способ разделения неоногелиевой смеси и устройство для его осуществления
Классы МПК: | F25J3/02 ректификацией, те путем непрерывного обмена тепла и материала между потоком пара и потоком жидкости |
Автор(ы): | Савинов М.Ю. (RU), Бондаренко В.Л. (RU) |
Патентообладатель(и): | Савинов Михаил Юрьевич (RU), Бондаренко Виталий Леонидович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-09-01 публикация патента:
10.11.2005 |
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.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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.
Класс F25J3/02 ректификацией, те путем непрерывного обмена тепла и материала между потоком пара и потоком жидкости