Устройство получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках

 

Изобретение относится к установкам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации. Устройство содержит криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-обогатитель, трубопроводы с арматурой, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод и трубу со свободным сливом циркулирующей кубовой жидкости из отделителя пара в нижний коллектор парогенерирующих труб испарителя конденсатора, криптоновая колонна, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор, напорный трубопровод и испаритель-обогатитель соединены трубопроводами с арматурой, причем конденсатор криптоновой колонны соединен с испарителем-конденсатором через регулирующий клапан кубовой жидкости, испаритель-конденсатор дополнительно содержит адиабатный участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, а отделитель пара имеет патрубок выхода циркулирующей кубовой жидкости и снабжен щитом с отверстиями, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости, причем верхний торец адиабатного участка оканчивается в отделителе пара под щитом с отверстиями, а регулирующий клапан кубовой жидкости настроен на регулирование уровня кубовой жидкости в трубе со свободным сливом. Изобретение позволяет увеличить содержание криптона и ксенона в первичном криптоно-ксеноновом концентрате, повысить его давление, повысить надежность устройства и уменьшить потери криптона и ксенона. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к установкам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации.

Известно устройство для получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках (см. патент РФ №2166354, кл. В 01 D 53/00, F 25 J 3/04). Устройство включает криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод, испаритель-обогатитель, соединенные трубопроводами с арматурой.

Недостатком известного устройства является низкое обогащение криптоном и ксеноном получаемого первичного концентрата и его низкое давление, недостаточная надежность и существенные потери криптона и ксенона.

Низкое обогащение криптоном и ксеноном получаемого первичного концентрата обусловлено недостаточным и нестабильным движущим напором для подачи паров кубовой жидкости из испарителя-обогатителя в криптоновую колонну и чрезмерным уносом криптона и ксенона с капельной влагой из испарителя-конденсатора. Недостаточный движущий напор вызван неэффективной работой напорного трубопровода, так как в трубопроводе, соединяющем испаритель-конденсатор и испаритель-обогатитель, движется не жидкость, а парожидкостная смесь. Паровая фаза в этом трубопроводе появляется уже в самом начале в результате отбора с верхней трубной решетки, обогреваемой снизу конденсирующимся воздухом, кипящей жидкости, а затем паросодержание потока увеличивается при движении по обогреваемому участку, проходящему в межтрубном пространстве испарителя-конденсатора (см., например, В.И. Фанштейн. Безопасность при производстве и применении продуктов разделения воздуха. - М.: Металлургия, 1996, с.97-98, рис.12). Конструкция отделителя пара испарителя-конденсатора не обеспечивает сепарацию капельной влаги на выходе из аппарата. Проведенные испытания испарителя-конденсатора, входящего в состав всех работающих и вновь проектируемых крупных воздухоразделительных установок, показали, что, например, на воздухоразделительной установке КТК-35-3 при располагаемом перепаде давлений 33 кПа, обусловленным высотой напорного трубопровода, в известном устройстве реализуется только 10 кПа, т.е. ~30% и сопровождается периодическими выбросами жидкости в отделитель пара, а унос капельной влаги в номинальном режиме работы аппарата достигает 5-6%. Это приводит к увеличению потерь криптона и ксенона в установке.

Целью изобретения является увеличение содержания криптона и ксенона в первичном криптоно-ксейоновом концентрате и повышение его давления, повышение надежности устройства и уменьшение потерь криптона и ксенона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающем криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод, испаритель-обогатитель, соединенные трубопроводами с арматурой, отличительной особенностью является то, что испаритель-конденсатор дополнительно содержит тяговый участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, отделитель пара снабжен дырчатым щитом, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости с окончанием верхнего торца тягового участка под дырчатым щитом, а клапан подачи кубовой жидкости настроен на регулирование уровня в опускной трубе, напорный трубопровод находится за пределами испарителя-конденсатора, снабжен сепаратором, имеющим патрубки входа кубовой жидкости и выхода паров кубовой жидкости, соединенные соответственно линиями с патрубками выхода кубовой жидкости из отделителя пара конденсатора-испарителя и паровой полостью отделителя пара испарителя-конденсатора, а тепловая изоляция напорного трубопровода обеспечивает линейную плотность теплопритоков (q) не более

где G - расход кубовой жидкости через напорный трубопровод, кг/с;

r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

T_s - температура насыщения при давлении в сепараторе, К;

c_р - теплоемкость кубовой жидкости, Дж/кг·град;

ρ', ρ'' - плотность жидкости и пара соответственно на линии насыщения при T_s, кг/м³;

Ψ - угол между осью напорного трубопровода и вертикалью, град.

На фиг.1 приведена конструктивная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - конструктивная схема испарителя-конденсатора, взаимное повысотное расположение испарителя-конденсатора, напорного трубопровода и испарителя-обогатителя.

Устройство (фиг.1) содержит криптоновую колонну 1, конденсатор криптоновой колонны 2, испаритель-конденсатор 3, напорный трубопровод 4, испаритель-обогатитель 5, теплообменник 6. Верхняя часть криптоновой колонны 1 имеет патрубки ввода по линии 7 бедного криптоном и ксеноном жидкого кислорода, по линии 8 - обогащенного криптоном и ксеноном жидкого кислорода и выхода паров кислорода по линии 9. Нижняя часть криптоновой колонны имеет патрубок выхода по линии 10 кубовой жидкости в межтрубное пространство конденсатора криптоновой колонны 2 и патрубки входа паров кубовой жидкости по линии 11 из конденсатора криптоновой колонны 2 и испарителя-конденсатора 3, а по изолированной линии 12, снабженной теплообменником 6 и регулирующим клапаном 13, из испарителя-обогатителя 5. Конденсатор криптоновой колонны 2 через регулирующий клапан 14 жидкостной линией 15 соединен с нижним коллектором парогенерирующих труб испарителя-конденсатора 3. Отделитель пара 26 (фиг.2) испарителя-конденсатора 3 имеет патрубки выхода по линии 11 паров кубовой жидкости в криптоновую колонну 1, входа по линии 16 паров кубовой жидкости из сепаратора 31 напорного трубопровода 4, выхода циркулирующей кубовой жидкости со свббодным сливом по линии 17 (опускной трубе) в нижний коллектор парогенерирующих труб испарителя-конденсатора, выхода кубовой жидкости по линии 18, снабженной клапаном 19 в напорный трубопровод 4. В нижней части напорный трубопровод 4 снабжен штуцером, соединенным жидкостной линией 20 через регулирующий клапан 21 с испарителем-обогатителем 5, который, в свою очередь, как уже отмечалось, изолированной линией 12 через регулирующий клапан 13 и теплообменник 6 соединен с криптоновой колонной 1, а линией 22 с регулирующим клапаном 23 - с коллектором 24 первичного криптоно-ксенонового концентрата. Испаритель-конденсатор 3 между поверхностью теплообмена 25, обогреваемой конденсирующимся воздухом, и отделителем пара 26 имеет необогреваемый тяговый участок 27. Тяговый участок 27 в случае небольшого количества парогенерирующих труб, образующих поверхность теплообмена 25, может быть выполнен в виде вертикального продолжения каждой парогенерирующей трубы такого же внутреннего диаметра, при значительном количестве парогенерирующих труб, например, в виде одной вертикальной трубы, заполненной концентрическими слоями гофрированной гладкой насадки из фольги, отделенных друг от друга цилиндрическими прослойками из такой же гладкой фольги с образованием гофрированной насадкой и гладкими прослойками продольных каналов.

Верхний торец тягового участка 27 оканчивается в отделителе пара 26 под дырчатым щитом (щитом с отверстиями) 29, установленным ниже патрубка 28 выхода циркулирующей кубовой жидкости.

Устройство работает следующим образом. В верхнюю часть криптоновой колонны (см. фиг.1) на орошение по линии 7 подают бедный криптоном и ксеноном жидкий кислород, отбираемый из потока жидкого кислорода на входе в основные конденсаторы-испарители, а по линии 8 подают обогащенный криптоном и ксеноном жидкий кислород, отбираемый после адсорбера из циркуляционного контура очистки жидкого кислорода от взрывоопасных примесей. При движении по колонне вниз жидкость взаимодействует на контактных элементах с поднимающимся паром и обогащается криптоном и ксеноном. Обогащенная криптоном и ксеноном жидкость из куба колонны (кубовая жидкость) по линии 10 поступает на частичное испарение в конденсатор криптоновой колонны 2, а пары кислорода с незначительным содержанием криптона и ксенона уходят из колонны по линии 9. Питание колонны паром осуществляется в двух местах. Основной поток пара по линии 11 поступает из конденсатора криптоновой колонны 2 и испарителя-конденсатора 3 в куб колонны под контактные элементы, а другой поток пара, меньший по объему, - из испарителя-обогатителя 5 по изолированной линии 12 в среднюю часть колонны к патрубку, находящемуся между патрубками входа по линии 8 обогащенного криптоном и ксеноном жидкого кислорода и входа пара по линии 11.

В связи с установкой на линии 12 регулирующего клапана 13 и теплообменника 6 гидравлическое сопротивление линии 12 становится соизмеримым с давлением пара в криптоновой колонне 1.

Основное количество поступившей из криптоновой колонны кубовой жидкости испаряется в конденсаторе криптоновой колонны 2. Часть жидкости из конденсатора криптоновой колонны 2 поступает по линии 15 через регулирующий клапан 14 в испаритель-конденсатор 3 (фиг.2). Вновь поступившая жидкость смешивается с циркулирующей жидкостью, выходящей из отделителя пара 26 по опускной трубе 17, и направляется в парогенерирующие каналы поверхности теплообмена 25, где частично испаряется за счет конденсации паров сжатого воздуха. При этом регулирующий клапан 14 построен на поддержание уровня жидкости в опускной трубе 17. Настройка регулирующего клапана 14 на поддержание уровня в опускной трубе 17 позволяет стабилизировать уровень кубовой жидкости в отделителе пара 26, так как изменение уровня жидкости в опускной трубе на ± 200 мм почти не сказываются на изменение уровня жидкости в отделителе пара.

Для взрывобезопасной работы самих парогенерирующих каналов поверхности теплообмена 25 парожидкостной поток разгоняется в них до значительной скорости (используются длинные каналы) и поступает в адиабатный тяговый участок 27 и далее в отделитель пара 26 под дырчатый щит 29, затопленный жидкостью. Дырчатый щит 29 позволяет погасить высокую скорость парожидкостного потока на выходе из каналов тягового участка (со скорости ~23 м/с в номинальном режиме работы аппарата до скорости пара ~0,35 м/с над зеркалом испарения).

Сепарационный объем и пленочный сепаратор 30 задерживают капельную и частично транспортируемую влагу, которая в потоке пара в линии 11 на выходе из отделителя не превышает 0,5%. Уменьшение уноса капельной влаги приводит к уменьшению потерь криптона и ксенона в устройстве, т.к. снижает уровень их концентрации по высоте криптоновой колонны.

Тяговый участок имеет на единице длины гидравлическое сопротивление, обусловленное гидростатическим давлением столба парожидкостной смеси, сопротивлением движению парожидкостной смеси и ускорению потока, вызванному самоиспарением жидкости при вертикальном адиабатном подъемном движении, в несколько раз меньшем, чем гидростатическое давление столба одной жидкости. Поэтому увеличение уровня жидкости в опускной трубе 17, например, на 0,5 м позволит за счет установки тягового участка поднять отделитель пара 26 как минимум на высоту 1,5 м. Если же такой возможности по подъему жидкости в опускной трубе нет, то при сохранении прежнего уровня жидкости в опускной трубе 17 и опускании поверхности теплообмена испарителя-конденсатора относительно, например, фундамента установки на те же 0,5 м возможно поднять отделитель пара 26 относительно фундамента на ~1,0 м, что приведет к увеличению высоты напорного трубопровода 4 и увеличению давления гидростатического столба жидкости в нем.

Поступившая в отделитель пара 26 кубовая жидкость делится на два потока: один поток по линии 18 через клапан 19 направляется в сепаратор 31 напорного трубопровода 4, а другой - через патрубок 28 с разрывом струи сливается в опускную трубу 17, обеспечивая постоянный уровень жидкости в отделителе пара. Количество поступающей в отделитель пара 26 жидкости регулируют величиной столба жидкости в опускной трубе 17, воздействуя на регулирующий клапан 14, и поддерживают его таким, чтобы уровень жидкости в отделителе пара 26 находился на высоте расположения патрубка 28.

Из сепаратора 31 кубовая жидкость поступает в напорный трубопровод 4, где ее столб увеличивает гидростатическое давление в нижней части напорного трубопровода. Сепаратор 31 позволяет отделить от жидкости возможную паровую фазу, вызванную, например, захватом пара из отделителя пара 26 или теплопритоком через клапан 19, и беспрепятственно удалить ее по линии 16 из сепаратора. Сам напорный трубопровод имеет такой внутренний диаметр, чтобы скорость опускного движения жидкости в нем не превышала скорости всплытия одиночных пузырей пара, а тепловая изоляция обеспечила величину линейной плотности теплопритоков (q) не более

При нарушении этого условия напорный трубопровод становится неработоспособным из-за периодически возникающих гейзерных выбросов из него жидкости. Через штуцер, расположенный в нижней части напорного трубопровода, кубовая жидкость по линии 20, снабженной регулирующим клапаном 21, с большим, чем в прототипе давлением, поступает в испаритель-обогатитель 5, где за счет подвода тепла при конденсации водяного пара газифицируется с выводом двух потоков: газообразного потока первичного криптоно-ксенонового концентрата, направляемого по линии 22 с регулирующим клапаном 23 в коллектор 24 и затем в установку по переработке концентрата, и потока перегретого пара кубовой жидкости, направляемого по изолированной линии 12 с регулирующим клапаном 13 к теплообменнику 6 (см. фиг.1) для охлаждения и далее в криптоновую колонну 1.

Благодаря большему давлению пары кубовой жидкости из испарителя-обогатителя 5 теперь могут быть возвращены по линии 12 в криптоновую колонну в любом требуемом количестве, что позволит оптимально обогатить криптоно-ксенововый концентрат. Одновременно увеличивается давление первичного криптоно-ксенонового концентрата, что позволяет уменьшить затраты на создание установок, которые предполагают безкомпрессорную схему переработки первичного криптоно-ксенонового концентрата.

За счет того, что в устройстве получения криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающем криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделителем пара, напорный трубопровод, испаритель-обогатитель, соединенные трубопроводами с арматурой, испаритель-конденсатор дополнительно содержит тяговый участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, отделитель пара снабжен дырчатым щитом, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости с окончанием верхнего торца тягового участка под дырчатым щитом, а клапан подачи кубовой жидкости настроен на регулирование уровня в опускной трубе, напорный трубопровод отделен от испарителя-конденсатора, снабжен сепаратором, имеющим патрубки входа кубовой жидкости и выхода паров кубовой жидкости, соединенных соответственно линиями с патрубками выхода кубовой жидкости из отделителя пара конденсатора-испарителя и паровой полостью отделителя пара испарителя-конденсатора, а тепловая изоляция напорного трубопровода обеспечивает линейную плотность теплопритоков (q) не более величины, определенной по формуле:

за счет чего увеличивают содержание криптона и ксенона в первичном криптоно-ксеноновом концентрате и повышают его давление, повышают надежность устройства и уменьшают потери криптона и ксенона.

Формула изобретения

1. Устройство получения первичного криптоноксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающее криптоновую колонну, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-обогатитель и трубопроводы с арматурой, отличающееся тем, что устройство содержит испаритель-конденсатор с естественной циркуляцией и отделением пара, напорный трубопровод и трубу со свободным сливом циркулирующей кубовой жидкости из отделителя пара в нижний коллектор парогенерирующих труб испарителя-конденсатора, криптоновая колонна, конденсатор криптоновой колонны, испаритель-конденсатор, напорный трубопровод и испаритель-обогатитель соединены трубопроводами с арматурой, причем конденсатор криптоновой колонны соединен с испарителем-конденсатором через регулирующий клапан кубовой жидкости, испаритель-конденсатор дополнительно содержит адиабатный участок, размещенный в подъемной ветви между теплообменной поверхностью и отделителем пара, а отделитель пара имеет патрубок выхода циркулирующей кубовой жидкости и снабжен щитом с отверстиями, расположенным ниже патрубка выхода циркулирующей кубовой жидкости, причем верхний торец адиабатного участка оканчивается в отделителе пара под щитом с отверстиями, а регулирующий клапан кубовой жидкости настроен на регулирование уровня кубовой жидкости в трубе со свободным сливом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отделитель пара с паровой полостью имеет патрубок выхода кубовой жидкости, напорный трубопровод снабжен сепаратором, имеющим патрубки входа кубовой жидкости и выхода паров кубовой жидкости, соединенные соответственно линиями с патрубком выхода кубовой жидкости и паровой полостью, а тепловая изоляция напорного трубопровода обеспечивает линейную плотность теплопритоков не более величины, определенной по формуле

где q - линейная плотность теплопритоков, Вт/м;

G - расход жидкости через напорный трубопровод, кг/с;

r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

Т_s - температура насыщения при давлении в сепараторе, К;

с_р - теплоемкость жидкости, Дж/(кг·град);

ρ’, ρ’’ - плотность жидкости и пара соответственно при температуре насыщения кг/м³;

ψ - угол между осью напорного трубопровода и вертикалью, град.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2