RU2584624C1 - Способ низкотемпературного разделения газовых смесей с отличающимися температурами конденсации компонентов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам и устройствам получения компонентов газовых смесей методом ректификации. Способ низкотемпературного разделения газовой смеси заключается в том, что в колонну подают охлажденную разделяемую газовую смесь, подводят тепло к жидкой фракции высококипящего компонента разделяемой газовой смеси в кубе колонны от испарителя и электронагревателя, отводят тепло от разделяемой газовой смеси хладагентом в конденсаторе с образованием флегмы и газообразной фракции низкокипящего компонента и осуществляют контроль температуры по высоте колонны. Затем в колонну дополнительно подают промежуточный компонент, у которого при заданном давлении в колонне температура конденсации выше температуры конденсации низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси, но ниже температуры конденсации высококипящего компонента разделяемой газовой смеси. Удерживают промежуточный компонент в укрепляющей части колонны путем регулирования расхода отбираемой газообразной фракции низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси по температуре и давлению в укрепляющей части колонны. Подачу промежуточного компонента начинают после охлаждения флегмой как минимум на протяжении 20% высоты укрепляющей части колонны, примыкающей к конденсатору, и заканчивают подачу промежуточного компонента после охлаждения флегмой всей укрепляющей части колонны, а охлаждение отгонной части колонны сопровождают подачей разделяемой газовой смеси с ограничением расхода до 20…30% от полного расхода, который производят после появления в кубе колонны жидкой фракции высококипящего компонента разделяемой газовой смеси. Требуемый технический результат заключается в расширении области применения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам и устройствам получения компонентов газовых смесей методом ректификации, и может быть использовано для эффективного разделения газовых смесей с резко отличающимися температурами конденсации компонентов.

Известен способ низкотемпературного разделения газовых смесей [RU 2286377, C1, C10G 5/04 F25J 3/02, 27.10.2006], заключающийся в том, что проводят предварительное охлаждение углеводородного газа и его частичную конденсацию, сепарацию первой ступени с отделением жидкой фазы от газовой, последующее доохлаждение и конденсацию газовой фазы, сепарацию второй ступени на жидкую и паровую фазы, конденсацию и ректификацию паровой фазы в отпарной колонне, сепарацию третьей ступени части кубового продукта отпарной колонны на жидкую и паровую фазы, деметанизацию и деэтанизацию всей отсепарированной жидкой фазы, при этом углеводородный газ предварительно обогащают пентан-гексановой фракцией, а сепарацию третьей ступени осуществляют в сепараторе, дополнительно оснащенном массообменной насадкой, на которую подают поток жидкой фазы сепаратора первой ступени.

Недостатком способа является его относительно высокая сложность.

Известен также способ [SU 1338523, F25BJ 3/04, 31.05.1985], основанный на подаче в средину колонны тройной смеси, содержащей криптон, метан и азот, подаче жидкого азота в верхний конденсатор колонны, разделении тройной смеси на чистый криптон и отбросной газ, при этом с целью частичного предотвращения вымерзания криптона и метана в верхнем конденсаторе колонны в колонну подают газообразный азот, причем одну из частей вводят непосредственно под верхний конденсатор, а вторую часть газообразного азота вводят в линию отбросного газа и через нее направляют в конденсатор, где конденсируют и используют в качестве дополнительной флегмы.

Недостатком способа является ограниченная область применения, так как он позволяет выделять из тройной смеси в качестве целевого продукта криптон. Данный способ неприменим, если в смеси содержится не криптон, а ксенон. Обогащение флегмы азотом, температура конденсации которого на десятки градусов ниже, чем температура замерзания ксенона, приведет к замерзанию последнего и нарушит процесс ректификации.

Кроме того, известен способ низкотемпературной сепарации смеси газов [RU 2272973, C1, F25J 3/02, 27.03.2006], который включает охлаждение смеси, расширение смеси или ее части, частичную конденсацию смеси при ее расширении, разделение смеси или ее части в ректификационной колонне с получением продуктов в жидкой и газовой фазе, при этом процесс расширения смеси проводят, пропуская смесь через сопловой канал, в котором поток смеси закручивают, на выходе из соплового канала или его части поток смеси разделяют, по крайней мере, на два потока, один из которых обогащен компонентами тяжелее метана, а другой обеднен этими компонентами, обогащенный поток частью или полностью направляют в ректификационную колонну, газофазные продукты, полученные в ректификационной колонне, частью или полностью направляют в смесь до ее расширения, причем в другом варианте способа газофазные продукты частично или полностью смешивают с обедненным потоком, в третьем варианте - обогащенный поток частично или полностью направляют в смесь до ее расширения, а в четвертом варианте - обогащенный поток и газофазные продукты частично или полностью направляют в смесь до ее расширения.

Недостатком этого способа является его относительно высокая сложность.

Наиболее близким к предложенному является способ низкотемпературного разделения криптоноксеноновой смеси [RU 2047062, C1, F25J 3/02, 27.10.1995] путем подачи охлажденной криптоноксеноновой смеси в колонну, отвода тепла от смеси хладагентом с образованием флегмы и низкотемпературной ректификации с получением продукционной фракции криптона и продукционной жидкой фракции ксенона, накапливаемой в испарителе колонны, причем к хладагенту и к жидкому ксенону в испарителе колонны подводят тепловые потоки, определяют температуру по крайней мере на двух уровнях укрепляющей части колонны, в отгонной части колонны и в испарителе, по разности температур на двух уровнях укрепляющей части колонны регулируют параметры теплового потока, подводимого к хладагенту, и одновременно по разности температур в отгонной части колонны и в испарителе регулируют параметры теплового потока, подводимого в испаритель, информацию о разности температур задают в блоки управления, определяют текущую разность температур на двух уровнях укрепляющей части колонны и текущую разность температур в отгонной части колонны и в испарителе, сравнивают их с заданной в блоке управления информацией о разности температур и по результатам сравнения корректируют параметры тепловых потоков, а в качестве хладагента используют жидкий азот.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, не позволяющая эффективно разделять смеси с резко отличающимися температурами конденсации, например, азотно-ксеноновую смесь из-за угрозы вымерзания высококипящего компонента. Другим недостатком способа являются относительно высокие энергозатраты на его реализацию, обусловленные повышенным расходом хладагента (жидкого азота) в конденсаторе при подводе к нему внешнего теплового потока.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в расширении области применения и обеспечении эффективного низкотемпературного разделения газовых смесей с резко отличающимися температурами конденсации компонентов с целью повышения эффективности разделения путем устранения недостатков известных способов разделения, в частности угрозы вымерзания высококипящего компонента, повышенного расхода хладагента и т.п.

Требуемый технический результат заключается в расширении области применения.

Это достигается путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих возможность эффективного разделения в колонне методом низкотемпературной ректификации бинарных смесей с резко отличающимися температурами конденсации компонентов.

В соответствии с этим поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе низкотемпературного разделения газовой смеси с отличающимися температурами конденсации компонентов, заключающемся в том, что в колонну подают охлажденную разделяемую газовую смесь, подводят тепло к жидкой фракции высококипящего компонента разделяемой газовой смеси в кубе колонны от испарителя и электронагревателя, отводят тепло от разделяемой газовой смеси хладагентом в конденсаторе с образованием флегмы и газообразной фракции низкокипящего компонента и осуществляют контроль температуры по высоте колонны, согласно изобретению в колонну дополнительно подают промежуточный компонент, у которого при заданном давлении в колонне температура конденсации выше температуры конденсации низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси, но ниже температуры конденсации высококипящего компонента разделяемой газовой смеси, и удерживают промежуточный компонент в укрепляющей части колонны путем регулирования расхода отбираемой газообразной фракции низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси по температуре и давлению в укрепляющей части колонны, причем подачу промежуточного компонента начинают после охлаждения флегмой как минимум на протяжении 20% высоты укрепляющей части колонны, примыкающей к конденсатору, и заканчивают подачу промежуточного компонента после охлаждения флегмой всей укрепляющей части колонны, а охлаждение отгонной части колонны сопровождают подачей разделяемой газовой смеси с ограничением расхода до 20…30% от полного расхода, который производят после появления в кубе колонны жидкой фракции высококипящего компонента разделяемой газовой смеси.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что промежуточный компонент подают в колонну смешанным с компонентами разделяемой газовой смеси.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что промежуточный компонент подмешивают в разделяемую газовую смесь.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что давление в колонне задают большим, чем давление насыщенных паров низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси при температуре, равной температуре тройной точки промежуточного компонента.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что давление в колонне задают большим, чем давление насыщенных паров промежуточного компонента при температуре, равной температуре тройной точки высококипящего компонента разделяемой газовой смеси.

На чертежах представлены:

на фиг. 1 - функциональная схема устройства для низкотемпературного разделения газовых смесей;

на фиг. 2 - распределение концентраций высококипящего «В» и низкокипящего «Н» компонентов и промежуточного компонента «П» по высоте колонны при запуске (фазы I…III) и в период работы (фаза IV);

на фиг. 3 - диаграмма давление-температура фазового равновесия для высококипящего «В» (ксенона), низкокипящего «Н» (азота) компонентов разделяемой смеси и промежуточного компонента «П» (метана);

на фиг. 4 - диаграмма давление-температура фазового равновесия для высококипящего «В» (ксенона), низкокипящего «Н» (аргона) компонентов разделяемой смеси и промежуточного компонента «П» (криптона);

В таблице 1 представлены основные физические свойства компонентов смеси - высококипящего «В», низкокипящего «Н» и промежуточного «П» компонента согласно примеру на фиг. 3.

В таблице 2 представлены основные физические свойства компонентов смеси - высококипящего «В», низкокипящего «Н» и промежуточного компонента «П» согласно примеру на фиг. 4.

Устройство для низкотемпературного разделения газовых смесей фиг. 1 содержит колонну 1, снабженную магистралью 2 ввода разделяемой смеси и линией 3 подачи охлажденной разделяемой смеси в колонну. В нижней части колонны предусмотрен куб 4, заполненный жидкой фракцией 5 высококипящего компонента «В», к которой подводится тепло от испарителя 6 и электронагревателя 7. При этом испаритель 6 установлен в промежутке между магистралью 2 ввода разделяемой смеси и линией 3 подачи охлажденной разделяемой смеси в колонну 1, а куб снабжен линией 8 отбора жидкой фракции высококипящего компонента с вентилем 9.

Для отвода тепла от разделяемой смеси в верхней части колонны 1 установлен конденсатор 10, заполненный хладагентом 11. 3а счет охлаждения в конденсаторе разделяемая смесь частично ожижается с образованием флегмы 12. Для вывода газообразной фракции низкокипящего компонента «Н» служит линия 13. Для контроля температуры по высоте колонны установлены термодатчики 14, например термометры сопротивления.

Для подачи в колонну 1 чистого низкокипящего компонента «Н» магистраль 2 ввода разделяемой смеси связана через редуктор 15 с баллоном 16. Для подачи в колонну 1 промежуточного компонента «П» предусмотрен баллон 17, а для подачи в колонну 1 промежуточного компонента, смешанного с компонентами разделяемой газовой смеси, служит баллон 18.

Колонна 1 состоит из двух частей: укрепляющей части 19, которая расположена между конденсатором 10 и линией 3 подачи охлажденной разделяемой смеси в колонну, а также отгонной части 20, расположенной между линией 3 подачи охлажденной разделяемой смеси в колонну и кубом 4. На линии 3 подачи охлажденной разделяемой смеси в колонну установлен дроссель 21, а на магистрали 2 ввода разделяемой смеси - вентиль 22.

На линии 13 для вывода газообразной фракции низкокипящего компонента «Н» установлены датчик давления 23 и регулятор расхода 24 газообразной фракции низкокипящего компонента «Н». Регулятор расхода 24 связан с исполнительным механизмом 25 и блоком управления 26.

Конденсатор 10 связан с магистралью 27 подачи жидкого хладагента 11 и линией 28 выпуска паров хладагента 11, которая снабжена регулятором 29 расхода паров хладагента.

Блок управления 26 содержит контроллер 30, компьютер 31 и усилитель 32.

Работает устройство для низкотемпературного разделения смеси, в котором реализован предложенный способ, следующим образом.

В колонну 1 через вентиль 22 по магистрали 2 вводится разделяемая газовая смесь, включающая высококипящий «В» и низкокипящий «Н» компоненты с резко отличающимися температурами конденсации (например, ксенон - азот или ксенон - аргон). За счет теплового контакта с жидкой фракцией 5 высококипящего компонента «В» в кубе 4 происходит понижение температуры и частичная конденсация разделяемой смеси в испарителе 6. Одновременно наблюдается кипение жидкой фракции 5 высококипящего компонента «В», сопровождаемое образованием потока пара, двигающегося по колонне 1 в сторону конденсатора 10. Упомянутый перенос тепла в испарителе 6 от разделяемой смеси к жидкой фракции 5 высококипящего компонента «В» возможен за счет разности парциальных давлений и, соответственно, температур кипения-конденсации высококипящего компонента в соответствующих смесях. Дополнительное количество тепла подводится к жидкой фракции 5 высококипящего компонента «В» в кубе 4 со стороны электронагревателя 7.

Разделяемая смесь в виде парожидкостного потока дросселируется в дросселе 21 и вводится в колонну 1 по линии 3 подачи охлажденной разделяемой смеси. За счет кипения хладагента 11 в конденсаторе 10 из потока пара в колонне 1 формируется флегма 12, которая под действием силы тяжести двигается в сторону куба 4. На всем протяжении колонны 1 между потоком генерируемого в кубе 4 пара и флегмой 12 происходит интенсивный тепло- и массообмен. В результате такого процесса стекающая вниз флегма 12 постепенно обогащается высококипящим компонентом «В» и в виде жидкой фракции 5 высококипящего компонента «В» выводится из куба 4 по линии 8 отбора жидкой фракции через вентиль 9. Одновременно идущий вверх пар насыщается низкокипящим компонентом «Н» и виде газообразной фракции отбирается через конденсатор 10 по линии 13 вывода газообразной фракции.

Поскольку компоненты смеси кипят (конденсируются) при различных температурах, то изменение концентрации по высоте колонны 1 приводит к появлению градиента температур, направленного от куба 4 в сторону конденсатора 10. При этом, при заданном давлении в колонне 1, в кубе наблюдается температура, близкая к температуре фазового перехода чистого высококипящего компонента «В», а в конденсаторе - соответствующая температуре фазового перехода низкокипящего компонента «Н». Контроль температуры по высоте колонны осуществляется термодатчиками 14, которые косвенным образом регистрируют изменение концентрации в сечениях колонны.

Плавное изменение концентраций пара и флегмы 12 по высоте колонны 1 возможно, если компоненты «В» и «Н» имеют близкие температуры конденсации. В этом случае при температуре фазового перехода «жидкость-пар» низкокипящего компонента высококипящий компонент также существует в виде двухфазной системы «жидкость-пар». Если же температуры конденсации компонентов «В» и «Н» разделяемой смеси резко отличаются, то высококипящий компонент может перейти в твердое состояние и процесс ректификации нарушится. Например, для смесей, свойства компонентов которых показаны на фиг. 3, 4 и табл. 1, 2, интервал между температурами конденсации низкокипящего компонента «Н» и условиями замерзания высококипящего составляет 48,8 K и 41,61 K соответственно. Попытка непосредственно разделить методом низкотемпературной ректификации такие смеси может привести к серьезным последствиям, так как нижние участки колонны 1 будут отрезаны ледяными пробками от защитной арматуры (предохранительных клапанов и линии 13 вывода газообразной фракции).

Для предотвращения этого явления в случае разделения компонентов с резко отличающимися температурами конденсации (например, ксенон - азот) в колонну 1 подают промежуточный компонент «П» (например, метан), температура конденсации которого при давлении в колонне, например, 17 бар равна 165,65 К. Это значение является выше температуры конденсации компонента «Н» (112,61 K), но ниже, чем температура конденсации компонента «В» (236,47 K). Ограниченное количество промежуточного компонента удерживают в укрепляющей части 19 выше ввода в колонну 1 линии 3 подачи охлажденной разделяемой смеси. При сбалансированном расходе газообразной фракции через регулятор 24 расхода газообразной фракции низкокипящего компонента «Н» промежуточный компонент локализуется в укрепляющей части колонны 19, не переходит в газообразную фракцию и, следовательно, не требует пополнения.

Заполнение колонны и первичное охлаждение компонентом «Н» на 20% от высоты укрепляющей части колонны уже достаточно, чтобы на этом участке начала происходить ректификация. Тогда подаваемый промежуточный компонент не будет проникать в конденсатор 10, не замерзнет там и не будет потерян по линии 13. При отсутствии низкокипящего компонента, выполняющего также своего рода роль буфера между хладагентом в конденсаторе, кипящим при низких давлении и температуре, и промежуточным компонентом, в случае непосредственной подачи «П» в колонну, он станет сразу намораживаться на поверхности конденсатора, охлаждаемого, как правило, жидким азотом при T≈78К.

Присутствие низкокипящего компонента «Н» перед подачей «П» установит в отгонной части 20 колонны безопасную для «П» температуру (в примерах: Т_K1=112,6 K или T_К2=119,8 K) и не пустит его в конденсатор (на наружной стенке которого тоже установится температура не 78 K, а только на несколько градусов ниже, чем Т_К1 или Т_К2 из-за тепловой нагрузки со стороны пара 108…115 K).

Таким образом, заполнение колонны и охлаждение компонентом «Н» на 20% от высоты укрепляющей части колонны предотвращает замерзание промежуточного компонента «П».

При сокращении высоты укрепляющей части колонны 1, охлаждаемой флегмой 12, состоящей из компонента «Н», вероятность замерзания «П» в верхней части колонны и конденсаторе увеличится. А при первичном охлаждении участка менее чем на 20% от высоты укрепляющей части 20 колонны такое явление практически гарантировано.

При охлаждении более чем на 20% от высоты укрепляющей части колонны, возникает нежелательное приближение низкотемпературной флегмы к точке ввода разделяемой смеси и сокращение зоны промежуточного компонента. При переходе впоследствии (даже ограниченной) к подаче разделяемой смеси «Н»-«В» возникает риск заморозить высококипящий компонент. В случае когда этого не произойдет и от замерзания высококипящего компонента будет защищать действие компонента «П» (диктуя уровень температур собственным фазовым переходом T_CH4=161,65 или T_Kr=163,47), возникнет ситуация неоправданного охлаждения части колонны до T_К1=112,6 Κ или T_К2=119,8 K и, как следствие, неоправданного затягивания пускового периода и траты хладагента.

В качестве смесей с резко отличающимися свойствами подразумеваются, например, комбинированные вещества на основе ксенона и продуктов разделения воздуха (азота, аргона и кислорода). Ниже 161,41 K ксенон переходит в твердое состояние, а представленные в виде примера низкокипящие компоненты смеси не существуют в виде жидкостей при температурах выше 126,19 K; 150,69 и 154,58 K соответственно. Поэтому ректификация бинарных смесей Xe-N₂; Хе-Ar и Xe-O₂ сопряжена с вероятностью замерзания высококипящего компонента (Xe).

Для названных сочетаний высоко- и низкокипящих компонентов в качестве промежуточных компонентов подходят такие вещества, как метан, оксид азота, криптон, тетрафторметан (фреон-14), температуры конденсации которых находятся в промежутке между температурой конденсации Хе и указанных низкотемпературных компонентов.

Регулирование положения верхней границы распространения промежуточного компонента «П» в укрепляющей части 19 колонны 1 производят следующим образом. Переключателем (на схеме не показан) выбирают в качестве регистратора температуры один из термодатчиков 14, например расположенный на расстоянии h_У=25…30% от верхнего сечения укрепляющей части 19, примыкающего к конденсатору 10. Назначают среднюю концентрацию промежуточного компонента в выбранном сечении колонны, например У_П=0,15 (15%). Остальное - низококипящий компонент У_Н=1-У_П=0,85 (85%). Рассчитывают по приближенной формуле (1) соответствующую данной концентрации среднюю температуру. Для разделяемой смеси, содержащей низкокипящий компонент азот и промежуточный компонент метан (фиг. 3, табл. 1), при давлении в колонне 1 P_К1=17 бар такая температура, отмеченная на фиг. 3 точкой T₁, равна

Для второго варианта разделяемой смеси, содержащей низкокипящий компонент аргон и промежуточный компонент криптон (фиг. 4, табл. 2), при давлении в колонне 1 P_К2=12 бар характерная температура, отмеченная на фиг. 4 точкой T₂, равна

Регистрируемые термодатчиком 14 и датчиком давления 23 параметры поступают в блок управления 26, преобразуются в цифровые сигналы при помощи контроллера 30 и подаются на вход в компьютер 31. Для текущего давления в колонне P_К по Р-Т зависимостям соответствующих чистых компонентов компьютер вычисляет температуры конденсации компонентов T_CH4 и T_N2 или (T_Kr и T_Ar). При заданной средней концентрации У_П по формуле (1) также рассчитывается средняя допустимая температура в сечении T₁ (или T₂). Если измеряемая термодатчиком 14 температура оказывается выше, чем T₁ (или T₂), то это значит, что концентрация промежуточного компонента «П» в контролируемом сечении превышает заданную и существует вероятность попадания промежуточного компонента в поток газообразной фракции низкокипящего компонента. В таком случае компьютер 31 формирует сигнал на уменьшение сечения регулятора 24 расхода газообразной фракции низкокипящего компонента. Мощность данного сигнала повышается в усилителе 32 и отрабатывается исполнительным механизмом 25. Уменьшение расхода газообразной фракции низкокипящего компонента по линии 13 приведет к накоплению в верхнем участке укрепляющей части 19 колонны низкокипящего компонента «Н». За счет этого зона концентрирования промежуточного компонента «П» будет смещаться вниз.

Если измеряемая термодатчиком 14 температура оказывается ниже, чем T₁ (фиг. 3) или T₂ (фиг. 4), рассчитанные компьютером для заданной средней концентрации У_П промежуточного компонента «П», то это означает, что в контролируемом сечении повышается доля низкокипящего компонента «Н», а зона концентрирования промежуточного компонента «П» смещена в сторону отгонной части 20. Для исключения попадания промежуточного компонента в жидкую фракцию высококипящего компонента 5 расход газообразной фракции низкокипящего компонента по линии 13 должен быть увеличен. В таком случае компьютер 31 формирует сигнал на увеличение сечения регулятора расхода 24. Мощность данного сигнала повышается в усилителе 32 и отрабатывается исполнительным механизмом 25.

Для исключения автоколебаний и повышения точности поддержания параметров управляющая программа в компьютере 31 предусматривает обработку сигналов с учетом пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющей. Весомость каждой из них задают набором коэффициентов, определяемых опытным путем.

При необходимости количество промежуточного компонента «П» в укрепляющей части 19 колонны может быть увеличено путем подачи упомянутого компонента в магистраль ввода смеси 2 из баллона 17 через редуктор 15. Этот же результат достигается при подаче в магистраль ввода разделяемой смеси 2 смеси, содержащей промежуточный компонент «П» и низкокипящий «Н» либо низкокипящий «Н» и высококипящий «В» компоненты разделяемой смеси.

Промежуточный компонент может быть подан в колонну различными способами. Можно до подачи разделяемой смеси заданной концентрации, например 10% Xe и 90% N₂, сначала подать в колонну промежуточный компонент в чистом виде. Либо промежуточный компонент можно подавать в колонну смешанным с компонентами разделяемой смеси. Такая смесь может содержать самые разнообразные сочетания «П», «В» и «Н» (обычно от нескольких до десяти и несколько более процентов, например 18% Xe, 46% CH₄ и 36% N₂). Подобные смеси образуются в процессе работы колонны при ее остановке (отогреве колонны). Они имеют тот состав, который в среднем требуется для запуска колонны. Такую смесь не нужно каждый раз утилизировать, а можно вновь впускать в колонну, не расходуя чистый промежуточный компонент. Можно также использовать не смесь, которая образуется в процессе работы колонны, например, при ее остановке (отогреве колонны), а специально приготовленную смесь, полученную путем подмешивания промежуточного компонента в разделяемую смесь. Один из возможных вариантов - в смесь с концентрацией 10% Xe и 90% N₂ вводят половину компонента «П», т.е. получают (5% Xe, 50% CH₄ и 45% N₂).

Также в магистраль ввода смеси 2 из баллона 16 через редуктор 15 может подаваться чистый низкокипящий компонент «Н». Такая процедура требуется перед запуском колонны 1 (фиг. 2). На начальном этапе (фрагмент I), за счет отвода тепла от паров низкокипящего компонента, формируется флегма 12 также на основе компонента «Н». Переход паров в жидкое состояние сопровождается некоторым снижением давления в колонне 1. При этом редуктор 15 открывается и ведется автоматическая подпитка колонны низкокипящим компонентом «Н». Холодная флегма 12 устремляется вниз и испаряется при контакте с теплыми элементами укрепляющей части 19 колонны. Постепенно количество циркулирующих пара и флегмы 12 возрастает, чем обеспечивается отвод тепла от новых, расположенных ниже участков колонны 1. Протяженность охлажденной части колонны регистрируют при помощи термодатчиков 14, сигналы которых обрабатываются и представляются на экране компьютера в виде визуальной и цифровой информации.

После охлаждения h_У=20% высоты укрепляющей части 19 колонны, примыкающей к конденсатору 10, вентиль на баллоне 16 закрывают и начинают подачу промежуточного компонента в чистом виде из баллона 17 либо в составе смеси, содержащей компоненты разделяемой смеси (баллон 18). При этом в укрепляющей части 19 колонны формируются три зоны концентрации (фрагмент II, фиг. 2): верхняя, под конденсатором 10 и состоящая практически из низкокипящего компонента «Н»; нижняя «П», над точкой ввода в колонну 1 линии 3 подачи охлажденной разделяемой смеси; переходная зона между ними. После охлаждения флегмой 12 укрепляющей части 19 колонны на высоту h_У и распространении флегмы в отгонную часть 20 колонны (ниже точки ввода в колонну 1 линии 3 подачи охлажденной разделяемой смеси) подачу промежуточного компонента из баллона 17 (18) заканчивают и начинают подачу разделяемой смеси в колонну 1 по магистрали 2 ввода смеси. При этом при помощи вентиля 22 устанавливают ограниченный расход порядка 20…30% от полного расхода разделяемой смеси. Ограничение расхода <20% от полного расхода допускается, но это приводит к затягиванию пускового периода. Расход выше 30% от полного расхода приведет к перегрузке еще не готовой к работе колонны разделяемой смесью, в которой содержится «В» - компонент. Он не успеет отделиться и уйти в отгонную часть колонны и может проскочить в холодные зоны и замерзнуть.

При появлении в кубе жидкой фракции 5 высококипящего компонента, регистрируемой указателем уровня (не показан), постепенно открывают вентиль 22 и устанавливают полный расход разделяемой смеси по магистрали ввода смеси 2.

Уровень давления P_К в колонне 1 задают регулятором 29 расхода паров хладагента. При увеличении сечения регулятора 29 расход по линии 28 паров хладагента возрастает и, соответственно, повышается количество жидкого хладагента 11, поступающего в конденсатор 10 по магистрали 27 подачи жидкого хладагента. При этом доля паров, конденсирующихся в укрепляющей части 19 колонны с образованием флегмы 12, растет, а давление P_К в колонне 1 падает.

Давление в колонне P_К поддерживают большим, чем давление насыщенных паров низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси при температуре, равной температуре тройной точки промежуточного компонента. Давление в колонне P_К также поддерживают большим, чем давление насыщенных паров промежуточного компонента при температуре, равной температуре тройной точки высококипящего компонента разделяемой газовой смеси.

Пример 1 иллюстрирует таблица 1 и графики на фиг. 3. На данных графиках показаны Р-Т зависимости для чистых компонентов разделяемой смеси и промежуточного компонента. Снежинками показаны условия, соответствующие тройным точкам, при которых могут находиться в равновесии одновременно три фазы чистого вещества: твердая, жидкая и газообразная. Из табл. 1 следует, что метан замерзает при температуре ниже температуры тройной точки T_CH4=90,69 K. Давление фазового равновесия (конденсации) чистого азота при этих условиях равно P_N2=3,82 бар, а давление в колонне принято P_К1=17 бар > P_N2. Это давление также превышает давление конденсации промежуточного компонента (метана) при температуре, равной температуре тройной точки высококипящего компонента (Xe). Температура замерзания ксенона T_Xe=161,41 K, давление фазового равновесия (конденсации) чистого метана при этих условиях равно P_CH4=16,84 бар, а давление в колонне принято P_К1=17 бар > P_CH4.

Аналогично в примере 2 приводится закономерность выбора давления в колонне для разделяемой смеси аргон-ксенон и промежуточного компонента в виде криптона (таблица 2 и графики на фиг. 4). Из табл. 2 следует, что криптон замерзает при температуре ниже температуры тройной точки T_Kr=115,78 K. Давление фазового равновесия (конденсации) чистого аргона при этих условиях равно P_Ar=9,53 бар, а давление в колонне принято P_К2=12 бар > P_Ar. Это давление также превышает давление конденсации промежуточного компонента (криптона) при температуре, равной температуре тройной точки высококипящего компонента. Температура замерзания ксенона T_Xe=161,41 K, давление фазового равновесия (конденсации) чистого криптона при этих условиях равно P_Kr=11,0 бар, а давление в колонне принято P_К2=12 бар > P_Kr.

Таким образом, предложенный способ позволяет непрерывно и эффективно разделять в колонне бинарные смеси с резко отличающимися температурами конденсации компонентов. При введении в колонну промежуточного компонента исключается вероятность замерзания высококипящего компонента. За счет системы автоматического контроля параметров промежуточный компонент удерживается в средней части колонны и не нуждается в пополнении. Такой принцип сепарации апробирован в опытных и реализован в промышленных образцах колонн. В частности, при разделении ксеноноазотной смеси, получаемой методом длительного «нанесения» в адсорберах из смесей O₂-Xe с последующим замещением O₂→N₂.

Claims (5)

1. Способ низкотемпературного разделения газовой смеси с отличающимися температурами конденсации компонентов, заключающийся в том, что в колонну подают охлажденную разделяемую газовую смесь, подводят тепло к жидкой фракции высококипящего компонента разделяемой газовой смеси в кубе колонны от испарителя и электронагревателя, отводят тепло от разделяемой газовой смеси хладагентом в конденсаторе с образованием флегмы и газообразной фракции низкокипящего компонента и осуществляют контроль температуры по высоте колонны, отличающийся тем, что в колонну дополнительно подают промежуточный компонент, у которого при заданном давлении в колонне температура конденсации выше температуры конденсации низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси, но ниже температуры конденсации высококипящего компонента разделяемой газовой смеси, и удерживают промежуточный компонент в укрепляющей части колонны путем регулирования расхода отбираемой газообразной фракции низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси по температуре и давлению в укрепляющей части колонны, причем подачу промежуточного компонента начинают после охлаждения флегмой как минимум на протяжении 20% высоты укрепляющей части колонны, примыкающей к конденсатору, и заканчивают подачу промежуточного компонента после охлаждения флегмой всей укрепляющей части колонны, а охлаждение отгонной части колонны сопровождают подачей разделяемой газовой смеси с ограничением расхода до 20…30% от полного расхода, который производят после появления в кубе колонны жидкой фракции высококипящего компонента разделяемой газовой смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный компонент подают в колонну смешанным с компонентами разделяемой газовой смеси.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный компонент подмешивают в разделяемую газовую смесь.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление в колонне задают большим, чем давление насыщенных паров низкокипящего компонента разделяемой газовой смеси при температуре, равной температуре тройной точки промежуточного компонента.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление в колонне задают большим, чем давление конденсации промежуточного компонента при температуре, равной температуре тройной точки высококипящего компонента разделяемой газовой смеси.

Images