Спосіб очищення та розділення криптоно-ксенонової суміші ректифікацією та пристрій для його здійснення

Винахід належить до кріогенної техніки, зокрема, до очищення і розділення криптоно-ксенонової суміші, одержуваної на повітророзділювальних установках, і може бути використаний у хімічній і нафтогазовій промисловості. Відомо спосіб очищення і розділення криптоно-ксеноновоі суміші ректифікацією, що включає подачу суміші у колону попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції, очищення ректифікацією кожної фракції від летких і важколетких компонентів з утворенням флегми в конденсаторах-випарниках за рахунок кипіння рідкого холодоагента, що надходить із сховища і із холодильника циклу, одержання і закачування у балони продукційних криптону і ксенону [див. патент РФ RU 2265778 С1, МПК F25J3/02]. Відомий спосіб не дозволяє очистити продукційні крипток і ксенон від радіонуклідів, наприклад, від продуктів радіоактивного розпаду радону, які містяться у початковій суміші, а також має недостатню економічність. Метою винаходу є одержання продукційних криптону і ксенону, очищених від радіонуклідів, для використання їх, наприклад, у медичних цілях і підвищення економічності. Поставлена мета досягається тим, що в способі очищення і розділення криптоно-ксенової суміші ректифікацією, який включає подачу суміші у колону попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції, очищення ректифікацією кожної фракції від летких і важколетких компонентів з утворенням флегми у конденсаторах-випарниках за рахунок кипіння рідкого холодоагента, який надходить із сховища і із холодильного циклу, одержання і закачування у балони продукційних криптону і ксенону, відрізняльною особливістю є те, що суміш перед подачею у колону попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції додатково очищують від радіонуклідів у додатковому пристрої очищення суміші від радіонуклідів, потім потоки криптонової і ксенонової фракцій додатково очищують від радіонуклідів відповідно у додатковому пристрої очищення криптонової фракції від радіонуклідів і в додатковому пристрої очищення ксенонової фракції від радіонуклідів з контролем в них вмісту і/або активності радіонуклідів, ксенонову фракцію виводять із куба переважно у вигляді пари, при цьому продукційні потоки криптону і ксенону перед подачею їх на наповнювальні рампи додатково очищують від радіонуклідів відповідно у пристрої фінішного очищення продукційного криптону і в пристрої фінішного очищення продукційного ксенону, причому у процесі закачування продукційних потоків у балони потоки додатково сертифікують на вміст і/або активність по радіонуклідам, при цьому у випарниках кубів ректифікаційних колон охолоджують стиснутий холодоагент, відбираний із холодильного циклу, з наступним поверненням холодоагента у холодильний цикл, причому очищення криптонової фракції у додатковому пристрої очищення криптонової фракції від радіонуклідів і очищення ксенонової фракції у додатковому пристрої очищення ксенонової фракції від радіонуклідів здійснюють ректифікаційним методом, а очищення суміші у додатковому пристрої очищення суміші від радіонуклідів, очищення продукційного потоку криптону у пристрої фінішного очищення продукційного криптону і очищення продукційного потоку ксенону у пристрої фінішного очищення продукційного ксенону здійснюють фільтраційним і/або адсорбційним і/або абсорбційним і/або хімічним і/або фізико-хімічним методами, причому вищевказані пристрої термостатують, при цьому балони перед закачуванням продукційних криптону і ксенону додатково очищують від радіонуклідів і сертифікують за вмістом і/або активністю в них радіонуклідів. Відомо пристрій для очищення і розділення криптоно-ксенонової суміші ректифікацією, що включає лінію подачі суміші, з'єднану з нею колону попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції, з'єднані з останньою лінією криптонової фракції колону продукційного криптону і лінією ксенонової фракції колону продукційного ксенону, з'єднаний з конденсаторами-випарниками колон трубопроводами і вентилями холодильний цикл, лінії продукційних потоків криптону і ксенону з розміщеними на них наповнювальними рампами [див. патент РФ RU 2265778 С1, МПК F25J3/02]. Відомий пристрій не дозволяє очистити продукційні криптон і ксенон від радіонуклідів, наприклад, від продуктів радіоактивного розпаду радону, які містяться у початковій суміші, а також має недостатню економічність. Метою винаходу є одержання продукційних криптону і ксенону, очищених від радіонуклідів, для використання їх, наприклад, у медичних цілях, і підвищення економічності. Поставлена мета досягається тим, що у пристрої для очищення і розділення криптоно-ксенової суміші ректифікацією, який включає лінію подачі суміші, з'єднану з нею колону попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції, з'єднані з останньою лінією криптонової фракції колону продукційного криптону і лінією ксенонової фракції колону продукційного ксенону, з'єднаний з конденсаторамивипарниками колон трубопроводами і вентилями холодильний цикл, лінії продукційних потоків криптону і ксенону з розмішеноми на них наповнювальними рампами, відрізняльною особливістю є те, що на лінії подачі суміші встановлено додатковий пристрій очищення суміші від радіонуклідів із системою термостатування, на лінії криптонової фракції перед колоною продукційного криптону встановлено додатковий пристрій очищення криптонової фракції від радіонуклідів і/або додаткова ректифікаційна колона очищення криптонової фракції від радіонуклідів, на лінії ксенонової фракції перед колоною продукційного ксенону встановлено додатковий пристрій очищення ксенонової фракції від радіонуклідів і/або додаткова ректифікаційна колона очищення ксенонової фракції від радіонуклідів, на лініях продукційних потоків криптону і ксенону перед відповідними наповнювальними рампами встановлені відповідно пристрій фінішного очищення продукційного криптону і пристрій фінішного очищення продукційного ксенону, куб колони попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції споряджено додатковою лінією відбору ксенонової фракції у вигляді пари, колони, лінії видачі продуктів розділення і наповнювальні рампи додатково споряджені пристроями контролю і сертифікації вмісту і/або активності за радіонуклідами, при цьому у кубах колон розміщені додаткові випарники, кожен із яких входом і виходом з'єднаний з холодильним циклом, а додаткові пристрої очищення потоків від радіонуклідів складаються із послідовно розміщених спонукача витрати, вхідного фільтрувального елемента, активного очисного елемента і вихідного фільтрувального елемента. Винахід пояснюється кресленнями. На Фіг.1 схематично показано пристрій очищення і розділення криптоно-ксенонової суміші, на Фіг.2 - додатковий пристрій очищення потоків від радіонуклідів. Пристрій (Фіг.1) має блок низькотемпературної ректифікації 1, холодильний цикл 2, сховище рідкого холодоагента 3, з'єднаних трубопроводами з арматурою. Блок низькотемпературної ректифікації включає колону 4 попереднього розділення на ксенонову та криптонову фракції, додаткову ректифікаційну колону 5 очищення криптонової фракції від радіонуклідів, продукційну криптонову колону 6, колону 7 виділення криптону із низькокиплячих домішок, додаткову ректифікаційну колону 8 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів, продукційну ксенонову колону 9, відділювач 10, з'єднані трубопроводами (лініями) з регулювальною арматурою. Кожна колона внизу має куб, споряджений змійовиком випарника 49-4¸49-9, а в голові - конденсатор-випарник. Куб колони 4 попереднього розділення на ксенонову і криптонову фракції, крім цього, містить змійовик випарника, який обігрівається багатокомпонентною сумішшю, що надходить на розділення. Всі конденсатори-випарники 11-4¸11-9 мають патрубки, з'єднані лініями 12-4¸12-9, спорядженими регулювальними клапанами 45-4¸45-9, з колектором 13 рідкого холодоагента, який у свою чергу з'єднаний з патрубком у нижній частині відділювача 10 і патрубки, з'єднані лініями 14-4¸14-9 відведення парів холодоагента з колектором 15. У верхній частині відділювач 10 має патрубок виходу парів холодоагента, сполучений лінією 16 з регулювальним клапаном 46 з колектором 15, патрубок входу рідкого холодоагента, сполучений лінією 26 з регулювальним клапаном 47 із сховищем 3 рідкого холодоагента, і патрубок входу парорідинного потоку холодоагента, з'єднаний лінією 27 з вихідним патрубком холодильного циклу 2. Колона 4 попереднього розділення на ксенонову і криптонову фракції у середній частині має патрубок, з'єднаний трубопроводом через випарник 50 з лінією 32 потоку криптоно-ксенонової суміші. На лінії 32 потоку криптоно-ксенонової суміші, наприклад, за ходом суміші після випарника 50 встановлений додатковий пристрій 51 очищення суміші від радіонуклідів. У верхній частині колона 4 має патрубок, з'єднаний лінією 33 потоку криптонової фракції з патрубком у середній частині додаткової ректифікаційної колони 5 очищення криптонової фракції від радіонуклідів. На лінії 33 потоку криптонової фракції встановлено додатковий пристрій 52 очищення криптонової фракції від радіонуклідів. Куб колони 4 у верхній частині має патрубок, з'єднаний лінією 54 потоку ксенонової фракції, яку відводять у пароподібному вигляді, з патрубком у середній частині додаткової ректифікаційної колони 8 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів, а в нижній частині - патрубок, з'єднаний лінією 34 потоку ксенонової фракції, яку відводять у рідкому вигляді, з лінією 54. На лінії 54 встановлено додатковий пристрій 53 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів. Додаткова ректифікаційна колона 5 очищення криптонової фракції від радіонуклідів у верхній частині має патрубок, з'єднаний лінією 35 потоку очищеної криптонової фракції з патрубком у середній частині продукційної криптонової колони 6, а в нижній частині, у кубі - патрубок, з'єднаний лінією 36 потоку проміжних домішок через випарник 55 з виходом із пристрою. Продукційна криптонова колона б має у верхній частині патрубок, з'єднаний лінією 37 потоку віддувних газів продукційної криптонової колони з патрубком у середній частині колони 7 віділення криптону із низькокиплячих домішок, а у нижній частині, у кубі - патрубок, з'єднаний лінією 38 потоку продукційного криптону через випарник 55, пристрій 56 фінішного очищення продукційного криптону з наповнювальною криптоновою рампою 57 і балонами 58, додатково очищеними від радіонуклідів і сертифікованих за вмістом і/або активністю в них радіонуклідів. Колона 7 виділення криптону із низькокиплячих домішок має у верхній частині патрубок, з'єднаний лінією 44 потоку низькокиплячих домішок з виходом із установки, а в нижній частині, у кубі - патрубок, з'єднаний лінією 43 потоку виділеного криптону через випарник 55 з виходом із установки. Додаткова ректифікаційна колона 8 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів має у верхній частині патрубок, з'єднаний лінією 39 потоку очищеної ксенонової фракції з патрубком у середній частині продукційної ксенонової колони 9, а в нижній частині, у кубі - патрубок, з'єднаний лінією 40 потоку висококиплячих домішок через випарник 55 з виходом із установки. Продукційна ксенонова колона 9 має у верхній частині патрубок, з'єднаний лінією 41 потоку віддувних газів ксенонової колони з виходом із установки, а в нижній частині, у кубі - патрубок, з'єднаний лінією 42 потоку продукційного ксенону через випарник 55, пристрій 59 фінішного очищення продукційного ксенону, з наповнювальною ксеноновою рампою 60 і балонами 61, додатково очищеними від радіонуклідів і сертифікованих за вмістом і/або активністю в них радіонуклідів. Холодильний цикл 2 містить компресор 17, кінцевий холодильник 18, охолоджуваний водою, попередній теплообмінник 19, адсорбційний вузол 20 комплексного очищення, фільтр 21, основний теплообмінник 22, детандер 23, додатковий теплообмінник 24, дросельний пристрій 25, з'єднані лінією 28 прямого потоку, всмоктувальною лінією (лінією зворотного потоку) 29 і лінією 30 детандерного потоку. Лінія прямого потоку 28 після фільтра 21 з'єднана колектором 62 і лініями 63-4¸63-9, спорядженими запиральними клапанами, зі входом змійовиків випарників 49-4¸49-9, на виході змійовики випарників лініями 64-4¸65-9, спорядженими дросельними пристроями 65-4¸65-9, і колектором 66 з'єднані з вихідним патрубком холодильного циклу 2 і далі лінією 27 із відділювачем 10. На Фіг.1 позначено умовно тільки змійовики випарників 49-4, 49-5, лінії 63-4, 63-5, 64-4, 64-5 і дросельні пристрої 65-4, 65-5, належні до ректифікаційних колон 4 і 5. Для решти колон - аналогічно. Ректифікаційні колони, лінії живлення ректифікаційних колон, лінії видачі продуктів розділення і наповнювальні рампи споряджені штуцерами А1-A19 і лініями 72-1¸72-19 відбору проб середовища до пристроїв 73 контролю і сертифікації вмісту і/або активності за радіонуклідами, яка включають прилади 74 вимірювання мікродомішок і/або прилади 75 вимірювання активності радіонуклідів. Додатковий пристрій 51 очищення суміші від радіонуклідів, додатковий пристрій 52 очищення криптонової фракції від радіонуклідів, додатковий пристрій 53 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів, пристрій 56 фінішного очищення продукційного криптону і пристрій 59 фінішного очищення продукційного ксенону містять (Фіг.2) спонукач витрати 67, вхідний фільтрувальний елемент 68, активний очисний елемент 69, вихідний фільтрувальний елемент 70 і систему термостатування 71. Заявлений спосіб розділення криптоно-ксенонової суміші здійснюється наступним чином. Криптоно-ксенонову суміш, одержувану на повітророзділювальних установках, очищену від вуглеводнів, яка містить у своєму складі цільові компоненти криптон Kr, ксенон Хе, домішки, які мають велику леткість стосовно до криптону (наприклад, неон Ne, азот N2, кисень О2), велику леткість стосовно до ксенону, але меншу стосовно до криптону (наприклад, гексафторетан C2F6), меншу леткість стосовно до ксенону (наприклад, диоксид вуглецю СО2, етан С2Н6 ) , а також радіонукліди (наприклад, радон Rn і його дочірні продукти розпаду) подають по лінії 32 потоку криптоно-ксенонової суміші через випарник 50 у додатковий пристрій 51 очищення суміші від радіонуклідів і далі у середню частину колони 4 попереднього розділення на криптонову і ксенонову фракції. Суміш, проходячи у термостатованому пристрої 51 через вхідний фільтрувальний елемент 68, активний очисний елемент 69 і вихідний фільтрувальний елемент 70, очищується від частини радіонуклідів, які досягли на момент переробки стабільного стану. У результаті процесу ректифікації у кубі збирається ксенонова фракція, що містить увесь ксенон, в основному менш леткі стосовно ксенону домішки і важкі радіонукліди, а також невелику, спеціально підтримувану кількість криптону (2-5%). У верхній частині колони збирається криптонова фракція, що містить криптон, в основному леткі стосовно криптону домішки і легкі радіонукліди, яку направляють по лінії 33 потоку криптонової фракції через додатковий пристрій 52 очищення криптонової фракції від радіонуклідів у додаткову ректифікаційну колону 5 очищення криптонової фракції від радіонуклідів. У колоні 5 в результаті процесу ректифікації у кубі концентруються важколеткі стосовно криптону радіонукліди разом з важколеткими домішками і незначною частиною криптону, звідки їх по лінії 36 через випарник 55 виводять із пристрою. Із голови колони 5 виводять потік очищеної криптонової фракції, який вже не містить важколетких стосовно криптону речовин, і направляють у продукційну криптонову колону 6. У результаті процесу ректифікації у кубі колони б збирається продукційний криптон, який направляють по лінії 38 потоку продукційного криптону через випарник 55, пристрій 56 фінішного очищення продукційного криптону у наповнювальну криптонову рампу 57 і балони 58. Із голови колони 6 по лінії 37 виводять потік газу, який у своєму складі містить криптон і всі леткі стосовно криптону домішки, і направляють у колону 7 виділення криптону їх низькокиплячих домішок. У результаті процесу ректифікації у кубі колони 7 збирається криптон, який у міру накопичення виводять по лінії 43 через випарник 55, а із голови колони по лінії 44 виводять потік низькокиплячих домішок. Із куба колони 4 попереднього розділення на ксенонову і криптонову фракції потік ксенонової фракції переважно у вигляді пари по лінії 54 через додатковий пристрій 53 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів направляють у додаткову ректифікаційну колону 8 очищення ксенонової фракції від радіонуклідів. У колоні 8 в результаті процесу ректифікації у кубі концентрують важколеткі стосовно ксенону радіонукліди разом із важколеткими домішками і незначною частиною ксенону, які в міру накопичення по лінії 40 через випарник 55 виводять із пристрою. Із голови колони 8 по лінії 39 виводять потік очищеної ксенонової фракції, який містить у своєму складі тільки ксенон і криптон, і направляють у продукційну криптонову колону 9. У результаті процесу ректифікації в кубі колони 9 збирають продукційний ксенон, який по лінії 42 через випарник 55, пристрій 59 фінішного очищення продукційного ксенону направляють у наповнювальну ксенонову рампу 60 і балони 61, а із голови колони 9 по лінії 44 виводять потік газоподібного криптону і направляють його, наприклад, у газгольдер. Холодоагант, наприклад, рідкий азот, із сховища З рідкого холодоагента по лінії 26 через регулювальний клапан 47 направляють у відділювач 10, підтримуючи у відділювачі 10 заданий рівень рідини, і далі у колектор 13 рідкого холодоагента. Із колектора 13 рідкий холодоагент по лініям 12-4¸12-9, кожна із яких споряджена відповідно регулювальним клапаном 45-4¸45-9, подають до поверхні кипіння конденсаторів-випарників 11-4¸11-9. Пари холодоагента, що утворилися при кипінні, по лініям 12-4¸12-9 відведення парів холодоагента направляють у колектор 15 і далі по лінії всмоктування 29 в якості зворотного потоку через додатковий теплообмінник 24, основний теплообмінник 22, попередній теплообмінник 19 подають на всмок компресора 17. Стиснутий у компресорі 17 газ направляють у лінію 28 прямого потоку, охолоджуючи водою у кінцевому холодильнику 18, зворотним потоком у попередньому теплообміннику 19, очищуючи від можливих домішок в адсорбційному вузлі комплексного очищення 20 і фільтрі 21. Після фільтра 21 частину стиснутого газу по лінії 30 детандерного потоку направляють до детандера 23, де розширюють із виконанням зовнішньої роботи, а потім подають у лінію зворотного потоку 29 перед основним теплообмінником 22. Другу частину стиснутого потоку після фільтра 21 по колектору 62 і лініям 63-4¸63-9, спорядженими запиральними клапанами, подають у змійовики випарників 49-4¸49-9, на виході із яких по лініям 64-4¸64-9 охолоджений потік розширюють в дросельних пристроях 65-4¸65-9, збирають колектором 66 і з'єднують після дросельного пристрою 25 із прямим потоком, що лишився, попередньо охолодженим в основному 22 і додатковому 24 теплообмінниках і розширеним у дросельному пристрої 25. Утворений двофазний потік по лінії 27 направляють у відділювач 10, де пари холодоагента після відділення рідини по лінії 16 через регулювальний клапан 46 направляють у колектор 15, а зріджений холодоагент разом із підживленням рідкого холодоагента із сховища 3 рідкого холодоагента подають у конденсатори-випарникі. Клапан 46 забезпечує необхідний для роботи регулювальних клапанів 45-4¸45-9 перепад тиску між тиском парів холодоагента у відділювачі 10 і колекторі 15. Регулювальний клапан 48, встановлений на лінії 31, підтримує на всмоку компресора 17 необхідний тиск, виводячи із холодильного циклу частину теплого газоподібного холодоагента. При здійсненні фільтраційного методу очищення від радіонуклідів потоку криптону суміші і/або криптонової фракції і/або ксенонової фракції і/або продукційного і/або продукційного потоку ксенону передбачають виконання вхідного фільтрувального елемента 68 (Фіг.2) і вихідного фільтрувального елемента 70 із матеріалів, що мають еквівалентний діаметр фільтрації менший мінімального розміру аерозолей, утворюваних відповідними радіонуклідами, яких фільтрують. При здійсненні адсорбційного методу очищення від радіонуклідів потоку криптону суміші і/або криптонової фракції і/або ксенонової фракції і/або продукційного і/або продукційного потоку ксенону передбачають виконання активного очисного елемента 69 (Фіг.2) у вигляді адсорбційного патрона, заповненого сорбентом, причому еквівалентний розмір пор сорбувальної речовини складає не менше розміру молекул відповідного радіонукліда, а температура термостатування підтримується не меншою температури конденсації відповідного потоку. При здійсненні абсорбційного методу очищення від радіонуклідів потоку криптону суміші і/або криптонової фракції і/або ксенонової фракції і/або продукційного і/або продукційного потоку ксенону передбачають виконання активного очисного елемента 69 у вигляді абсорбційного патрона, заповненого абсорбентом, при цьому температура термостатування підтримується не нижчою температури кристалізації абсорбента. При здійсненні хімічного методу очищення від радіонуклідів потоку криптону суміші і/або криптонової фракції і/або ксенонової фракції і/або продукційного і/або продукційного потоку ксенону передбачають виконання активного очисного елемента 69 у вигляді хімічного реактора, заповненого каталізатором, який здійснює хімічне зв'язування відповідного радіонукліда з окислювачем, який входить у структуру каталізатора. Температура термостатування при цьому становить не нижче температури запалювання реакції окислення і не вище температури руйнування каталізатора або температури втрати динамічної міцності конструкційних матеріалів, із яких виконаний очисний елемент. При здійсненні фізико-хімічного методу очищення від радіонуклідів потоку криптону суміші і/або криптонової фракції і/або ксенонової фракції і/або продукційного і/або продукційного потоку ксенону передбачають виконання активного очисного елемента 69 (Фіг.2) у вигляді патрона, заповненого активною розгалуженою поверхнево активною поверхнею, наприклад поруватим титаном, поруватою міддю і т.п., що здійснює осадження на розгалуженій поверхні молекул і/або аерозолей відповідних радіонуклідів під дією електромагнітних сил взаємодії. Перераховані вище методи очищення від радіонуклідів можуть використовуватися кожен окремо або у комбінації один з одним. Відбір ксенонової фракції у вигляді пари дозволяє зменшити в ній концентрацію важколетких стосовно ксенону домішок, що у підсумку дозволяє одержати велику чистоту продукційного ксенону. Охолодження стиснутого холодоагента у випарниках куба ректифікаційних колон дозволяє на 15-20% збільшити вихід із холодильного циклу рідкого холодоагента і відповідно підвищити економічність процесів розділення. Використання заявленого винаходу дозволить очистити продукційні криптон і ксенон від радіонуклідів і здійснити очищення і розділення криптоно-ксеноновоі суміші економніше.