Спосіб одержання неону

Изобретение относится к области разделения воздуха ректификацией на уровне криогенных температур 25-30 К и может быть использовано для разделения обогащенной неоно-гелиевой смеси (НГС) с примесями азота, аргона, кислорода, водорода и других компонентов воздуха. Изобретение целесообразно использовать для комплексного разделения воздуха на крупных воздухоразделительных установках (ВРУ). Наиболее близким к изобретению является способ получения неона из неочищенной неоно'гелиевой смеси с примесями: водорода, азота, кислорода, аргона и метана, заключающийся в сжатии исходной смеси до 2,5-20,0 МПа, охлаждение ее последовательно в предварительном теплообменнике до 85 К в кипящем при атмосферном давлении азоте до 80 К, в кипящем под вакуумом азоте до 67 К, в адсорбционной очистке от азота, аргона, метана и кислорода, в дальнейшем охлаждении в основном теплообменнике до 32 К, в дросселировании до 2,5 МПа с разделением на фракции в сепараторе, в дросселировании до 0,15 МПа в отделитель жидкости с использованием холода обратных потоков для охлаждения прямого потока смеси. К основным недостаткам данного способа можно отнести следующие: 1) удаление водорода осуществляется в экзотермическом процессе каталитического окисления с последующей адсорбционной очисткой ΗГС от продуктов реакции, что требует дополнительных энергозатрат на реакцию и регенерацию сорбента; 2) загрязнение вследствие диффузии конечных и промежуточных продуктов в мягких и мокрых газгольдерах, что требует последующей очистки ΗГС в адсорберах после каждого мягкого или мокрого газгольдера; 3) наличие компрессоров на стадиях очистки после газгольдеров, что вызывает дополнительные энергетические затраты. Таким образом, основным недостатком является высокие энергетические затраты на очистку Η ГС от водорода посредством катализа с последующей адсорбционной очисткой от продуктов горения водорода и углеводородов. В последние годы содержание водорода в сырой ΗГС растет и достигает 5% в связи с растущим загрязнением атмосферы металлургических и химических производств. Главной задачей настоящего изобретения является более полное отделение неона от водорода при сокращении энергозатрат на производство неона путем изменения схемы подачи смеси. Для решения поставленной задачи предложено водород из ΗГС отделять низкотемпературной ректификацией, а температуру адсорбционной очистки НГС от азота, аргона, кислорода, метана понизить до 67 К. Сущность технического решения заключается в следующем. Предложено неочищенную (сырую) НГС сжимать в компрессоре до 2,5-15 МПа, охлаждать в предварительном теплообменнике от 300 до 85 К дополнительно охлаждать до 80 К в кипящем под атмосферным давлением азоте, затем охлаждать до 67 К в жидком азоте, кипящем под вакуумом, очищать от азота, кислорода, аргона, метана в угольном адсорбере, снова охлаждать в кипящем под вакуумом азоте'(для снятия тепла адсорбции), охлаждать в основном теплообменнике примерно до 32 К, охлаждать в испарителе неона, в кубе ректификационной колонны, переохлаждать встречным потоком отбросного водорода, дросселировать в сепаратор до давления 2,5 МПа, жидкую фазу из сепаратора дросселировать до 0,15 МПа в отделитель жидкости, из которого жидкость через гидрозатвор подавать в ректификационную колонну, а пар из сепаратора и отделителя жидкости выводить из установки через основной и предварительный теплообменники. Продукт нижней части ректификационной колонны - неон, предложено выводить через испаритель, а затем последовательно через основной и дополнительный теплообменники. Продукт верхней части колонны - водород с примесью неона предложено выводить вначале через переохладитель, а затем через основной и дополнительный теплообменники. Предложенная последовательность известных технологических операций приводит к новому эффекту: полному отделению ректификацией промежуточного продукта -водорода от продукционного неона. На чертеже приведена схема одного из возможных вариантов установки для получения неона. Установка содержит: компрессор 1, предварительный теплообменник 2, азотный испаритель 3, вакуумный испаритель 4, основной теплообменник 5, испаритель неона 6, переохладитель 8, сепаратор 9, отделитель жидкости 10, регулирующие вентили 11,12,13, вакуум-насос 14, электроподогреватель 15, адсорбер 16, сепаратор 17, вентили 18, 19, гидрозатвор 20. Установка работает следующим образом. Сырую ΗГС, содержащую в сумме до 5% азота, кислорода, аргона и метана, 5% водорода, 25% гелия и 65% неона, подают в компрессор 1, сжимают до 2,5-15 МПа, охлаждают в предварительном теплообменнике 2 до 85 К, дополнительно охлаждают в азотном испарителе 3 до 80 К. затем в вакуумном испарителе 4 ее охлаждают до 67 К за счет кипящего под вакуумом при температуре 65 К азота, При такой температуре НГС подают через сепаратор 17 в адсорберы 16,'заполненные активированным углем марки СКТ. Динамическая емкость адсорберов по азоту и кислороду при температуре 67 К превышает 600 см /ч, что примерно на 2030% больше, чем при температуре 78 К, применяемой в известных методах получения неона. Предложенная температура 67 К сорбции существенно сокращает расход греющего и охлаждающего газа на регенерацию, то есть расход энергоносителей. Затем НГС подают в основной теплообменник 5, в котором охлаждают ее обратными потоками до 32 К. Далее в испарителе 6 НГС охлаждают на 1-2 град, и направляют в змеевик куба ректификационной колонны 7, где НГС охлаждают на 1-2 град. Затем НГС через переохладитель 8 и регвентиль 11 подают в сепаратор 9. В переохладителе 8 НГС охлаждают еще на 1-2 град., что позволяет максимально увеличить степень конденсации неона после регвентиля 11. В сепараторе 9 при давлении 2,5 МПа примерно четверть всего объема Η ГС остается несконденсированной. Этот газовый остаток "В" содержит примерно 90% гелия, 9% неона и 1 % водорода. Три четверти исходного потока из сепаратора 9 в виде жидкости "Е" дросселируют через вентиль 12 до давления 0,15 МПа в отделитель жидкости (о/ж) 10, в котором остатки гелия, часть водорода и неона переходят в газовую фазу. Газовый поток "С" из о/ж 10, содержащий 70% неона через основной'5 и предварительный 2 теплообменники с целью сокращения потерь неона направляют на всасывающую сторону компрессора 1. Жидкую фазу из о/ж 10 через гидрозатвор 20 направляют на ректификацию в верхнюю часть колонны 7, в которой жидкость разделяют на неон и водород с примесью неона (поток "Н"). Часть жидкого неона из куба колонны 7 направляют в испаритель 7, откуда в качестве продукта через т/о 5 и 2 .направляют в баллоны через компрессор (не показан). Водород "Н" с примесью неона и микропримесью гелия из верхней части колонны через переохладитель 8, где его подогревают прямым потоком на 1-2 град., и через т/о 5,2 подают потребителю или сбрасывают в атмосферу. При необходимости поток "Н", очистив от водорода, направляют на всас компрессора 1. По одному из вариантов азотный 3 и вакуумный 4 испарители подключают по прямому потоку как дефлегматоры, что позволяет перерабатывать бедную НГС с содержанием Ne около 30%, сокращает потери растворенного в азоте неона из сепаратора 17. Электроподогреватель 15 служит для тонкого регулирования уровня жидкого неона в кубе колонны 7. Если на разделение поступает НГС уже очищенная от азота, аргона, кислорода, метана и других высококипящих примесей, то адсорберы 16 отключают и НГС подают через вентиль 19 в основной т/о. Вентиль 18 используют только в период охлаждения установки и накапливания жидкого неона в сепараторе 9, о/ж 10, колонне 7. Поскольку температура кипения водорода 20 К лежит между температурами кипения неона 27 К и водорода 4 К, выделение водорода из тройной неоно-водородно-гелиевой смеси методом ректификации является трудной технической задачей. Для ее выполнения предложен следующий новый порядок действий: жидкую НГС из сепаратора 9 дросселируют через регвентиль 12 в отделитель жидкости 10 до давления 0,15 МПа, откуда ее гидрозатвор 20 подают в ректификационную колонну 7, где разделяют на чистый неон и водород. Это значительно сйижает энергозатраты на гидрирование водорода и дальнейшую очистку НГС от продуктов гидрирования водорода и метана - воды и диоксида углерода, а также от избытка кислорода в НГС над стехиометрическим. При этом НГС охлаждают до 28 К вначале в испарителе 6 продукционного неона и в змеевике кубе колонны 7, в которых температура кипящей жидкости одинакова и составляет примерно 27 К, а затем до 27 К в переохладителе 8 в противотоке с водородом, отходящим из верха ректификационной колонны 7. Водород с примесью неона является самым холодным потоком "Н" в установке. В этот переохладитель также противопотоком к прямому потоку НГС может быть направлен и газовый поток "С", отходящий из о/ж 10 (не показан). Такой прядок охлаждения НГС позволяет максимально охладить прямой поток до 27 К, что приводит к минимальным потерям неона (только с потоком "В" после дросселирования через вентиль 11). Может проводиться также адсорбционная очистка НГС в адсорбере 16 с фильтром от высококипящих примесей азота, аргона, кислорода, метана и др. при температуре 67 К с последующим охлаждением НГС в кипящем под вакуумом (0,015 МПа) азоте перед подачей НГС в основной т/о 5. Пониженная температура адсорбции увеличивает адсорбционную емкость сорбента более чем на 20%, снижает расход греющего и охлаждающего адсорберы газа, то есть уменьшает энергозатраты на регенерацию сорбента. Третий новый признак способа, как и второй, является признаком самостоятельного изобретения, направленного на достижение той же цели - получение неона с минимальными энергозатратами. Регулирование оптимального режима работы узла ректификации заключается в поддержании стабильных уровней жидкости в колонне 7, в сепараторе 9, в о/ж 10, в поддержании оптимальных расходов обратных потоков и давления после компрессора 1 и в отдельных аппаратах с целью максимального извлечения продукционного неона Расход прямого потока НГС в установку определяется производительностью компрессора 1 и степенью открытия его байпас-ного вентиля, не показанного на фиг 1. Давление после компрессора определяется степенью открытия вентиля 11, который должен быть открыт в зависимости от уровня жидкости в колонне 7. Чем меньше уровень жидкости в колонне, тем выше должно быть давление после компрессора и тем больше должен быть прикрыт вентиль 11, Давление в сепараторе 9 должно поддерживаться вентилем 13 на постоянном уровне, равном 2,5 МПа. Давление в колонне должно поддерживаться вентилем, установленном на потоке "Н" на теплом конце предварительного теплообменника. Это давление должно быть постоянным и равным 0,15 МПа Уровень жидкой НГС в сепараторе 9 поддерживают вентилем 12, а в о/ж 10 - вентилем на потоке "С", установленном на теплом конце предварительного теплообменника. Расход продукта - неона (поток "D"), отбираемого из установки, должен зависеть только от содержания примеси неона в водороде (в потоке "Н"). Повышение объемной доли неона водороде до 50% (при содержании 5% водорода в исходной НГС) должно приводить к увеличению расхода неона из установки и наоборот: уменьшение доли неона в водороде до 40% должно вызывать сокращение расхода продукционного неона. Величина регулируемой доли неона в верхнем продукте колонны зависит от доли водорода в исходной НГС и определяется опытным путем. На один прямой поток приходится 6 обратных охлаждающих потоков. Организация передачи тепла и холода между прямым и обратным потоками в теплообменниках· имеет большое значение, так как количество холода дроссельного эффекта весьма невелико. Потоки НГС после дросселирования в регвентилях 11 и 12 в рабочем режиме охлаждаются на 1-2 градуса. Поэтому недорекунерация на холодных концах теплообменников должна быть минимальной. Иначе необходимо будет организовывать допопнительный внешний холодильный цикл с рабочим телом -водородом или неоном. С целью всемерного сохранения холода, обеспечения работы установки на криогенном уровне температур предложено основной 5 и предварительный 2 теплообменники разделить на два параллельных потока, причем в одном из пары основных теплообменников обратными потоками должны быть гелий и водород, а во втором неон и пар из о/ж (фиг.3). В предварительном т/о 2 к этим потокам добавятся соответственно газообразный азот из двух испарителей жидкого азота 3 и 4 1 акая компановка теплообменников создает предпосылки использования дроссельного эффекта компрессора 1 (фиг. 1) без дополнительного холодильного цикла. Известно, что в низкотемпературных установках на уровне трех десятков градусов Кельвина применяют экранно-вакуумную изоляцию. Такую теплоизоляцию предлагается усилить новой компановкой аппаратов в кожухе установки. Предложено по оси установки в центре кожуха расположить самый холодный аппарат ректификационную колонну, а вокруг колонны концентрическими слоями расположить более теплые аппараты, испари гель неона 6 с переохладителем 8, основной теплообменник 5, испарители жидкого азота 4 и 3, предварительный теплообменник 2. По мере удаления от центра температура теплоизоляции и аппаратов повышается. Предложенная компановка аппаратов в установке усилит экранно-вакуумную теплоизоляцию, позволит работать установке при потере вакуума в кожухе, позволит снизить давление НГС на компрессоре и в конечном итоге снизит энергозатраты на получение неона.