Промышленные установки для комплексной очистки фторуглеродов

Аннотация

Октафторциклобутан (RC318) об­ладает комплексом ценных качеств и уникальных физических свойств исключительной термической и химической стабильностью. Октафторциклобутан используют в качестве пропеллента и среды для поляризации.

Полный текст

Октафторциклобутан (RC318) обладает комплексом ценных качеств и уникальных физических свойств (табл. 1). Благодаря наличию циклической связи он отличается исключительной термической и химической стабильностью. Октафторциклобутан используют в качестве пропеллента и среды для поляризации.

Таблица 1 Основные свойства тетрафторметана и октафторциклобутана [3]

RC318	Обозначение	R14
C4 F8	Химическая формула	CF4
200	Молекулярная масса	88
-6	Нормальная температура кипения, °C	-128
1616	Плотность жидкости, кг/м3	1605
8,49	Плотность газа при нормальных условиях, кг/м3	3,63

В холодильной технике замена R21 и R142b на RC318 способствует росту эффективности тепловых насосов и турбокомпрессорных агрегатов для кондиционирования воздуха. Перспективная сфера применения RC318 — рабочие тела геотермальных энергетических установок и опреснителей соленой воды [3].

Тетрафторметан R14 (см. табл. 1) используют в качестве хладагента для получения температур 120... 150 К, а в смесях с азотом — до 95 К (—158 °C) [1]. Кроме того, он находит применение в качестве ингибитора пламени, стабилизатора озона. Тетрафторметан используется в ряде химических технологий: может служить сырьем при получении высокомолекулярных фторуглеродов и непредельных фторорганических соединений. В последние десятилетия наметился устойчивый рост его потребления в электронной промышленности в качестве реагента для сухого травления интегральных схем.

Рис. 1. Результаты газового анализа тетрафторметана на различных стадиях очистки: а — исходное сырье; б — промежуточный продукт на выходе из адсорбера; в — продукт окончательной очистки после колонны

Названные области применения предопределяют повышенные требования к чистоте указанных продуктов. Между тем фторуглероды, получаемые на химических предприятиях путем синтеза, не всегда удовлетворяют этим условиям (рис. 1, а). Например, содержание примесей в исходном тетрафторметане достигает 1 % (10000 ррм), в том числе низкокипящих компонентов (N2, О2, Аг и СО) -8000 ррм и высо кокипящих веществ [СО2, Н2О, гексафторэтана (R116), SF6] -2000 ррм.

В ООО “Айсблик” создана установка для получения фторуглеродов чистотой 99,9995 % (содержание примесей не превышает 5 ррм) [4]. Поглощение высококипящих компонентов осуществляется в блоках адсорберов, а окончательная очистка — в насадочных ректификационных колоннах. Производительность установки для доочистки тетрафторметана (рис. 2) при непрерывной работе достигает 700 кг/сут. Расход жидкого азота, используемого в качестве хладагента, составляет 2 кг на 1 кг чистого продукта.

Рис. 2. Установка для непрерывной очистки R14

В ходе испытаний и в процессе промышленной эксплуатации реализованы оригинальные схемные решения, позволившие свести до минимума потери R14 и снизить расход хладагента.

Рис. 3. Схема движения потоков продукта и азота в процессе непрерывной очистки: Al, А2 — адсорберы; НА — нагреватель азота; К — мембранный компрессор; а б, в — качество продукта согласно рис. 1

На рис. 3 приведена схема движения потоков продукта и азота в процессе непрерывной очистки фторуглеродов в установке. Показаны циклы с работающим адсорбером А1 (рис. 3, а) и работающим адсорбером А2 (рис. 3, б). Исходное сырье после охлаждения в рекуперативных теплообменниках (на рисунке не показаны) подается в адсорбер А1

(точка а на рис. 3) с расходом около 30 кг/ч. Фреон промежуточной чистоты (рис. 1, б и рис. 3, точка б) направляется в ректификационную колонну, предварительно нагревая жидкость в ее кубе. Чистый продукт (рис. 1, в и рис. 3, точка в) постоянно отбирается из куба мембранным компрессором К. Одновременно происходит подготовка блока А2 (АГ) с таким расчетом, чтобы обеспечить непрерывную работу установки при появлении признаков “проскока” на выходе из Al (А2).

Экономия жидкого азота, выступающего в качестве хладагента и греющей среды при регенерации, достигается за счет его многократного использования. Сначала жидкий N2 подается в конденсатор ретификационной колонны (см. рис. 3). Далее парожидкостная смесь поступает в охладитель работающего адсорбера, откуда после испарения поток азота направляется в нагреватель НА. Нагретый до температуры около 420 К (147 °C) N2 используется для регенерации пассивного адсорбера, вымывая накопленные в нем фракции в атмосферу. При необходимости достигается утилизация поглощаемого из смеси гексафторэтана R116 (C2F6).

Рис. 4. Установка комплексной очистки RC 318

Подобный принцип работы реализован в установках для очистки шестифтористой серы (SF6) и октафторциклобутана RC318 (C4F8) (рис.4). Температуры их конденсации относительно высоки. По этой причине применение в качестве хладагента жидкого азота неоправданно. В установках использованы парокомпрессионные холодильные машины с внешними или встроенными в контур циклами охлаждения в зависимости от решаемой задачи. Причем в последнем случае в качестве рабочих веществ выступали сами очищаемые продукты (SF6 и C4F8) (рис. 5). После дросселирования хладагент подавался непосредственно в верхнюю часть ректификационной колонны. Газовая фракция отбиралась во всасывающую линию компрессора, а жидкая выступала в роли флегмы, орошающей насадку ректификационного аппарата.

Рис. 5. Встроенный холодильный цикл (на примере установки для очистки SF); К — мембранный компрессор; ПН — плунжерный насос среднего давления; ДР — дроссельный вентиль; РВ — регулятор тепловой нагрузки куба колонны; РТО — рекуперационный теплообменник; R — обратный клапан

Чтобы смазочное масло не попадало в контур очистки, использовали отечественные двухступенчатые мембранные компрессоры. Компрессор 1,6МК-8/200 при работе на SF6 обеспечивал холодопроизводительность 20= 1,2 кВт на уровне —45 °C.

Таблица 2

CF (rM)	Объемное содержание примесей							Масса баллона
	O2	N,	С2F6		СО2+СО	SF6	Н2О	∑	Тара
%	ррм (не более) (1 ррм = 0,0001%)							кг	кг
99,9995	1,0	1,0	1,0		0,5	0,5	1,0	93,1	65,8

В связи с необходимостью высочайшей степени чистоты получаемых продуктов, требуется строгий контроль качества на всех стадиях очистки. Помимо проверки исходного сырья ведется постоянный газовый анализ потоков на выходе из колонны, а также контроль работающего и регенерируемого адсорберных блоков. Особое внимание уделяется вопросу подготовки тары под очищенный продукт (баллонов и емкостей для RC318). Практикуется полный выходной контроль всех товарных баллонов с выдачей сертификатов качества (табл. 2).