RU121753U1 - INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES IN RECTIFICATION COLUMNS - Google Patents
INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES IN RECTIFICATION COLUMNS Download PDFInfo
- Publication number
- RU121753U1 RU121753U1 RU2012110459/05U RU2012110459U RU121753U1 RU 121753 U1 RU121753 U1 RU 121753U1 RU 2012110459/05 U RU2012110459/05 U RU 2012110459/05U RU 2012110459 U RU2012110459 U RU 2012110459U RU 121753 U1 RU121753 U1 RU 121753U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sections
- distillation columns
- cooling medium
- section
- capacitors
- Prior art date
Links
Abstract
1. Установка для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах, содержащая размещенные в кожухе ректификационные колонны, образующие последовательно соединенные головную и N-1 последующие устанавливаемые рядом секции, содержащие контактные пространства, нижние участки которых связаны с кубами, содержащими погружные испарители, а верхние участки - связаны с конденсаторами, количество которых соответствует числу ректификационных колонн, выполненными в виде верхних и нижних трубных решеток, коллекторов, набора трубок, внутренние поверхности которых контактируют с разделяемой смесью в ректификационных колоннах, а наружные - с охлаждающей средой в полостях охлаждающей среды, которые через газовые рекуперативные теплообменники связаны линией обратного потока рабочего тела с компрессором, погружным теплообменником и отделителем рабочего тела с патрубком газовой фазы, отличающаяся тем, что конденсаторы объединены в блоки конденсаторов секций, которые имеют общие полости охлаждающей среды, а, по крайней мере, одна из N устанавливаемых рядом секций образована группами из nj(j=1…N), параллельно включенных ректификационных колонн. ! 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что количество параллельно включенных ректификационных колонн nj в j-х секциях изменяется по закону геометрической прогрессии nj=n1·(r+1)1-j, где r является натуральным числом, а n1 равно числу параллельно включенных ректификационных колонн в головной секции, причем n1=(r+1)N-1. ! 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конденсаторы блоков конденсаторов секций имеют равную высоту трубок и одинаковые трубные решетки, а полости охлаждающей среды конден 1. Installation for separating gas mixtures in distillation columns, containing distillation columns placed in a casing, forming successively connected head and N-1 subsequent sections installed next to each other, containing contact spaces, the lower sections of which are connected to cubes containing immersion evaporators, and the upper sections - connected with capacitors, the number of which corresponds to the number of distillation columns, made in the form of upper and lower tube sheets, collectors, a set of tubes, internal the surfaces of which are in contact with the mixture to be separated in distillation columns, and the outer surfaces are in contact with the cooling medium in the cavities of the cooling medium, which are connected through the gas recuperative heat exchangers by the return line of the working fluid to the compressor, immersion heat exchanger and the separator of the working fluid with a gas phase nozzle, characterized in that condensers are combined into sections of section condensers that have common cooling medium cavities, and at least one of the N sections installed next to each other is formed of groups ami from nj (j = 1 ... N), parallel distillation columns. ! 2. Installation according to claim 1, characterized in that the number of parallel distillation columns nj in the j-sections varies according to the law of geometric progression nj = n1 · (r + 1) 1-j, where r is a natural number and n1 is the number of parallel distillation columns in the head section, and n1 = (r + 1) N-1. ! 3. Installation according to claim 1, characterized in that the capacitors of the blocks of the capacitors of the sections have equal tube heights and identical tube sheets, and the cavities of the cooling medium are condensed
Description
Полезная модель относится к криогенной технике, а именно, к устройствам получения компонентов газовых смесей методом ректификации, в частности, газовых смесей, характеризуемых малым значением коэффициента разделения, например, изотопов неона.The utility model relates to a cryogenic technique, namely, to devices for producing components of gas mixtures by rectification, in particular gas mixtures, characterized by a small separation coefficient, for example, neon isotopes.
Известно устройство разделения неона на изотопы методом ректификации в условиях криогенных температур [Bewilogua. P., Gacdicke K., Vergea P. Vortrag auf der 4, Arbeitstagung uber stabile Isotope: - Leipzig, 1963], содержащее одну ректификационную колонну.A device for the separation of neon into isotopes by distillation in cryogenic temperatures [Bewilogua. P., Gacdicke K., Vergea P. Vortrag auf der 4, Arbeitstagung uber stabile Isotope: - Leipzig, 1963], containing one distillation column.
Недостатком устройства является относительно малая производительность из-за ограниченной высоты контактного пространства одиночной ректификационной колонны, что вынуждает проводить разделение частично обогащенных компонентов повторно в одной и той же ректификационной колонне. Кроме того, устройство отличается относительно низкой концентрацией получаемых в колонне потоков легкого (20Ne) и тяжелого (22Ne) компонентов.The disadvantage of this device is the relatively low productivity due to the limited height of the contact space of a single distillation column, which forces the separation of partially enriched components to be repeated in the same distillation column. In addition, the device is characterized by a relatively low concentration of light ( 20 Ne) and heavy ( 22 Ne) component streams obtained in the column.
Известно устройство для разделения трудноразделимых смесей в ректификационных колоннах [RU 2254905, C1, B01D 59/04, F25J 3/02, 27.06.2005], включающее ректификационные колонны, соединенные трубопроводами аппараты, арматуру циклов высокого и низкого давлений, размещенные в кожухе, компрессор высокого давления, причем, по крайней мере одна ректификационная колонна разбита на головную секцию колонны, промежуточные секции колонны и секцию с кубом колонны, головная секция ректификационной колонны и каждая промежуточная секция ректификационной колонны в нижней части под контактным пространством имеют патрубки выхода жидкости и входа пара, секция с кубом ректификационной колонны и каждая промежуточная секция ректификационной колонны в верхней части над контактным пространством имеют патрубки входа жидкости, выхода пара и штуцер, патрубки выхода и входа пара разных секций последовательно соединены паровыми линиями, а патрубки выхода и входа жидкости этих же секций - жидкостными линиями с дополнительно установленными побудителями расхода, при этом, побудители расхода и головная секция ректификационной колонны в верхней части содержат конденсаторы, полости охлаждающей среды которых включены в циркуляционный контур циклов высокого и низкого давлений.A device for the separation of difficult to separate mixtures in distillation columns [RU 2254905, C1, B01D 59/04, F25J 3/02, 06/27/2005], including distillation columns connected by piping apparatus, valves of high and low pressure, placed in the casing, a compressor high pressure, and at least one distillation column is divided into the head section of the column, the intermediate sections of the column and the section with the cube column, the head section of the distillation column and each intermediate section of the distillation column in the bottom the parts under the contact space have nozzles for liquid outlet and steam inlet, a section with a distillation column cube and each intermediate section of the distillation column in the upper part above the contact space have nozzles for liquid inlet, steam outlet and a fitting, steam outlet and vapor inlets of different sections are connected in series by steam lines , and the nozzles of the outlet and inlet of the liquid of the same sections are liquid lines with additionally installed flow drivers, while the flow drivers and the head section rectifier The upper columns of the ization column contain condensers, the cooling medium cavities of which are included in the circulation circuit of the high and low pressure cycles.
Данное устройство наиболее близко по технической сущности и числу общих признаков к заявленному устройству в силу чего принято в качестве прототипа.This device is closest in technical essence and the number of common features to the claimed device, which is why it is accepted as a prototype.
Недостаток наиболее близкого технического решения - длительный пусковой период. В этот промежуток времени контактные пространства ректификационных колонн (особенно последних секций) необходимо заполнить жидкостью (флегмой), обогащенной целевыми компонентами, например, (21Ne и 22Ne). Количество названных компонентов, поступающих в контур разделения, пропорционально расходу смеси, подаваемой в головную секцию и концентрации в ней (21Ne и 22Ne). Поскольку эта концентрация во многих случаях задана, например, изотопным составом «природного» неона 0,095; (9,5%), то единственным способом ускорить процесс накопления (21Ne и 22Ne) является повышение производительности головной секции [Теория разделения изотопов в колоннах - А.М.Розен Москва 1960 стр.437] за счет увеличения сечения ее контактного пространства.The disadvantage of the closest technical solution is the long starting period. During this period of time, the contact spaces of distillation columns (especially the last sections) must be filled with liquid (reflux) enriched with target components, for example, ( 21 Ne and 22 Ne). The number of these components entering the separation circuit is proportional to the flow rate of the mixture supplied to the head section and the concentration in it ( 21 Ne and 22 Ne). Since this concentration in many cases is specified, for example, by the isotopic composition of the “natural” neon 0.095; (9.5%), the only way to accelerate the accumulation process ( 21 Ne and 22 Ne) is to increase the productivity of the head section [The theory of isotope separation in columns - A.M. Rosen Moscow 1960 p.437] by increasing the cross section of its contact space .
Между тем, увеличение поперечного размера ректификационной колонны ведет к нарушению массообмена между потоками пара и флегмы. При этом снижаются разделяющая способность ректификационной колонны и падает количество накапливаемых в контуре целевых продуктов, требуемых для формирования флегмы, обогащенной целевыми продуктами.Meanwhile, an increase in the transverse size of the distillation column leads to disruption of mass transfer between the vapor and reflux streams. At the same time, the separation ability of the distillation column decreases and the amount of the target products accumulated in the circuit, required for the formation of reflux enriched in the target products, decreases.
Для сокращения пускового периода необходимо выполнить, на первый взгляд, противоречивые условия: - расширить сечение контактного пространства головной секции (не допуская при этом увеличения ее диаметра); - уменьшить объем контактного пространства последней секции, в флегме которой концентрация целевых компонентов, например, (21Ne и 22Ne) должна быть максимальна. Поскольку в секциях устройства-прототипа используются одиночные колонны, одновременно эти условия не выполняются.To reduce the start-up period, it is necessary to fulfill, at first glance, conflicting conditions: - expand the cross section of the contact space of the head section (while not allowing an increase in its diameter); - reduce the contact space of the last section, in the reflux of which the concentration of the target components, for example, ( 21 Ne and 22 Ne) should be maximum. Since single columns are used in sections of the prototype device, at the same time these conditions are not met.
Другим недостатком известного технического решения является большая материалоемкость и габариты. Введение в схему парлифтов, каждый из которых содержит отдельный конденсатор, приводит к нерациональному заполнению объема вакуумного кожуха. Это является причиной увеличения габаритов низкотемпературного блока и, как следствие, роста энергозатрат на криогенное обеспечение процесса разделения.Another disadvantage of the known technical solution is the large consumption of materials and dimensions. The introduction of parlifts into the circuit, each of which contains a separate capacitor, leads to irrational filling of the volume of the vacuum casing. This is the reason for the increase in the dimensions of the low-temperature unit and, as a consequence, the increase in energy consumption for cryogenic support of the separation process.
Требуемый технический результат заключается в уменьшении материалоемкости и габаритов устройства, а также сокращении длительности пускового периода при разделении трудноразделимых смесей, например изотопов неона.The required technical result is to reduce the material consumption and dimensions of the device, as well as to reduce the duration of the start-up period when separating difficultly separated mixtures, for example, neon isotopes.
Требуемый технический результат достигается тем, что в установке для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах, содержащей размещенные в кожухе ректификационные колонны, образующие последовательно соединенные головную и N-1 последующие устанавливаемые рядом секции, содержащие контактные пространства, нижние участки которых связаны с кубами, содержащими погружные испарители, а верхние участки - связаны с конденсаторами, количество которых соответствует числу ректификационных колонн, выполненными в виде верхних и нижних трубных решеток, коллекторов, набора трубок, внутренние поверхности которых контактируют с разделяемой смесью в ректификационных колоннах, а наружные - с охлаждающей средой в полостях охлаждающей среды, которые через газовые рекуперативные теплообменники связаны линией обратного потока рабочего тела с компрессором, погружным теплообменником и отделителем рабочего тела с патрубком газовой фазы, конденсаторы объединены в блоки конденсаторов секций, которые имеют общие полости охлаждающей среды, а, по крайней мере, одна из N устанавливаемых рядом секций образована группами из nj(j=1…N), параллельно включенных ректификационных колонн.The required technical result is achieved in that in the installation for the separation of gas mixtures in distillation columns containing distillation columns located in the casing, forming successively connected head and N-1 subsequent sections installed next to each other, containing contact spaces, the lower sections of which are connected with cubes containing immersion evaporators, and the upper sections are connected with condensers, the number of which corresponds to the number of distillation columns made in the form of upper and lower t filter grids, collectors, a set of tubes, the internal surfaces of which are in contact with the mixture to be separated in distillation columns, and the external surfaces are in contact with the cooling medium in the cavities of the cooling medium, which are connected through the gas recuperative heat exchangers by the return line of the working fluid to the compressor, immersion heat exchanger and the separator of the working fluid with the gas phase nozzle, the capacitors are combined into sections of the capacitors of the sections that have common cooling medium cavities, and at least one of N is set x sections it formed adjacent groups of n j (j = 1 ... N), parallel-connected distillation columns.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что количество параллельно включенных ректификационных колонн nj в j-ых секциях изменяется по закону геометрической прогрессии nj=n1·(r+1)1-j, где r является натуральным числом, а n1 равно числу параллельно включенных ректификационных колонн в головной секции, причем, n1=(r+1)N-1.In addition, the required technical result is achieved in that the number of parallel distillation columns n j in the jth sections changes according to the law of geometric progression n j = n 1 · (r + 1) 1-j , where r is a natural number and n 1 is equal to the number of parallel distillation columns in the head section, moreover, n 1 = (r + 1) N-1 .
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что конденсаторы блоков конденсаторов секций имеют равную высоту трубок и одинаковые трубные решетки, а полости охлаждающей среды конденсаторов блоков конденсаторов секции связаны между собой в верхней и нижней частях двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.In addition, the required technical result is achieved in that the condensers of the blocks of the condensers of the sections have equal tube heights and the same tube sheets, and the cavities of the cooling medium of the condensers of the blocks of the condensers of the sections are interconnected in the upper and lower parts by two lines providing the same liquid levels in the cavities of the cooling medium .
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что трубные решетки блоков конденсаторов секций имеют в плане форму кольца или его фрагмента и установлены соосно конденсатору N-ой секции, выполненному цилиндрическим.In addition, the required technical result is achieved by the fact that the tube sheets of the sections of the capacitors of the sections are in the form of a ring or a fragment thereof and are mounted coaxially to the capacitor of the N-th section, made cylindrical.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что верхняя и нижняя трубные решетки каждого из конденсаторов блоков конденсаторов снабжены коллекторами, образующими пары замкнутых полостей, связанных между собой через внутренние полости трубок теплообменных поверхностей конденсаторов.In addition, the desired technical result is achieved by the fact that the upper and lower tube sheets of each of the capacitors of the capacitor banks are equipped with collectors that form pairs of closed cavities connected to each other through the internal cavity of the tubes of the heat-exchanging surfaces of the capacitors.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что боковые стороны полости охлаждающей среды конденсаторов блоков конденсаторов секций соединены с трубными решетками, которые выполняют функцию днища полости охлаждающей среды конденсаторов блоков конденсаторов.In addition, the required technical result is achieved by the fact that the sides of the cavity of the cooling medium of the condensers of the blocks of capacitors of the sections are connected to the tube sheets, which perform the function of the bottom of the cavity of the cooling medium of the condensers of the blocks of condensers.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, по крайней мере, одна ректификационная колонна расположена со сдвигом относительно оси кожуха, при этом, кубы этих ректификационных колонн выполнены с эксцентриситетом но отношению к осям соответствующих ректификационных колонн.In addition, the desired technical result is achieved by the fact that at least one distillation column is shifted relative to the axis of the casing, while the cubes of these distillation columns are eccentric with respect to the axes of the respective distillation columns.
На фиг.1 - функциональная схема установки для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах для частного случая, когда число последовательных установленных рядом секций N=3. Число ректификационных колонн в секциях n1=4, n2=2, n3=1 изменяется по закону геометрической прогрессии nj=n1·(r+1)1-j со знаменателем 2 (для случая r=1). Причем конденсаторы головной секции и второй секции объединены в блоки конденсаторов секции и имеют общие полости охлаждающей среды.Figure 1 - functional diagram of the installation for the separation of gas mixtures in distillation columns for a particular case, when the number of consecutive installed adjacent sections N = 3. The number of distillation columns in sections n 1 = 4, n 2 = 2, n 3 = 1 changes according to the law of geometric progression n j = n 1 · (r + 1) 1-j with denominator 2 (for the case r = 1). Moreover, the capacitors of the head section and the second section are combined into blocks of section capacitors and have common cooling medium cavities.
На фиг.2 - пример выполнения блоков конденсаторов секций для установки, аналогичной той, которая представлена на фиг.1. В первой (головной) и второй секциях использованы однотипные блоки конденсаторов, имеющие равную высоту трубок. Причем полости охлаждающей среды двух однотипных блоков конденсаторов головной секции в верхней и нижней частях связаны двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.In Fig.2 - an example of the execution of the blocks of capacitors of the sections for installation, similar to that presented in Fig.1. In the first (head) and second sections, the same type of capacitor blocks were used, having equal tube heights. Moreover, the cooling medium cavities of two identical units of capacitors of the head section in the upper and lower parts are connected by two lines providing the same liquid levels in the cooling medium cavities.
На фиг.3 - продольный (А-А) и поперечный (Б-Б) разрезы конденсаторов согласно фиг.2, объединенных в однотипные блоки конденсаторов секций с равной высотой трубок и одинаковыми трубными решетками в первой (головной) и второй секциях. При этом, полости охлаждающей среды двух однотипных блоков конденсаторов головной секции связаны между собой в верхней и нижней частях двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.Figure 3 - longitudinal (aa) and transverse (bb) sections of the capacitors according to figure 2, combined in the same type of block capacitors sections with equal tube heights and the same tube sheets in the first (head) and second sections. At the same time, the cooling medium cavities of two identical units of condensers of the head section are interconnected in the upper and lower parts by two lines providing the same liquid levels in the cooling medium cavities.
Фиг.4 и 5 - поперечные разрезы (В-В) и (Г-Г) блока конденсаторов согласно фиг.2, 3, имеющего однотипные блоки в первой (головной) и второй секциях. При этом полости охлаждающей среды двух однотипных блоков конденсаторов головной секции связаны между собой в верхней и нижней частях двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.Figures 4 and 5 are transverse sections (B-B) and (G-D) of the capacitor block according to Figs. 2, 3, having similar blocks in the first (head) and second sections. In this case, the cooling medium cavities of two identical units of condensers of the head section are interconnected in the upper and lower parts by two lines providing the same liquid levels in the cooling medium cavities.
На фиг.6 - продольный (Д-Д) и поперечный (Е-Е) разрезы кубов для устройства согласно фиг.1, 2, в котором кубы ректификационных колонн в первой (головной) и второй секциях колонн расположена на одинаковом удалении от оси кожуха, а кубы упомянутых ректификационных колонн выполнены с эксцентриситетом по отношению к осям ректификационных колонн.6 is a longitudinal (DD) and transverse (E-E) sections of the cubes for the device according to figures 1, 2, in which the cubes of distillation columns in the first (head) and second sections of the columns is located at the same distance from the axis of the casing and the cubes of the distillation columns mentioned are eccentric with respect to the axes of the distillation columns.
На фиг.7 - расчетная схема и обозначения для частного случая, когда число последовательных установленных рядом секций N=4.Figure 7 is a design diagram and designations for a special case, when the number of consecutive sections installed next to each other N = 4.
В таблице 1 - параметры потоков рабочего тела и разделяемой изотопной смеси на примере неона.Table 1 shows the flow parameters of the working fluid and the separated isotope mixture using the example of neon.
В таблице 2 - концентрации Z, X и Y тяжелого компонента (22Ne) на входе и выходе из ректификационных колонн, согласно фиг.7.In table 2 - the concentration of Z, X and Y of the heavy component ( 22 Ne) at the inlet and outlet of distillation columns, according to Fig.7.
В таблице 3 - результаты расчета количества колонн nj в группах, образующих N последовательно соединенных секций по закону nj=n1·(r+1)1-j, где n1=(r+1)N-1, - число колонн в группе, образующей головную секцию, r - натуральные числа (1, 2, 3…).Table 3 shows the results of calculating the number of columns n j in groups forming N series-connected sections according to the law n j = n 1 · (r + 1) 1-j , where n 1 = (r + 1) N-1 , is the number columns in the group forming the head section, r - natural numbers (1, 2, 3 ...).
Установка для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах содержит ректификационные колонны (фиг.1) головной 1, второй 2 и третьей 3 последовательно установленных рядом секций. Головная секция 1 образована группой из четырех параллельно включенных ректификационных колонн, а вторая секция 2 - группой из двух параллельно включенных ректификационных колонн. Каждая из ректификационных колонн содержит контактное пространство 4, выполняющее функцию массообменной поверхности, на которой происходит разделение смеси на компоненты. Нижние участки контактных пространств 4 связаны с кубами 5, содержащими погружные испарители 6. Верхние участки контактных пространств 4 связаны с конденсаторами 7, имеющими теплообменные поверхности 8, которые снаружи омываются охлаждающей средой 9, кипящей в полостях 10 охлаждающей среды. Конденсаторы 7 головной 1 и второй 2 секций объединены в блоки 11, которые имеют общие полости 10 охлаждающей среды. Выходные патрубки 12, полостей 10 охлаждающей среды связаны с линией 13 обратного потока рабочего тела. Входные патрубки 14 полостей 10 охлаждающей среды связаны с регуляторами расхода 15 погружных испарителей 6. В верхней части конденсаторов 7 имеются линии 16 отдувок для сброса легкого компонента, например 20Ne.Installation for the separation of gas mixtures in distillation columns contains distillation columns (figure 1) head 1, second 2 and third 3 sequentially installed next to the sections. The head section 1 is formed by a group of four parallel distillation columns, and the second section 2 is a group of two parallel distillation columns. Each of the distillation columns contains a contact space 4, which performs the function of a mass transfer surface, on which the mixture is divided into components. The lower portions of the contact spaces 4 are connected to cubes 5 containing immersion evaporators 6. The upper portions of the contact spaces 4 are connected to condensers 7 having heat-exchanging surfaces 8, which are externally washed by the cooling medium 9 boiling in the cavities 10 of the cooling medium. Condensers 7 of the head 1 and second 2 sections are combined in blocks 11, which have common cavities 10 of the cooling medium. The outlet pipes 12, the cavities 10 of the cooling medium are connected with the line 13 of the reverse flow of the working fluid. The inlet pipes 14 of the cavities 10 of the cooling medium are connected to the flow controllers 15 of the submersible evaporators 6. In the upper part of the condensers 7 there are 16 blow-off lines for the discharge of a light component, for example, 20 Ne.
К средней части контактных пространств 4 группы ректификационных колонн головной секции 1 подключена линия 17 подачи предварительно охлажденной разделяемой смеси (фиг.1). Из нижних точек кубов 5 ректификационных колонн первой 1 и второй 2 секций выходят линии 18 отбора тяжелого компонента, которые вводятся в средину контактных пространств 4 ректификационных колонн второй 2 и третьей 3 секций, соответственно. Куб 5 ректификационной колонны третьей секции 3 снабжен линией 19 отбора тяжелого компонента (например, 22Ne или смеси 21Ne+22Ne). Входные патрубки погружных испарителей 6 в кубах 5 подключены к линии 20 прямого потока рабочего тела низкого давления.To the middle part of the contact spaces 4 of the distillation column group of the head section 1, a feed line 17 for the pre-cooled shared mixture is connected (FIG. 1). From the lower points of the cubes of 5 distillation columns of the first 1 and second 2 sections, lines 18 of the selection of the heavy component come out, which are introduced into the middle of the contact spaces of the 4 distillation columns of the second 2 and third 3 sections, respectively. The cube 5 of the distillation column of the third section 3 is equipped with a line 19 for the selection of a heavy component (for example, 22 Ne or a mixture of 21 Ne + 22 Ne). The inlet pipes of the submersible evaporators 6 in cubes 5 are connected to the direct flow line 20 of the low-pressure working fluid.
Линия 13 обратного потока рабочего тела связана с компрессором 21. Линия 22 прямого потока рабочего тела высокого давления последовательно проходит через первый рекуперативный газовый теплообменник 23, погружной теплообменник 24, второй рекуперативный газовый теплообменник 25 и заканчивается дросселем 26. После дросселя 26 установлен отделитель 27 рабочего тела. Верхняя часть отделителя 27, в которой формируется газовая фаза, связана с линией 20 прямого потока рабочего тела низкого давления, а нижняя часть, в которой накапливается жидкость - через дроссели 28 подключена к выходным патрубкам регуляторов расходов 15 погружных испарителей 6.The return line of the working fluid 13 is connected to the compressor 21. The direct flow line 22 of the high pressure working fluid passes through the first recuperative gas heat exchanger 23, the immersion heat exchanger 24, the second recuperative gas heat exchanger 25 and ends with the inductor 26. After the inductor 26, the separator 27 of the working fluid . The upper part of the separator 27, in which the gas phase is formed, is connected to the direct flow line 20 of the low-pressure working fluid, and the lower part, in which the liquid accumulates, is connected through the chokes 28 to the outlet pipes of the flow controllers 15 of the submersible evaporators 6.
Конденсаторы 7 группы ректификационных колонн второй секции 2 объединены в блок 11 конденсаторов, имеющий общую полость охлаждающей среды 10 (фиг.2). В головной (первой) секции 1, образованной группой четырех ректификационных колонн использованы два однотипных блока 11 конденсаторов, которые идентичны блоку конденсаторов второй секции (фиг.1, 2). Полости охлаждающей среды 10 блоков 11 конденсаторов головной секции 1 связаны между собой верхней 29 и нижней 30 линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.Condensers 7 of a group of distillation columns of the second section 2 are combined in a block 11 of condensers having a common cavity of the cooling medium 10 (figure 2). In the head (first) section 1, formed by a group of four distillation columns, two of the same type of block 11 capacitors are used, which are identical to the block of capacitors of the second section (Fig.1, 2). The cavities of the cooling medium 10 of the blocks 11 of the condensers of the head section 1 are interconnected by the upper 29 and lower 30 lines that provide the same liquid levels in the cavities of the cooling medium.
Конденсаторы 7 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1 выполнены в виде двух однотипных блоков 11, имеющих первую 31 и вторую 32 верхние и первую 33 и вторую 34 нижние трубные решетки. Они в плане представляют собой фрагменты кругового кольца с центральным углом, близким к 120° (фиг.3). Такой же унифицированный блок включает конденсаторы 7 ректификационных колонн второй секции 2. Блок 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн второй секции 2 имеет верхние 35 и нижние 36 трубные решетки. Блоки 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн, образующих головную (первую) 1 и вторую 2 секции, расположены соосно конденсатору ректификационной колонны третьей секции 3, имеющему верхнюю 37 и нижнюю 38 трубные решетки в виде дисков.Capacitors 7 of the distillation column group of the head (first) section 1 are made in the form of two blocks of the same type 11, having first 31 and second 32 upper and first 33 and second 34 lower tube sheets. They in plan are fragments of a circular ring with a central angle close to 120 ° (Fig. 3). The same standardized unit includes condensers 7 of distillation columns of the second section 2. Block 11 of capacitors 7 of distillation columns of the second section 2 has upper 35 and lower 36 tube sheets. The blocks 11 of the condensers 7 of the distillation columns forming the head (first) 1 and second 2 sections are located coaxially to the condenser of the distillation column of the third section 3, having upper 37 and lower 38 tube sheets in the form of disks.
Первая верхняя трубная решетка 31 блока 11 конденсаторов 7 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1 связана с первым 39 и вторым 40 верхними коллекторами, а первая нижняя трубная решетка 33 блока 11 конденсаторов 7 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1 связана с первым 41 и вторым 42 нижними коллекторами. Пары коллекторов 39-41 и 40-42 сообщаются между собой через трубки теплообменных поверхностей 8 конденсаторов 7 блока 11 конденсаторов и связаны с верхними частями группы ректификационных колонн первой секции 1 и линиями отдувки 16 легкого компонента.The first upper tube sheet 31 of the condenser unit 7 of the distillation column group 7 of the head (first) section 1 is connected to the first 39 and second 40 upper manifolds, and the first lower tube plate 33 of the condenser unit 11 of the 7 condenser group of the head (first) section 1 distillation column group is connected to the first 41 and second 42 lower manifolds. The pairs of collectors 39-41 and 40-42 communicate with each other through the tubes of the heat exchange surfaces 8 of the condensers 7 of the block 11 of the capacitors and are connected with the upper parts of the group of distillation columns of the first section 1 and the blowing lines 16 of the light component.
Аналогично вторая верхняя трубная решетка 32 головной (первой) секции 1 связана с третьим 43 и четвертым 44 верхними коллекторами, а вторая нижняя 34 трубная решетка головной (первой) секции 1 - с третьим 45 и четвертым 46 нижними коллекторами головной (первой) секции 1. При этом образуются пары коллекторов 43-45 и 44-46, сообщающихся между собой через трубки теплообменных поверхностей блока конденсаторов 11.Similarly, the second upper tube sheet 32 of the head (first) section 1 is connected to the third 43 and fourth 44 upper manifolds, and the second lower tube pipe 34 of the head (first) section 1 is connected to the third 45 and fourth 46 lower collectors of the head (first) section 1. In this case, pairs of collectors 43-45 and 44-46 are formed, communicating with each other through tubes of heat exchange surfaces of the block of capacitors 11.
Подобным образом верхняя трубная решетка 35 группы ректификационных колонн второй секции 2 связана с первым 47 и вторым 48 верхними коллекторами второй секции 2, а нижняя трубная решетка 36-е первым 49 и вторым 50 нижними коллекторами второй секции 2. При этом образуются пары коллекторов 47-49 и 48-50, сообщающихся между собой через трубки теплообменных поверхностей 8 блока 11 конденсаторов 7. Эти пары также, связывают верхние части контактных пространств 4 группы ректификационных колонн второй секции 2 с соответствующими линиями отдувки 16 легкого компонента.Similarly, the upper tube sheet 35 of the distillation column group of the second section 2 is connected with the first 47 and second 48 upper collectors of the second section 2, and the lower tube sheet 36th with the first 49 and second 50 lower collectors of the second section 2. In this case, pairs of collectors 47- 49 and 48-50, communicating with each other through tubes of heat exchange surfaces 8 of block 11 of capacitors 7. These pairs also connect the upper parts of the contact spaces 4 of the distillation column group of the second section 2 with the corresponding blowing lines 16 of the light comp nent.
Верхняя трубная решетка 37 ректификационной колонны третьей секции 3 связана с верхним коллектором 51 третьей секции 3, а нижняя трубная решетка 38 - с нижним коллектором 52 третьей секции 3. При этом образуется пара коллекторов, сообщающихся между собой через трубки теплообменных поверхностей 8 блока 11 конденсаторов 7, которая связывает верхнюю часть контактного пространства 4 ректификационной колонны третьей секции 3 с соответствующей линией отдувки 16 легкого компонента.The upper tube grate 37 of the distillation column of the third section 3 is connected with the upper collector 51 of the third section 3, and the lower tube grate 38 is connected with the lower collector 52 of the third section 3. This creates a pair of collectors communicating with each other through the tubes of the heat exchange surfaces 8 of the block 11 of the condensers 7 , which connects the upper part of the contact space 4 of the distillation column of the third section 3 with the corresponding line of blowing 16 of the light component.
Трубные решетки блоков конденсаторов связаны с боковыми поверхностями полостей охлаждающей среды 10 и, по существу, выполняют функции днищ.The tube sheets of the blocks of condensers are connected to the side surfaces of the cavities of the cooling medium 10 and, in essence, serve as bottoms.
Ректификационные колонны, блоки конденсаторов, узел кубов газовые теплообменники 23 и 25, а также погружной теплообменник 24 и отделитель 27 размещены в вакуумном кожухе 53 (фиг.1). Внешние теплопритоки экранируются при помощи многослойной изоляции 54 и азотного экрана 55 (фиг.1 и 6). Азотный экран 55 находится в тепловом контакте с линией газообразного хладагента 56, которая связана с вакуумным насосом 57. Погружной теплообменник 24 также снабжен веткой 58 сброса паров азота, которая используется в пусковой период при охлаждении устройства и при отключенном вакуумном насосе 57.Distillation columns, condenser units, cubic unit gas heat exchangers 23 and 25, as well as a submersible heat exchanger 24 and a separator 27 are placed in a vacuum casing 53 (figure 1). External heat influx is shielded by means of multilayer insulation 54 and nitrogen shield 55 (FIGS. 1 and 6). The nitrogen shield 55 is in thermal contact with the gaseous refrigerant line 56, which is connected to the vacuum pump 57. The submersible heat exchanger 24 is also equipped with a nitrogen vapor discharge branch 58, which is used during the start-up period when the device is cooling and when the vacuum pump 57 is turned off.
В полостях кубов 5 ректификационных колонн первой 1, второй 2 и третьей 3 секций установлены погружные испарители 6 (фиг.6). Причем, для уменьшения радиального габарита группа периферийных ректификационных колонн головной (первой) 1 и второй 2 секций расположена на одинаковом удалении от оси кожуха, а кубы упомянутых ректификационных колонн смещены по отношению к осям ректификационных колонн на величину δ=(0,5…1,5)·R, где R - радиус контактных пространств 4 по отношению к осям соответствующих кубов. Это позволяет уменьшить диаметр азотного экрана 55 на протяжении контактных пространств 5 и размеры вакуумного кожуха 53.In the cavities of the cubes 5 of distillation columns of the first 1, second 2 and third 3 sections installed submersible evaporators 6 (Fig.6). Moreover, to reduce the radial dimension, the group of peripheral distillation columns of the head (first) 1 and second 2 sections is located at the same distance from the axis of the casing, and the cubes of the said distillation columns are offset with respect to the axes of the distillation columns by δ = (0.5 ... 1, 5) · R, where R is the radius of the contact spaces 4 with respect to the axes of the corresponding cubes. This allows you to reduce the diameter of the nitrogen screen 55 over the contact spaces 5 and the dimensions of the vacuum casing 53.
Установка для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах в частном варианте, показанном на фиг.1, работает следующим образом.Installation for the separation of gas mixtures in distillation columns in the particular embodiment shown in figure 1, operates as follows.
Компрессор 21 сжимает рабочее тело, поступающее из полостей 10 охлаждающей среды по линии 13 обратного потока. Прямой поток рабочего тела высокого давления, например P=140 бар, подаваемый по линии 22, охлаждается в первом рекуперативном газовом теплообменнике 23 до T≈100 К. Затем температура прямого потока падает до T≈82 К в погружном теплообменнике 24 и далее во втором рекуперативном газовом теплообменнике 25 до T≈52 К. В погружном теплообменнике 24 понижение температуры рабочего тела и подаваемой по линии 17 разделяемой смеси (например, природного неона) происходит за счет кипения жидкого азота при P=0,3…1,0 бар, в первом и втором газовых рекуперативных теплообменниках 23 и 25 - за счет обратного потока рабочего тела в линии 13, а в первом газовом теплообменнике также за счет паров азота подаваемого по линиям 56 и 58.The compressor 21 compresses the working fluid coming from the cavities 10 of the cooling medium along the line 13 of the return flow. The direct flow of a high-pressure working fluid, for example, P = 140 bar, supplied via line 22, is cooled in the first recuperative gas heat exchanger 23 to T≈100 K. Then, the temperature of the direct flow drops to T≈82 K in an immersion heat exchanger 24 and then in the second regenerative a gas heat exchanger 25 to T≈52 K. In a submersible heat exchanger 24, the temperature of the working fluid and the separated mixture (for example, natural neon) fed through line 17 occurs due to boiling of liquid nitrogen at P = 0.3 ... 1.0 bar, in the first and second gas recuperative heat exchangers 23 and 25 - at the expense of the return of the working medium flow in line 13, as in the first gas exchanger as by nitrogen vapor supplied through lines 56 and 58.
В дросселе 26 давление прямого потока снижается до уровня P=5,4…21,8 бар. При этом после дросселя 26 в потоке образуется 50…60% жидкости, а температура падает до T=34…43 К, соответственно. В отделителе 27 рабочее тело низкого давления расслаивается на две фазы: газообразную и жидкую. Газовая фаза по линии 20 подается на вход погружных испарителей 6 и обеспечивает кипение тяжелого компонента в кубах 5, при этом частично конденсируясь. Расход рабочего тела через погружные испарители 6 каждой из колонн устанавливают при помощи регуляторов расхода 15. Жидкая фаза из отделителя 27 подается через дроссели 28, смешивается с парожидкостными потоками рабочего тела после регуляторов расхода 15 и с давлением около P=1,5 бар, (абс.) подступает в полости 10 охлаждающей среды ректификационных колонн головной (первой) 1, второй 2 и третьей 3 секций.In the throttle 26, the pressure of the direct flow decreases to the level P = 5.4 ... 21.8 bar. Moreover, after throttle 26, 50 ... 60% of the liquid is formed in the flow, and the temperature drops to T = 34 ... 43 K, respectively. In the separator 27, the low-pressure working fluid is stratified into two phases: gaseous and liquid. The gas phase through line 20 is fed to the inlet of the submersible evaporators 6 and provides boiling of the heavy component in cubes 5, while partially condensing. The flow rate of the working fluid through the immersion evaporators 6 of each column is set using flow controllers 15. The liquid phase from the separator 27 is fed through the inductors 28, mixed with the vapor-liquid flow of the working fluid after the flow controllers 15 and with a pressure of about P = 1.5 bar, (abs .) approaches the cavity 10 of the cooling medium of distillation columns of the head (first) 1, second 2 and third 3 sections.
Охлаждающая среда 9 в результате кипения на теплообменных поверхностях 8 превращается в газ, который выводятся из полости 10 охлаждающей среды через выходные патрубки 12, подается в линию 13 обратного потока рабочего тела и поступают в компрессор 21. При этом газообразная охлаждающая среда последовательно отогревается во втором 25 и в первом 23 рекуперативных газовых теплообменниках.The cooling medium 9 as a result of boiling on the heat exchange surfaces 8 is converted into gas, which is removed from the cavity 10 of the cooling medium through the outlet pipes 12, is supplied to the return line 13 of the working fluid and enters the compressor 21. In this case, the gaseous cooling medium is sequentially heated in the second 25 and in the first 23 recuperative gas heat exchangers.
В результате подвода тепла к жидкому тяжелому компоненту в кубах 5 со стороны погружных испарителей 6 образуются потоки пара, которые двигаются вверх вдоль контактных пространств 4 в ректификационных колоннах (головной) первой 1, второй 2 и третьей 3 секций. Достигая холодной теплообменной поверхности 8 блоков 11 конденсаторов 7, пары разделяемой смеси переходят в жидкое состояние. Жидкость стекает вниз, орошая контактные пространства 4. За счет интенсивного массообмена между этой жидкостью (так называемой флегмой) и потоками пара, образующимися в кубах 5, происходит обогащение жидкости в кубах тяжелым изотопным компонентом (в данном случае - неоном 22Ne). Одновременно в верхних частях контактных пространств 4 начинает накапливаться легкий (преобладающий) компонент 20Ne. Наиболее редкий компонент 21Ne получают на первом этапе в смеси с тяжелым компонентом (22Ne) или накапливают в контактных пространствах 4, постепенно замещая в них менее ценный компонент 20Ne.As a result of heat supply to the liquid heavy component in cubes 5, steam flows are formed from the side of the submersible evaporators 6, which move upward along the contact spaces 4 in the distillation columns of the (head) of the first 1, second 2, and third 3 sections. Reaching the cold heat exchange surface 8 of the blocks 11 of the capacitors 7, the pairs of the mixture to be separated pass into the liquid state. The liquid flows downward, irrigating the contact spaces 4. Due to the intensive mass transfer between this liquid (the so-called phlegm) and the vapor flows generated in cubes 5, the liquid is enriched in cubes with a heavy isotopic component (in this case, 22 Ne neon). At the same time, in the upper parts of the contact spaces 4, the light (predominant) component 20 Ne begins to accumulate. The rarest 21 Ne component is obtained at the first stage in a mixture with the heavy component ( 22 Ne) or accumulate in the contact spaces 4, gradually replacing the less valuable 20 Ne component in them.
Жидкость из кубов 5 ректификационных колонн головной (первой) 1 и второй 2 секций отбирают по линиям 18. Причем, тяжелый компонент группы ректификационных колонн первой секции 1 поступает в виде жидкости на дальнейшее обогащение в группу ректификационных колонн второй секции 2, а ее кубовая жидкость - в ректификационной колонну третьей секции 3, из куба которой по линии 19 отбирают в виде продукта тяжелый компонент 22Ne.The liquid from the cubes of 5 distillation columns of the head (first) 1 and second 2 sections is taken along lines 18. Moreover, the heavy component of the group of distillation columns of the first section 1 is supplied in the form of liquid for further enrichment to the group of distillation columns of the second section 2, and its bottoms liquid in the distillation column of the third section 3, from the cube of which a heavy component 22 Ne is taken as a product along line 19.
В средину контактного пространства 4 группы ректификационных колонн первой секции 1 по линии 17 подается разделяемая смесь, предварительно охлажденная в первом 23 и втором 25 рекуперативных газовых теплообменниках, а также в погружном теплообменнике 24. Подвод разделяемой смеси, содержащей 0,27% 21Ne, и отбор легкого 20Ne и тяжелого 22Ne компонентов по линиям 16 и 19, соответственно, позволяет накапливать 21Ne в контактном пространстве 4 ректификационной колонны третьей секции 3.In the middle of the contact space 4 of the distillation column group of the first section 1, a shared mixture is fed via line 17, pre-cooled in the first 23 and second 25 recuperative gas heat exchangers, as well as in a submersible heat exchanger 24. Supply of a shared mixture containing 0.27% 21 Ne, and selection of light 20 Ne and heavy 22 Ne components along lines 16 and 19, respectively, allows the accumulation of 21 Ne in the contact space 4 of the distillation column of the third section 3.
Для работы последовательно включенных секций и обеспечения бескомпрессорной подачи жидкого тяжелого компонента из группы ректификационных колонн головной секции 1 группу в ректификационных колонн второй секции 2, а из них - в ректификационную колонну третьей секции 3, между колоннами генерируется побуждающая разность давлений P1>P2>P3.In order to operate the series-connected sections and provide an uncompressed supply of a liquid heavy component from the distillation column group of the head section 1, the group to the distillation columns of the second section 2, and from them to the distillation column of the third section 3, an inducing pressure difference P 1 > P 2 > is generated between the columns P 3 .
При одинаковых условиях охлаждения в конденсаторах 7 необходимая для работы побуждающая разность давлений между колоннами P1>P2>P3 обеспечивается настройкой регуляторов 15 расхода погружных испарителей 6. Для получения разности давлений (например, P1=3,5 бар, P2=3 бар и P3=2,5 бар) расходы рабочего тела через погружные испарители 6 кубов 5 колонн предыдущей секции устанавливают выше, чем через погружные испарители кубов последующей секции G1>G2>G3, (фиг.6). Причем, для обеспечения компактности группы периферийных ректификационных колонн секций 1 и 2 расположены на одинаковом удалении от оси кожуха, а кубы упомянутых ректификационных колонн выполнены с эксцентриситетом δ по отношению к осям ректификационных колонн секций 1 и 2.Under the same cooling conditions in condensers 7, the inducing pressure difference between the columns P 1 > P 2 > P 3 necessary for operation is ensured by setting the regulators 15 of the flow of the submersible evaporators 6. To obtain the pressure difference (for example, P 1 = 3.5 bar, P 2 = 3 bar and P 3 = 2.5 bar) the flow rate of the working fluid through the immersion evaporators of 6 cubes of 5 columns of the previous section is set higher than through the immersion evaporators of the cubes of the subsequent section G 1 > G 2 > G 3 , (Fig.6). Moreover, to ensure compactness, the groups of peripheral distillation columns of sections 1 and 2 are located at the same distance from the axis of the casing, and the cubes of the said distillation columns are made with an eccentricity δ with respect to the axes of the distillation columns of sections 1 and 2.
Блоки 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн (фиг.1-5) работают следующим образом. В полости 10 охлаждающей среды через входные патрубки 14 подается парожидкостный поток рабочего тела. Поток расслаивается на жидкость 9 и газ, который сразу отводится через выходной патрубок 12 в линию 13 обратного потока рабочего тела. Слои жидкости 9 омывают снаружи теплообменные поверхности 8 в виде трубок, установленных между верхними (31, 32, 35, 37) и нижним (33, 34, 36, 38) трубными решетками. Внутренние полости трубок соответствующих конденсаторов 7 сообщены с контактными пространствами 4 ректификационных колонн головной (первой) 1, второй 2 и третьей 3 секций. Между парами разделяемой смеси в трубках теплообменных поверхностей 8 и кипящей охлаждающей средой 9 обеспечивается разность температур ΔT=2…4 К. За счет этого пары разделяемой смеси конденсируются внутри трубок и образуют флегму, которая собирается в нижних коллекторах 41, 42, 45, 46 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1, нижних коллекторах 49, 50 группы ректификационных колонн второй секции 2 и нижнем коллекторе 52 ректификационной колонны третьей секции 3. Потоки флегмы из нижних коллекторов направляются в контактные пространства соответствующих ректификационных колонн. Одновременно охлаждающая среда снаружи теплообменных поверхностей 8 кипит, а образовавшийся газообразный поток отводится через выходные патрубки 12 в линию 13 обратного потока рабочего тела. За счет верхней 29 и нижней 30 линий между полостями 10 охлаждающей среды в блоках 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн головной (первой) секции 1 обеспечиваются одинаковые уровни жидкой охлаждающей среды 9 (фиг.2-5).The blocks 11 of the capacitors 7 distillation columns (Fig.1-5) work as follows. In the cavity 10 of the cooling medium through the inlet nozzles 14 is supplied vapor-liquid flow of the working fluid. The flow is stratified into liquid 9 and gas, which is immediately discharged through the outlet pipe 12 into the line 13 of the return flow of the working fluid. The liquid layers 9 wash the heat exchange surfaces 8 from the outside in the form of tubes installed between the upper (31, 32, 35, 37) and lower (33, 34, 36, 38) tube sheets. The internal cavities of the tubes of the respective capacitors 7 are in communication with the contact spaces 4 of the distillation columns of the head (first) 1, second 2 and third 3 sections. Between the pairs of the mixture to be separated in the tubes of the heat exchange surfaces 8 and the boiling cooling medium 9, a temperature difference ΔT = 2 ... 4 K is provided. Due to this, the pairs of the mixture to be separated are condensed inside the tubes and form reflux, which is collected in the lower collectors 41, 42, 45, 46 of the group distillation columns of the head (first) section 1, lower collectors 49, 50 of the distillation column group of the second section 2 and lower collector 52 of the distillation column of the third section 3. Phlegm streams from the lower collectors are sent to the contact spaces of the respective distillation columns. At the same time, the cooling medium boils outside the heat exchange surfaces 8, and the gaseous stream formed is discharged through the outlet pipes 12 to the return line 13 of the working fluid. Due to the upper 29 and lower 30 lines between the cavities 10 of the cooling medium in the blocks 11 of the condensers 7 of the distillation columns of the head (first) section 1, the same levels of liquid cooling medium 9 are provided (Fig.2-5).
Легкий компонент накапливается в верхних коллекторах 39, 40, 43, 44 группы ректификационных колонн головной секции 1, верхних коллекторах 47, 48 группы ректификационных колонн второй секции 2 и верхнем коллекторе 51 ректификационной колонны третьей секции 3. Легкий компонент (20Ne) отбирают по линиям отдувки 16 через расходомеры в газгольдеры (не показаны) и периодически закачивают в баллоны.The light component is accumulated in the upper collectors 39, 40, 43, 44 of the distillation column group of the head section 1, the upper collectors 47, 48 of the distillation column group of the second section 2 and the upper collector 51 of the distillation column of the third section 3. The light component ( 20 Ne) is taken along the lines blowing 16 through flow meters into gas tanks (not shown) and periodically pumped into cylinders.
В таблице 1 систематизированы данные о процессах, характерных для работы холодильного цикла, обеспечивающего работу комплекса ректификационных колонн для разделения неона на изотопы.Table 1 summarizes the data on the processes characteristic of the operation of the refrigeration cycle, which ensures the operation of a complex of distillation columns for the separation of neon into isotopes.
Концентрации Z, X и Y тяжелого компонента (22Ne) на входе и выходе из ректификационных колонн для схемы, представленной на фиг.7, определяется следующим образом.The concentration of Z, X and Y of the heavy component ( 22 Ne) at the inlet and outlet of the distillation columns for the circuit shown in Fig.7, is determined as follows.
Допустим, что изотопная смесь состоит из двух преобладающих компонентов: легкого «Л» и тяжелого «Т» и имеет начальную концентрацию по компоненту «Т» равную, например, Z=0,095 (9,5%). В дальнейшем, учитывая бинарный состав смеси, все концентрации приведены исключительно к компоненту «Т». Тогда доля компонента «Л» при этом будет равна (1-Z). Например, для принятого состава исходной смеси содержание легкого компонента будет (1-Z)=1-0,095=0,905; (90,5%).Suppose that an isotopic mixture consists of two predominant components: light “L” and heavy “T” and has an initial concentration in the “T” component equal to, for example, Z = 0.095 (9.5%). Subsequently, taking into account the binary composition of the mixture, all concentrations are given exclusively to the “T” component. Then the proportion of the component "L" in this case will be equal to (1-Z). For example, for the accepted composition of the initial mixture, the content of the light component will be (1-Z) = 1-0.095 = 0.905; (90.5%).
В результате разделения, например, путем фракционной конденсации, будут получены два потока. По отношению к исходной смеси один из потоков (жидкость) несколько обогатится тяжелым компонентом «Т» X=0,097>Z. В то же время, в другом потоке - паре наступит понижение концентрации компонента «Т» Y=0,093<Z (т.е. он обогатится легким компонентом «Л»), В пределах одного шага фракционирования (одной теоретической тарелки) разность концентраций между потоками жидкости и пара выражается формулой [Apelblat A. The Theory of a Real Isotope Enriching Cascade / A.Apelblat, Y.Ilamed-Lehrer // Journal of Nuclear Energy. - Vol.22. - July 1967. - P.1-26.], [Бродский А.И., Стабильные изотопы легких элементов, / Успехи физических наук, т.ХХ, вып.2, 1988 г. с.153-182] As a result of separation, for example, by fractional condensation, two streams will be obtained. In relation to the initial mixture, one of the streams (liquid) is somewhat enriched with the heavy component “T” X = 0.097> Z. At the same time, in another stream — a pair, a decrease in the concentration of the “T” component will come Y = 0.093 <Z (that is, it will be enriched in the light component “L”). Within one fractionation step (one theoretical plate) the concentration difference between the flows liquid and vapor is expressed by the formula [Apelblat A. The Theory of a Real Isotope Enriching Cascade / A. Apelblat, Y. Ilamed-Lehrer // Journal of Nuclear Energy. - Vol.22. - July 1967. - P.1-26.], [Brodsky A.I., Stable Isotopes of Light Elements, / Successes in Physical Sciences, vol. XX, issue 2, 1988, p.153-182]
В формуле (1) в числителе - относительная концентрация тяжелого и легкого компонентов в жидкости; а в знаменателе - относительная концентрация тяжелого и легкого компонентов в паре; α - коэффициент разделения (для изотопной пары 20Ne-22Ne α≈1,04 [Теория разделения изотопов в колоннах - А.М.Розен Москва 1960 стр.437]. Если изменение состава одного из потоков (X или У) отсчитывается от исходной концентрации Z, то изменение концентраций потоков будет менее выраженным. В этом случае в качестве приближенной характеристики процесса используют величинуIn the formula (1) in the numerator is the relative concentration of the heavy and light components in the liquid; and in the denominator, the relative concentration of the heavy and light components in the pair; α is the separation coefficient (for an isotopic pair of 20 Ne- 22 Ne α≈1.04 [Theory of separation of isotopes in columns - A.M. Rosen Moscow 1960 p.437]. If the change in the composition of one of the streams (X or Y) is counted from initial concentration Z, then the change in flux concentrations will be less pronounced.In this case, as an approximate characteristic of the process use the value
или or
Чтобы усилить эффект разделения процесс повторяют несколько раз, используя в каждом шаге фракционирования уже полученный (ранее обогащенный определенным компонентом поток). Эту процедуру можно осуществить, например, в ректификационной колонне, имеющей k условных тарелок. Тогда результат обогащения в частях колонны (ниже и выше точки ввода исходной смеси) выразится соотношениями, соответственноTo enhance the separation effect, the process is repeated several times, using in each fractionation step already obtained (previously enriched with a specific component stream). This procedure can be carried out, for example, in a distillation column having k conventional plates. Then the result of enrichment in parts of the column (below and above the input point of the initial mixture) is expressed by the ratios, respectively
или or
Применительно к нижней части колонны, предназначенной для концентрирования тяжелого компонента «Т» (или 22Ne) формула 4-а может быть представлена в видеIn relation to the bottom of the column, intended for the concentration of the heavy component "T" (or 22 Ne), formula 4-a can be represented as
Последнее равенство устанавливает зависимость между составом подаваемой в колонну смеси Z (по тяжелому компоненту), фактором разделения компонентов β, количеством единиц переноса (теоретических тарелок) k в нижней части ректификационной колонны и концентрацией X кубового продукта. Применим формулу (5) для последовательно включенных секций (фиг.7). Полагая, что кубовая смесь предыдущей секции подается на вход в очередную секцию и, воспользовавшись уравнениями балансов по компоненту «Т», можно определить расходы смеси на входе в каждую ступень.The last equality establishes a relationship between the composition of the mixture Z fed to the column (according to the heavy component), the separation factor β, the number of transfer units (theoretical plates) k in the lower part of the distillation column, and the concentration X of the bottom product. We apply the formula (5) for series-connected sections (Fig.7). Assuming that the bottom mixture of the previous section is fed to the entrance to the next section and, using the balance equations for the “T” component, it is possible to determine the flow rates of the mixture at the entrance to each stage.
Ниже, в табличной форме (таблица 2) дан расчет расходных характеристик для 4-х (фиг.7) последовательно включенных секций, предназначенных для начального обогащения нижней фракции тяжелым компонентом «Т» на примере разделения изотопной пары 20Ne-22Ne с природным составом Z=9,5% по неону 22Ne.Below, in tabular form (table 2), the flow characteristics are calculated for 4 (Fig. 7) sections connected in series, intended for the initial enrichment of the lower fraction with the heavy component “T” using the example of the separation of the 20 Ne- 22 Ne isotopic pair with the natural composition Z = 9.5% for neon 22 Ne.
Как следует из таблицы 2 в рассматриваемом примере расходы смеси на входе в секции 1, 2, 3 и 4 относятся, как 160:79:40:22≈8:4:2:1, что примерно соответствует членам геометрической прогрессии со знаменателем=2.As follows from table 2 in the considered example, the flow rates of the mixture at the entrance to sections 1, 2, 3, and 4 are referred to as 160: 79: 40: 22≈8: 4: 2: 1, which approximately corresponds to the terms of the geometric progression with the denominator = 2 .
Примечание: Получение абсолютно корректного соотношения расходов по секциям не является самоцелью расчета. Например, с точностью до 1% эта задача решается изменением степеней извлечения CT1=0,814; CT2=0,78 и CT3=0,74.Note: Obtaining an absolutely correct ratio of expenses by sections is not an end in itself in the calculation. For example, with an accuracy of 1%, this problem is solved by changing the degrees of extraction C T1 = 0.814; C T2 = 0.78 and C T3 = 0.74.
Площадь поперечного сечения контактного пространства ректификационных колонн каждой из секций, при одинаковых эксплуатационных условиях во многом определяется расходом подаваемой в колонну смеси. Изменение (уменьшение) расходов смеси и эквивалентного сечения контактных пространств ректификационных колонн достигается путем формирования начальных секций из групп колонн одинакового диаметра. В этом случае число колонн nj, в составе каждой из групп, образующих N последовательных секций, изменяется по закону геометрической прогрессии nj=n1·(r+1)1-j, где r является натуральным числом, а первый член n1 равен числу колонн в группе, образующей головную секцию. При этом n1=(r+1)N-1.The cross-sectional area of the contact space of the distillation columns of each section, under the same operating conditions, is largely determined by the flow rate of the mixture supplied to the column. Change (decrease) in the flow rate of the mixture and the equivalent cross-section of the contact spaces of the distillation columns is achieved by forming the initial sections from groups of columns of the same diameter. In this case, the number of columns n j , in each of the groups forming N consecutive sections, varies according to the law of geometric progression n j = n 1 · (r + 1) 1-j , where r is a natural number and the first term is n 1 equal to the number of columns in the group forming the head section. Moreover, n 1 = (r + 1) N-1 .
Помимо расхода подаваемой смеси, на скорость пара в ректификационной колонне (а, значит, на сечение ее контактного устройства) оказывают воздействие и другие эксплуатационные факторы. Среди них: флегмовое число и давление ректификации. Однако влияние указанных режимных параметров не только не отвергает возможность и целесообразность формирования последовательных секций из групп колонн, число которых убывает по закону геометрической прогрессии. Наоборот, эти режимные параметры можно рассматривать в качестве дополнительных «степеней свободы», которые позволят существенно расширить диапазон эксплуатационных условий для установок, формируемых из параллельно включаемых групп однотипных ректификационных колонн.In addition to the flow rate of the supplied mixture, other operational factors also affect the steam speed in the distillation column (and, therefore, the cross section of its contact device). Among them: reflux ratio and distillation pressure. However, the influence of these regime parameters not only does not reject the possibility and expediency of forming successive sections from groups of columns, the number of which decreases according to the law of geometric progression. On the contrary, these operating parameters can be considered as additional “degrees of freedom”, which will significantly expand the range of operating conditions for plants formed from parallel-connected groups of the same distillation columns.
Полезная модель позволяет упростить ступенчатое разделение изотопных смесей в ректификационных колоннах. Снижение металлоемкости низкотемпературного блока за счет исключения части теплообменных аппаратов и применения компактных узлов конденсаторов и кубов позволяет уменьшить радиальный габарит и объем вакуумного кожуха. Снижение величины внешних теплопритоков приводит к сокращению энергозатрат в холодильном цикле и способствует стабильной работе ректификационных колонн.The utility model allows to simplify the stepwise separation of isotopic mixtures in distillation columns. Reducing the metal content of the low-temperature unit due to the elimination of part of the heat exchangers and the use of compact units of capacitors and cubes allows to reduce the radial dimension and volume of the vacuum casing. A decrease in external heat inflows leads to a reduction in energy consumption in the refrigeration cycle and contributes to the stable operation of distillation columns.
Формирование головной и начальных ступеней из нескольких ректификационных колонн позволяет повысить производительность устройства по исходной смеси без ущерба для эффективности разделения. За счет такого решения сокращается время пускового периода, так как несколько колонн первой секции по существу работают на одну финишную колонну, в контактном пространстве которой происходит накопление целевого продукта. Кроме того, сокращение длительности пускового периода при разделении трудноразделимых смесей, например изотопов неона, достигается за счет исключения из схемы объеов парлифтов, не участвующих в ректификации. Вместо них побуждающая разность давлений, необходимая для подачи смеси из секции в секцию обеспечивается за счет изменения тепловых потоков в испарителях кубов. Повышение производительности и качества разделения газовых смесей обеспечивает получение редких компонентов, например, изотопа 21Ne.The formation of the head and initial stages from several distillation columns allows to increase the productivity of the device according to the initial mixture without compromising the separation efficiency. Due to this solution, the start-up period is reduced, since several columns of the first section essentially work on one finishing column, in the contact space of which the accumulation of the target product takes place. In addition, a reduction in the duration of the start-up period when separating difficultly separable mixtures, for example, neon isotopes, is achieved by excluding from the circuit volumes of parlifts that are not involved in rectification. Instead, the inducing pressure difference required to supply the mixture from section to section is provided by changing the heat flux in the cubic evaporators. Improving the performance and quality of the separation of gas mixtures provides rare components, for example, the 21 Ne isotope.
Предложенная схема холодильного цикла хорошо согласуется с технологическим контуром, позволяя получить перепады давлений между колоннами, достаточные для бескомпрессорной подачи разделяемой смеси из секции в секцию. Полезность защищаемых технических решений подтверждена в процессе создания и эксплуатации промышленных установок для получения изотопов неона, в том числе 21Ne.The proposed scheme of the refrigeration cycle is in good agreement with the technological circuit, making it possible to obtain pressure differences between the columns, sufficient for the uncompressed supply of the mixture to be separated from section to section. The usefulness of protected technical solutions is confirmed in the process of creating and operating industrial plants for producing neon isotopes, including 21 Ne.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012110459/05U RU121753U1 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES IN RECTIFICATION COLUMNS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012110459/05U RU121753U1 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES IN RECTIFICATION COLUMNS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU121753U1 true RU121753U1 (en) | 2012-11-10 |
Family
ID=47322489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012110459/05U RU121753U1 (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES IN RECTIFICATION COLUMNS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU121753U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2543877C1 (en) * | 2013-11-21 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук | Isotope separator plant |
-
2012
- 2012-03-20 RU RU2012110459/05U patent/RU121753U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2543877C1 (en) * | 2013-11-21 | 2015-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук | Isotope separator plant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2013141761A2 (en) | Assembly for separating gas mixtures in fractionating columns | |
| WO2011043199A1 (en) | Heat-exchange-type distillation apparatus | |
| KR20130111406A (en) | Heat integrated distillation apparatus | |
| US3813889A (en) | Separation of gas mixtures | |
| KR20130095679A (en) | Heat integrated distillation apparatus | |
| CN104474898B (en) | Produce high abundance13C cryogenic rectification multitower cascade energy saver | |
| RU121753U1 (en) | INSTALLATION FOR SEPARATION OF GAS MIXTURES IN RECTIFICATION COLUMNS | |
| JP2002159830A (en) | Separation and concentration method and apparatus by distillation of mixture with separation factor close to 1 | |
| CN103998883A (en) | Method and device for the cryogenic decomposition of air | |
| US1594336A (en) | Process for separating gas mixtures, more especially air or other difficultly liquefiable gas mixtures | |
| CN1084870C (en) | Air separation | |
| RU2489655C1 (en) | Separation method of gas mixtures in distillation columns, and plant for its implementation | |
| UA79319C2 (en) | Method of cleaning and separation of mixtures by rectification and mass-exchange apparatus | |
| KR102439734B1 (en) | Method and Apparatus for Simultaneous Production of Three Esters by Reactive Distillation | |
| US2502251A (en) | Apparatus for the separation of gaseous mixtures | |
| CN100546688C (en) | The vapour-liquid separating phase transformation is imitated column plate and platelet entirely apart from rectifying column | |
| CA1170612A (en) | Process for the rectification of binary liquid mixtures | |
| US1890646A (en) | Process for separation of gas mixtures, especially of air | |
| RU2254905C1 (en) | Method of separation of difficult-to-separate mixtures and device for realization of this method | |
| RU2652248C1 (en) | Rectification unit for isotope separation | |
| US10688436B2 (en) | Device for producing water having reduced heavy molecule content | |
| WO2006112746A1 (en) | Method and device for splitting hardly-splittable mixtures | |
| US2966038A (en) | Process and apparatus for the separation of gas mixtures | |
| WO2013089584A2 (en) | Method and device for producing a krypton/xenon mixture | |
| JP3329750B2 (en) | Distillation apparatus and distillation method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20190321 |