RU2489655C1

RU2489655C1 - Separation method of gas mixtures in distillation columns, and plant for its implementation

Info

Publication number: RU2489655C1
Application number: RU2012110462/06A
Authority: RU
Inventors: Виталий Леонидович Бондаренко; Юрий Михайлович Симоненко
Original assignee: Виталий Леонидович Бондаренко
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2013-08-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: method involves separation of mixtures in distillation columns forming in-series connected and installed sections, in each of which a heavy component of gas mixture in the form of liquid is extracted below contact space in a cube equipped with a submersible evaporator and supplied by means of exciting pressure difference to contact space of the next section. A light component of gas mixture is extracted in the form of gas above contact space in condenser sections, each of which is arranged in a cavity of cooling medium obtained from working medium in high and low pressure cycle. Impulsive pressure difference is created by provision of a heat exchange surface of the condenser in each next section that is more than surface of the previous section by 1.1…1.5 times, as well as by the change of the flow rate of gaseous working medium supplied through submersible evaporators and by changing the working body and changing intensity of heat flows in submersible evaporators of cubes owing to supplying gaseous low-pressure working medium. Pressure of gaseous working medium is maintained in the range of 20 to 80% of critical pressure level of the working medium.

EFFECT: higher efficiency.

5 cl, 11 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а именно, к способам и устройствам получения компонентов газовых смесей методом ректификации, в частности, газовых смесей, характеризуемых малым значением коэффициента разделения, например, изотопов неона.The invention relates to cryogenic technology, and in particular, to methods and devices for producing components of gas mixtures by rectification, in particular gas mixtures, characterized by a small separation coefficient, for example, neon isotopes.

Известен способ разделения неона на изотопы методом ректификации в условиях криогенных температур [Bewilogua. P., Gacdicke К., Vergea P. Vortrag auf der 4, Arbeitstagung fiber stabile Isotope: - Leipzig, 1963], основанный на поэтапном разделении смеси на изотопные компоненты в одной и той же ректификационной колонне, причем, изотопные компоненты отогревают до температуры окружающей среды, собирают в газгольдерах, компримируют, очищают от примесей (попадающих в компоненты на стадии сбора и хранения), охлаждают и дозировано впускают в ректификационной колонну для повторного разделения.A known method of separating neon into isotopes by distillation in cryogenic temperatures [Bewilogua. P., Gacdicke K., Vergea P. Vortrag auf der 4, Arbeitstagung fiber stabile Isotope: - Leipzig, 1963], based on the phased separation of the mixture into isotopic components in the same distillation column, and the isotopic components are heated to ambient temperature media, collected in gas tanks, compressed, cleaned of impurities (falling into the components at the stage of collection and storage), cooled and metered into the distillation column for re-separation.

Недостатком способа 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, способ отличается относительно низкой концентрацией получаемых в колонне потоков легкого (²⁰Ne) и тяжелого (²²Ne) компонентов.The disadvantage of this method 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 method is characterized by a relatively low concentration of light ( ²⁰ Ne) and heavy ( ²² Ne) component streams obtained in the column.

Названный недостаток частично устранен в способе разделения трудноразделимых смесей [RU 2254905, C1, B01D 59/04, F25J 3/02, 27.06.2005], включающий разделение смесей в ректификационных колоннах, генерацию теплоносителя в циклах высокого и низкого давлений, размещение оборудования в кожухе, причем, по крайней мере одну ректификационную колонну разбивают на последовательно соединенные секции, устанавливаемые рядом, жидкость из предыдущей секции отбирают из-под контактного пространства этой секции и посредством побудителя расхода подают над контактным пространством последующей секции на его орошение, над контактным пространством последующей секции отбирают пар, который направляют под контактное пространство предыдущей секции, в качестве побудителя расхода используют парлифт с испарением жидкости в испарителе парлифта в нижней части и конденсацией пара в конденсаторе парлифта в верхней части, полость парлифта сообщают с контактным пространством секций через гидрозатвор, испарение жидкости и конденсацию пара в парлифте осуществляют подачей в испаритель парлифта и конденсатор парлифта рабочего тела, циркулирующего в цикле низкого и высокого давлений, циркуляцию в цикле низкого давления осуществляют с помощью отдельного компрессора, флегму низкокипящего компонента получают вверху головной секции колонны конденсацией, а регулирование тепловых потоков в конденсаторах парлифтов производят по перепаду давления между полостью конденсации конденсатора парлифта и полостью контактного пространства в верхней части соответствующей секции.The mentioned drawback is partially eliminated in the method of separation of difficultly separable mixtures [RU 2254905, C1, B01D 59/04, F25J 3/02, June 27, 2005], including separation of mixtures in distillation columns, generation of heat carrier in high and low pressure cycles, placement of equipment in a casing moreover, at least one distillation column is divided into series-connected sections mounted side by side, liquid from the previous section is taken from under the contact space of this section, and by means of a flow inducer is fed over the contact by steam transfer of the next section to its irrigation, steam is taken over the contact space of the subsequent section, which is sent under the contact space of the previous section, as a flow inducer, a steam lift is used with vaporization of the liquid in the vaporizer vaporizer in the lower part and steam condensation in the vaporizer condenser in the upper part, the vaporizer cavity communicate with the contact space of the sections through a water trap, vaporization of the liquid and condensation of steam in the steam lift is carried out by supplying a steam lift to the evaporator and a steam lift condenser the working fluid circulating in the low and high pressure cycle, the circulation in the low pressure cycle is carried out using a separate compressor, the reflux of the low-boiling component is obtained by condensation at the top of the head section of the column, and the heat fluxes in the parlift condensers are controlled by the pressure drop between the condensation cavity of the parlift condenser and the cavity contact space at the top of the corresponding section.

Этот способ является наиболее близким по технической сущности к предложенному решению и принят в качестве прототипа.This method is the closest in technical essence to the proposed solution and adopted as a prototype.

Недостатком наиболее близкого технического решения является его относительно низкая производительность, что обусловлено необходимостью обеспечения дополнительного объема за пределами контактных пространств, обусловленное применением парлифтов. Этот объем заполнен парожидкостной смесью, которая не участвует в процессе ректификации. Наличие упомянутого «паразитного» объема повышает инерционность системы, снижает ее производительность при извлечении редких компонентов смеси, особенно, ²¹Ne, содержание которого в природном неоне не превышает 0,27% [Малков М.П. Справочник по физико-техническим основам криогеники. - М.: Энергоатомиздат. - 1985. - 431 с.3, табл.4.108.]. Для получения ²¹Ne необходимо предварительно заполнить концентратом этого компонента все секции, включая тяговые трубопроводы каждого из парлифтов. Эти трубопроводы по объему соизмеримы с объемом контактного пространства колонны. При высоте секции и парлифта h=6 м [1] и диаметре всего d=30 мм гидравлический объем парлифта равен 4,2 дм³. С учетом наличия паровой фазы в тяговом трубопроводе содержится не менее 2 дм³ жидкого неона. Это эквивалентно 2680 дм³ неона при нормальных условиях [3, табл.4.109]. Таким образом, при производительности установки 2500 норм. дм³/сутки по разделяемой смеси, чтобы накопить ²¹Ne для заполнения только одного парлифта потребуется, как минимум, год непрерывной работы. В действительности, с учетом коэффициента извлечения, продуктивность действующих установок в режиме накопления ²¹Ne в несколько раз ниже. Естественное стремление сократить время концентрирования ²¹Ne за счет увеличения сечения ректификационных колонн приводит к обратному эффекту. Этот шаг сопровождается не только эквивалентным ростом объема колонн, но и парлифтов. А, значит, диктует потребность в дополнительном количестве жидкого ²¹Ne для обеспечения их работы. При этом увеличение диаметра контактного пространства ведет к снижению коэффициента разделения, что делает данный шаг бесперспективным для сокращения начального (непродуктивного) этапа получения ²¹Ne.The disadvantage of the closest technical solution is its relatively low productivity, which is due to the need to provide additional volume outside the contact spaces, due to the use of parlifts. This volume is filled with a vapor-liquid mixture, which is not involved in the rectification process. The presence of the said “parasitic" volume increases the inertia of the system, reduces its performance when extracting rare components of the mixture, especially ²¹ Ne, the content of which in natural neon does not exceed 0.27% [Malkov MP Handbook of the physical and technical foundations of cryogenics. - M .: Energoatomizdat. - 1985. - 431 p. 3, Table 4.108.]. To obtain ²¹ Ne, it is necessary to pre-fill with a concentrate of this component all sections, including traction pipelines of each of the parlifts. These pipelines are commensurate in volume with the volume of the contact space of the column. With the height of the section and the elevator h = 6 m [1] and the diameter of only d = 30 mm, the hydraulic volume of the elevator is 4.2 dm ³ . Given the presence of the vapor phase in the traction pipe contains at least 2 DM ³ liquid neon. This is equivalent to 2680 dm ^{3 of} neon under normal conditions [3, Table 4.109]. Thus, with an installation capacity of 2500 standards. dm ³ / day for a shared mixture, in order to accumulate ²¹ Ne it will take at least a year of continuous operation to fill only one parlift. In fact, taking into account the recovery coefficient, the productivity of existing plants in the ²¹ Ne storage mode is several times lower. The natural desire to reduce the concentration time of ²¹ Ne by increasing the cross section of distillation columns leads to the opposite effect. This step is accompanied not only by an equivalent increase in the volume of columns, but also by parlifts. And, therefore, it dictates the need for an additional amount of liquid ²¹ Ne to ensure their operation. Moreover, an increase in the diameter of the contact space leads to a decrease in the separation coefficient, which makes this step unpromising for reducing the initial (unproductive) stage of obtaining ²¹ Ne.

Требуемый технический результат относительно способа заключается в повышении производительности.The required technical result regarding the method is to increase productivity.

Требуемый технический результат относительно способа достигается тем, что в способе разделения газовых смесей в ректификационных колоннах, образующих последовательно соединенные и устанавливаемые рядом секции, заключающемся в том, что в каждой из секций тяжелый компонент газовой смеси в виде жидкости отбирают ниже контактного пространства в кубе, снабженном погружным испарителем, и посредством побуждающей разности давлений подают в контактное пространство последующей секции, а легкий компонент газовой смеси отбирают в виде газа выше контактного пространства в конденсаторах секций, каждый из которых размещен в полости охлаждающей среды, получаемой из рабочего тела в цикле высокого и низкого давлений, побуждающую разность давлений создают путем обеспечения теплообменной поверхности конденсатора в каждой последующей секции больше теплообменной поверхности конденсатора предыдущей секции в 1,1…1,5 раза, а также изменением расхода подаваемого через погружные испарители газообразного рабочего тела и изменением интенсивности тепловых потоков в погружных испарителях кубов за счет подачи газообразного рабочего тела низкого давления, при этом давление газообразного рабочего тела сохраняют в диапазоне от 20 до 80% от уровня критического давления рабочего тела.The required technical result with respect to the method is achieved by the fact that in the method for separating gas mixtures in distillation columns forming series-connected and installed side by side sections, namely, in each of the sections the heavy component of the gas mixture in the form of a liquid is taken below the contact space in the cube provided by means of an immersion evaporator, and by means of an inducing pressure difference, they are fed into the contact space of the subsequent section, and the light component of the gas mixture is taken in the form of gas above e contact space in the condensers of the sections, each of which is placed in the cavity of the cooling medium obtained from the working fluid in the high and low pressure cycle, the inducing pressure difference is created by providing the heat exchange surface of the condenser in each subsequent section larger than the heat exchange surface of the condenser of the previous section by 1.1 ... 1.5 times, as well as a change in the flow rate of the gaseous working fluid supplied through the submersible evaporators and a change in the intensity of heat flows in the submersible evaporators cubes due to the supply of a gaseous working fluid of low pressure, while the pressure of the gaseous working fluid is kept in the range from 20 to 80% of the critical pressure level of the working fluid.

Известно устройство для разделения трудноразделимых смесей в ректификационных колоннах [RU 2254905, C1, B01D 59/04, F25J 3/02, 27.06.20051, 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, 06/27/20051, including distillation columns connected by piping apparatuses, fittings of high and low pressure cycles located in the casing, a high compressor 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.

Недостатками наиболее близкого технического решения являются относительно высокая материалоемкость, в частности, металлоемкость, обусловленная наличием трех отдельных блоков теплообменников и компрессоров (высокого, среднего давления и разделяемой смеси). Кроме того, поскольку поток легкого компонента выводится из устройства под давлением, установленном в ректификационной колонне, то для его утилизации, очевидно, потребуется четвертый компрессор. Введение в схему парлифтов, не участвующих в ректификации, также приводит к повышению металлоемкости, нерациональному заполнения объема вакуумного кожуха и усложняет эксплуатацию устройства. Кроме того, обеспечить во всех секциях согласованные расходы пара и жидкости, подаваемой парлифтами, в течение длительного времени, проблематично. Это снижает качество разделения и производительность устройства.The disadvantages of the closest technical solution are the relatively high material consumption, in particular, metal consumption, due to the presence of three separate blocks of heat exchangers and compressors (high, medium pressure and shared mixture). In addition, since the flow of the light component is discharged from the device under pressure installed in the distillation column, it will obviously require a fourth compressor to dispose of it. The introduction of parlifts into the circuit, which are not involved in rectification, also leads to an increase in metal consumption, irrational filling of the volume of the vacuum casing and complicates the operation of the device. In addition, it is problematic to ensure consistent flow rates of steam and fluid supplied by parlifts in all sections for a long time. This reduces separation quality and device performance.

Требуемый технический результат относительно устройства заключается в уменьшении материалоемкости, повышении качества разделения трудноразделимых смесей с получением редких компонентов, например, изотопа ²¹Ne, и повышение производительности.The required technical result with respect to the device is to reduce material consumption, improve the quality of separation of difficultly separated mixtures to obtain rare components, for example, the ²¹ Ne isotope, and increase productivity.

Дополнительный технический результат - упрощение схемы устройства за счет использования компрессора холодильного цикла для утилизации легкого (преобладающего) компонента разделяемой смеси.An additional technical result is a simplification of the device circuit due to the use of a refrigeration cycle compressor for utilization of the light (predominant) component of the shared mixture.

Требуемый технический результат относительно устройства достигается тем, что, в устройстве, содержащем баллоны для сбора легкого компонента и ректификационные колонны, образующие последовательно соединенные и устанавливаемые рядом секции, содержащие контактные пространства, нижние участки которых связаны с кубами, содержащими погружные испарители, а верхние участки - связаны с конденсаторами, выполненными в виде набора трубок, трубных решеток, коллекторов и имеющими полости охлаждающей среды, которые через газовые рекуперативные теплообменники связаны линией обратного потока рабочего тела с компрессорами высокого и низкого давлений, погружным теплообменником и отделителем рабочего тела с патрубком газовой фазы, патрубок газовой фазы отделителя рабочего тела соединен с погружными испарителями кубов, по крайней мере, в одной секций линия отдувки связана с линией обратного потока рабочего тела, в качестве которого используют разделяемую смесь, обогащенную легким компонентом, линия прямого потока рабочего тела высокого давления связана с баллонами для сбора легкого компонента, а конденсаторы, по крайней мере, двух соседних секций выполнены с единой полостью охлаждающей среды.The required technical result with respect to the device is achieved by the fact that, in a device containing cylinders for collecting the light component and distillation columns forming successively connected and installed side by side sections containing contact spaces, the lower sections of which are connected with cubes containing immersion evaporators, and the upper sections - connected with capacitors made in the form of a set of tubes, tube sheets, collectors and having cooling medium cavities, which through gas recuperative the heat exchangers are connected by a return line of the working fluid to high and low pressure compressors, an immersion heat exchanger and a separator of the working fluid with a gas phase nozzle, the gas phase nozzle of the working fluid separator is connected to submersible cube evaporators; the flow of the working fluid, which is used as a separable mixture enriched in a light component, the direct flow line of the working fluid of high pressure is connected with cylinders for collecting light about the component, and the capacitors of at least two adjacent sections are made with a single cavity of the cooling medium.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, трубные решетки конденсаторов имеют в плане форму кольца или его фрагмента и установлены соосно конденсатору, выполненному цилиндрическим.In addition, the required technical result is achieved by the fact that the tube sheets of the capacitors have the shape of a ring or a fragment thereof and are mounted coaxially to the cylindrical condenser.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, коллекторы конденсаторов снабжены радиальными и кольцевыми перегородками, образующими пары замкнутых полостей, соответствующих числу секций.In addition, the required technical result is achieved by the fact that the collectors of the capacitors are equipped with radial and annular partitions forming pairs of closed cavities corresponding to the number of sections.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, боковые стороны полости охлаждающей среды конденсаторов соединены с трубными решетками, которые выполняют функцию днища полости охлаждающей среды.In addition, the desired technical result is achieved by the fact that, the sides of the cavity of the cooling medium of the condensers are connected to the tube sheets, which perform the function of the bottom of the cavity of the cooling medium.

На чертеже представлены.The drawing shows.

На фиг.1 - функциональная схема устройства разделения газовых смесей в ректификационных колоннах для частного случая использования 3-х последовательных ректификационных колонн, образующих секции.Figure 1 is a functional diagram of a device for separating gas mixtures in distillation columns for the special case of using 3 consecutive distillation columns forming sections.

На фиг.2 - диаграмма температура-энтропия с представлением состояния разделяемой смеси и рабочего тела (на примере неона).Figure 2 - temperature-entropy diagram with a representation of the state of the shared mixture and the working fluid (for example, neon).

На фиг.3 - продольный разрез конденсаторов ректификационных колонн с различными теплообменными поверхностями для частного случая, когда они образованы за счет разного числа трубок.Figure 3 is a longitudinal section of the condensers of distillation columns with different heat exchange surfaces for a particular case, when they are formed due to a different number of tubes.

На фиг.4 - установка для разделения смесей на основе 3-х последовательных ректификационных колонн с конденсаторами, имеющими общую полость охлаждающей среды (на этой же схеме показаны элементы холодильного цикла на основе одного компрессора и нанесены точки, соответствующие состояниям рабочего тела и разделяемой смеси, соответствующие диаграмме фиг.2).Figure 4 - installation for the separation of mixtures based on 3 consecutive distillation columns with condensers having a common cavity of the cooling medium (the same diagram shows the elements of the refrigeration cycle based on one compressor and the points corresponding to the states of the working fluid and the separated mixture are plotted, corresponding to the diagram of figure 2).

На фиг.5 - графики, характеризующие динамику изменения изотопного состава рабочего тела в контуре объемом 3 норм. м³ при производительности компрессора 20 норм. м³/ч (в зависимости от суммарного расхода отдувочных потоков).Figure 5 - graphs characterizing the dynamics of changes in the isotopic composition of the working fluid in the circuit volume of 3 norms. m ³ with a compressor capacity of 20 norms. m ³ / h (depending on the total flow rate of stripping flows).

Фиг.6 - вариант конструктивного исполнения газовых рекуперативных теплообменников и погружного теплообменника, которые имеют, соответственно, спиральную и кольцевую форму и охватывают ректификационные колонны.6 is a variant of the design of gas recuperative heat exchangers and a submersible heat exchanger, which have, respectively, a spiral and ring shape and cover the distillation columns.

На фиг.7 - продольный (А-А) поперечный (Б-Б) разрезы и вид снизу (В), которые иллюстрируют устройство конденсаторов ректификационных колонн, в котором три теплообменные поверхности установлены в единой полости охлаждающей среды.7 is a longitudinal (A-A) transverse (B-B) sections and bottom view (C), which illustrate the arrangement of condensers of distillation columns, in which three heat-exchange surfaces are installed in a single cavity of the cooling medium.

На фиг.8 - продольный (Г-Г), поперечный (Д-Д) разрезы и вид снизу (Е), которые иллюстрируют устройство конденсаторов, в котором трубные решетки конденсаторов колонн второй и третьей секций имеют в плане форму кольца и выполнены соосными конденсатору колонны первой секции.On Fig - longitudinal (G-D), transverse (DD) sections and bottom view (E), which illustrate the device of the capacitors, in which the tube sheets of the capacitors of the columns of the second and third sections are ring-shaped in plan and made coaxial to the capacitor columns of the first section.

На фиг.9 - продольный (Ж-Ж), поперечный (З-З) разрезы и вид снизу (И), которые иллюстрируют устройство конденсаторов, в котором коллекторы конденсаторов снабжены перегородками, образующими пары замкнутых полостей, соответствующими числу ректификационных колонн.In Fig.9 is a longitudinal (L-F), transverse (Z-3) sections and a bottom view (I), which illustrate the device of capacitors, in which the collectors of the capacitors are equipped with partitions forming pairs of closed cavities corresponding to the number of distillation columns.

На фиг.10 - продольный (К-К), поперечный (Л-Л) разрезы конденсаторов, у которого боковая поверхность полости охлаждающей среды соединена с трубными решетками, выполняющими функцию днищ упомянутой полости охлаждающей среды.Figure 10 is a longitudinal (KK), transverse (L-L) sections of the capacitors, in which the side surface of the cavity of the cooling medium is connected to the tube sheets that perform the function of the bottoms of the said cavity of the cooling medium.

На фиг.11 - варианты поперечных разрезов (Л-Л) коллектора верхней трубной решетки для 4-х и 7-ти секций ректификационных колонн.Figure 11 - options of transverse sections (L-L) of the collector of the upper tube sheet for 4 and 7 sections of distillation columns.

В таблице 1 - параметры потоков рабочего тела и разделяемой изотопной смеси на примере неона (данные соответствуют диаграмме состояния фиг.2 и точкам на фиг.4).Table 1 shows the flow parameters of the working fluid and the isotope mixture being separated using neon as an example (the data correspond to the state diagram of FIG. 2 and the points in FIG. 4).

Установка для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах (фиг.1), в котором реализуется заявляемый способ, содержит первую 1, вторую 2 и третью 3 ректификационные колонны, образующие три последовательно включенные секции. Каждая из ректификационные колонн имеет контактное пространство 4 (выполняющее роль массообменной поверхности, на которой происходит разделение смеси на компоненты), нижний участок которого связан с кубом 5, содержащим погружной испаритель 6. Верхние участки контактных пространств 4 секций связаны с конденсаторами 7, имеющими теплообменные поверхности 8, которые снаружи омываются охлаждающей средой 9, кипящей в полостях 10 охлаждающей среды. Входные патрубки 12 полостей 10 связаны с регуляторами расхода 11 погружных испарителей 6. Выходные патрубки 13 полостей 10 охлаждающей среды связаны с линией 14 обратного потока рабочего тела. В верхней части конденсаторов имеются линии 15 отдувок.Installation for the separation of gas mixtures in distillation columns (figure 1), which implements the inventive method, contains the first 1, second 2 and third 3 distillation columns, forming three series-connected sections. Each of the distillation columns has a contact space 4 (which acts as a mass transfer surface on which the mixture is divided into components), the lower portion of which is connected to a cube 5 containing an immersion evaporator 6. The upper sections of the contact spaces of the 4 sections are connected to condensers 7 having heat-exchange surfaces 8, which are externally washed by the cooling medium 9 boiling in the cavities 10 of the cooling medium. The inlet nozzles 12 of the cavities 10 are connected with the flow regulators 11 of the submersible evaporators 6. The outlet nozzles 13 of the cavities 10 of the cooling medium are connected to the return line of the working fluid 14. At the top of the capacitors, there are 15 blow-off lines.

К средней части контактного пространства 4 первой ректификационной колонны 1 подключена линия 16 подачи предварительно охлажденной разделяемой смеси, а из нижних точек кубов 5 выходят линии 17 отбора тяжелого компонента, например, ²²Ne. При этом линии 17 первой 1 и второй 2 ректификационных колонн вводятся в средину контактных пространств колонн второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн, соответственно, а линия 17 третьей ректификационной колонны 3 связана с устройством для сбора тяжелого компонента. Входные патрубки погружных испарителей 6 в кубах 5 подключены к линии 18 прямого потока рабочего тела низкого давления.A line 16 for supplying a pre-cooled separated mixture is connected to the middle part of the contact space 4 of the first distillation column 1, and lines 17 for selecting a heavy component, for example, ²² Ne, exit from the lower points of the cubes 5. The lines 17 of the first 1 and second 2 distillation columns are introduced into the middle of the contact spaces of the columns of the second 2 and third 3 distillation columns, respectively, and the line 17 of the third distillation column 3 is connected to the device for collecting the heavy component. The inlet pipes of the submersible evaporators 6 in cubes 5 are connected to the direct flow line 18 of the low-pressure working fluid.

Линия 14 обратного потока рабочего тела связана с компрессором 19 высокого давления (фиг.4) и баллонной рампой 20 рабочего тела. К линии 21 прямого потока рабочего тела высокого давления подключены баллоны 22 для сбора легкого компонента. Линия 21 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, имеющий кольцевую форму. Верхняя часть отделителя 27, в которой формируется газовая фаза «а» (фиг.2), связана с линией 18 прямого потока рабочего тела низкого давления, а нижняя часть, в которой накапливается жидкость «j» - через дроссель 28 подключена к выходным патрубкам регуляторов расходов 11 погружных испарителей 6.The line 14 of the reverse flow of the working fluid is connected to the compressor 19 of the high pressure (figure 4) and the balloon ramp 20 of the working fluid. Cylinders 22 for collecting the light component are connected to the direct flow line 21 of the high-pressure working fluid. The direct flow line 21 of the high-pressure working fluid sequentially 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 throttle 26. After the throttle 26, a ring-shaped separator 27 is installed. The upper part of the separator 27, in which the gas phase "a" is formed (Fig. 2), is connected to the direct flow line 18 of the low-pressure working fluid, and the lower part, in which the liquid "j" accumulates, is connected through the throttle 28 to the outlet pipes of the regulators costs of 11 submersible evaporators 6.

Первый 23 и второй 25 газовые рекуперативные теплообменники и погружной теплообменник 24 охватывают первую 1, вторую 2 и третью 3 ректификационные колонны (фиг.6). Первый 23 и второй 25 газовые рекуперативные теплообменники и погружной теплообменник 24 имеют кольцевую или спиральную форму, которые образуют в их осевой области свободное пространство для размещения колонн. Этим снижаются теплопотери на протяжении контактных пространств 4.The first 23 and second 25 gas recuperative heat exchangers and a submersible heat exchanger 24 cover the first 1, second 2 and third 3 distillation columns (Fig.6). The first 23 and second 25 gas recuperative heat exchangers and a submersible heat exchanger 24 have an annular or spiral shape, which form in their axial region free space for the placement of columns. This reduces heat loss throughout the contact spaces 4.

Конденсаторы 7 устройства для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах содержат верхнюю 29 и нижнюю 30 трубные решетки в виде дисков (фиг.7). Верхняя 29 трубная решетка связана с первым 31, вторым 32 и третьим 33 коллекторами, а нижняя трубная решетка 30 связана с четвертым 34, пятым 35 и шестым 36 коллекторами. Первый 31, второй 32 и третий 33 коллекторы, примыкающие к верхней трубной решетке 29, связаны с линиями 15 отдувки, а четвертый 34, пятый 35 и шестой 36 коллекторы, примыкающие к нижней трубной решетке 30, - с верхними частями контактных пространств 4 первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн. Конденсаторы первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн размещаются в полости 10 охлаждающей среды.The capacitors 7 of the device for separating gas mixtures in distillation columns contain the upper 29 and lower 30 tube sheets in the form of disks (Fig. 7). The upper 29 pipe grate is connected to the first 31, second 32 and third 33 collectors, and the lower pipe grate 30 is connected to the fourth 34, fifth 35 and sixth 36 collectors. The first 31, second 32 and third 33 manifolds adjacent to the upper tube sheet 29 are connected to the blowing lines 15, and the fourth 34, fifth 35 and sixth 36 collectors adjacent to the lower pipe grid 30 to the upper parts of the contact spaces 4 of the first 1 , second 2 and third 3 distillation columns. Condensers of the first 1, second 2 and third 3 distillation columns are placed in the cavity 10 of the cooling medium.

Верхние 37 и нижние 38 трубные решетки конденсаторов первой 1 и второй 2 ректификационных колонн (фиг.8), образующих соответственно первую и вторую секции, имеют в плане форму колец, соосных цилиндрическому конденсатору колонны третьей секции с верхней 29 и нижней 30 трубными решетками в виде дисков.The upper 37 and lower 38 tube sheets of the condensers of the first 1 and second 2 distillation columns (Fig. 8), forming the first and second sections, respectively, have the shape of rings aligned with the cylindrical condenser of the column of the third section with the upper 29 and lower 30 tube sheets in the form drives.

Коллекторы конденсаторов 7 (фиг.9) могут быть ограничены несколькими радиальными перегородками 39. Они образуют три пары коллекторов 31 и 34, 32 и 35, 33 и 36, соответствующие числу ректификационных колонн. Причем, аналогично фиг.7 и фиг.8, первый 31, второй 32 и третий 33 коллекторы, примыкающие к верхней трубной решетке 29, связаны с линиями 15 отдувки, а четвертый 34, пятый 35 и шестой 36 коллекторы, примыкающие к нижней трубной решетке 30, - с верхними частями контактных пространств 4 первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн.The collectors of capacitors 7 (Fig. 9) can be limited by several radial partitions 39. They form three pairs of collectors 31 and 34, 32 and 35, 33 and 36, corresponding to the number of distillation columns. Moreover, similarly to Fig. 7 and Fig. 8, the first 31, second 32 and third 33 collectors adjacent to the upper tube sheet 29 are connected to the blowing lines 15, and the fourth 34, fifth 35 and sixth 36 collectors adjacent to the lower pipe sheet 30, - with the upper parts of the contact spaces 4 of the first 1, second 2 and third 3 distillation columns.

Боковая стенка полости 10 охлаждающей среды соединена с верхней 29 и нижней 30 трубными решетками, которые выполняют функцию днищ полости охлаждающей среды (фиг.10).The side wall of the cavity 10 of the cooling medium is connected to the upper 29 and lower 30 tube sheets that perform the function of the bottoms of the cavity of the cooling medium (figure 10).

За счет изменения конфигурации перегородок 39 образуется различное число пар полостей и обеспечивается работа соответствующего числа ректификационных колонн (фиг.11).By changing the configuration of the partitions 39, a different number of pairs of cavities is formed and the operation of the corresponding number of distillation columns is ensured (Fig. 11).

Установка, реализующая предложенный способ разделения газовых смесей в ректификационных колоннах, работает следующим образом.Installation that implements the proposed method for the separation of gas mixtures in distillation columns, works as follows.

По линии 18 прямого потока низкого давления (фиг.1) подается рабочее тело в состоянии насыщения при давлении от 20 до 80% от уровня критического давления (фиг.2). Для неона при Т_крит.=27,2 бар это соответствует интервалу давлений в погружных испарителях 6 Р=5,4…21,8 бар. На диаграмме фиг.2 начальное состояние рабочего тела низкого давления показано в виде точки «a». В погружных испарителях 6 поток рабочего тела частично конденсируется за счет теплового контакта с жидким тяжелым компонентом в кубах 5. Затем парожидкостная смесь, соответствующая точке «b» на фиг.2, дросселируется в регуляторах 11 расхода до давления Р=1,5 бар (состояние «с») и подается через входные патрубки 12 в полость 10 охлаждающей среды.On line 18 of the direct low-pressure flow (FIG. 1), the working fluid is supplied in a saturated state at a pressure of 20 to 80% of the critical pressure level (FIG. 2). For neon at T _crit. = 27.2 bar this corresponds to the pressure range in the submersible evaporators 6 P = 5.4 ... 21.8 bar. In the diagram of figure 2, the initial state of the working fluid of low pressure is shown as the point "a". In immersion evaporators 6, the flow of the working fluid partially condenses due to thermal contact with the liquid heavy component in cubes 5. Then, the vapor-liquid mixture corresponding to point “b” in FIG. 2 is throttled in the flow controllers 11 to a pressure of P = 1.5 bar (state "C") and is fed through the inlet pipes 12 into the cavity 10 of the cooling medium.

За счет передачи тепла от легкого компонента через теплообменные поверхности 8 конденсаторов 7 происходит кипение охлаждающей среды 9 в полости 10. Образовавшиеся при этом пары рабочего тела (состояние «d») через выходные патрубки 13 отводятся в линию 14 обратного потока рабочего тела (например, Р=1,5 бар, абс.) и возвращаются в компрессор 19 (фиг.4).Due to the transfer of heat from the light component through the heat exchange surfaces 8 of the condensers 7, the cooling medium 9 boils in the cavity 10. The resulting working fluid pairs (state “d”) are discharged through the outlet pipes 13 to the return line of the working fluid 14 (for example, P = 1.5 bar, abs.) And returned to the compressor 19 (figure 4).

В результате подвода тепла к жидкому тяжелому компоненту в кубах 5 со стороны погружных испарителей 6 образуются потоки пара (процессы «e₁»→«f₁», e₂»→«f₂», <<e₃>>→«f₃», фиг.2), которые двигаются вверх вдоль контактных пространств 4 в первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колоннах. Достигая холодной теплообменной поверхности 8 конденсаторов 7, пары разделяемой смеси переходят в жидкое состояние (процесс «f₁»→«e₁», «f₂»→«e₂», «f₃»→«е₃», фиг.2). Жидкость (так называемая флегма) стекает вниз, орошая контактные пространства 4. За счет интенсивного массообмена между 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 ценные компоненты ²⁰Ne и ²²Ne.As a result of heat supply to the liquid heavy component in cubes 5, steam flows are generated from the side of the submersible evaporators 6 (processes “e ₁ ” → “f ₁ ”, e ₂ ”→“ f ₂ ”, << e ₃ >> →“ f ₃ ", Fig.2), which move up along the contact spaces 4 in the first 1, second 2 and third 3 distillation columns. Reaching the cold heat exchange surface 8 of the condensers 7, the pairs of the mixture to be separated pass into the liquid state (process “f ₁ ” → “e ₁ ”, “f ₂ ” → “e ₂ ”, “f ₃ ” → “e ₃ ”, FIG. 2 ) The liquid (the so-called phlegm) flows down, irrigating the contact spaces 4. Due to the intensive mass transfer between the phlegm and the vapor flows formed in cubes 5, the liquid in cubes is enriched 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 and ²² Ne components in them.

Легкий компонент (²⁰Ne) отводится из колонн на утилизацию через линии 15 отдувки. Жидкость из кубов 5 отбирается по линиям 17. Причем, тяжелый компонент первой ректификационной колонны 1 поступает в виде жидкости на дальнейшее обогащение во вторую ректификационной колонну 2, а ее кубовая жидкость - в третью ректификационной колонну 3. В средину контактного пространства 4 первой ректификационной колонны 1 по линии 16 подается разделяемая смесь, предварительно охлажденная в первом 23 и втором 25 рекуперативных газовых теплообменниках, а также в погружном теплообменнике 24.The light component ( ²⁰ Ne) is discharged from the columns for disposal through blow-off lines 15. The liquid from the cubes 5 is taken along lines 17. Moreover, the heavy component of the first distillation column 1 enters the second distillation column 2 as a liquid for further enrichment, and its bottoms liquid goes to the third distillation column 3. In the middle of the contact space 4 of the first distillation column 1 line 16 is fed a shared mixture, pre-cooled in the first 23 and second 25 recuperative gas heat exchangers, as well as in the immersion heat exchanger 24.

Если теплота, отводимая через теплообменную поверхность 7 конденсатора 8, равна сумме теплового потока, поступающего со стороны погружного испарителя 6 и внешних теплопотерь, то в каждой из ректификационных колонн устанавливается стабильное давление. На диаграмме фиг.2 для процесса «е₂»→«f₂» давление равно Р₁=Р₂=Р₃=3,0 бар, а температура Т=31,2 К. Причем, эти параметры будут характерны для первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн.If the heat removed through the heat exchange surface 7 of the condenser 8 is equal to the sum of the heat flux coming from the submersible evaporator 6 and the external heat loss, then a stable pressure is established in each of the distillation columns. In the diagram of figure 2, for the process "e ₂ " → "f ₂ " the pressure is P ₁ = P ₂ = P ₃ = 3.0 bar, and the temperature T = 31.2 K. Moreover, these parameters will be characteristic of the first 1 , second 2 and third 3 distillation columns.

Для работы последовательно включенных секций и обеспечения бескомпрессорной подачи жидкого тяжелого компонента из первой ректификационной колонны 1 во вторую 2, а из второй 2 - в третью ректификационную колонну 3, между ними генерируется побуждающая разность давлений Р₁>Р₂>Р₃.In order to operate the sections connected in series and to provide an uncompressed supply of the liquid heavy component from the first distillation column 1 to the second 2, and from the second 2 to the third distillation column 3, an inducing pressure difference P ₁ > P ₂ > P _{3 is} generated between them.

При одинаковых условиях охлаждения в конденсаторах 7 необходимая для работы побуждающая разность давлений между колоннами Р₁>Р₂>P₃ обеспечивается настройкой регуляторов 11 расхода погружных испарителей 6. При этом расходы рабочего тела низкого давления через погружной испаритель 6 куба 5 предыдущей секции устанавливают выше, чем через погружной испаритель последующей секции G₁>G₂>G₃.Under the same cooling conditions in the condensers 7, the inducing pressure difference between the columns P ₁ > P ₂ > P ₃ necessary for operation is ensured by setting the regulators 11 of the flow rate of the submersible evaporators 6. In this case, the flow rates of the low-pressure working fluid through the submersible evaporator 6 of cube 5 of the previous section are set higher. than through the submersible evaporator of the subsequent section G ₁ > G ₂ > G ₃ .

При одинаковых расходах рабочего тела через погружные испарители G₁=G₂=С₃ разность давлений между колоннами Р₁>Р₂>Р₃, обеспечивается различиями в площадях теплообменных поверхностей 8 конденсаторов 7 (фиг.3). При этом F₁<F₂<F₃.At the same flow rates of the working fluid through the submersible evaporators G ₁ = G ₂ = C _3, the pressure difference between the columns P ₁ > P ₂ > P ₃ is ensured by differences in the areas of the heat exchange surfaces 8 of the condensers 7 (Fig. 3). Moreover, F ₁ <F ₂ <F ₃ .

Перечисленных приемы изменения тепловых балансов приводит к перераспределению давлений в колоннах. Например, P₁=3,5 бар, Р₂=3 бар и Р₃=2,5 бар (фиг.2). Рабочие линии, характеризующие встречные потоки жидкости и пара в контактных пространствах 4 первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн условно иллюстрируются отрезками «e₁»-«f₁», «e₂»-«f₂», «e₃»-«f₃» на диаграмме фиг.2. Для принятых условий температуры в первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колоннах установятся на уровнях Т₁=31,9 К; T₂=31,2 К и T₃=30,5 К, соответственно.The listed techniques for changing thermal balances leads to a redistribution of pressure in the columns. For example, P ₁ = 3.5 bar, P ₂ = 3 bar and P ₃ = 2.5 bar (FIG. 2). The working lines characterizing the oncoming flows of liquid and vapor in the contact spaces 4 of the first 1, second 2 and third 3 distillation columns are conventionally illustrated by the segments “e ₁ ” - “f ₁ ”, “e ₂ ” - “f ₂ ”, “e ₃ ” - "f ₃ " in the diagram of figure 2. For the accepted conditions, the temperatures in the first 1, second 2 and third 3 distillation columns will be set at levels T ₁ = 31.9 K; T ₂ = 31.2 K and T ₃ = 30.5 K, respectively.

На этой же диаграмме в виде отрезков ΔТ_И1-ΔТ_И3 показаны температурные напоры, характеризующие передачу тепла в погружных испарителях 6. В рассматриваемом примере они составляют 6,8, 7,5 и 8,2 К, соответственно. Перепады температур в конденсаторах 7 существенно ниже ΔТ_К1=3,4 К, ΔТ_К2=2,7 К и ΔТ_К3=2 К (фиг.2). В последнем случае требуемый тепловой поток обеспечивается за счет относительно высоких теплообменных поверхностей 8.On the same chart in the form of segments? T _I1 _I3 shown -ΔT temperature difference characterizing heat transfer to submerged evaporators 6. In the present example they comprise 6.8, 7.5 and 8.2 K, respectively. The temperature differences in the capacitors 7 are significantly lower than ΔT _K1 = 3.4 K, ΔT _K2 = 2.7 K and ΔT _K3 = 2 K (Fig.2). In the latter case, the required heat flux is provided due to the relatively high heat transfer surfaces 8.

Установка, показанное на фиг.4, работает следующим образом. Компрессор 19 сжимает рабочее тело, поступающее по линии 14 обратного потока из полости 10 охлаждающей среды. Прямой поток рабочего тела высокого давления, например Р=140 бар, охлаждается в первом рекуперативном газовом теплообменнике 23 до Т≈100 К. Затем температура прямого потока падает до Т≈82 К в погружном теплообменнике 24 и далее во втором рекуперативном газовом теплообменнике 25 до Т≈52 К (точка «g», фиг.2). В погружном теплообменнике 24 понижение температуры рабочего тела и подаваемой по линии 16 разделяемой смеси (например, природного неона) происходит за счет кипения жидкого азота при Р=0,3…1,0 бар, а в первом и втором газовых рекуперативных теплообменниках 23 и 25 - за счет обратного потока рабочего тела в линии 14.The installation shown in figure 4, operates as follows. The compressor 19 compresses the working fluid entering through the return flow line 14 from the cavity 10 of the cooling medium. The direct flow of a high-pressure working fluid, for example P = 140 bar, 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 a submersible heat exchanger 24 and then in the second recuperative gas heat exchanger 25 to T ≈52 K (point "g", figure 2). In the immersion heat exchanger 24, the temperature of the working fluid and the separated mixture (for example, natural neon) supplied through line 16 occurs due to boiling of liquid nitrogen at P = 0.3 ... 1.0 bar, and in the first and second gas recuperative heat exchangers 23 and 25 - due to the reverse flow of the working fluid in line 14.

В дросселе 26 давление прямого потока снижается до уровня Р_пр=(0,2…0,8)·Р_крит., т.е. для неона - Р=5,4…21,8 бар [3]. При этом после дросселя 26 в потоке образуется 50…60% жидкости, а температура падает до Т=34…43 К, соответственно. Состояние парожидкостного потока после дросселя 26 показано на фиг.2 в виде точки «h», соответствующей уровню низкого давления Р=12 бар. В отделителе 27 рабочее тело низкого давления расслаивается на две фазы: газообразную (точка «а») и жидкую (точка «j»). Газовая фаза «а» по линии 18 прямого потока низкого давления подается на вход погружных испарителей 6. Жидкая фаза «j» проходит через дроссель 28 и в состоянии «m» подмешивается к потокам рабочего тела после регуляторов 11 расхода (точки «с») на выходе погружных испарителей 6. Парожидкостный поток рабочего тела с результирующим составом «n» подается через входной патрубок 12 в полость 10 охлаждающей среды. После испарения на теплообменных поверхностях 8 через выходной патрубок 13 рабочее тело возвращается в линию 14 обратного потока в состоянии «d», последовательно отогревается во втором 25 и в первом 23 рекуперативных газовых теплообменниках и поступает в компрессор 19.In the throttle 26, the pressure of the direct flow decreases to the level P _CR = (0.2 ... 0.8) · P _crit. , i.e. for neon - P = 5.4 ... 21.8 bar [3]. Moreover, after throttle 26, 50 ... 60% of the liquid is formed in the flow, and the temperature drops to T = 34 ... 43 K, respectively. The state of the vapor-liquid flow after the throttle 26 is shown in figure 2 in the form of a point "h" corresponding to the low pressure level P = 12 bar. In separator 27, the low-pressure working fluid is stratified into two phases: gaseous (point "a") and liquid (point "j"). The gas phase "a" through line 18 of the direct low-pressure flow is fed to the inlet of the submersible evaporators 6. The liquid phase "j" passes through the throttle 28 and in the state "m" is mixed with the flow of the working fluid after the flow controllers 11 (points "c") on the outlet of the submersible evaporators 6. The vapor-liquid flow of the working fluid with the resulting composition "n" is fed through the inlet pipe 12 into the cavity 10 of the cooling medium. After evaporation on the heat exchange surfaces 8 through the outlet pipe 13, the working fluid returns to the return flow line 14 in the “d” state, is sequentially heated in the second 25 and in the first 23 recuperative gas heat exchangers, and enters the compressor 19.

При необходимости, из баллонной рампы 20 проводят подпитку рабочего тела (неона с произвольным изотопным соотношением). Другим способом пополнения контура рабочего тела является подача легкого компонента в линию 14 обратного потока из линий 15 отдувки первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн (фиг.4). За счет такого впуска изотопное соотношение рабочего тела (неона) постепенно смещается в сторону легкого (преобладающего и менее ценного) изотопа ²⁰Ne (фиг.5). Избыток рабочего тела с измененным изотопным соотношением, образующийся за счет пополнения контура холодильного цикла, перепускается в баллоны 22 для сбора легкого компонента. Подмешивание к рабочему телу легкого компонента никак не скажется на работоспособности холодильного цикла, так как физические свойства газовых изотопов (одного и того же элемента), включая изотопы Ne, практически идентичны.If necessary, replenishment of the working fluid (neon with an arbitrary isotopic ratio) is carried out from the balloon ramp 20. Another way to replenish the contour of the working fluid is to supply a light component to the return flow line 14 from the blowing lines 15 of the first 1, second 2, and third 3 distillation columns (Fig. 4). Due to this inlet, the isotopic ratio of the working fluid (neon) gradually shifts toward the light (predominant and less valuable) ²⁰ Ne isotope (Fig. 5). The excess working fluid with a modified isotopic ratio, formed due to the replenishment of the refrigeration cycle, is transferred to the cylinders 22 to collect the light component. Mixing a light component into the working fluid does not affect the performance of the refrigeration cycle, since the physical properties of gas isotopes (of the same element), including Ne isotopes, are almost identical.

Узел теплообменных аппаратов (фиг.6) работает следующим образом. Прямой поток рабочего тела высокого давления и разделяемая смесь подаются в трубки кольцевого пространства первого рекуперативного газового теплообменника 23 по линиям 21 и 16, соответственно. В межвитковом зазоре кольцевого пространства навстречу им противотоком движется обратный поток рабочего тела с начальной температурой порядка Т=80К. Понижение температуры прямого потока и разделяемой смеси до Т≈100 К происходит за счет переноса тепла к более холодному обратному потоку. Аналогично происходит охлаждение во втором рекуперативном газовом теплообменнике 25 спиральной формы, но на более низком температурном уровне Т=40…80 К. В погружном теплообменнике 24 охлаждение потоков в линиях 21 и 16 происходит за счет кипения жидкого азота. Если пары этого хладагента выводятся в атмосферу через теплозащитные экраны (на схеме не показаны), то температура прямого потока, после погружного теплообменника 24, будет на уровне Т≈82 К. При откачке паров хладагента температура после погружного теплообменника 24 может быть снижена до Т≈68 К. Такой режим практикуется в начальный период (первые 3…5 суток с момента пуска установки). Первый 23 и второй 25 рекуперативные теплообменники, погружной теплообменник 24 и отделитель 27 экранируют внешние потоки тепла. Это стабилизирует работу первой 1, второй 2 и третьей ректификационных колонн. Их высота в сотни раз превышает диаметр и даже незначительные теплопритоки могут нарушить процесс тепломассообмена в контактных пространствах 4.The node heat exchangers (Fig.6) works as follows. The direct flow of the high pressure working fluid and the mixture to be separated are fed into the tubes of the annular space of the first recuperative gas heat exchanger 23 along lines 21 and 16, respectively. In the inter-turn gap of the annular space, the reverse flow of the working fluid with an initial temperature of the order of T = 80 K moves counter-current towards them. Lowering the temperature of the direct flow and the separated mixture to T≈100 K occurs due to heat transfer to a colder return flow. Similarly, cooling takes place in a second spiral gas heat exchanger 25 in a spiral form, but at a lower temperature level T = 40 ... 80 K. In a submersible heat exchanger 24, the flows in lines 21 and 16 are cooled by boiling liquid nitrogen. If the vapor of this refrigerant is vented to the atmosphere through heat shields (not shown in the diagram), then the temperature of the direct flow after the immersion heat exchanger 24 will be at the level of T≈82 K. When pumping the refrigerant vapor, the temperature after the immersion heat exchanger 24 can be reduced to T≈ 68 K. Such a regimen is practiced in the initial period (the first 3 ... 5 days from the moment the unit is launched). The first 23 and second 25 recuperative heat exchangers, a submersible heat exchanger 24 and a separator 27 shield the external heat fluxes. This stabilizes the operation of the first 1, second 2 and third distillation columns. Their height is hundreds of times greater than the diameter and even insignificant heat inflows can disrupt the heat and mass transfer process in the contact spaces 4.

Конденсаторы 7 ректификационных колонн (фиг.7) работают следующим образом. В полость 10 охлаждающей среды через входной патрубок 12 подается парожидкостный поток рабочего тела, состояние которого отражает т. «n» на диаграмме фиг.2. Поток расслаивается на жидкость «l» и пар «d», который сразу отводится через выходной патрубок 13 в линию 14 обратного потока. Слои жидкости 9 омывают снаружи теплообменные поверхности 8 в виде трубок, установленных между верхней 29 и нижней 30 трубными решетками. Под действием разности температур между парами разделяемой смеси из первой 1, второй 2 и третьей 3 ректификационных колонн, конденсирующимся внутри трубок при T₁=31,9 К; Т₂=31,2 К и Т₃=30,5 К, и охлаждающей средой 9 с T_l=28,5 К происходит кипение рабочего тела «l»→«d», которое в виде пара также отводится через выходной патрубок 13.Capacitors 7 distillation columns (Fig.7) work as follows. In the cavity 10 of the cooling medium through the inlet pipe 12 is supplied a vapor-liquid flow of the working fluid, the state of which reflects the so-called "n" in the diagram of figure 2. The flow is stratified into liquid “l” and steam “d”, which is immediately diverted through the outlet pipe 13 to the return flow line 14. The liquid layers 9 are washed externally from the heat exchange surfaces 8 in the form of tubes mounted between the upper 29 and lower 30 tube sheets. Under the influence of the temperature difference between the pairs of the separated mixture from the first 1, second 2 and third 3 distillation columns, condensing inside the tubes at T ₁ = 31.9 K; T ₂ = 31.2 K and T ₃ = 30.5 K, and cooling medium 9 with T _l = 28.5 K, the working fluid boils “l” → “d”, which is also discharged in the form of steam through the outlet pipe 13 .

Аналогичным образом работают конденсаторы (фиг.8). Узел отличается от ранее рассмотренной конструкции кольцевой формой верхней 37 и нижней 38 трубных решеток первой 1 и второй 2 ректификационных колонн.Capacitors work in a similar way (Fig. 8). The assembly differs from the previously considered design in the annular shape of the upper 37 and lower 38 tube sheets of the first 1 and second 2 distillation columns.

Аналогичным образом работают конденсаторы (фиг.9), в которых пары коллекторов 31 и 34, 32 и 35, 33 и 36 формируются радиальными перегородками 39.In the same way, capacitors work (Fig. 9), in which pairs of collectors 31 and 34, 32 and 35, 33 and 36 are formed by radial partitions 39.

Аналогичным образом работают компактные конденсаторы (фиг.10, 11), в которых за счет соединения боковых стенок полости 10 и верхних 29 и нижних 30 трубных решеток уменьшены габариты устройства. Сочетание кольцевых и радиальных перегородок 39 позволяет в небольшом объеме сформировать четыре, семь и более пар коллекторов и подключить к ним соответствующее количество ректификационных колонн.Compact capacitors operate in a similar way (FIGS. 10, 11), in which the dimensions of the device are reduced by connecting the side walls of the cavity 10 and the upper 29 and lower 30 tube sheets. The combination of annular and radial partitions 39 allows a small volume to form four, seven or more pairs of collectors and connect to them the corresponding number of distillation columns.

В таблице систематизированы данные о процессах, характерных для работы холодильного цикла, обеспечивающего работу комплекса ректификационных колонн для разделения неона на изотопы.The table 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.

Изобретение позволяет упростить ступенчатое разделение изотопных смесей в ректификационных колоннах. Сокращение числа компрессоров и снижение металлоемкости низкотемпературного блока (за счет исключения части теплообменных аппаратов и побудителей расхода в виде парлифтов) способствует сокращению пускового периода и уменьшает энергозатраты в холодильном цикле. Полезность защищаемых технических решений подтверждена в процессе создания и эксплуатации промышленных установок для получения изотопов неона, в том числе ²¹Ne.The invention allows to simplify the stepwise separation of isotopic mixtures in distillation columns. Reducing the number of compressors and reducing the metal consumption of the low-temperature unit (due to the exclusion of some heat exchangers and flow drivers in the form of parlifts) helps to reduce the start-up period and reduces energy consumption in the refrigeration cycle. The usefulness of protected technical solutions is confirmed in the process of creating and operating industrial plants for producing neon isotopes, including ²¹ Ne.

Предложенная схема холодильного цикла хорошо согласуется с технологическим контуром, позволяя создать условия устойчивой работы и получить перепады давлений между колоннами, достаточные для бескомпрессорной подачи разделяемой смеси из секции в секцию. Комплекс обеспечивает себя рабочим телом для холодильного цикла, так как для этих целей используется преобладающий компонент ²⁰Ne с минимальным содержанием целевых изотопов (²¹Ne и ²²Ne). При этом для наполнения баллонов с ²⁰Ne не требуется отдельный компрессор, поскольку эту функцию выполняет компрессор для циркуляции рабочего тела.The proposed scheme of the refrigeration cycle is in good agreement with the technological circuit, making it possible to create conditions for stable operation and to obtain pressure differences between the columns, sufficient for the uncompressed supply of the mixture to be separated from section to section. The complex provides itself with a working fluid for the refrigeration cycle, since the predominant ²⁰ Ne component with the minimum content of target isotopes ( ²¹ Ne and ²² Ne) is used for these purposes. At the same time, a separate compressor is not required to fill cylinders with ²⁰ Ne, since this function is performed by the compressor for circulating the working fluid.

Использование компактного блока конденсаторов предлагаемой конструкции позволяет до минимума сократить радиальный габарит установки, уменьшить объем внешнего кожуха и величину внешних теплопритоков. Это позволяет уменьшить материалоемкость, повысить качество разделения газовых смесей с получением редких компонентов, например, изотопа ²¹Ne, а также повысить производительность.Using a compact unit of condensers of the proposed design allows to minimize the radial dimension of the installation, to reduce the volume of the outer casing and the amount of external heat influx. This makes it possible to reduce material consumption, improve the quality of separation of gas mixtures to obtain rare components, for example, the ²¹ Ne isotope, and also increase productivity.

Таблица 1Table 1 Параметры потоков рабочего тела и разделяемой изотопной смеси на примере неона (данные соответствуют диаграмме состояния фиг.2 и точкам на фиг.4)The parameters of the flows of the working fluid and the separated isotope mixture using the example of neon (data correspond to the state diagram of FIG. 2 and the points in FIG. 4) Обозн.Identification Характер процессаNature of the process Параметры (давления абсолютные)Parameters (absolute pressure) началоStart конецend Рабочее тело (неон)Working body (neon) g→hg → h Дросселирование (i=const) рабочего тела высокого давления в дросселе 26Throttling (i = const) of the high pressure working fluid in the throttle 26 T_g=52 K; P_g=140 барT _g = 52 K; P _g = 140 bar T_h=38,7 К; P_h=12 бар. Доля жидкости φ_h=53%T _h = 38.7 K; P _h = 12 bar. The proportion of fluid φ _h = 53% h→аh → a Разделение парожидкостной смеси в фазовом сепараторе 27Separation of a vapor-liquid mixture in a phase separator 27 T_h=38,7 K; P_h=12 бар. Доля жидкости φ_h=53%T _h = 38.7 K; P _h = 12 bar. The proportion of fluid φ _h = 53% Насыщенный пар, φ_a=0Saturated steam, φ _a = 0 h→jh → j Жидкость, φ_j=100%Liquid, φ _j = 100% a→ba → b Частичная конденсация рабочего тела в погружных испарителях 6Partial condensation of the working fluid in submersible evaporators 6 T_a=38,7 К; P_a=12 бар. Насыщенный пар, φ_h=0T _a = 38,7 K; P _a = 12 bar. Saturated steam, φ _h = 0 T_b=38,7 K; P_b=12 бар. Доля жидкости φ_b=70%T _b = 38.7 K; P _b = 12 bar. The proportion of fluid φ _b = 70% b→сb → s Дросселирование (i=const) в регуляторах расходов 11Throttling (i = const) in cost controllers 11 T_b=38,7 К; P_b=12 бар. Доля жидкости φ_b=70%T _b = 38.7 K; P _b = 12 bar. The proportion of fluid φ _b = 70% T_c=28,5 К; P_c=1,5 бар. Доля жидкости φ_c=50%T _c = 28.5 K; P _c = 1.5 bar. The proportion of fluid φ _c = 50% j→mj → m Дросселирование (i=const) жидкого рабочего тела низкого давления в дросселе 28Throttling (i = const) of a low-pressure liquid working fluid in the throttle 28 T_j=38,7 K; P_j=12 бар. Доля жидкости φ_j=100%T _j = 38.7 K; P _j = 12 bar. The proportion of fluid φ _j = 100% T_m=28,5 К; P_m=1,5 бар. Доля жидкости φ_m=69%T _m = 28.5 K; P _m = 1.5 bar. The proportion of fluid φ _m = 69% m→
n←cm →
n ← c Смешение потоков рабочего тела перед полостью 10 охлаждающей среды 9Mixing the flows of the working fluid in front of the cavity 10 of the cooling medium 9 T_m=28,5 К; P_m=1,5 бар. Доли жидкости φ_m=69%; φ_c=50%T _m = 28.5 K; P _m = 1.5 bar. Liquid fractions φ _m = 69%; φ _c = 50% T_n=28,5К; P_n=1,5 бар. Доля жидкости φ_n=58%T _n = 28.5K; P _n = 1.5 bar. The proportion of fluid φ _n = 58% n→dn → d Разделение парожидкостной смеси в полости 10The separation of the vapor-liquid mixture in the cavity 10 T_n=28,5 K; P_n=1,5 бар. Доля жидкости φ_n=58%T _n = 28.5 K; P _n = 1.5 bar. The proportion of fluid φ _n = 58% Насыщенный пар, φ_d=0Saturated steam, φ _d = 0 h→lh → l Жидкость, φ_l=100%Liquid, φ _l = 100% l→dl → d Кипение охлаждающей среды 9 в полости 10The boiling of the cooling medium 9 in the cavity 10 T_l=28,5 К; P_l=1,5 бар. Доля жидкости φ_l=100%T _l = 28.5 K; P _l = 1.5 bar. The proportion of fluid φ _l = 100% T_d=28,5 К; P_d=1,5 бар. Насыщенный пар, φ_d=0T _d = 28.5 K; P _d = 1.5 bar. Saturated steam, φ _d = 0 Разделяемая изотопная смесь (неон)Shared Isotopic Mixture (Neon) f₁↔е₁ f ₁ ↔е ₁ Кипение тяжелого компонента в кубах 5, конденсация паров легкого компонента на теплообменных поверхностях 8 конденсаторов 7Boiling of the heavy component in cubes 5, condensation of the vapors of the light component on the heat exchange surfaces 8 of the condensers 7 Т₁=31,9 К; Р₁=3,5 барT ₁ = 31.9 K; P ₁ = 3.5 bar f₂↔e₂ f ₂ ↔e ₂ Т₂=31,2 К; Р₂=3 барT ₂ = 31.2 K; P ₂ = 3 bar f₃↔e₃ f ₃ ↔e ₃ Т₃=30,5 К; Р₃=2,5 барT ₃ = 30.5 K; P ₃ = 2.5 bar

Claims

1. The method of separation of gas mixtures in distillation columns forming series-connected and installed next to the section, which consists in the fact that in each of the sections the heavy component of the gas mixture in the form of a liquid is taken below the contact space in the cube equipped with an immersion evaporator, and by means of an inducing pressure difference served in the contact space of the subsequent section, and the light component of the gas mixture is taken in the form of gas above the contact space in the capacitors of the sections, each of which is placed n in the cavity of the cooling medium obtained from the working fluid in the high and low pressure cycle, characterized in that the inducing pressure difference is created by providing the heat exchange surface of the condenser in each subsequent section more than the heat exchange surface of the condenser of the previous section 1.1 ... 1.5 times, as well as a change in the flow rate of the gaseous working fluid supplied through the submersible evaporators and a change in the intensity of heat flows in the submersible evaporators of the cubes due to the supply of the gaseous working fluid pressure, while the pressure of the gaseous working fluid is kept in the range from 20 to 80% of the critical pressure level of the working fluid.

2. Installation for separating gas mixtures in distillation columns, containing cylinders for collecting the light component and distillation columns, forming series-connected and installed next to the section containing contact spaces, the lower sections of which are connected with cubes containing immersion evaporators, and the upper sections are connected with condensers made in the form of a set of tubes, tube sheets, collectors and having cooling medium cavities which are connected through gas recuperative heat exchangers a reverse flow of the working fluid with high and low pressure compressors, an immersion heat exchanger and a working fluid separator with a gas phase nozzle, characterized in that the gas phase nozzle of the working fluid separator is connected to submersible evaporators of cubes, in at least one section the blowing line is connected to the backward flow line of the working fluid, which is used as a separable mixture enriched with a light component, the direct flow line of the high-pressure working fluid is connected with cylinders for collecting light component, and capacitors, at least two adjacent sections are made from a single cavity cooling medium.

3. The installation according to claim 2, characterized in that the tube sheets of the capacitors are in the form of a ring or a fragment thereof and are mounted coaxially to the cylindrical condenser.

4. Installation according to claim 2, characterized in that the collectors of the capacitors are provided with radial and annular partitions, forming a pair of closed cavities corresponding to the number of sections.

5. Installation according to claim 2, characterized in that the sides of the cavity of the cooling medium of the condensers are connected to the tube sheets, which perform the function of the bottom of the cavity of the cooling medium.