УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ КСЕНОНОСОДЕРЖАЩЕГО КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использована для получения ксенонового концентрата из потока ксеноносодержащего кислорода.
Известно устройство для получения ксенонового концентрата, содержащее блок адсорберов ксенона, который по трубопроводу соединен с блоком адсорберов криптона через первый теплообменник, а также первую и вторую газодувки, которые через соответствующие электронагреватели трубопроводами соединены с блоком адсорберов ксенона и блоком адсорберов криптона, соответственно, и второй теплообменник, который соединен, по крайней мере, с одним из адсорберов дополнительной очистки, который посредством трудопровода соединен с блоком адсорберов ксенона [SU 1745313, А2, B01D 53/02, 07.07.1992].
Недостатком этого устройства являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно может быть использовано для получения концентрата ксенона только из смеси ксенона и криптона.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для получения ксенона из газовой смеси, содержащее, по меньшей мере, один контактный аппарат, заполненный адсорбентом, газгольдер, первую контактную печь для каталитического выжигания углеводородов, вторую контактную печь для каталитического выжигания фторхлордериватов предельных углеводородов, охладитель газа, блок осушки и очистки газа, включающий два попеременно работающих адсорбера-осушителя, и блок низкотемпературного разделения компонентов газовых смесей, включающий соответствующее оборудование (регенеративные теплообменники, ректификационные колонны, сепараторы, детандеры, фильтры и т.д.), причем, устройство может иметь несколько контактных аппаратов с возможностью их отключения и переключения на соответствующие режимы работы, а именно на процесс адсорбции или регенерации (десорбции) адсорбента [RU 2259522, Cl, F25J 3/00, B01D 53/02, 27.08.2005].
Недостатком наиболее близкого технического решения являются
относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно хотя и позволяет получать ксенон из газовой смеси, но при этом не обеспечивает низкий радиационный фактор в выходном полезном продукте, вызванный относительно высоким присутствием в ней радона.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет снижения радиационного фактора в полезном продукте.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в установку, содержащую адсорбер ксенона, теплообменник и наполнительную рампу, введены радонозадерживающий адсорбер, электронагреватель, мембранный компрессор, расходомер и вентили с первого по четырнадцатый, причем, наполнительная рампа через одиннадцатый вентиль соединена трубопроводом с выходом мембранного компрессора, который через десятый вентиль соединен с входом расходомера и через девятый вентиль соединен с входом подачи нагретого азота, выход расходомера соединен со входом электронагревателя, выход которого соединен с трубопроводом между седьмым вентилем и входом адсорбера ксенона, выход которого через двенадцатый вентиль соединен с выходом в атмосферу, через восьмой вентиль соединен с входом мембранного компрессора, а через последовательно установленные шестой и четвертый вентили - с первым входом теплообменника, первый выход которого через первый вентиль соединен с выходом возвратного кислорода, второй вентиль установлен между входом подачи кислорода и вторым входом теплообменника, второй выход которого через пятый вентиль соединен со входом радонозадерживающего адсорбера, а через четырнадцатый вентиль - соединен с выходом в атмосферу, выход радонозадерживающего адсорбера через седьмой вентиль соединен с трубопроводом между седьмым вентилем и адсорбером ксенона, а через последовательно установленные тринадцатый вентиль и шестой вентиль соединенными между собой трубопроводом подачи охлажденного азота соединен с третьим входом теплообменника, третий выход которого соединен через третий вентиль с выходом в атмосферу.
На чертеже представлена функциональная схема установки для получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода.
Установка для получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода содержит радонозадерживающий адсорбер 1, адсорбер ксенона 2, теплообменник 3, мембранный компрессор 4, наполнительную рампу 5 с баллонами 6, ксенонозадерживающий сорбент 7, помещенный в адсорбер ксенона 2, радонозадерживающий сорбент 8, помещенный в радонозадерживающий адсорбер 1, электронагреватель 9, расходомер 10 и вентили с первого по четырнадцатый 11…24.
В установке для получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода наполнительная рампа 5 через одиннадцатый вентиль 21 соединена трубопроводом с выходом мембранного компрессора 4, который через десятый вентиль 20 соединен с входом расходомера 10 и через девятый вентиль 19 соединен с входом подачи нагретого азота.
Кроме того, расходомер 10 трубопроводом соединен со входом электронагревателя 9, выход которого соединен с трубопроводом между седьмым вентилем 17 и входом адсорбера ксенона 2, выход которого через двенадцатый вентиль 22 соединен с выходом в атмосферу, через восьмой вентиль 18 - соединен с входом мембранного компрессора 4, а через последовательно установленные шестой 16 и четвертый 14 вентили - с первым входом теплообменника 3, первый выход которого через первый 11 вентиль - соединен с выходом подачи кислорода.
Дополнительно к указанному второй вентиль 12 установлен между входом подачи кислорода и вторым входом теплообменника 3, второй выход которого через пятый вентиль 15 соединен со входом радонозадерживающего адсорбера 1, а через четырнадцатый вентиль 24 - соединен с выходом в атмосферу, выход радонозадерживающего адсорбера 1 через седьмой вентиль 17 соединен с трубопроводом между седьмым вентилем 17 и адсорбером ксенона 2, а через последовательно установленные тринадцатый вентиль 23 и шестой вентиль 16, соединенными между собой трубопроводом подачи охлажденного азота, соединен с третьим входом теплообменника 3, третий выход которого соединен через третий вентиль 13 с выходом в атмосферу.
Установка для получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода работает следующим образом.
Основное предназначение установки - извлекать ксенон из так называемого «потока безопасности», представляющего собой жидкий кислород, отбираемый из хвостовой части воздухоразделительных установок (ВРУ), с которым из них выводятся взрывоопасные примеси (прежде всего, углеводороды). Обычно этот жидкообразный поток превращают в газообразный в самой ВРУ.
Процесс адсорбционного поглощения ксенона из газообразного «потока безопасности» происходит в одном адсорбере, габариты которого подбираются таким образом, чтобы его время работы на этапе нанесения (поглощение ксенона из кислорода) составляло примерно 3 месяца. При этом продолжительность этапа десорбции и выдачи продукта составляет около 2 суток. Это позволяет значительно снизить капитальные затраты и габариты средств концентрирования в сравнении известными установками, при минимальных потерях продукта, связанных с отключением адсорбера на десорбцию и выдачу целевого продукта.
В технологическую схему установки перед адсорбером ксенона 2 включен радонозадерживающий адсорбер 1, габариты которого значительно меньше адсорбера ксенона 2 и который предназначен для практически полной задержки радона.
222
Размеры этого адсорбера целесообразно выбирать таким образом, чтобы продвижение адсорбционного фронта радона ограничивалось длиной слоя радонозадерживающего сорбента 8. При этом учитываются 2 фактора: собственно адсорбционный, определяющий динамику процесса поглощения радона, и радиационный, определяющий время, при котором значительная часть адсорбированного радона распадется на сорбенте, это время определяется, исходя из известного времени полураспада его основного изотопа Rn=3,823 суток.
В результате этого в отбираемом из основного адсорбера ксеноновом концентрате мощность радиационного излучения находится на уровне естественного фона.
Проведенные расчеты, подтвержденные экспериментальными данными, показали, что размеры радонозадерживающего адсорбера 1 могут быть значительно уменьшены в сравнении с габаритами адсорбера ксенона 2.
Установка содержит два технологически последовательно включенных адсорбера (радонозадерживающий адсорбер 1 и адсорбер ксенона 2), соединенных в единую технологическую схему с помощью вентилей, трубопроводов, а также включающую в себя теплообменник 3, компрессор 4 и наполнительную рампу 5 с баллонами 6.
Установка имеет соединения с воздухоразделительным устройством для получения из него необходимого количества хладоагентов и возврата в него очищенного от примесей кислорода. В схему включен электронагреватель 9, позволяющий проводить десорбцию сорбента и его регенерацию. Установка снабжена необходимыми контрольно - измерительными приборами, например, расходомером 10.
Поток кислорода с содержащимся в нем ксеноном из внешнего воздухоразделительного устройства, например, из испарителя жидкого кислорода, через второй вентиль 12 направляется в теплообменник 3, где охлаждается до рабочей температуры за счет холода идущего противотоком через шестой 16 и третий 13 вентили, например, газообразного азота, отбираемого из воздухоразделительного устройства, а также за счет холода возвращаемого в воздухоразделительное устройство через четвертый 14 и первый 11 вентили потока кислорода, очищенного от ксенона.
Охлажденный кислород, содержащий ксенон, через пятый вентиль 15 направляется в радонозадерживающий адсорбер 1, заполненный радонозадерживающим сорбентом 8, где из него полностью извлекается радон, а также частично тяжелые углеводороды, например этан. Затем поток кислорода с находящимся в нем ксеноном через седьмой вентиль 17 направляется на вход адсорбера ксенона 2, заполненного ксенонозадерживающим сорбентом 7, где адсорбируется ксенон, часть криптона и метана, а также часть кислорода. Этот этап, продолжается до появления на выходе адсорбера 2 проскока ксенона (исходя из размеров адсорбера и технологического режима, продолжительность этапа составляет от 60 до 90 суток).
После этого в адсорбере 2 проводится операция замещения, имеющая целью заместить взрывоопасную в присутствии метана кислородную среду на безопасную азотную. Для этого закрываются седьмой 17 и шестой 16 вентили и на вход адсорбера 2 через девятый вентиль 19 подается азот с содержанием в нем кислорода менее 0,1%. Азот, пройдя адсорбер 2, через двенадцатый вентиль 22 сбрасывается в атмосферу. Необходимый расход азота контролируется расходомером 10.
Этап замещения продолжается до тех пор, пока содержание остаточного кислорода в точке на выходе адсорбера 2 не снизится до 0,1-0,5%, иначе на последующем этапе разделения возможно возникновение опасных концентраций кислорода в смеси (в частности при отсутствии поддува азота в контур), приводящих к взрывоопасным ситуациям.
На следующем этапе - этапе разделения, в адсорбере 2 от его входа к выходу создается движущее температурное поле, образующееся с помощью включенного в работу циркуляционного контура. Девятый 19 и двенадцатый 22 вентили закрывают, а восьмой 18 и десятый 20 открывают. Запускают мембранный компрессор 4. Контроль За расходом газа осуществляется по расходомеру 10.
После образования циркуляционного контура включают в работу электронагреватель 9, обеспечивая на входе в адсорбер 2 необходимую высокую температуру. Под воздействием образующегося в адсорбере 2 движущегося температурного поля адсорбированный на ксенонозадерживающем сорбенте 7 ксенон будет смещаться в направлении выхода, одновременно концентрируясь в нижележащих слоях ксенонозадерживающего сорбента 7. К моменту появления концентрационной волны ксенона на выходе адсорбера 2 весь ксенон будет находиться в сжатой (узкой) зоне его выхода. После начала повышения концентрации ксенона на выходе адсорбера 1 начинается закачка продукционного ксенонового концентрата в баллоны наполнительной рампы 5 через одиннадцатый вентиль 21. По мере снижения давления в циркуляционном контуре, вызванном уменьшением количества десорбирующегося ксенона, приоткрывая девятый вентиль 19, обеспечивается подача азота, благодаря чему давление в контуре поддерживается постоянным.
После того, как десорбция ксенона будет полностью завершена, о чем свидетельствует повышение температуры на выходе адсорбера 2 до заданного предела, циркуляционный контур размыкают путем закрывания десятого вентиля 20. Выключают электронагреватель 9 и остающийся на ксенонозадерживающем сорбенте 7 и в его межзерновом пространстве концентрат закачивается в баллоны 6 наполнительной рампы 5 путем вытеснением его азотом из адсорбера 2, для чего азот подается через девятый вентиль 19.
При снижении концентрации ксенона на выходе адсорбера 2 ниже заданного предела закачку концентрата в наполнительную рампу 5 прекращают, останавливают мембранный компрессор 4 и закрывают все вентили.
После этого начинают регенерацию ксенонозадерживающего сорбента 7 от тяжелых примесей, прошедших через радонозадерживающий адсорбер 1 и попавших на насадку адсорбера 2. Для этого открывают девятый 19 и двенадцатый 22 вентили, устанавливают по расходомеру 10 необходимый расход азота на входе в адсорбер 2 и включают электронагреватель 9, поднимая температуру регенерирующего газа на входе до заданного предела (контроль осуществляется по температуре на выходе адсорбера 2.
Регенерация ксенонозадерживающего сорбента 7 заканчивается по достижении заданной температуры на выходе адсорбера 2. После этого выключают электронагреватель 9 и закрывают девятый 19 и двенадцатый 22 вентили. Затем проводят охлаждение адсорбера 2 до рабочей температуры, подавая через четырнадцатый вентиль 24 холодный азот из воздухоразделительного устройства. Прошедший адсорбер 2 азот сбрасывают в атмосферу через двенадцатый вентиль 22. После достижения на выходе адсорбера 2 рабочей температуры, охлаждение заканчивают и адсорбер 2 вновь готов к приему из воздухоразделительного устройства кислорода, содержащего ксенон.
Регенерацию и охлаждение сорбента в радонозадерживающем адсорбере 1 проводят одновременно с аналогичными операциями в адсорбере 2. Для этого в установке предусмотрены седьмой 17 и четырнадцатый 24 вентили.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения снижения радиационного фактора в выходном полезном продукте.