаточную концентрацию первых сопутствующих газов 3,51 об. %, из них содержание метана 3, 49 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси. А при выведении первой части десорбированной газовой смеси при первой десорбции получают десорбированную газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат с содержанием ксенона 98,0 об. % и остаточную концентрацию первых сопутствующих газов 1,44 об. %, из них содержание метана 0,56 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси.
Полученную на последнем цикле шагов десорбированную газовую смесь, содержащую высокообогащенный ксеноновый концентрат, полезно направлять на тонкую очистку (на чертеже не показано) от остаточных сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона. Это позволяет получать ксенон с чистотой 99,9999.
Таким образом высокообогащенный ксеноновый концентрат получают в результате осуществления одного технологического процесса в качестве основного, целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей для получения высокообогащенного ксенонового концентрата и обеспечить снижение себестоимости целевого продукта. Кроме того, применение предлагаемого способа для получения высокообогащенного ксенонового концентрата исключает необходимость использования высоких температур, что значительно повышает качество целевого продукта. При этом последовательное выполнение по меньшей мере двух циклов шагов позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей за счет возможности использования газовых смесей с низким и особо низким содержанием ксенона без ограничения количества получения высокообогащенного ксенонового концентрата предыдущими технологическими процессами, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата и снижает себестоимость целевого продукта при сохранении высокого коэффициента извлечения ксенона. Осуществление указанной раздельной десорбции ксенона и сопутствующих газов улучшает десорбирование ксенона из адсорбента при регенерации последнего, обеспечивает возможность использовать при выполнении второго цикла шагов в качестве исходной газовой смеси полученную при выполнении первого цикла шагов обогащенную ксеноном газовую смесь, что обеспечивает повышение качества высокообогащенного ксенонового концентрата. Кроме того, осуществление раздельной десорбции при выполнении каждого цикла шагов обеспечивает максимальное удаление из исходной газовой смеси вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше, чем у ксенона. При этом последовательное выполнение по меньшей мере двух циклов шагов уменьшает в целевом продукте количество первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше чем у ксенона, так как эти газы при выполнении адсорбции каждого цикла шагов только частично поглощаются адсорбентом, а частично находятся в объеме адсорбера, в результате чего эти газы выводят из адсорбера с проходящей газовой смесью при выполнении каждого цикла шагов. Все это повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата, исключает необходимость осуществления дополнительных технологических процессов, что, в свою очередь, обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта, полученного в качестве основного продукта.
Рассмотрим второй вариант выполнения установки для осуществления другого (второго) варианта предлагаемого способа получения высокообогащенного ксенонового концентрата (фиг. 2), при котором исходная газовая смесь первого цикла шагов имеет особо низкое содержание ксенона и при котором последовательно осуществляют четыре цикла шагов.
В качестве исходной газовой смеси используют природную углеводородную газовую смесь, содержащую ксенон, например, в количестве 10-2 об. %. В качестве первых сопутствующих газов указанная природная углеводородная газовую смесь содержит метан, например, в количестве от 94, 27 об. %, углекислый газ и азот. В качестве вторых сопутствующих газов указанная природная углеводородная газовую смесь содержит этан, пропан, бутан, остальное примеси.
При этом в исходной газовой смеси первого цикла шагов в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород, что позволяет на каждом цикле шагов в качестве адсорбента использовать активированный уголь, который улучшает десорбцию ксенона, что повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата.
Указанную природную углеводородную газовую смесь с помощью трубопровода (а) с запорной арматурой (на чертеже не показана) отбирают, например, из сформированного потока газовой смеси на обустроенном природном месторождении, которое находится, например, в Западной Сибири.
Как было описано выше газовая смесь природного месторождения может содержать механические примеси и капельную жидкость, а также может иметь повышенное давление и температуру. В этом случае для ее использования в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов осуществляют предварительную очистку отобранной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей в блоке подготовки исходной газовой смеси первого цикла шагов и с помощью регулятора давления и теплообменника стабилизируют ее давление от 6 до 10 бар (например, 7 бар) и температуру от 268 до 293 К (например, 268 К) для дальнейшего использования ее в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов.
Установка для осуществления второго варианта предлагаемого способа получения высокообогащенного ксенонового концентрата (фиг. 2) содержит блок 1 подготовки исходной газовой смеси первого цикла шагов, имеющий, например, фильтр 2 механической очистки исходной газовой смеси от механических примесей, фильтр-коалесцер 3 очистки исходной газовой смеси от капельной жидкости, регулятор 4 давления для стабилизации давления исходной газовой смеси до подачи в соответствующий адсорбер первого цикла шагов и теплообменник 5 для стабилизации температуры исходной газовой смеси до подачи в соответствующий адсорбер первого цикла шагов; блок 6 адсорберов первого цикла шагов, содержащий, по меньшей мере, два (первый и второй) одинаковых адсорбера 7, 8, включенных параллельно и работающих со сдвигом во времени; вакуумную насосную станцию 9 для снижения давления в адсорберах 7, 8 первого цикла шагов; систему стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорберах 7, 8 первого цикла шагов; буферную емкость 10 (выше мы ее называли замкнутый объем) для накопления десорбированной газовой смеси первого цикла шагов; компрессор 11 и теплообменник 12 для стабилизации, соответственно, давления и температуры десорбированной газовой смеси первого цикла шагов до ее подачи в соответствующий адсорбер второго цикла шагов; блок 13 адсорберов второго цикла шагов, содержащий, по меньшей мере, два одинаковых адсорбера 14, 15, включенных параллельно и работающих со сдвигом во времени; вакуумную насосную станцию 16 для снижения давления в адсорберах 14, 15 второго цикла шагов; систему стабилизации температуры в адсорберах 14, 15 второго цикла шагов (на чертеже не показана); буферную емкость 17 для накопления десорбированной газовой смеси второго цикла шагов; компрессор 18 и теплообменник 19 для стабилизации, соответственно, давления и температуры десорбированной газовой смеси второго цикла шагов до ее подачи на третий цикл шагов в качестве исходной газовой смеси; блок 20 адсорберов третьего цикла шагов, содержащий, по меньшей мере, два (первый и второй) одинаковых адсорбера 21, 22, включенных параллельно и работающих поочередно; вакуумную насосную станцию 16 для снижения давления в адсорберах 21, 22 третьего цикла шагов; систему стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорберах 21, 22 третьего цикла шагов; буферную емкость 24 для накопления десорбированной газовой третьего цикла шагов, компрессор 25 и теплообменник 26 для стабилизации, соответственно, давления и температуры десорбированной газовой смеси третьего цикла шагов до ее подачи на последний цикл шагов в качестве исходной газовой смеси; блок 27 адсорберов четвертого цикла шагов, содержащий, по меньшей мере, два одинаковых адсорбера 28, 29, включенных параллельно и работающих со сдвигом во времени; вакуумную насосную станцию 30 для снижения давления в адсорберах 28, 29 последнего цикла шагов; систему стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорберах 28, 29 последнего цикла шагов. Все перемещения газовых смесей осуществляют с помощью трубопроводов (а) с запорной арматурой (на чертеже не показано).
Предлагаемый способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата в данном варианте осуществляют путем последовательного выполнения, по меньшей мере, четырех циклов шагов (первого, второго, третьего и последнего циклов шагов), которые были подробно описаны выше и будут описаны ниже.
Сначала предварительно подготовленную исходную газовую смесь подают в первый адсорбер 7 блока 6 адсорберов первого цикла шагов. В первом адсорбере 7 адсорбируют компоненты поступающей исходной газовой смеси. На выходе из адсорбера 7 постоянно измеряют состав выходящей в процессе адсорбции из адсорбера 7 неадсорбированной газовой смеси. Это осуществляют с помощью любого известного приспособления, пригодного для аналогичных целей, например, с помощью спектрометра, который на чертеже не показан. Выходящую из адсорбера 7 неадсорбированную газовую смесь до появления в ней ксенона выводят из процесса. После появления ксенона на выходе из адсорбера 7 процесс адсорбции в этом адсорбере 7 прекращают, а предварительно подготовленную исходную газовую смесь подают во второй адсорбер 8 блока 6 адсорберов первого цикла шагов, где осуществляют действия, аналогичные описанным действиям в первом адсорбере 7.
В это время в первом адсорбере 7 осуществляют раздельную десорбцию, при которой сначала осуществляют десорбцию первых сопутствующих газов и ксенона (первую десорбцию), а затем осуществляют десорбцию вторых сопутствующих газов (вторую десорбцию).
Первую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера 7 при постоянном давлении от 30 до 100 мбар (например, 30 мбар) и постоянной температуре от 268 до 293 К (например, 268 К), обеспечивающих десорбцию ксенона. Это осуществляют посредством вакуумной насосной станции 9, с помощью которой откачивают десорбированную газовую смесь из адсорбера 7 и снижают давление в адсорбере 7 первого цикла шагов, а также посредством системы стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорбере 7 первого цикла шагов. В качестве указанной системы стабилизации температуры может быть использована любая известная система, пригодная для аналогичных целей, например, теплообменник кожухотрубный (на чертеже не показано).
На начальном этапе первой десорбции при выполнении первого цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси с высоким содержанием первых сопутствующих газов и содержанием ксенона ниже, чем в исходной газовой смеси этого цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси первого цикла шагов выводят из процесса и продолжают первую десорбцию первого цикла шагов после указанного выведения. В результате продолжения первой десорбции после указанного выведения образуют обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси первого цикла шагов, которую направляют в буферную емкость 10. В результате при выполнении первого цикла шагов в буферной емкости 10 накапливают более обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси первого цикла шагов с остаточным (пониженным) содержанием первых сопутствующих газов по сравнению с исходной газовой смесью.
Затем в адсорбере 7 осуществляют вторую десорбцию (десорбцию вторых сопутствующих газов) первого цикла шагов. Вторую десорбцию первого цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера 7 при постоянном давлении от 2 до 30 мбар (например, 2 мбар), ниже давления вакуумирования адсорбера 7 при первой десорбции (десорбции ксенона и первых сопутствующих газов), и при постоянной температуре от 373 до 423 К (например, 373 К), обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа, который имеет наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов (в описываемом примере это бутан). В результате получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы первого цикла шагов, которую выводят из процесса.
Далее вторую часть десорбированной газовой смеси первого цикла шагов из буферной емкости 10 направляют в компрессор 11, где увеличивают давление этой десорбированной газовой смеси от 6 до 10 бар (например, 7 бар), а затем ее направляют в теплообменник 12, где стабилизируют ее температуру от 268 до 293 К (например, 268 К).
Затем эту подготовленную десорбированную газовую смесь в качестве исходной газовой смеси второго цикла шагов направляют в блок 13 адсорберов второго цикла шагов.
Таким образом при выполнении второго цикла шагов в качестве исходной газовой смеси используют обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси, накопленную в буферной емкости 10 при выполнении первого цикла шагов, со стабилизированными давлением и температурой.
Сначала подготовленную исходную газовую смесь второго цикла шагов направляют в первый адсорбер 14 блока 13 адсорберов второго цикла шагов, где адсорбируют ее компоненты. На выходе из адсорбера 14 непрерывно измеряют состав выходящей в процессе адсорбции из адсорбера 14 (проходящей через адсорбер 14) газовой смеси. Это осуществляют с помощью любого известного приспособления, пригодного для аналогичных целей, например, с помощью масс-спектрометра, который на чертеже не показан. Выходящую из адсорбера 14 неадсорбированную газовую смесь до появления в ней ксенона выводят из процесса. После появления ксенона на выходе из адсорбера 14 процесс адсорбции в этом адсорбере 14 прекращают, а подготовленную исходную газовую смесь второго цикла шагов подают во второй адсорбер 15 блока 13 адсорберов второго цикла шагов, где осуществляют действия, аналогичные описанным действиям в первом адсорбере 14.
Затем в первом адсорбере 14 второго цикла шагов осуществляют раздельную десорбцию второго цикла шагов, при которой сначала осуществляют первую десорбцию, а затем осуществляют вторую десорбцию.
Первую десорбцию второго цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера 14 при постоянном давлении от 30 до 100 мбар (например, 100 мбар) и постоянной температуре от 268 до 293 К (например 293 К), обеспечивающих десорбцию ксенона. Это осуществляют с помощью вакуумной насосной станции 16 путем откачивания десорбированной газовой смеси из адсорбера 14, а также с помощью системы стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорбере 14 второго цикла шагов. В качестве указанной системы стабилизации температуры может быть использована любая известная система, пригодная для аналогичных целей, например, кожухотрубный теплообменник. Первую десорбцию второго цикла шагов продолжают по существу до прекращения выделения ксенона из адсорбента.
На начальном этапе первой десорбции второго цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси с высоким содержанием первых сопутствующих газов и содержанием ксенона ниже, чем в исходной газовой смеси второго цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси второго цикла шагов выводят из процесса и продолжают первую десорбцию второго цикла шагов после указанного выведения. В результате продолжения первой десорбции после указанного выведения образуют обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси второго цикла шагов, которую направляют в буферную емкость 17. В результате при выполнении второго цикла шагов в буферной емкости 17 накапливают более обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси второго цикла шагов с остаточным (пониженным) содержанием первых сопутствующих газов по сравнению с исходной газовой смесью. Таким образом при осуществлении второго цикла шагов в результате первой десорбции получают более обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь с остаточным (пониженным) содержанием первых сопутствующих газов по сравнению с исходной газовой смесью второго цикла шагов.
Затем в адсорбере 14 при осуществлении второго цикла шагов выполняют вторую десорбцию путем вакуумирования адсорбера 14 при постоянном давлении от 2 до 30 мбар (например, 15 мбар), ниже давления вакуумирования адсорбера 14 при первой десорбции, и при постоянной температуре от 373 до 423 К (например, 400 К), обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа, который имеет наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов (в описываемом примере это бутан). В результате второй десорбции второго цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы второго цикла шагов, которую выводят из процесса.
Далее десорбированную газовую смесь второго цикла шагов из буферной емкости 17 направляют в компрессор 18, где увеличивают ее давление от 6 до 10 бар (например, 6 бар), а затем ее направляют в теплообменник 19, где стабилизируют ее температуру от 268 до 293 К (например, 268 К). После чего подготовленную десорбированную газовую смесь второго цикла шагов направляют в блок 20 адсорберов третьего цикла шагов, содержащий первый адсорбер 21 и второй адсорбер 22.
Таким образом в качестве исходной газовой смеси третьего цикла шагов используют обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь, накопленную в буферной емкости 17 при выполнении второго цикла шагов, со стабилизированными давлением и температурой.
Сначала указанную подготовленную обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь из буферной емкости 17 в качестве исходной газовой смеси третьего цикла шагов направляют в первый адсорбер 21 блока 20 адсорберов третьего цикла шагов. В первом адсорбере 21 третьего цикла шагов адсорбируют компоненты поступающей исходной газовой смеси третьего цикла шагов. На выходе из адсорбера 21 непрерывно измеряют состав выходящей в процессе адсорбции из адсорбера 21 неадсорбированной газовой смеси третьего цикла шагов. Выходящую из адсорбера 21 неадсорбированную газовую смесь третьего цикла шагов до появления в ней ксенона выводят из процесса. После появления ксенона на выходе из адсорбера 21 процесс адсорбции в этом адсорбере 21 прекращают, а подготовленную исходную газовую смесь третьего цикла шагов подают во второй адсорбер 22 блока 20 адсорберов третьего цикла шагов, где осуществляют действия, аналогичные описанным действиям в первом адсорбере 21.
Затем в первом адсорбере 21 третьего цикла шагов осуществляют раздельную десорбцию, при которой сначала осуществляют первую десорбцию, а затем осуществляют вторую десорбцию.
Первую десорбцию третьего цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорбера 21 при постоянном давлении от 30 до 100 мбар (например, 65 мбар) и постоянной температуре от 268 до 293 К (например 282 К), обеспечивающих десорбцию ксенона. Это осуществляют посредством вакуумной насосной станции 23, с помощью которой откачивают десорбированную газовую смесь из адсорбера 21, а также посредством системы стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорбере 21 третьего цикла шагов.
На начальном этапе первой десорбции третьего цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси с высоким содержанием первых сопутствующих газов и содержанием ксенона ниже, чем в исходной газовой смеси третьего цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси третьего цикла шагов выводят из процесса и продолжают первую десорбцию третьего цикла шагов после указанного выведения. В результате продолжения первой десорбции после указанного выведения образуют обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси третьего цикла шагов, которую направляют в буферную емкость 24. При выполнении третьего цикла шагов в буферной емкости 24 накапливают более обогащенную ксеноном вторую часть десорбированной газовой смеси третьего цикла шагов с остаточным (пониженным) содержанием первых сопутствующих газов по сравнению с исходной газовой смесью.
Таким образом при осуществлении третьего цикла шагов в результате первой десорбции получают более обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь с остаточным (пониженным) содержанием первых сопутствующих газов по сравнению с исходной газовой смесью третьего цикла шагов.
Затем в адсорбере 21 третьего цикла шагов осуществляют вторую десорбцию путем вакуумирования адсорбера 21 при постоянном давлении от 2 до 30 мбар (например, 30 мбар), ниже давления вакуумирования адсорбера 21 при десорбции ксенона и первых сопутствующих газов при первой десорбции, и при постоянной температуре от 373 до 423 К (например, 423 К), обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа, который имеет наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов (в описываемом примере это бутан). В результате получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы третьего цикла шагов, которую выводят из процесса.
Далее десорбированную газовую смесь третьего цикла шагов из буферной емкости 24 направляют в компрессор 25, где увеличивают ее давление от 6 до 10 бар (например, 10 бар, а затем ее направляют в теплообменник 26, где стабилизируют ее температуру от 268 до 293 К, (например, при температуре 293 К). После чего подготовленную десорбированную газовую смесь третьего цикла шагов направляют в блок 27 адсорберов последнего (четвертого) цикла шагов, содержащий первый адсорбер 28 и второй адсорбер 29.
При выполнении последнего цикла шагов в качестве исходной газовой смеси используют обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь, накопленную в буферной емкости 24 при выполнении третьего цикла шагов, со стабилизированными давлением и температурой.
Сначала указанную исходную газовую смесь последнего цикла шагов направляют в первый адсорбер 28 блока 27 адсорберов последнего цикла шагов. В первом адсорбере 28 адсорбируют компоненты поступающей исходной газовой смеси последнего цикла шагов. На выходе из адсорбера 28 непрерывно измеряют состав выходящей в процессе адсорбции из адсорбера 28 газовой смеси. Выходящую из адсорбера 28 неадсорбированную газовую смесь до появления в ней ксенона выводят из процесса. После появления ксенона на выходе из адсорбера 28 процесс адсорбции в этом адсорбере 28 прекращают, а подготовленную исходную газовую смесь последнего цикла шагов подают в качестве исходной газовой смеси последнего цикла во второй адсорбер 29 блока 27 адсорберов последнего цикла шагов, где осуществляют действия, аналогичные описанным действиям в первом адсорбере 28.
Затем в каждом адсорбере 28, 29 последнего цикла шагов осуществляют раздельную десорбцию, при которой сначала осуществляют первую десорбцию, а затем осуществляют вторую десорбцию.
Первую десорбцию последнего цикла шагов осуществляют путем вакуумирования адсорберов 28, 29 при постоянном давлении от 30 до 100 мбар (например, 30 мбар) и постоянной температуре от 268 до 293 К (например, 268 К), обеспечивающих десорбцию ксенона. Это осуществляют посредством вакуумной насосной станции 30, с помощью которой откачивают десорбированную газовую смесь из адсорберов 28, 29, а также посредством системы стабилизации температуры (на чертеже не показана) в адсорберах 28, 29 последнего цикла шагов.
При выполнении последнего цикла шагов на начальном этапе первой десорбции в каждом адсорбере 28, 29 образуют первую часть десорбированной газовой смеси с высоким содержанием первых сопутствующих газов и содержанием ксенона ниже, чем в исходной газовой смеси последнего цикла шагов. Эту первую часть десорбированной газовой смеси на последнем цикле шагов выводят из процесса и продолжают первую десорбцию последнего цикла шагов после указанного выведения. В результате продолжения первой десорбции после указанного выведения на последнем цикле шагов в каждом адсорбере 28, 29 образуют вторую часть десорбированной газовой смеси последнего цикла шагов, которая содержит высокообогащенный ксеноновый концентрат.
Затем в адсорберах 28, 29 при осуществлении последнего цикла шагов осуществляют вторую десорбцию путем вакуумирования адсорберов 28, 29 при постоянном давлении от 2 до 30 мбар (например, 20 мбар), ниже давления вакуумирования адсорбера 28 при первой десорбции последнего цикла шагов, и при постоянной температуре от 373 до 473 К (например, 411 К), обеспечивающей десорбцию компонента сопутствующего газа, который имеет наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов (в описываемом примере это бутан). В результате получают десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса.
Полученную при выполнении каждого последующего цикла шагов первую часть десорбированной газовой смеси после ее выведения из процесса на каждом предыдущем цикле шагов частично возвращают в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов.
При выполнении первой десорбции первого цикла шагов получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 2,1 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов (97,89 об. %, из них содержание метана 91,9 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При выполнении первой десорбции второго цикла шагов получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 24,2 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов 75,8 об. %, из них содержание метана 67,8 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При выполнении первой десорбции третьего цикла шагов получают обогащенную ксеноном (содержание ксенона 76,0 об. %) десорбированную газовую смесь с остаточным содержанием первых сопутствующих газов 24,0 об. %, из них содержание метана 17,81 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
При выполнении первой десорбции последнего (четвертого) цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат (содержание ксенона 98,0 об. %), и остаточную концентрацию первых сопутствующих газов (1,44 об. %, из них содержание метана 0,56 об. %, остальное оставшиеся сопутствующие газы и примеси).
Таким образом при выполнении каждого последующего цикла шагов в результате первой десорбции получают более обогащенную ксеноном десорбированную газовую смесь, чем при выполнении каждого предыдущего цикла шагов.
При выполнении последнего цикла шагов десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, возможно направлять на тонкую очистку от примесей и получение чистого ксенона с чистотой 99,9999.
Таким образом использование предлагаемого способа обеспечивает получение высокообогащенного ксенонового концентрата в результате осуществления одного технологического процесса, при котором получают высокообогащенный ксеноновый концентрат в качестве основного, целевого товарного продукта в промышленных масштабах без ограничения количества его получения предыдущими и последующими технологическими процессами, что позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей для получения высокообогащенного ксенонового концентрата, значительно упростить и удешевить его получение и обеспечить значительное снижение себестоимости целевого продукта. Кроме того, применение для получения высокообогащенного ксенонового концентрата только одного технологического процесса исключает необходимость использования высоких температур, что значительно повышает качество целевого продукта. При этом последовательное выполнение, по меньшей мере, четырех циклов указанных шагов позволяет расширить ассортимент исходных газовых смесей за счет использования газовых смесей с очень низким содержанием ксенона без ограничения количества получения высокообогащенного ксенонового концентрата предыдущими технологическими процессами, что значительно упрощает и удешевляет его получение, а также значительно снижает себестоимость целевого продукта при сохранении высокого коэффициента извлечения ксенона (до 40%). Осуществление раздельной десорбции ксенона и сопутствующих газов улучшает десорбирование ксенона из адсорбента при регенерации последнего, обеспечивает возможность использовать при выполнении каждого последующего цикла шагов в качестве исходной газовой смеси полученную при выполнении соответствующего предыдущего цикла шагов обогащенную ксеноном газовую смесь, что обеспечивает получение высокого коэффициента извлечения ксенона (до 40%) и повышение качества высокообогащенного ксенонового концентрата. Кроме того, осуществление раздельной десорбции при выполнении каждого цикла шагов обеспечивает максимально возможное удаление сопутствующих газов, каждый из которых имеет характеристическую энергию адсорбции больше, чем у ксенона, из исходной газовой смеси, что исключает необходимость осуществления дополнительных технологических процессов, что, в свою очередь, обеспечивает снижение себестоимости целевого продукта, полученного в качестве основного продукта. При этом последовательное выполнение, по меньшей мере, четырех циклов шагов уменьшает в целевом продукте количество первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет характеристическую энергию адсорбции меньше чем у ксенона, так как эти газы при выполнении каждого цикла указанных шагов только частично поглощаются адсорбентом, а частично находятся в объеме адсорбера, в результате чего при выполнении каждого цикла шагов эти газы выводят из адсорбера с проходящей газовой смесью. При этом при осуществлении начального этапа первой десорбции каждого цикла шагов из процесса удаляют первую часть десорбированной газовой смеси, которая содержит значительное количество первых сопутствующих газов. Все это увеличивает содержание ксенона в десорбированной газовой смеси, представляющей собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, повышает качество высокообогащенного ксенонового концентрата, исключает необходимость осуществления дополнительных технологических процессов, что, в свою очередь, обеспечивает значительное снижение себестоимости целевого продукта, полученного в качестве основного продукта.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КСЕНОНА ИЗ ГАЗОВОЙ СМЕСИ | 2004 |
|
RU2259522C1 |
| Способ получения концентрата ксенона из природного газа | 2020 |
|
RU2754223C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ КСЕНОНОСОДЕРЖАЩЕГО КИСЛОРОДА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2011 |
|
RU2480688C2 |
| Способ разделения криптона и ксенона | 1988 |
|
SU1701350A1 |
| Блок концентрирования ксенона и способ его эксплуатации | 2018 |
|
RU2670635C9 |
| СПОСОБ ОЧИСТКИ ТРИФТОРИДА АЗОТА | 2007 |
|
RU2350552C1 |
| Способ разделения криптона и ксенона | 1990 |
|
SU1745313A2 |
| Способ разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции | 2016 |
|
RU2627849C1 |
| Способ разделения газового потока на отдельные компоненты или фракции | 2016 |
|
RU2626354C9 |
| Способ адсорбционного извлечения криптоно-ксеноновой смеси и устройство для его осуществления | 1987 |
|
SU1558443A1 |
Изобретение относится к разделению газов. Способ включает выполнение по меньшей мере двух циклов шагов, каждый из которых включает адсорбцию и раздельную десорбцию. При десорбции выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше, чем у ксенона, а затем - десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше, чем у ксенона. При первой десорбции вакуумируют адсорбер при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона, и получают газовую смесь, которую накапливают в замкнутом объеме. При второй десорбции вакуумируют адсорбер при более низком давлении и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов. На последнем цикле шагов в качестве исходной используют газовую смесь, накопленную в замкнутом объеме, и при первой десорбции получают высокообогащенный ксеноновый концентрат. Изобретение обеспечивает возможность использования смесей с низким содержанием ксенона, повышает качество и снижает себестоимость целевого продукта. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.
1. Способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата, заключающийся в том, что выполняют цикл шагов, включающих: направление исходной газовой смеси, содержащей ксенон и сопутствующие газы, в адсорбер, предварительно заполненный адсорбентом, непрерывное измерение на выходе из адсорбера состава проходящей через адсорбер газовой смеси, осуществление адсорбции ксенона и сопутствующих газов с получением газовой смеси, которую до появления в ней ксенона выводят из процесса, а после появления ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления десорбции ксенона и сопутствующих газов, отличающийся тем, что последовательно выполняют по меньшей мере два цикла указанных шагов, при этом при каждом цикле шагов осуществляют раздельную десорбцию, включающую первую десорбцию, при которой выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше, чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона, и вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше, чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении ниже давления вакуумирования адсорбера при первой десорбции, и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов, причем при первой десорбции по меньшей мере первого цикла шагов образуют десорбированную газовую смесь, содержащую ксенон и первые сопутствующие газы, которую направляют в замкнутый объем, где накапливают, по существу, до прекращения выделения ксенона из адсорбента, а при второй десорбции каждого цикла шагов образуют десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса, при этом по меньшей мере на последнем цикле шагов в качестве исходной газовой смеси используют десорбированную газовую смесь, накопленную в замкнутом объеме по меньшей мере первого цикла шагов, и при первой десорбции последнего цикла шагов получают десорбированную газовую смесь, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на первом цикле шагов осуществляют предварительную очистку исходной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей, а на каждом цикле шагов стабилизируют давление исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов от 6 до 10 бар и ее температуру от 268 до 293 K.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на начальном этапе первой десорбции первого цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси первого цикла шагов, которую выводят из процесса, а в замкнутый объем направляют вторую часть десорбированной газовой смеси, которую образуют в результате продолжения первой десорбции первого цикла шагов после указанного выведения.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси последнего цикла шагов, которую выводят из процесса, а высокообогащенный ксеноновый концентрат получают во второй части десорбированной газовой смеси, которую образуют в результате продолжения первой десорбции последнего цикла шагов после указанного выведения.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции последнего цикла шагов, частично возвращают в исходную газовую смесь предыдущего цикла шагов.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов используют природную углеводородную газовую смесь, в которой в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород, при этом при выполнении каждого цикла шагов в качестве адсорбента используют активированный уголь.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве природной углеводородной газовой смеси используют газовую смесь, которая в качестве первых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, метан и углекислый газ, а в качестве вторых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, этан, пропан, бутан.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при выполнении каждого цикла шагов первую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар и постоянной температуре от 268 до 293 K, а вторую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 2 до 30 мбар и постоянной температуре от 373 до 423 K.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве исходной газовой смеси первого цикла шагов используют природную углеводородную газовую смесь, содержащую ксенон в количестве 10-2 об.% и менее, при этом выполняют по меньшей мере четыре цикла шагов, из которых по меньшей мере второй и третий циклы шагов выполняют аналогично первому циклу шагов, а при выполнении каждого последующего цикла шагов в качестве исходной газовой смеси используют газовую смесь, накопленную в соответствующем замкнутом объеме при выполнении соответствующего предыдущего цикла шагов.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов, которую выводят из процесса, а в замкнутый объем направляют вторую часть десорбированной газовой смеси, которую образуют в результате продолжения первой десорбции каждого последующего цикла шагов после указанного выведения.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов, которую выводят из процесса, а высокообогащенный ксеноновый концентрат получают во второй части десорбированной газовой смеси, которую образуют в результате продолжения первой десорбции последнего цикла шагов после указанного выведения.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов, частично возвращают в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов.
13. Способ по п. 1 или 11, отличающийся тем, что полученную при выполнении последнего цикла шагов вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, направляют на тонкую очистку от оставшихся сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона.
14. Способ получения высокообогащенного ксенонового концентрата, заключающийся в том, что выполняют цикл шагов, включающих: направление исходной газовой смеси, содержащей ксенон и сопутствующие газы, в адсорбер, предварительно заполненный адсорбентом, непрерывное измерение на выходе из адсорбера состава проходящей через адсорбер газовой смеси, осуществление адсорбции ксенона и сопутствующих газов с получением газовой смеси, которую до появления в этой газовой смеси ксенона выводят из процесса, а после появления в ней ксенона адсорбцию прекращают и выполняют регенерацию адсорбента путем осуществления десорбции ксенона и сопутствующих газов, отличающийся тем, что последовательно выполняют по меньшей мере четыре цикла указанных шагов, на первом из которых в качестве исходной газовой смеси используют природную углеводородную газовую смесь, которая содержит ксенон в количестве 10-2 об.% и менее и в которой в сопутствующих газах отсутствует свободный кислород, при этом при каждом цикле шагов в качестве адсорбента используют активированный уголь и осуществляют раздельную десорбцию, включающую первую десорбцию, при которой выполняют десорбцию ксенона и первых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции меньше, чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении и температуре, обеспечивающих десорбцию ксенона, и вторую десорбцию, при которой выполняют десорбцию вторых сопутствующих газов, каждый из которых имеет энергию активации десорбции больше, чем у ксенона, и которую осуществляют путем вакуумирования адсорбера при давлении ниже давления вакуумирования адсорбера при первой десорбции и при температуре, обеспечивающей десорбцию сопутствующего газа, имеющего наибольшую энергию активации десорбции из вторых сопутствующих газов, при этом на начальном этапе первой десорбции каждого цикла шагов образуют первую часть десорбированной газовой смеси, содержащую ксенон в меньшем количестве, чем в исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов, которую выводят из процесса, а в результате продолжения первой десорбции после указанного выведения образуют вторую часть десорбированной газовой смеси, которую на каждом из первых трех циклов шагов направляют в соответствующий замкнутый объем, где накапливают, по существу, до прекращения выделения ксенона из адсорбента, а при второй десорбции каждого цикла шагов образуют десорбированную газовую смесь, содержащую вторые сопутствующие газы, которую выводят из процесса, причем на каждом последующем цикле шагов в качестве исходной газовой смеси используют соответствующую вторую часть десорбированной газовой смеси, накопленную в соответствующем замкнутом объеме соответствующего предыдущего цикла шагов, а на последнем цикле шагов в результате продолжения первой десорбции после указанного выведения получают вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что перед подачей исходной газовой смеси в адсорбер на первом цикле шагов осуществляют предварительную очистку исходной газовой смеси от капельных жидкостей и механических примесей, а на каждом цикле шагов стабилизируют давление исходной газовой смеси соответствующего цикла шагов от 6 до 10 бар и ее температуру от 268 до 293 K.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что первую часть десорбированной газовой смеси, выведенную на начальном этапе первой десорбции каждого последующего цикла шагов, частично возвращают в исходную газовую смесь соответствующего предыдущего цикла шагов.
17. Способ по п. 14, отличающийся тем, что в качестве природной углеводородной газовой смеси используют газовую смесь, которая в качестве первых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, метан и углекислый газ, а в качестве вторых сопутствующих газов содержит, по меньшей мере, этан, пропан, бутан.
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что при выполнении каждого цикла шагов первую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 30 до 100 мбар и постоянной температуре от 268 до 293 K, а вторую десорбцию осуществляют путем вакуумирования адсорбера при постоянном давлении от 2 до 30 мбар и постоянной температуре от 373 до 423 K.
19. Способ по п. 14, отличающийся тем, что полученную на последнем цикле шагов вторую часть десорбированной газовой смеси, представляющую собой высокообогащенный ксеноновый концентрат, направляют на тонкую очистку от оставшихся сопутствующих газов и/или примесей и получение чистого ксенона.
| СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КСЕНОНА ИЗ ГАЗОВОЙ СМЕСИ | 2004 |
|
RU2259522C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ ПРИРОДНОГО ГОРЮЧЕГО ГАЗА, ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ, ВКЛЮЧАЯ ТЕХНОГЕННЫЕ ОТХОДЯЩИЕ ГАЗЫ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) | 2010 |
|
RU2466086C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ КСЕНОНОСОДЕРЖАЩЕГО КИСЛОРОДА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2011 |
|
RU2480688C2 |
| US 20180058758 A1, 01.03.2018 | |||
| US 7285154 B2, 23.10.2007. | |||
