Спосіб розділення метаноповітряної суміші

Реферат: Винахід належить до кріогенної техніки. Спосіб розділення метаноповітряної суміші включає охолодження до зрідження, видалення домішок у вигляді Н2О та СO2, низькотемпературну ректифікацію з отриманням метану. Згідно з винаходом, ректифікації піддають частково зріджену метаноповітряну суміш з отриманням в результаті метану і повітря, а холод і тепло для процесу охолодження до зрідження і для процесу низькотемпературної ректифікації суміші отримують від потоків холодоагентів відповідної визначеної температури, які виробляються в зовнішньому джерелі. Технічний результат: ефективне і безпечне розділення вибухонебезпечної метаноповітряної суміші з об'ємною концентрацією метану 5-25 % з отриманням рідкого і газоподібного метану. UA 105452 C2 (12) UA 105452 C2 UA 105452 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі кріогенної техніки і може бути використаний для розділення метаноповітряної суміші вибухонебезпечного складу (об'ємна концентрація метану 5-15 %). Відомий спосіб виділення метану з метаноповітряної суміші [1], відповідно до якого метаноповітряну суміш, попередньо очищену від механічних домішок і вологи, подають на конверсію в присутності водяної пари і каталізатора конверсії, після якої газ, що позбавлений кисню і містить CO, CO2 і Н2, проходить теплообмінники і осушувач і йде на обробку абсорбцією розчинником. Газ зі зменшеною кількістю СО2 потрапляє в метанатор, в якому відбувається утворення бінарного газу, що містить азот і метан. Осушений в адсорберах газовий потік, проходить ряд теплообмінників і, охолоджуючись, надходить на низькотемпературний поділ в ректифікаційну колону. З верхньої частини колони виходить азот, а з нижньої - практично чистий метан. Недоліком способу є необхідність процесу стиснення метаноповітряної суміші в компресорі, що вибухонебезпечно при об'ємній концентрації метану 5-15 %. Відомий також спосіб розділення шахтного газу (метаноповітряної суміші), який передбачає комплексну переробку шахтного газу з отриманням товарного зрідженого метану [2]. Технологія передбачає здійснення наступних основних процесів: каталітичного видалення кисню з попередньо очищеної від механічних домішок метаноповітряної суміші шляхом реакції окиснення метану та інших вуглеводнів у присутності каталізатора при температурі 250-300 °C, охолодження газової суміші, що утворилася в результаті реакції з видаленням з неї сконденсованої водяної пари, стиснення в компресорі до 0,8 МПа, видалення з неї шляхом адсорбції СО2 і Н2О, стиснення суміші решти газів - метану та азоту - до 5 МПа і розділення її в кріогенному блоці шляхом низькотемпературної ректифікації на метан і азот. Недоліком способу є наявність процесу стиснення метаноповітряної суміші в компресорі, в якому при об'ємній концентрації метану 5-15 % існує небезпека виникнення вибуху. В основу заявленого винаходу поставлено задачу вдосконалення способу розділення вибухонебезпечної метаноповітряної суміші з об'ємною концентрацією метану 5-25 % і отримання рідкого і газоподібного метану. Поставлена задача вирішується тим, що метаноповітряна суміш не піддається компресії і детандуванню, а необхідний холод для процесів охолодження, зрідження і ректифікації отримують від зовнішніх джерел у вигляді потоків холодоагентів з відповідною температурою. Спосіб розділення метаноповітряної суміші включає охолодження до зрідження, видалення домішок у вигляді Н2О та СО2, низькотемпературну ректифікацію з отриманням метану, в якому ректифікації піддають частково зріджену метаноповітряну суміш з отриманням в результаті метану і повітря, а холод і тепло для процесу охолодження до зрідження і для процесу низькотемпературної ректифікації суміші отримують від потоків холодоагентів відповідної визначеної температури, які виробляються в зовнішньому джерелі. Зміна тиску метаноповітряної суміші та її компонентів в пристрої обумовлена лише гідравлічним опором апаратів і каналів, по яких вони рухаються, завдяки чому суміш може бути розділена при незначному надлишковому тиску - до 0,02 МПа. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує безпеку роботи пристрою при розділенні метаноповітряної суміші вибухонебезпечного складу завдяки підводу холоду до метаноповітряної суміші від окремого контуру зі спеціальним холодоагентом і відсутності в пристрої апаратів з рухомими частинами (компресорів, детандерів) для стиснення і розширення метаноповітряної суміші. Мінімізація витрат енергії забезпечується вибором раціональної схеми і параметрів рефрижератора. За холодоагент рефрижератора використовують глибоко охолоджений і зріджений газ з температурою конденсації нижче за температуру конденсації метану, наприклад азот. Суть винаходу пояснюється технологічною схемою розділення метаноповітряної суміші, яка представлена на кресленні. Пропонований спосіб розділення вибухонебезпечної метаноповітряної суміші здійснюється наступним чином. Охолодження метаноповітряної суміші від початкової температури (близько 300 K) до температури точки роси відбувається в трьохпотоковому теплообміннику 1 зворотними потоками продуктів розділення - метану і повітря. При цьому метаноповітряна суміш очищується від домішок водяної пари і двоокису вуглецю, які конденсуються і кристалізуються на поверхнях теплообміну. Очищення поверхонь від кристалів здійснюється за рахунок перемикання каналів, по яких рухається метаноповітряна суміш і повітря, і сублімації кристалів в зворотний потік повітря. Подальше охолодження і зрідження метаноповітряної суміші здійснюється в теплообміннику-зріджувачі 2 за рахунок підведення холоду від потоків рідкого і газоподібного холодоагенту, які вироблені в рефрижераторі 3. Зріджена метаноповітряна суміш подається в ректифікаційну колону 4, температурний режим якої забезпечується підведенням 1 UA 105452 C2 5 10 15 20 25 тепла в нижню (кип'ятильник) і холоду в верхню (дефлегматор) частини від потоків холодоагенту, що вироблені в рефрижераторі 3. За холодоагент може застосовуватися газ, температура конденсації якого при своєму робочому тиску нижча за температуру зрідження метаноповітряної суміші, наприклад азот. Рефрижератор 3 виробляє газоподібний потік холодоагенту високого тиску (2,2-2,5 МПа) з температурою 125 K і два потоки низького тиску - газоподібний детандерний (0,28 МПа) і рідинний дросельний (0,13 МПа) з температурами відповідно 87 і 80 K. Зниження температур потоків холодоагенту досягається за рахунок: теплообміну з холодним зворотним потоком і з киплячою метаноповітряною сумішшю в кип'ятильнику ректифікаційної колони 4; розширення газу і здійснення ним роботи в детандері; ефекту Джоуля-Томсона при дроселюванні вологої пари холодоагенту. Необхідне підвищення тиску холодоагенту здійснюється компресором з системою відведення тепла від стискуваного газу в навколишнє середовище. Послідовність проходження холодоагентом теплообмінників вибирається такою, при якій забезпечується мінімальний температурний напір в них. Розподіл витрати холодоагенту між детандерним і дросельним потоками, теплові навантаження теплообмінників і ступінь підвищення тиску в компресорі визначаються, виходячи з умов забезпечення мінімальних витрат енергії на розділення метаноповітряної суміші. Джерела інформації: 1. Пат. 2104990 Рос. Федерация, МПК 6 С07 С9/04, С01 В3/38, С07 С1/04. Способ получения метана из метановоздушной смеси / А.Д. Зозуля. - № 92015010/04; Заявл. 29.12.1992; Опубл. 20.02.1998, Бюл. № 5. 2. Кузьменко И.Ф. Технология комплексной переработки шахтного газа с получением товарного сжиженного метана / И.Ф. Кузьменко, А.И. Рубцов, А.Л. Довбиш // Технические газы. 2010. - № 3. - С. 34-38. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Спосіб розділення метаноповітряної суміші, який включає охолодження до зрідження, видалення домішок у вигляді Н2О та СO2, низькотемпературну ректифікацію з отриманням метану, який відрізняється тим, що ректифікації піддають частково зріджену метаноповітряну суміш з отриманням в результаті метану і повітря, а холод і тепло для процесу охолодження до зрідження і для процесу низькотемпературної ректифікації суміші отримують від потоків холодоагентів відповідної визначеної температури, які виробляються в зовнішньому джерелі. 2 UA 105452 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3