Способ разделения неоногелиевой смеси и устройство для его осуществления

Изобретение относится к криогенной технике. Способ разделения неоногелиевой смеси включает компримирование потока неоногелиевой смеси, его охлаждение и сепарирование при температуре 28-29,5 К и давлении, превышающем критическое давление для неона, с образованием потоков отдувочного газа и жидкой фракции. Из потока отдувочного газа дополнительно в адсорберах поглощают неон. Адсорберы продувают при десорбции гелием. Поток продуваемого газа смешивают с потоком неоногелиевой смеси перед компримированием. Устройство разделения неоногелиевой смеси включает компрессор с линией всасывания, основной теплообменник с патрубками входа и выхода отдувочного газа, низкотемпературный теплообменник, сепаратор с линиями выхода отдувочного газа и жидкой фракции, ректификационную колонну с испарителем в кубе и переключающиеся адсорберы. Патрубок входа газа каждого адсорбера соединен линиями, снабженными клапанами, с линией выхода отдувочного газа из сепаратора после низкотемпературного теплообменника и с линией всасывания компрессора. Патрубок выхода газа каждого адсорбера соединен линиями, снабженными клапанами, с патрубком входа отдувочного газа в основной теплообменник и с патрубком выхода отдувочного газа из основного теплообменника. Испаритель колонны имеет со стороны кипения капиллярно-пористое покрытие. Изобретение позволяет увеличить экономичность способа и уменьшить металлоемкость устройства. 2 н. п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к очистке и разделению неоногелиевой смеси, получаемой на воздухоразделительных установках, и может быть использовано в химической и нефтегазовой промышленности.

Известен способ получении неона высокой чистоты (см. Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Машиностроение. - Специальный выпуск "Криогенная и холодильная техника, криомедицина". - 1996. - С.79-83). Согласно известному способу предварительно очищенную от азота, кислорода, водорода и др. газов неоногелиевую смесь охлаждают с сжижением конденсируемой части смеси, охлажденную смесь сепарируют при давлении 2,5 МПа и температуре 30,5 К в пароотделителе с образованием потоков жидкой фракции и отдувочного газа, поток жидкой фракции после дросселирования направляют на орошение ректификационной колонны с получением в кубе колонны продукционного неона, а поток отдувочного газа, содержащего 18% неона, выводят из установки.

Недостатком известного способа является низкая экономичность, вызванная большими потерями неона в отдувочном газе и невозможностью получения наряду с продукционным неоном продукционного гелия, большая металлоемкость.

Целью изобретения является повышение экономичности путем максимального извлечения продукционных неона и гелия из исходной смеси, снижение металлоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе разделения неоногелиевой смеси, включающем компремирование потока неоногелиевой смеси, его охлаждение и сепарирование с образованием потоков отдувочного газа и жидкой фракции отличительной особенностью является то, что из потока отдувочного газа дополнительно в адсорберах поглощают неон с образованием на выходе продукционного гелия, адсорберы при десорбции продувают гелием, причем поток продуваемого газа смешивают с потоком неоногелиевой смеси перед компремированием, а сепарируют поток неоногелиевой смеси при температуре 28-29,5 К и давлении, превышающем критическое давление для неона, которое равно 2,654 МПа.

Известно устройство для получения неона высокой чистоты, включающее компрессор неоногелиевой смеси, основной теплообменник, адсорбер на потоке исходной смеси, низкотемпературный теплообменник, конденсатор-испаритель, ректификационную колонну с испарителем в кубе, пароотделитель, соединенных трубопроводами (линиями) с арматурой, дополнительный циркуляционный неоновый холодильный цикл (см. Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Машиностроение. - Специальный выпуск "Криогенная и холодильная техника, криомедицина". - 1996 - С.79-83).

Недостатком известного устройства является низкая экономичность, вызванная большими потерями неона в отдувочном газе и невозможностью получения наряду с продукционным неоном продукционного гелия, большая металлоемкость.

Целью изобретения является повышение экономичности путем максимального извлечения продукционных неона и гелия из исходной смеси, снижение металлоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве разделения неоногелиевой смеси, включающем компрессор с линией всасывания, основной теплообменник с патрубками входа и выхода отдувочного газа, низкотемпературный теплообменник, сепаратор с линиями выхода отдувочного газа и жидкой фракции, ректификационную колонну с испарителем в кубе, отличительной особенностью является то, что устройство дополнительно содержит переключающиеся адсорберы с патрубками входа и выхода газа, причем патрубок входа газа каждого адсорбера соединен линиями, снабженными клапанами, с линией выхода отдувочного газа из сепаратора после низкотемпературного теплообменника и с линией всасывания компрессора, патрубок выхода газа каждого адсорбера соединен линиями, снабженными клапанами, с патрубком входа отдувочного газа в основной теплообменник и с патрубком выхода отдувочного газа из основного теплообменника, а испаритель колонны имеет со стороны кипения покрытие с капиллярно-пористыми свойствами.

Заявляемый способ разделения неоногелиевой смеси может быть реализован в заявляемом устройстве, схематично показанном на чертеже.

Устройство (установка) содержит компрессор 1 с линией всасывания 22, основной теплообменник 2, адсорбер 3, низкотемпературный теплообменник 4, сепаратор 5, ректификационную колонну 6 с испарителем 7, имеющим со стороны кипения покрытие с капилярно-пористыми свойствами, конденсатор-испаритель 8, переключающиеся адсорберы 9-1, 9-2, каждый из которых помещен в охлаждаемую рубашку 10-1, 10-2, снабженную нагревательным элементом 11-1, 11-2, водокольцевой вакуумный насос 12, механический вакуумный насос 13. Низкотемпературное оборудование установки размещено в кожухе 14 под разряжением, создаваемым вакуумным насосом 13. Патрубок на нагнетании компрессора 1 линией 15 потока неоногелиевой смеси соединен через основной теплообменник 2, адсорбер 3, низкотемпературный теплообменник 4, конденсатор-испаритель 8, испаритель 7 с патрубком сепаратора 5, расположенного в средней части. Патрубок, расположенный в нижней части сепаратора 5, соединен линией 16 потока жидкой фракции, снабженной дроссельным клапаном 17, с головой ректификационной колонны 6, а патрубок, расположенный в верхней части сепаратора 5, соединен линией 18 потока отдувочных газов, снабженной дроссельным клапаном 19, через низкотемпературный теплообменник 4 и линиями 18-1, 18-2, снабженными клапанами, с патрубками входа газа переключающихся адсорберов 9-1, 9-2, патрубки выхода газа которых соединены линиями 20-1, 20-2, снабженных клапанами, и линией 20 с патрубком входа отдувочного газа в основной теплообменник 2. Линии 21-1, 21-2, снабженные клапанами, и линия 21 соединяют патрубки входа газа переключающихся адсорберов 9-1, 9-2 с линией 22 всасывания компрессора 1, а линии 23-1, 23-2, снабженные клапанами, и линии 23 и 24 соединяют патрубки выхода газа переключающихся адсорберов 9-1, 9-2 с патрубком выхода отдувочного газа из основного теплообменника 2. Рубашки 11-1, 11-2 переключающихся адсорберов 9-1, 9-2, а также рубашка адсорбера 3 в нижней части соединены линиями 26-1, 26-2, 26-3, снабженных клапанами, с линией 26 потока жидкого азота, а в верхней части - линиями 27-1, 27-2, 27-3, снабженных клапанами, с линией 27 потока пара азота в водокольцевой вакуумный насос 12. Патрубок, расположенный в нижней части куба колонны 6, соединен линией 25 потока продукционного неона через конденсатор-испаритель 8, низкотемпературный теплообменник 4, основной теплообменник 2 с выходом из установки. Патрубок, расположенный вверху головы колонны, соединен линией 28 потока газообразной фракции через низкотемпературный теплообменник 4 и основной теплообменник 2 с линией 22 всасывания компрессора 1.

Способ разделения неоногелиевой смеси осуществляют следующим образом.

Вначале осуществляют захолаживание аппаратов жидким азотом. Для этого по линии 26 потока жидкого азота и линиям 26-1, 26-2, 26-3 подают жидкий азот в рубашки 10-1, 10-2 адсорберов 9-1 и 9-2 и адсорбер 3, образовавшиеся пары азота отводят по линиям 27-1, 27-2, 27-3 и далее по линии 27 потока пара азота через основной теплообменнике 2 в атмосферу. В конце захолаживания включают водокольцевой вакуумный насос 12, поддерживая давление в рубашках адсорберов приблизительно 0,015 МПа, обеспечивая термостатирование адсорберов при работе при температуре ˜ 64 К.

Предварительно очищенную от примесей азота, кислорода, водорода неоногелиевую смесь, получаемую на воздухоразделительных установках, подают по линии всасывания 22 к компрессору 1, где сжимают до давления, превышающее критическое давление для неона, преимущественно до давления 11-15 МПа. Сжатую неоногелиевую смесь направляют в линию 15 потока неоногелиевой смеси где последовательно охлаждают за счет обратных потоков, выводимых из установки, вначале в основном теплообменнике 2, затем в низкотемпературном теплообменнике 4, конденсаторе-испарителе 8. В испарителе 7 с поверхностью теплообмена со стороны кипения неона, обладающей капилярно-пористыми свойствами, неоногелиевую смесь охлаждают до температуры 28-29,5 К с получением жидкой фазы и подают в сепаратор 5, где разделяют с образованием жидкой фракции и отдувочных газов. В адсорбере 3 поглощают из неоногелиевой смеси возможные микропримеси.

Жидкую фракцию по линии 16 потока жидкой фракции после дросселирования в дроссельном клапане 17 подают в голову колонны 6 в качестве флегмы на орошение. В результате процесса ректификации в кубе колонны 6 концентрируется продукционный неон высокой чистоты, а в голове - газообразная фракция, которую по линии 28 потока газообразной фракции через низкотемпературный теплообменник 4, основной теплообменник 2, охлаждая прямой поток, направляют в линию 22 всасывания компрессора 1.

Из куба ректификационной колонны 6 продукционный неон по линии 25 потока продукционного неона подают последовательно в конденсатор-испаритель 8, низкотемпературный теплообменник 4, основной теплообменник 2, в которых испаряют и нагревают потоком неоногелиевой смеси, и выводят из установки.

Отдувочные газы из верхней части сепаратора 5 подают в линию 18 потока отдувочных газов и после дросселирования в дроссельном клапане 19 через низкотемпературный теплообменник 4 направляют к одному из переключающихся адсорберов, например, по линии 18-1 к адсорберу 9-1, где осуществляют поглощение неона. Выходит из адсорбера 9-1 поток продукционного гелия, который по линиям 20-1,20 направляют в основной теплообменник 2 и по линии 24 потока продукционного гелия выводят из установки.

Во время адсорбции неона из отдувочных газов в адсорбере 9-1 в другом адсорбере 9-2 производят десорбцию. Для этого клапанами на линиях 26-2 и 27-2 перекрывают подачу жидкого азота и отвод паров азота из рубашки 10-2 нагревательным элементом 11-2 повышают температуру жидкого азота до ˜80К, осуществляя нагрев адсорбера. При повышении температуры адсорбера происходит активное выделение неона, который по линям 21-2, 21 направляют в линию 22 всасывания компрессора. Для продувки адсорбера 9-2 во время десорбции по линиям 23,23-2 подают гелий.

Использование в испарителе колонны со стороны кипения неона поверхности, обладающей капилярно-пористыми свойствами, например алюминиевое капилярно-пористое покрытие толщиной 0,3-0,6 мм с открытой пористостью не менее 25-30% и средним эквивалентным диаметром пор не более 70 мкм, позволяет уменьшить температурный напор между теплообменивающимися средами на выходе из аппарата до ˜0,5 К и глубже охладить неоногелиевую смесь до температуры 28-29,5 К.

Сжатие неоногелиевой смеси до давления, превышающего критическое давление для неона, и ее глубокое охлаждение до температуры 28-29, 5 К позволят уменьшить содержание неона в потоке отдувочного газа на 5% об. и более и уменьшить габариты и массу адсорберов неона. При сжатии неоногелиевой смеси до давления 12 МПа и выше не нужен дополнительный холодильный цикл, что снижает металлоемкость устройства по сравнению с известным решением.

Предложенный способ и устройство разделения неоногелиевой смеси позволяет увеличить коэффициент извлечения неона до 0,99995 при одновременном получении продукционного гелия с таким же коэффициентом извлечения, что увеличивает экономичность устройства по сравнению с известным решением. При этом уменьшается металлоемкость устройства как за счет уменьшения массы неоновых адсорберов, так и за счет исключения дополнительного холодильного цикла.

1. Способ разделения неоногелиевой смеси, включающий компримирование потока неоногелиевой смеси, его охлаждение и сепарирование с образованием потоков отдувочного газа и жидкой фракции, отличающийся тем, что из потока отдувочного газа дополнительно в адсорберах поглощают неон, адсорберы продувают при десорбции гелием, причем поток продуваемого газа смешивают с потоком неоногелиевой смеси перед компримированием, а поток неоногелиевой смеси сепарируют при температуре 28-29,5 К и давлении, превышающем критическое давление для неона.

2. Устройство разделения неоногелиевой смеси, включающее компрессор с линией всасывания, основной теплообменник с патрубками входа и выхода отдувочного газа, низкотемпературный теплообменник, сепаратор с линиями выхода отдувочного газа и жидкой фракции, ректификационную колонну с испарителем в кубе, отличающееся тем, что дополнительно содержит переключающиеся адсорберы с патрубками входа и выхода газа, причем патрубок входа газа каждого адсорбера соединен линиями, снабженными клапанами, с линией выхода отдувочного газа из сепаратора после низкотемпературного теплообменника и с линией всасывания компрессора, патрубок выхода газа каждого адсорбера соединен линиями, снабженными клапанами, с патрубком входа отдувочного газа в основной теплообменник и с патрубком выхода отдувочного газа из основного теплообменника, а испаритель колонны имеет со стороны кипения капиллярно-пористое покрытие.