Спосіб і пристрій для низькотемпературного розділення на фракції рідинної суміші

Реферат: Спосіб і пристрій служать для низькотемпературного розділення на фракції рідинної суміші. Рідинна суміш подається в розділювальну колону. Щонайменше частина кубової рідини розділювальної колони подається в кубовий випарник і там щонайменше частково випаровується. Щонайменше частина пари, що виробляється в кубовому випарнику, повертається назад в нижню ділянку розділювальної колони. З верху розділювальної колони відбирається головний продукт, а з куба розділювальної колони або з кубового випарника кубовий продукт. Кубовий випарник працює за рахунок індукційного нагрівання. UA 110402 C2 (12) UA 110402 C2 UA 110402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується способу низькотемпературного розділення на фракції рідинної суміші згідно з обмежувальною частиною пункту 1 формули винаходу. Під "низькотемпературним розділенням на фракції" розуміється спосіб, при якому розділювальна колона експлуатується при температурі нижче навколишньої температури і становить менше 200°К, переважно менше 190°К, у вищому ступені переважно менше 145°К. Рідинна суміш подається в розділювальну колону в газоподібному, рідкому або двофазному стані або у верхню частину, в куб або в проміжне місце розділювальної колони і розділяється шляхом масообміну (в результаті дистиляції або ректифікації) в протитоці висхідної парової фази зі стікаючою вниз рідкою фазою. Рідка фаза, що надходить (в куб) на нижньому кінці розділювальної колони, називається кубовою рідиною. Вона щонайменше частково випаровується в кубовому випарнику при подачі тепла. Щонайменше частина виробленої при цьому пари утворює парову фазу, яка підіймається в розділювальній колоні. Кубовий випарник в принципі може бути встановлений всередині розділювальної колони або в окремому резервуарі за межами розділювальної колони. Головний продукт витягується, наприклад, в газоподібному стані, у верхній частині розділювальної колони; альтернативно він може відбиратися в рідкому вигляді з головного конденсатора. Кубовий продукт відбирається, наприклад, в рідкому вигляді, з кубового випарника; альтернативно частина пари, що виготовляється в кубовому випарнику, може відводитися як кубовий продукт. Винахід, зокрема, застосовний до розкладання складових частин атмосферного повітря, зокрема, для одержання криптону або ксенону або збагаченої криптоном і ксеноном суміші з рідинної суміші, збагаченої криптоном і ксеноном в порівнянні з повітрям. При способах вищезазначеного типу тепло подається в кубовий випарник або шляхом опосередкованого теплообміну з нагріваючим агентом, зокрема, рідким або газоподібним теплоносієм, або за допомогою нагрівання електроопором (електронагрівником). Такі способи і їх використання при одержанні криптону або ксенону або збагаченої криптоном і ксеноном суміші з рідинної суміші, збагаченої криптоном і ксеноном в порівнянні з повітрям, відомі з японського патенту JP 2002115965 А, американського патенту US 6351970 В1 і японського патенту JP 05296654 А. У першому випадку необхідний теплообмінник, який відносно дорого коштує, з відповідними трубопроводами і повинен бути в розпорядженні відповідний гріючий агент. При використанні електроенергії для нагрівання колонкового куба в кріогенній області, зокрема, повинна забезпечуватися надійність, а при відомих умовах взаємозамінність нагрівника, а також герметичність нагрівального резервуара. Тому в теплоізольованій низькотемпературній області повинні вживатися витратні заходи по забезпеченню доступу. Виробництво тепла електроопором властиве нагріванню електронагрівального проводу. Тому потрібно передбачати також регулювання і контроль температури електронагрівального проводу. В основу винаходу поставлена задача створення такого способу вищезгаданого типу, щоб кубовий випарник апаратно і/або з точки зору техніки регулювання міг бути виконаний відносно простим і надійним. Ця задача вирішується тим, що кубовий випарник працює за рахунок індукційного нагрівання. Таким чином, тепло, необхідне для випарювання кубової рідини, привноситься за допомогою електромагнітної індукції. Тому резервуар кубового випарника не повинен пробиватися ні для подачі гріючого агента, ні для введення електропроводу. Проблема недостатньої герметизації з'єднань відпадає. Енергія передається без безпосереднього механічного контакту. При нагріванні електроопором прагнуть до великого опору, малого поперечного перерізу і тим самим до високих температур струмопроводу. При індукційному нагріванні, навпаки, прагнуть до малого опору і тим самим до нижчих температур первинного струмопроводу. Небезпека виходу з ладу котушки індукційного нагрівання явно менша, ніж при нагріванні електроопором. Тому не потрібно забезпечувати простого доступу до нагрівання. Контроль температури нагрівального елемента з магнітного матеріалу не потрібен, оскільки магнітні властивості матеріалу при досягненні температури Кюрі зникають. При цій температурі (для чистого нікелю близько 360 °C) магнітна енергія не вбирається більше в нагрівальному елементі. Тому максимальна температура поверхні нагрівання, що досягається за рахунок індукції, приблизно дорівнює (специфічній для матеріалу) температурі Кюрі нагрівального елемента. Регулювання потужності відбувається за допомогою напруги, струму і/або частоти збуджуваної електроенергії. 1 UA 110402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Нижченаведені детальніші варіанти здійснення винаходу стосуються як кубового випарника, встановленого в окремому резервуарі за межами розділювальної колони, так і альтернативного варіанта здійснення з кубовим випарником, встановленим всередині розділювальної колони (установка "всередині" тут стосується тепловіддавальних поверхонь кубового випарника); в останньому випадку резервуар кубового випарника співпадає із зовнішньою стінкою розділювальної колони в її кубовій області. У першому варіанті здійснення винаходу область стінки виготовлена з магнітного, зокрема, феро-, пара- або діамагнітного матеріалу, як, наприклад, з аустенітних сталі, алюмінію або міді або ж зі сплаву, що містить один або декілька з цих елементів. Область стінки резервуара кубового випарника нагрівається безпосередньо за рахунок індукції. Для цього на зовнішній стороні резервуара встановлюються індуктивні петлі і електроенергія передається безпосередньо стінці резервуара. Завдяки цьому спеціальні заходи для споживання електроенергії можуть відпасти. Апаратура виявляється особливо простою в реалізації. Переважно, частоту індукованого електромагнітного поля слід би вибирати такою, щоб глибина проникнення становила 1/3, максимум 1/4 товщини стінки резервуара. ("Глибина проникнення" означає такий ступінь, при якому густина струму зменшується до 1/е свого максимального значення). Для стінки резервуара з немагнітної високоякісної сталі товщиною близько 6 мм, якою вона прийнята, наприклад, в галузі одержання криптону або ксенону, глибина проникнення при температурі близько -135 °C. частоті близько 40 кГц досягає приблизно 1,5 мм. Для одержання відповідної частоти використовується перетворювач частоти, що є в продажу. Другий варіант здійснення має в порівнянні з першим додатковий нагрівальний елемент, встановлений на зовнішній стороні стінки резервуара. Нагрівальний елемент нагрівається безпосередньо за рахунок індукції. Тепло, одержане за рахунок індукції, передається стінці резервуара шляхом провідності. Нагрівальний елемент виготовляється з якого-небудь іншого матеріалу, ніж стінка резервуара, зокрема, з магнітного матеріалу, переважно, з феромагнітного, електропровідного матеріалу, наприклад, із заліза, нікелю, кобальту або феромагнітного сплаву щонайменше з одним з вищезазначених елементів (наприклад, з феритової сталі). З ним можна працювати із звичайною електромагнітною мережевою частотою в діапазоні від 20 до 120 Гц. За допомогою відповідного методу з'єднання нагрівальний елемент закріплюється на зовнішній стороні, наприклад, холодною, гарячою прокаткою, зварюванням вибухом або звичайним зварюванням. Він може бути одержаний з окремого металевого листа або з декількох металевих штаб. Встановлення на зовнішній стороні вимагає відносно незначних витрат на виготовлення; крім того, вибір матеріалу є відносно вільним, оскільки він не вступає в безпосередній контакт з кубовою рідиною розділювальної колони. У третьому варіанті здійснення винаходу нагрівальний елемент встановлений на внутрішній стороні кубового випарника, а нагрівальний елемент нагрівається за рахунок індукції. Тим самим нагрівальний елемент зі своєї внутрішньої сторони знаходиться в безпосередньому контакті з кубовою рідиною, що нагрівається. Таким чином, теплопередача стає ефективнішою, правда, матеріал нагрівального елемента повинен бути стійкий проти кубової рідини або захищений від неї відповідним покриттям. В іншому цей варіант здійснення відносно виконання нагрівального елемента і його з'єднання зі стінкою резервуара відповідає другому варіанту здійснення. Згідно з четвертим варіантом здійснення винаходу нагрівальний елемент встановлений всередині резервуара кубового випарника з інтервалом відносно стінки кубового випарника; цей нагрівальний елемент нагрівається безпосередньо за рахунок індукції. Завдяки цьому нагрівальний елемент з обох сторін обтікається кубовою рідиною, яка нагрівається, так що теплопередача продовжує поліпшуватися. Він може мати форму, наприклад, порожнистого циліндра, діаметр якого менший внутрішнього діаметра резервуара кубового випарника. Альтернативно він може бути виконаний також у вигляді скрученого в спіраль металевого листа. Відносно матеріалу нагрівального елемента діє те ж саме, що і у другому варіанті здійснення. Додатково тут можливе також використання пара- або діамагнітного матеріалу. У цьому випадку необхідне узгодження частоти збудження з величинами, описаними в першому варіанті здійснення. При особливо переважному застосуванні способу згідно з винаходом при одержанні криптону і ксенону з повітря як рідинна суміш використовується суміш повітряних газів, збагачена криптоном і ксеноном. При цьому або в розділювальній колоні (колоні збагачення криптоном-ксеноном) підвищується концентрація криптону і ксенону, для чого з рідинної суміші 2 UA 110402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 виділяється кисень, або розділювальна колона являє собою криптоно-ксенонову колону, в якій криптон і ксенон відділяються один від одного. Крім того, можливе також використання в розділювальних колонах для виділення слідових сполук з високочистих і найчистіших газів, а також при дистиляційному одержанні або очищенні водню і гелію. Крім того, винахід стосується пристрою згідно з пунктом 7 формули винаходу. Пристрій згідно з винаходом може доповнюватися ознаками пристрою, які відповідають ознакам залежних пунктів формули винаходу, що стосуються способу. Якщо кубовий випарник вбудований в розділювальну колону, то "засоби для подачі пари, виробленої в кубовому випарнику, в нижню ділянку розділювальної колони" створюються ділянкою резервуара між найнижчою ділянкою масообміну розділювальної колони і кубовим випарником, за допомогою яких пара з кубового випарника надходить в нижню ділянку розділювальної колони. Винахід, а також інші деталі винаходу нижче детальніше пояснюються на прикладах виконання, зображених на кресленнях, на яких фіг. 1 зображує приклад першого варіанта здійснення винаходу, фіг. 2 - приклад другого варіанта здійснення винаходу, фіг. 3 - приклад третього варіанта здійснення винаходу і фіг. 4 - приклад четвертого варіанта здійснення винаходу. У всіх прикладах зображена тільки нижня частина розділювальної колони, яка одночасно утворює кубовий випарник. Таким чином, кубовий випарник вбудований в розділювальну колону. Резервуар кубового випарника ідентичний нижній частині зовнішньої стінки розділювальної колони. (Альтернативно кубовий випарник міг би бути розміщений в окремому резервуарі; варіанти здійснення індукційного нагрівання, зображені на кресленнях, також можуть бути застосовані там). На фіг. 1 резервуар кубового випарника має циліндричну зовнішню стінку 1 і опукле дно 2. Всередині нього знаходиться кубова рідина 3 з розділювальної колони. Зовні зовнішньої стінки 1 розташовані витки 4 однієї або декількох котушок, встановлених навколо зовнішньої стінки і обтічних змінним струмом частотою 40 Гц. За рахунок індукції ділянка зовнішньої стінки 1, розташована всередині витків 4, нагрівається безпосередньо. Через внутрішню стінку резервуара тепло передається кубовій рідині 3, яка при цьому частково випаровується. Бульбашки пари, які утворилися при цьому (не показані), підіймаються до поверхні кубової рідини і утворюють там парову фазу, яка підіймається в розділювальній колоні. Котушка (котушки) може (можуть) закріплюватися на зовнішній стінці або (як індукційна електронагрівальна плитка) розташовуватися також під дном, на якому стоїть розділювальна колона. Приклад виконання на фіг. 2 додатково має циліндричний нагрівальний елемент 5, наприклад, з нікелю, нанесеного на зовнішню сторону зовнішньої стінки 1 резервуара і, який механічно контактує з ним по всій поверхні. Витки 5 і частота змінного струму (в цьому прикладі 50 Гц) реалізовані таким чином, що нагрівальний елемент поглинає енергію електромагнітного поля в результаті індукції. Поглинене при цьому тепло передається зовнішній стінці 1 резервуара за рахунок провідності. У прикладі виконання на фіг. 3 нагрівальний елемент 5 замість цього встановлений на внутрішній стороні зовнішньої стінки 1 резервуара. На фіг. 4 зображений нагрівальний елемент 5, виконаний, як на фіг. 2 і 3. у вигляді порожнистого циліндра, але встановлений на відміну від них всередині резервуара з інтервалом відносно ювнішньої стінки 1. На відміну від виконань на фіг. 3 і 4 тепловіддавальна поверхня нагрівального елемента 5 збільшується різними шляхами. Наприклад, можуть комбінуватися декілька концентричних циліндрів різного діаметра. Альтернативно металевий лист нагрівального елемента може бути спіралеподібно намотаний навколо осі колони. У порядку доповнення або альтернативи у варіантах здійснення поверхня нагрівального елемента може бути забезпечена ребрами або нагрівальний елемент може бути пронизаний отворами; у варіантах здійснення на фіг. 1 і 2 внутрішня сторона стінки резервуара може бути забезпечена ребрами. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Спосіб низькотемпературного розділення на фракції рідинної суміші, при якому рідинна суміш подається в розділювальну колону, щонайменше частина кубової рідини розділювальної колони подається в кубовий випарник і там щонайменше частково випаровується, щонайменше частина пари, що виробляється в кубовому випарнику, повертається назад в нижню ділянку 3 UA 110402 C2 5 10 15 20 розділювальної колони, з верху розділювальної колони відбирається головний продукт, а з куба розділювальної колони або з кубового випарника - кубовий продукт, який відрізняється тим, що кубовий випарник працює за рахунок індукційного нагрівання. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що стінка резервуара кубового випарника нагрівається безпосередньо за рахунок індукції. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на зовнішній стороні стінки кубового випарника встановлений нагрівальний елемент, нагрівальний елемент нагрівається безпосередньо за рахунок індукції, а індукційно вироблене тепло передається стінці резервуара за рахунок провідності. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на внутрішній стороні стінки кубового випарника встановлений нагрівальний елемент, а нагрівається нагрівальний елемент безпосередньо за рахунок індукції. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що нагрівальний елемент встановлений всередині резервуара кубового випарника з інтервалом відносно стінки кубового випарника, причому нагрівальний елемент нагрівається безпосередньо за рахунок індукції. 6. Спосіб за одним з пп. 1-5, який відрізняється тим, що як рідинна суміш використовується криптоно-ксенонова суміш повітряних газів. 7. Пристрій для низькотемпературного розділення на фракції рідинної суміші, що включає розділювальну колону і кубовий випарник для випарювання кубової рідини розділювальної колони, засоби подачі рідинної суміші в розділювальну колону, засоби подачі пари, виробленої в кубовому випарнику, в нижню ділянку розділювальної колони, засоби видалення кубового продукту з куба розділювальної колони або з кубового випарника, який відрізняється тим, що кубовий випарник має індукційне нагрівання. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4