Спосіб розділення важкорозділювальних сумішей та пристрій для його здійснення

1. Спосіб розділення важкорозділювальних сумішей, який включає розділення сумішей в колонах ректифікацій, генерацію теплоносія в циклах високого і низького тиску, розміщення устаткування в кожусі, який відрізняється тим, що принаймні одну колону ректифікації розбивають на послідовно сполучені секції, що встановлюються поряд, при цьому рідину з попередньої секції відбирають з-під контактного простору цієї секції і за допомогою спонукача витрати подають над контактним простором подальшої секції на його зрошування, причому над контактним простором подальшої секції відбирають пару, яку направляють під контактний простір попередньої секції, при цьому як спонукач витрати використовують парліфт з випаровуванням рідини у випарнику парліфта в нижній частині і конденсацією пари в конденсаторі парліфта у верхній частині, порожнину парліфта з'єднують з контактним простором секцій через гідрозатвор, випаровування рідини і конденсацію пари в парліфті здійснюють подачею у випарник парліфта і конденсатор парліфта робочого тіла, циркулюючого в циклі низького і високого тиску, причому циркуляцію в циклі низького тиску здійснюють за допомогою окремого компресора, при цьому флегму низькокиплячого компонента одержують зверху головної секції колони конденсацією, а регулювання теплових потоків в конденсаторах парліфтів проводять по перепаду тиску між порожниною конденсації конденсатора парліфта і порожниною 2 (19) 1 3 78866 4 5. Пристрій за п. 3 або п. 4, який відрізняється тим, що кожух з розміщеним устаткуванням з'єднаний лінією з вакуумним насосом, причому між кожухом і устаткуванням додатково встановлені один або декілька екранів. Винахід відноситься до кріогенної техніки, зокрема до очищення і розділення ректифікацією газових сумішей ізотопів і ізотопних з'єднань, що мають мале значення коефіцієнта розділення, і може бути використано в хімічній промисловості. Відомий спосіб концентрації з'єднання HD, що міститься в електролізному водні, методом низькотемпературної ректифікації [див. мал. 14.4, стор. 345 «Довідника по фізико-технічним основам кріогеники» під ред. Μ. Π. Малкова -3s вид, перероб. і доп. - Μ.: Енергоатоміздат, 1985 -432с.]. Відомий спосіб передбачає розділення сумішей в колоні ректифікації, здобуття флегми з використанням циклу високого тиску і циклу низького тиску з проміжним відбором робочого тіла низького тиску з компресора високого тиску, причому обидва цикли використовують для здобуття безпосередньо флегми. Недоліками відомого способу є значні металоємність і енергоємність при здобутті чистих цільових компонентів із важкорозділювальних сумішей, що мають коефіцієнт розділення 1,002-1.1. Наприклад, при здобутті продукційного ізотопу неону масовим числом 22 з концентрацією 0,995 з газоподібного неону, що є сумішшю ізотопів 20Ne, 21Ne, 22 Ne з коефіцієнтом розділення 1.037-1.044, висота колони ректифікації складе приблизно 100м. При такій великій висоті колони ректифікації і враховуючи, що процес ректифікації відбувається при температурі 27¸28К габарити і металоємність устаткування визначає настільки високі величини тепловтрат в навколишнє середовище і, відповідно, енергоємність процесу, що реалізація відомого способу практично неможлива. При цьому за рахунок неоптимальної витрати робочого тіла в циклах низького і високого тиску, викликаній застосуванням одного компресора, з'являється додаткова витрата енергії. Разом з тим, відомим способом неможливо отримати як продукційний легколетючий компонент сумішей. Метою винаходу є зменшення металоємності і енергоємності при розділенні важкорозділювальних сумішей. Поставлена мета досягається тим, що в способі розділення важкорозділювальних сумішей, що включає розділення сумішей в колонах ректифікацій, генерацію теплоносія в циклах високого і низького тиску, розміщення устаткування в кожусі, відмітною особливістю є те, що принаймні одну колону ректифікації розбивають на послідовно з'єднані секції, що встановлюються поряд, при цьому рідину з попередньої секції відбирають з-під контактного простору цієї секції і за допомогою спонукача витрати подають над контактним простором подальшої секції на її зрошування, причому над контактним простором подальшої секції відбирають пару, яка направляють під контактний прос тір попередньої секції, при цьому як спонукач витрати використовують парліфт з випаровуванням рідини у випарнику парліфту в нижній частині і конденсацією пари в конденсаторі парліфту у верхній частині, порожнину парліфту з'єднують з контактним простором секцій через гідрозасуви, випаровування рідини і конденсацію пари в парліфті здійснюють подачею у випарник парліфту і конденсатор парліфту робочого тіла, циркулюючого в циклі низького тиску і в циклі високого тиску, причому циркуляцію в циклі низького тиску здійснюють за допомогою окремого компресора, при цьому флегму низькокиплячого компоненту одержують зверху головної секції колони конденсацією, а регулювання теплових потоків в конденсаторах парліфтів проводить по перепаду тиск між порожниною конденсації конденсатора парліфту і порожниною контактного простору у верхній частині відповідної секції, кожух з устатк уванням вакуум ують, а теплопритоки між кожухом і устаткуванням екранують. Відомий пристрій для концентрації з'єднання HD з електролізного водню [див. мал. 14.4, стор. 345 «Довідника по фізико-технічним основам кріогеники» під ред. Μ. Π. Малкова -3е вид., перероб. і доп. - Μ. : Енергоатомазот, 1985-432с]. Відомий пристрій складається з колони ректифікації, з'єднаних лініями апаратів, арматури циклів високого і низького тиску, компресора високого тиску. Недоліками відомого пристрою є значні металоємність і енергоємність при здобутті цільових компонентів з важкорозділювальних сумішей, неможливість отримання як продукційного легкокиплячого компоненту сумішей. Метою винаходу є зменшення металоємності і енергоємності при розділенні важкорозділювальних сумішей. Поставлена мета досягається тим, що в пристрої для розділення важкорозділювальних сумішей, що включає колони ректифікацій, з'єднані трубопроводами апарати,' арматуру холодильних циклів високого і низького тиску, розміщені в кожусі, компресор високого тиску, відмітною особливістю є те, що принаймні одна колона ректифікації розбита на головну секцію колони, проміжні секції колони і секцію з кубом колони, головна секція колони і кожна проміжна секція колони в нижній частині під контактним простором мають патрубки виходу рідини і входу пари, секція з кубом колони і кожна проміжна секція колони у верхній частині над контактним простором мають патрубки входу рідини, виходу пари і штуцер, патрубки виходу і входу пари різних секцій послідовно з'єднані паровими лініями, а патрубки виходу і входу рідини цих же секцій - рідинними лініями з додатково встановленими спонукачами витрати, причому головна секція колони у верхній частині додатково містить 5 78866 конденсатор колони, порожнина охолоджуючого середовища якого включена в циркуляційний контур високого і низького тиску, патрубки ви ходу і входу рідини секцій через гідрозасуви з'єднані лініями з парліфтом, що містить в нижній частині випарник парліфту, а у верхній частині конденсатор парліфту, причому порожнина, що гріє середовища випарника парліфту, і порожнина, що охолоджує середовища конденсатора парліфту, з'єднані лініями з циркуляційними контурами циклу низького тиску і циклу високого тиску, причому цикл низького тиску забезпечений окремим компресором, при цьому порожнина конденсації кожного конденсатора парліфту містить штуцер, який разом з штуцером у верхній частині відповідної проміжної секції колони або секції з кубом колони з'єднані імпульсними лініями з пристроєм порівняння тиску, який формує сигнал дії на орган регулювання теплового потоку в конденсаторі парліфту, а кожух з розміщеним устаткуванням з'єднаний лінією з вакуумними насосом, причому між кожухом і устаткуванням додатково встановлені один або декілька екранів. Спосіб розділення важкорозділювальних сумішей, що заявляється, може бути реалізований в пристрої, що заявляється, схемно показаному на кресленні. Пристрій (установка) містить головну секцію 1 колони, декілька (К) проміжних секцій 2-12¸К колони, секцію 3 з кубом колони, встановлені поряд, цикл високого тиску, цикл низького тиску, блок подачі і підготовки суміші, що розділяється, судину 4 з рідким хладагентом і системою ліній (трубопроводів) 51,52,55¸57,67 з арматурою подачі рідкого хладагенту до апаратів і відведення пари (газу), кожух 5 з розміщеним всередині устаткуванням, з'єднаним лінією 6 з вакуумним насосом 7. Між кожухом 5 і розміщеним усередині кожуха устаткуванням поміщений охолоджуваний екран 68. Головна секція 1 колони і проміжні секції 21¸2-К колони в нижній частині під контактним простором мають патрубки 8 виходу рідини і патрубки 9 входу пари. Секція 3 з кубом колони і проміжні секції 2-1¸2-К колони у верхній частині над контактним простором мають патрубки 10 входу рідини, патрубки 11 виходу пари і штуцери 12. Патрубки 11 виходу пари і патрубки 9 входу пари різних секцій послідовно з'єднані паровими лініями 72, патрубки 8 виходу рідини і патрубки 10 входу рідини цих же секцій сполучені рідинними лініями 13 з додатково встановленими спонукачами витрати 14-1 (патрубки 8-s-ll, штуцер 12, парові лінії 72, рідинні лінії 13, спонукачі витрати 14-1, позначені умовно тільки у головної секції 1 колони і проміжної секції 2-1 колони). Як спонукачі витрати 14-1 можуть бути використані насоси або парліфти. При застосуванні парліфтів, кожний з яких в нижній частині містить випарник 15 парліфту, у верхній частині конденсатор 16 парліфту і тяговий тр убопровід 73, патрубки виходу 8 і входу 10 рідин секцій з'єднані рідинною лінією 13 з парліфтом через гідрозасуви 17, 18. Порожнина конденсації кожного конденсатора 16 містить штуцер 19, який разом з штуцером 12 з'єднані імпульсними трубопроводами з пристроєм 6 порівняння тиску 20, що формує сигнал дії на орган 21 регулювання теплового потоку в конденсаторі 16 парліфту. Цикл високого тиску складається із з'єднаних трубопроводами 48, 49, 50, 58 69, з арматурою компресора високого тиску 22, рекуперативних газових теплообмінників 23, 24 поринного теплообмінники 25 і адсорбенту 26 охолоджуваних рідким хладагентом, киплячим під вакуумом, створюваним вакуумним насосом 27, фільтру 28, поринного випарника-конденсатора 29, розташованого в кубі секції 3 з кубом колони, віддільника 30, конденсатора 31 колони, розташованого у верхній частині головної секції 1 колони. Для запусків циклів високого і низького тиску в пристрої передбачена рампа 47 з балонами, що заповнюються робочим тілом, з'єднана лінією 58 з лінією 50 на всмоктуванні компресора високого тиску 22 і лінією 69 з лінією 48 - на нагнітанні. Цикл низького тиску складається із з'єднаних трубопроводами 49 53, 54, 62 з арматурою компресора низького тиску 32, рекуперативних газових теплообмінників 33, 34, поринного теплообмінника 35, адсорбера 36, охолоджуваних рідким хладагентом, киплячим під вакуумом, фільтру 37, випарників 15 парліфтів, випарника-конденсатора 38, включених паралельно по потоку робочого тіла, що конденсується, збірника рідини 39, віддільника 30, включених паралельно по потоку киплячого робочого тіла конденсаторів 16. Випарники 15 парліфту і конденсатор-випарник 38 за допомогою лінії 74 з вентилем 75 можуть бути підключені до циклу високого утиску. Блок подачі і підготовки суміші, що розділяється, включає з'єднані трубопроводами 64, 65, 66 з арматурою розрядну рампу 39 з балонами суміші, що розділяється, редуктор 40 і компресор 41, рекуперативні газові теплообмінники 42, 43, поринний теплообмінник 44, адсорбер 45, охолоджуваних рідким хладагентом, киплячим під вакуумом, фільтр 46. Спосіб розділення важкорозділювальної суміші на прикладі розділення суміші ізотопів неону здійснюється таким чином. Перед пуском установки, кожух 5, порожнини апаратів і трубопроводи циклів високого і низького тиску, секції колони ректифікації, блок подачі і підготовки суміші, що розділяється, вакуумують, з'єднуючи їх лініями 6, 59¸61 з вакуумним насосом 7. На рампу 47 встановлюють балони, заповнені очищеним робочим тілом, - неоном, а на розрядну рампу 39 - балони з очищеною сумішшю-неоном, що розділяється, що є сумішшю ізотопів неону, судину 4 заповнюють по лінії 67 рідким азотом, який подають по лініям 51, 55, 57 в поринні теплообмінники 25, 35, 44, на охолоджування адсорберів 26, 36, 45 і екрану 68. Одночасно з рампи 47 по лінії 58 подають робоче тіло в цикл високого тиску. Робоче тіло, що стискається компресором високого тиску 22, зріджують, послідовно охолоджуючи спочатку в рекуперативному газовому теплообміннику 23 за рахунок зворотних потоків холодного робочого тіла і пари азоту, потім в поринному теплообміннику 26 за рахунок киплячого під вакуумом рідкого азоту, рекуперативному газовому тепло 7 78866 обміннику 24 за рахунок зворотного потоку пари робочого тіла і, нарешті, в поринному випарникуконденсаторі 29 за рахунок кипіння рідкого неону з масовим числом 22 (у стаціонарному режимі за наявності рідини в кубі), а потім дроселюють у віддільник 30. Пар робочого тіла, що утворився при дроселюванні, по лінії 63 направляють в рекуперативний газовий теплообмінник 22 як зворотний потік, а рідину -по лінії 49 в конденсатор колони 31 і конденсатори 16 парліфтів . Пару рідини, що випарувалася з конденсаторів, повертають по лініям 62, 63 у віддільник 30. У адсорбері 26 поглинають можливі в робочому тел і мікродомішки. Після накопичення рідини у віддільнику 30, конденсаторі 31 колони і захолоджуванні всіх конденсаторів 16 парліфтів по лінії 66 в секції колони подають охолоджену суміш, що розділяється, і запускають в роботу цикл низького тиску. Суміш, що розділяється, по паровим лініям 72 поступає у всі секції колони і конденсується в конденсаторі 31 колони, утворюючи флегму і охолоджуючи спочатку контактний простір. Після завершення захолоджування контактного простору, рідина з'являється внизу головної секції 1 колони і з патрубка 8 по рідинній лінії 13 через гідрозасув 17 зливається у випарник 15 парліфту 14-1, де частково або повністю випаровується за рахунок конденсації стислого і охолодженого в циклі низького тиску робочого тіла. Потім паро-рідинній (паровий) потік по тяговому трубопроводу 73 поступає в захолоджуваний конденсатор 16 парліфту 14-1, куди одночасно відкриттям регулюючого органу 21 з віддільника 30 по лінії 49 подають рідину. Парова частина що поступила в конденсатор 16 парліфту потоку конденсується, змішується з рідинною частиною потоку і стікає через гідрозасув 18 на зрошування у верхню частину першої проміжної секції 2-1 колони. Далі процес запуску першої проміжної секції 21 колони протікає аналогічно процесу запуску головної секції 1 колони. Так, послідовно запускаючи чергові проміжні секції колони і, нарешті, секцію 3 з кубом колони, включають в роботу всю установку. Паропродуктивність випарників 15 парліфту регулюють вентилями 71, встановленими па лінії зливу конденсату в збірку рідини 70, що приводить до зміни поверхні теплообміну за рахунок зміни рівня конденсату в порожнині конденсації. Тепловий потік в конденсаторах 16 парліфтів регулюють зміною поверхні теплообміну за рахунок зміни рівня киплячого середовища шляхом дії на регулюючі органи 21 залежно від перепаду тиску між тиском в порожнині конденсації конденсато 8 ра парліфту, імпульс якого відбирають із штуцера 19, і тиском у верхній частині відповідної проміжної секції колони або секції 3 з кубом колони, імпульс якого відбирають з штуцера 12. Стисле компресором низького тиску 32 робоче тіло в циклі низького тиску по лінії 53 подають і послідовно охолоджують на початку в рекуперативному газовому теплообміннику 33 за рахунок зворотних потоків холодного робочого тіла і пари азоту, потім в поринному теплообміннику 35 за рахунок киплячого під вакуумом рідкого азоту, очищають від можливих домішок в охолодженому адсорбері 36, фільтрують у фільтрі 37, охолоджують в рекуперативному газовому теплообміннику 34 за рахунок зворотного потоку пари робочого тіла, подають на конденсацію в поринний випарник-конденсатор 38 і випарники 15 парліфтів, збирають конденсат в збірнику рідини 39 і дроселюють у віддільник 30. Одержану рідину з віддільника 30 подають по лінії 49 на випаровування в конденсатори 16 парліфтів і конденсатор 31 колони, а пара, що утворилася, з апаратів відводять по лінії 62 назад у віддільник 30 і по лінії 54 через рекуперативні газові теплообмінники 34, 33 направляють на всмоктування компресора низького тиску 32. Потік суміші, що розділяється, спочатку подають по лінії 66 безпосередньо з розрядної рампи 39, охолоджуючи його в рекуперативних газових теплообмінниках 42 і 43 за рахунок зворотних продукційних потоків легкого компоненту 20Ne, 21Ne суміші, що розділяється, що виводиться по лінії 65 з-під кришки конденсатора 31 колони, і продукційного потоку важкого компоненту 22Ne суміші, що розділяється, що виводиться по лінії 64 з куба секції 3 з кубом колони. Після рекуперативного газового теплообмінника 42 потік суміші, що розділяється, охолоджують в поринному теплообміннику 44 за рахунок киплячого під вакуумом азоту, очищають від можливих мікродомішок в адсорбері 45 і фільтрують у фільтрі 46. При зменшенні тиску у витратній рампі 39 включають в роботу дожимаючий компресор 41 і потік суміші, що розділяється, по лінії 69 подають в лінію 66. Направляють потік підготовленої суміші, що розділяється, в проміжну секцію колони, що має при роботі пристрою склад пари, близький до складу суміші, що розділяється. Запропонований винахід дозволяє зменшити металоємність і енергоємність при розділенні важкорозділювальних сумішей, а також отримати окрім продукційного потоку важкого компоненту суміші продукційний потік легкого компоненту. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 78866 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601