СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ
PROCEDURE FOR SEPARATION OF MULTI-COMPONENT MIXTURE

Изобретение относится к области разделения многокомпонентных смесей газов и жидкостей, в частности ректификацией, и может быть использовано при криогенном разделении воздуха или его составляющих, разделении углеводородных смесей при нефтеперегонке, спиртосодержащих смесей и т.п.
Наиболее важными показателями эффективности процессов разделения многокомпонентных смесей (или выделения отдельных компонентов из таких смесей) являются коэффициент извлечения и чистота компонентов, выделенных из смеси. В данном описании термин «компонент» может относиться к индивидуальному химическому веществу или к фракции из нескольких веществ с близкими физико-химическими свойствами.
Одновременное достижение высокой степени очистки и высокой степени извлечения для всех разделяемых компонентов является непростой технической и экономической задачей. При создании установок для такого разделения важно определить необходимое количество массообменных аппаратов для получения всех отдельных компонентов. Мнения о минимально необходимом числе аппаратов различны. Например, в литературных источниках [1, 2] отмечается, что для полного разделения n-компонентной смеси требуется (n-1) колонн. Авторы работы [3] для аналогичной задачи предлагают использовать n колонн. В патентных документах установки для разделения многокомпонентных смесей даже с одинаковым числом компонентов содержат разное количество массообменных аппаратов. В одних случаях большое количество аппаратов связано с неоптимальной компоновкой схемы, в других - число аппаратов уменьшено по экономическим соображениям.
Так, в установке [4] адсорбционного разделения газовой смеси, состоящей из водорода, диоксида углерода, метана, монооксида углерода и азота, используются восемь колонн. При этом относительно чистыми в результате разделения получают только водород и диоксид углерода. Три остальных газа выводят из установки одним потоком, что позволяет рассматривать фракцию из трех газов как один компонент.
В установках [5, 6] для криогенного разделения воздуха использовано по три ректификационных колонны. Продуктами разделения являются относительно чистые кислород и азот. Примеси фторуглеродов и инертных газов в качестве отдельных компонентов не выделяются.
В установке по патенту [7] для криогенного разделения многокомпонентной смеси (криптоно-ксенонового концентрата) использованы четыре ректификационных колонны. Для такой же смеси установка по патенту [8] включает шесть колонн. При этом сама смесь рассматривается как пятикомпонентная, где двумя целевыми компонентами являются криптон и ксенон. В качестве остальных компонентов выступают еще три фракции: с температурами кипения выше, чем у криптона и ксенона; с температурами кипения ниже, чем у криптона и ксенона и с температурами кипения между температурами кипения криптона и ксенона.
Во всех перечисленных случаях одновременное достижение высокой степени очистки и высокой степени извлечения для всех разделяемых компонентов не происходит. Ценные целевые компоненты либо извлекаются из смеси не полностью, либо выделяются недостаточно чистыми.
Предлагаемое изобретение позволяет преодолеть указанный недостаток и получать при разделении все компоненты с максимально возможной степенью извлечения и чистотой при минимально необходимом количестве массообменных аппаратов в установке.
Способ разделения многокомпонентной смеси в массообменных аппаратах предусматривает определение в смеси количества компонентов, подлежащих разделению, компоновку блока массообменных аппаратов с соединяющими их трубопроводами, подачу многокомпонентной смеси на вход блока массообменных аппаратов и отбор целевых компонентов на выходе из разных массообменных аппаратов. При этом количество компонентов, подлежащих разделению, и количество массообменных аппаратов в блоке должны быть связаны соотношением
KMA=2·(n-1),
где КМА означает количество массообменных аппаратов в блоке, a n - количество компонентов, подлежащих разделению, причем компонентом, подлежащим разделению, может быть индивидуальное химическое вещество или фракция из нескольких веществ с близкими физико-химическими свойствами.
В основе любого разделительного процесса лежат количественные различия в тех или иных свойствах компонентов смеси в одинаковых условиях. Адсобционное разделение основано на разной адсорбируемости компонентов смеси, экстракционные процессы - на разной растворимости, ректификационное разделение - на разнице температур кипения (точнее на разной летучести) компонентов смеси и т.д. Дальнейшие пояснения будут даны на примерах ректификационного разделения в криогенной технике, но они также будут действительны для других разделительных процессов.
В ректификационной колонне, исходя из физических принципов процесса ректификации и опыта эксплуатации реальных колонн, возможно получение только одного компонента или группы компонентов с регулируемой чистотой в отношении другого компонента или группы компонентов. При этом под одной колонной понимается устройство, из которого выводятся два продукционных потока - верхний и нижний.
Минимальное количество компонентов в смеси равно двум, и примером такой смеси может служить воздух, представляющий собой смесь азота с кислородом (если не принимать во внимание другие газы, также присутствующие в воздухе, но значительно уступающие по объемной доле первым двум).
Схема установки для разделения смеси азот-кислород, представленная на Фиг.1, содержит две ректификационных колонны (изображенные в виде прямоугольников). Один из потоков, выходящих из первой колонны, содержит кислород, чистота которого по отношению к азоту может быть сколь угодно высокой (то есть с примесью азота сколь угодно низкой). Второй поток при этом будет содержать азот с обязательной примесью кислорода. Этот поток направляется во вторую ректификационную колонну с другим температурным режимом. Один из потоков, выходящих из второй колонны, состоит практически из чистого азота. Другой поток содержит весь поступивший во вторую колонну кислород в смеси с частью азота. Этот поток в режиме циркуляции направляется на вход в первую ректификационную колонну. На этой и последующих схемах примеси к основному компоненту в потоках обозначены греческой буквой Δ (дельта).
На Фиг.2 показана другая возможная схема разделения смеси азот-кислород, также состоящая из двух колонн. За счет изменения температурных режимов в колоннах поток чистого азота получают на выходе из первой колонны, а поток чистого кислорода - на выходе из второй.
Одна из возможных схем разделения трехкомпонентной смеси азот-аргон-кислород представлена на Фиг.3. Всего таких схем в зависимости от температурных режимов в колоннах и направления потоков может быть четыре, и каждая из них содержит четыре ректификационных колонны.
Увеличение числа разделяемых компонентов в смеси на единицу требует добавления в схему еще двух колонн. Так, четырехкомпонентная смесь может быть разделена с высокой степенью очистки и высокой степенью извлечения для всех разделяемых компонентов в установке из шести колонн. Для пятикомпонентной смеси потребуются восемь колонн.
2
2
2
2
2
2
2
6
4
2
6
Сравнение предложенного способа с известными иллюстрируется на примере криогенного разделения пятикомпонентной смеси, в которой компоненты определены по температурам их кипения (или по их летучести). Схема разделения для такой смеси на чертежах не приводится в связи с ее громоздкостью, но построение схемы понятно специалисту исходя из схем на Фиг.1-3 и пояснений к ним. Двумя целевыми компонентами в смеси являются индивидуальные инертные газы криптон и ксенон. Третьим компонентом служит фракция из низкокипящих веществ (НК): О, N, Аr, СО, Не, Н и др. Четвертый компонент фракция из высококипящих веществ (ВК): НО, NO, Rn, СО, СН. Пятый компонент (ПР): фракция фторуглеродов CF, CF, температуры кипения которых приходятся между температурами кипения криптона и ксенона. По известным способам [7, 8] при получении ксенона чистоты 99,99999% степень его извлечения из указанной смеси составляет 92%; для криптона той же степени чистоты степень извлечения не превышает 90%. В предлагаемом способе при использовании восьми ректификационных колонн в разделительной установке удалось получить криптон и ксенон чистотой 99,99999% при степени извлечения каждого из них 99,999%.
Список литературы
1. Гольдштейн Р.Ф. Химическая переработка нефти. М.: Издательство иностранной литературы, 1961, 424 с.
2. Крель Э. Руководство по лабораторной перегонке. М.: Химия, 1980, 261 с.
3. Синайский Э.Г., Лапига Е.Я., Зайцев Ю.В. Сепарация многофазных многокомпонентных систем. М.: Недра, 2002, 622 с.
4. Патент США № 5133785, 1992 г.
5. Патент США № 6053008, 2000 г.
6. Патент США № 6260380, 2001 г.
7. Патент Российской Федерации № 2242267, 2004 г.
8. Патент Российской Федерации №2213609, 2003 г.