Obtaining high-purity cryoproducts

Full Text

В технике низких температур для получения газов особой чистоты обычно используют методы низкотемпературной ректификации и адсорбции. В зависимости от состава разделяемой смеси, ее параметров и объема применяют один из этих способов или последовательно оба.

В случае необходимости выделения целевого компонента в особо чистом виде технологическая схема установки с единым блоком разделения существенно усложняется. Более целесообразно разделять газ в два этапа. На первом этапе из газовой смеси получают технически чистый целевой компонент. На втором этапе технически чистый газ разделяют в автономном криогенном модуле. Это упрощает процесс разделения и очистки газа и позволяет каждой из установок работать независимо друг от друга.

В течение ряда лет разработка способов низкотемпературной очистки газов и разделения газовых смесей, а также промышленное внедрение этих способов представляют одно из научных направлений кафедры Криогенной техники СПбГУНиПТ.

Это направление, которым руководил д-р техн. наук, проф. С.С.Будневич, с течением времени разделилось на два.

Первое из них, связанное с применением метода низкотемпературной адсорбции для разделения и очистки газовых смесей, возглавил д-р техн, наук, проф. Г.А. Головко. При разработке и внедрении этого метода наиболее значительные результаты были получены по низкотемпературной адсорбционной очистке аргона от примесей кислорода. На ряде промышленных предприятий впервые в мире были введены в эксплуатацию криогенные установки для реализации этого метода [5]. В результате был получен аргон объемной чистотой 99,9999 % без применения метода каталитического гидрирования.

Метод адсорбции эффективен для очистки ряда технических газов от микропримессй, однако избирательное поглощение их компонентов адсорбентом приводит к необходимости ступенчатой адсорбции с использованием нескольких адсорбентов, температурные уровни работы которых различаются. Применение адсорбционного метода в промышленных условиях ограничено также из-за больших габаритов адсорберов.

В связи с этим для использования в промышленных автономных модулях очистки газообразных или жидких криопродуктов от микропримессй наиболее перспективен метод низкотемпературной ректификации.

Развитие этого метода составило основу второго направления деятельности кафедры криогенной техники.

Работы велись под руководством д-ра техн, наук, проф. С.С.Будневича и в первую очередь были посвящены очистке от примесей технически чистых кислорода, азота и некоторых других криопродуктов.

Так, в техническом кислороде, полученном на воздухоразделительных установках, содержатся микропримеси низкокипящих Ne, N₂, Аги высококипящих СН₄,Кг, Хе, СО₂ газов, а в чистом азоте микропримеси высококипящих Аг, О₂,СО, СН₄и низкокипящих Н₂ и Не. В зависимости от требований, предъявляемых к составу целевого продукта особой чистоты, он должен быть очищен либо только от высоко- или низкокипящих примесей, либо от обеих групп примесей.

В первом случае процесс низко температурной ректификации может быть осуществлён в одноколонном аппарате, состоящем соответственно лишь из укрепляющей или из исчерпывающей части. 

Во втором случае наиболее у ни версальная технологическая схема узла ректификации автономного модуля предусматривает двухступенчатую очистку исходного криопродукта в двух последовательно установленных ректификационных колоннах. В первой колонне целевой криопродукта очищают от микропримесей первой группы (от высоко- или низкокипящих), а во второй от микропримесей второй группы. Схемы автономных модулей для! очистки технически чистых криопродуктов могут быть рассмотрены на примере модулей для очистки жидкого кислорода [1, 2, 8]. Принципиальная схема модуля дана на рис.1.

 

Рис. 1. Принципиальная схема автономного модуля для очистки целевого криопродукта от высоко - и низкокипящих примесей

 

Модуль содержит две отдельные ректификационные колонны 4 и 5. Жидкий технический кислород проходит через отделитель пара 3 и поступает в первую ректификационную колонну 4, где происходит его очистка от высококипящих примесей (СН4, Кг, СО, и тяжелых таеводородов), отводимых из нижней части колонны (поток 1 ). Кислород поток Z, очищенный от высококипящих примесей, подастся во вторую ректификационную колонну 5, где из него удаляются низкокипящие примеси (Аг, Мдр.), которые отводятся из верхней части колонны (поток 2), а жидкий кислород Кц. представляющий собой целевой продукт, — из нижней части колонны.

В ректификационных колоннах 4 и 5 автономного модуля осуществляется циркуляпионный флегмообразующий цикл, в котором рабочим веществом обычно служит азот или воздух.
Циркуляционный поток  сжимается компрессором, охлаждается в теплообменнике 2 и дросселируется до промежуточного давления в трубное пространство нижних конденсаторов-испарителей (потоки VE1 и VF2). Затем происходи дросселирование конденсата в межтрубное пространство верхних контакторов-испарителей. Жидкость кипит, а образующиеся пары обратным потоком поступают в теплообменник 2, после которого направляются в компрессор 1.
Другим обратимым потоком, проходящим через теплообменник 2, служит суммарный поток, образующийся после смешения потоков примесей и D2. отводимых из колонн 4 и 5.
Другие варианты схем модулей очистки даны на рис. 2.

 

Рис. 2. Варианты схем двухступенчатой ректификационной очистки целевого криопродукта

Каждый из модулей, показанных на ремах, представляет собой одноколонный аппарат двухступенчатой ректификации первая ступень - секция 1 предназначена для отделения от целевого продукта высококипящих примесей, а вторая ступень — секция 2 — для отделения низкокипящих примесей.

Узел ректификации [2], показанный на рис. 2, а аналогичен, приведенному на рис.1, однако в нем использовано меньше конденсаторов-испарителей — вместо четырех три.

Еще более упрощается узел ректификации [2], если очищаемый кислород поступает на разделение в состоянии, близком к насыщению, а в циркуляционном потоке также используется кислород (рис. 2, б).

Особенность схемы, показанной на рис. 2, в [6], заключается в том, что для сжатия циркуляционного кислорода служит низкотемпературный компрессор 3.

В схемах, показанных на рис. 2, б и в, циркуляционный поток кислорода, используемый для подвода и отвода теплоты в каждой из ступеней разделения, контактирует с концентрируемым кислородом. В результате давление циркуляционного потока снижается почти в два раза, что приводит к уменьшению энергетических затрат на получение продукционного кислорода.

Особенность схемы узла разделения [7], показанного на рис. 2, г состоит в организации потоков, при которой дефлегмирующее действие конденсатора первой ступени разделения позволяет осуществлять двухстадийную очистку от низкокипящих примесей и повышает чистоту продукционного кислорода. На первой стадии очистки низкокипящие примеси уносятся потоком D2, на второй - потоком D3.

Методика расчета процесса ректификации для колонн автономного модуля [3, 4] основана на предположении, что поток питания (технический кислород) - это сильно разбавленный раствор, свойства которого близки к свойствам идеального раствора.

При этом разделяемую многокомпонентную смесь, поступающую в первую колонну (см. рис.1), рассматривали как бинарную, состоящую из основного вещества (кислорода) и высококипящего компонента. В качестве последнего принимали компонент, наиболее близкий по летучести к основному веществу в потоке питания.

Методика позволяет определить расчетное число тарелок в каждой из колонн, состав продуктов разделения, отводимых из узла ректификации, величины материальных потоков, действительные флегмовые числа и распределение примесей по высоте ректификационной колонны.

Эта методика расчета была апробирована при разработке промышленного образца автономного ректификационного модуля для получения высокочистого жидкого кислорода объемной концентрацией не менее 99,999 % из технического жидкого кислорода объемной концентрацией 99,7 % О,.

Промышленные испытания образца автономного модуля и его устойчивая работа в течение нескольких лет показали хорошее совпадение расчетных и эксплуатационных характеристик.

About the authors

A. L. Sharks

St. Petersburg State University of Low Temperature and Food Technologies

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

E. I. Borzenko

St. Petersburg State University of Low Temperature and Food Technologies

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files