УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОННАХ

Полезная модель относится к криогенной технике, а именно, к устройствам получения компонентов газовых смесей методом ректификации, в частности, газовых смесей, характеризуемых малым значением коэффициента разделения, например, изотопов неона.
Известно устройство разделения неона на изотопы методом ректификации в условиях криогенных температур [Bewilogua. P., Gacdicke K., Vergea P. Vortrag auf der 4, Arbeitstagung uber stabile Isotope: - Leipzig, 1963], содержащее одну ректификационную колонну.
20
22
Недостатком устройства является относительно малая производительность из-за ограниченной высоты контактного пространства одиночной ректификационной колонны, что вынуждает проводить разделение частично обогащенных компонентов повторно в одной и той же ректификационной колонне. Кроме того, устройство отличается относительно низкой концентрацией получаемых в колонне потоков легкого (Ne) и тяжелого (Ne) компонентов.
Известно устройство для разделения трудноразделимых смесей в ректификационных колоннах [RU 2254905, C1, B01D 59/04, F25J 3/02, 27.06.2005], включающее ректификационные колонны, соединенные трубопроводами аппараты, арматуру циклов высокого и низкого давлений, размещенные в кожухе, компрессор высокого давления, причем, по крайней мере одна ректификационная колонна разбита на головную секцию колонны, промежуточные секции колонны и секцию с кубом колонны, головная секция ректификационной колонны и каждая промежуточная секция ректификационной колонны в нижней части под контактным пространством имеют патрубки выхода жидкости и входа пара, секция с кубом ректификационной колонны и каждая промежуточная секция ректификационной колонны в верхней части над контактным пространством имеют патрубки входа жидкости, выхода пара и штуцер, патрубки выхода и входа пара разных секций последовательно соединены паровыми линиями, а патрубки выхода и входа жидкости этих же секций - жидкостными линиями с дополнительно установленными побудителями расхода, при этом, побудители расхода и головная секция ректификационной колонны в верхней части содержат конденсаторы, полости охлаждающей среды которых включены в циркуляционный контур циклов высокого и низкого давлений.
Данное устройство наиболее близко по технической сущности и числу общих признаков к заявленному устройству в силу чего принято в качестве прототипа.
21
22
21
22
21
22
Недостаток наиболее близкого технического решения - длительный пусковой период. В этот промежуток времени контактные пространства ректификационных колонн (особенно последних секций) необходимо заполнить жидкостью (флегмой), обогащенной целевыми компонентами, например, (Ne и Ne). Количество названных компонентов, поступающих в контур разделения, пропорционально расходу смеси, подаваемой в головную секцию и концентрации в ней (Ne и Ne). Поскольку эта концентрация во многих случаях задана, например, изотопным составом «природного» неона 0,095; (9,5%), то единственным способом ускорить процесс накопления (Ne и Ne) является повышение производительности головной секции [Теория разделения изотопов в колоннах - А.М.Розен Москва 1960 стр.437] за счет увеличения сечения ее контактного пространства.
Между тем, увеличение поперечного размера ректификационной колонны ведет к нарушению массообмена между потоками пара и флегмы. При этом снижаются разделяющая способность ректификационной колонны и падает количество накапливаемых в контуре целевых продуктов, требуемых для формирования флегмы, обогащенной целевыми продуктами.
21
22
Для сокращения пускового периода необходимо выполнить, на первый взгляд, противоречивые условия: - расширить сечение контактного пространства головной секции (не допуская при этом увеличения ее диаметра); - уменьшить объем контактного пространства последней секции, в флегме которой концентрация целевых компонентов, например, (Ne и Ne) должна быть максимальна. Поскольку в секциях устройства-прототипа используются одиночные колонны, одновременно эти условия не выполняются.
Другим недостатком известного технического решения является большая материалоемкость и габариты. Введение в схему парлифтов, каждый из которых содержит отдельный конденсатор, приводит к нерациональному заполнению объема вакуумного кожуха. Это является причиной увеличения габаритов низкотемпературного блока и, как следствие, роста энергозатрат на криогенное обеспечение процесса разделения.
Требуемый технический результат заключается в уменьшении материалоемкости и габаритов устройства, а также сокращении длительности пускового периода при разделении трудноразделимых смесей, например изотопов неона.
j
Требуемый технический результат достигается тем, что в установке для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах, содержащей размещенные в кожухе ректификационные колонны, образующие последовательно соединенные головную и N-1 последующие устанавливаемые рядом секции, содержащие контактные пространства, нижние участки которых связаны с кубами, содержащими погружные испарители, а верхние участки - связаны с конденсаторами, количество которых соответствует числу ректификационных колонн, выполненными в виде верхних и нижних трубных решеток, коллекторов, набора трубок, внутренние поверхности которых контактируют с разделяемой смесью в ректификационных колоннах, а наружные - с охлаждающей средой в полостях охлаждающей среды, которые через газовые рекуперативные теплообменники связаны линией обратного потока рабочего тела с компрессором, погружным теплообменником и отделителем рабочего тела с патрубком газовой фазы, конденсаторы объединены в блоки конденсаторов секций, которые имеют общие полости охлаждающей среды, а, по крайней мере, одна из N устанавливаемых рядом секций образована группами из n(j=1…N), параллельно включенных ректификационных колонн.
j
j
1
1
1
1-j
N-1
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что количество параллельно включенных ректификационных колонн n в j-ых секциях изменяется по закону геометрической прогрессии n=n·(r+1), где r является натуральным числом, а n равно числу параллельно включенных ректификационных колонн в головной секции, причем, n=(r+1).
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что конденсаторы блоков конденсаторов секций имеют равную высоту трубок и одинаковые трубные решетки, а полости охлаждающей среды конденсаторов блоков конденсаторов секции связаны между собой в верхней и нижней частях двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что трубные решетки блоков конденсаторов секций имеют в плане форму кольца или его фрагмента и установлены соосно конденсатору N-ой секции, выполненному цилиндрическим.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что верхняя и нижняя трубные решетки каждого из конденсаторов блоков конденсаторов снабжены коллекторами, образующими пары замкнутых полостей, связанных между собой через внутренние полости трубок теплообменных поверхностей конденсаторов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что боковые стороны полости охлаждающей среды конденсаторов блоков конденсаторов секций соединены с трубными решетками, которые выполняют функцию днища полости охлаждающей среды конденсаторов блоков конденсаторов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, по крайней мере, одна ректификационная колонна расположена со сдвигом относительно оси кожуха, при этом, кубы этих ректификационных колонн выполнены с эксцентриситетом но отношению к осям соответствующих ректификационных колонн.
1
2
3
j
1
1-j
На фиг.1 - функциональная схема установки для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах для частного случая, когда число последовательных установленных рядом секций N=3. Число ректификационных колонн в секциях n=4, n=2, n=1 изменяется по закону геометрической прогрессии n=n·(r+1) со знаменателем 2 (для случая r=1). Причем конденсаторы головной секции и второй секции объединены в блоки конденсаторов секции и имеют общие полости охлаждающей среды.
На фиг.2 - пример выполнения блоков конденсаторов секций для установки, аналогичной той, которая представлена на фиг.1. В первой (головной) и второй секциях использованы однотипные блоки конденсаторов, имеющие равную высоту трубок. Причем полости охлаждающей среды двух однотипных блоков конденсаторов головной секции в верхней и нижней частях связаны двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.
На фиг.3 - продольный (А-А) и поперечный (Б-Б) разрезы конденсаторов согласно фиг.2, объединенных в однотипные блоки конденсаторов секций с равной высотой трубок и одинаковыми трубными решетками в первой (головной) и второй секциях. При этом, полости охлаждающей среды двух однотипных блоков конденсаторов головной секции связаны между собой в верхней и нижней частях двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.
Фиг.4 и 5 - поперечные разрезы (В-В) и (Г-Г) блока конденсаторов согласно фиг.2, 3, имеющего однотипные блоки в первой (головной) и второй секциях. При этом полости охлаждающей среды двух однотипных блоков конденсаторов головной секции связаны между собой в верхней и нижней частях двумя линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.
На фиг.6 - продольный (Д-Д) и поперечный (Е-Е) разрезы кубов для устройства согласно фиг.1, 2, в котором кубы ректификационных колонн в первой (головной) и второй секциях колонн расположена на одинаковом удалении от оси кожуха, а кубы упомянутых ректификационных колонн выполнены с эксцентриситетом по отношению к осям ректификационных колонн.
На фиг.7 - расчетная схема и обозначения для частного случая, когда число последовательных установленных рядом секций N=4.
В таблице 1 - параметры потоков рабочего тела и разделяемой изотопной смеси на примере неона.
22
В таблице 2 - концентрации Z, X и Y тяжелого компонента (Ne) на входе и выходе из ректификационных колонн, согласно фиг.7.
j
j
1
1
1-j
N-1
В таблице 3 - результаты расчета количества колонн n в группах, образующих N последовательно соединенных секций по закону n=n·(r+1), где n=(r+1), - число колонн в группе, образующей головную секцию, r - натуральные числа (1, 2, 3…).
20
Установка для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах содержит ректификационные колонны (фиг.1) головной 1, второй 2 и третьей 3 последовательно установленных рядом секций. Головная секция 1 образована группой из четырех параллельно включенных ректификационных колонн, а вторая секция 2 - группой из двух параллельно включенных ректификационных колонн. Каждая из ректификационных колонн содержит контактное пространство 4, выполняющее функцию массообменной поверхности, на которой происходит разделение смеси на компоненты. Нижние участки контактных пространств 4 связаны с кубами 5, содержащими погружные испарители 6. Верхние участки контактных пространств 4 связаны с конденсаторами 7, имеющими теплообменные поверхности 8, которые снаружи омываются охлаждающей средой 9, кипящей в полостях 10 охлаждающей среды. Конденсаторы 7 головной 1 и второй 2 секций объединены в блоки 11, которые имеют общие полости 10 охлаждающей среды. Выходные патрубки 12, полостей 10 охлаждающей среды связаны с линией 13 обратного потока рабочего тела. Входные патрубки 14 полостей 10 охлаждающей среды связаны с регуляторами расхода 15 погружных испарителей 6. В верхней части конденсаторов 7 имеются линии 16 отдувок для сброса легкого компонента, например Ne.
22
21
22
К средней части контактных пространств 4 группы ректификационных колонн головной секции 1 подключена линия 17 подачи предварительно охлажденной разделяемой смеси (фиг.1). Из нижних точек кубов 5 ректификационных колонн первой 1 и второй 2 секций выходят линии 18 отбора тяжелого компонента, которые вводятся в средину контактных пространств 4 ректификационных колонн второй 2 и третьей 3 секций, соответственно. Куб 5 ректификационной колонны третьей секции 3 снабжен линией 19 отбора тяжелого компонента (например, Ne или смеси Ne+Ne). Входные патрубки погружных испарителей 6 в кубах 5 подключены к линии 20 прямого потока рабочего тела низкого давления.
Линия 13 обратного потока рабочего тела связана с компрессором 21. Линия 22 прямого потока рабочего тела высокого давления последовательно проходит через первый рекуперативный газовый теплообменник 23, погружной теплообменник 24, второй рекуперативный газовый теплообменник 25 и заканчивается дросселем 26. После дросселя 26 установлен отделитель 27 рабочего тела. Верхняя часть отделителя 27, в которой формируется газовая фаза, связана с линией 20 прямого потока рабочего тела низкого давления, а нижняя часть, в которой накапливается жидкость - через дроссели 28 подключена к выходным патрубкам регуляторов расходов 15 погружных испарителей 6.
Конденсаторы 7 группы ректификационных колонн второй секции 2 объединены в блок 11 конденсаторов, имеющий общую полость охлаждающей среды 10 (фиг.2). В головной (первой) секции 1, образованной группой четырех ректификационных колонн использованы два однотипных блока 11 конденсаторов, которые идентичны блоку конденсаторов второй секции (фиг.1, 2). Полости охлаждающей среды 10 блоков 11 конденсаторов головной секции 1 связаны между собой верхней 29 и нижней 30 линиями, обеспечивающими одинаковые уровни жидкости в полостях охлаждающей среды.
Конденсаторы 7 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1 выполнены в виде двух однотипных блоков 11, имеющих первую 31 и вторую 32 верхние и первую 33 и вторую 34 нижние трубные решетки. Они в плане представляют собой фрагменты кругового кольца с центральным углом, близким к 120° (фиг.3). Такой же унифицированный блок включает конденсаторы 7 ректификационных колонн второй секции 2. Блок 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн второй секции 2 имеет верхние 35 и нижние 36 трубные решетки. Блоки 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн, образующих головную (первую) 1 и вторую 2 секции, расположены соосно конденсатору ректификационной колонны третьей секции 3, имеющему верхнюю 37 и нижнюю 38 трубные решетки в виде дисков.
Первая верхняя трубная решетка 31 блока 11 конденсаторов 7 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1 связана с первым 39 и вторым 40 верхними коллекторами, а первая нижняя трубная решетка 33 блока 11 конденсаторов 7 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1 связана с первым 41 и вторым 42 нижними коллекторами. Пары коллекторов 39-41 и 40-42 сообщаются между собой через трубки теплообменных поверхностей 8 конденсаторов 7 блока 11 конденсаторов и связаны с верхними частями группы ректификационных колонн первой секции 1 и линиями отдувки 16 легкого компонента.
Аналогично вторая верхняя трубная решетка 32 головной (первой) секции 1 связана с третьим 43 и четвертым 44 верхними коллекторами, а вторая нижняя 34 трубная решетка головной (первой) секции 1 - с третьим 45 и четвертым 46 нижними коллекторами головной (первой) секции 1. При этом образуются пары коллекторов 43-45 и 44-46, сообщающихся между собой через трубки теплообменных поверхностей блока конденсаторов 11.
Подобным образом верхняя трубная решетка 35 группы ректификационных колонн второй секции 2 связана с первым 47 и вторым 48 верхними коллекторами второй секции 2, а нижняя трубная решетка 36-е первым 49 и вторым 50 нижними коллекторами второй секции 2. При этом образуются пары коллекторов 47-49 и 48-50, сообщающихся между собой через трубки теплообменных поверхностей 8 блока 11 конденсаторов 7. Эти пары также, связывают верхние части контактных пространств 4 группы ректификационных колонн второй секции 2 с соответствующими линиями отдувки 16 легкого компонента.
Верхняя трубная решетка 37 ректификационной колонны третьей секции 3 связана с верхним коллектором 51 третьей секции 3, а нижняя трубная решетка 38 - с нижним коллектором 52 третьей секции 3. При этом образуется пара коллекторов, сообщающихся между собой через трубки теплообменных поверхностей 8 блока 11 конденсаторов 7, которая связывает верхнюю часть контактного пространства 4 ректификационной колонны третьей секции 3 с соответствующей линией отдувки 16 легкого компонента.
Трубные решетки блоков конденсаторов связаны с боковыми поверхностями полостей охлаждающей среды 10 и, по существу, выполняют функции днищ.
Ректификационные колонны, блоки конденсаторов, узел кубов газовые теплообменники 23 и 25, а также погружной теплообменник 24 и отделитель 27 размещены в вакуумном кожухе 53 (фиг.1). Внешние теплопритоки экранируются при помощи многослойной изоляции 54 и азотного экрана 55 (фиг.1 и 6). Азотный экран 55 находится в тепловом контакте с линией газообразного хладагента 56, которая связана с вакуумным насосом 57. Погружной теплообменник 24 также снабжен веткой 58 сброса паров азота, которая используется в пусковой период при охлаждении устройства и при отключенном вакуумном насосе 57.
В полостях кубов 5 ректификационных колонн первой 1, второй 2 и третьей 3 секций установлены погружные испарители 6 (фиг.6). Причем, для уменьшения радиального габарита группа периферийных ректификационных колонн головной (первой) 1 и второй 2 секций расположена на одинаковом удалении от оси кожуха, а кубы упомянутых ректификационных колонн смещены по отношению к осям ректификационных колонн на величину δ=(0,5…1,5)·R, где R - радиус контактных пространств 4 по отношению к осям соответствующих кубов. Это позволяет уменьшить диаметр азотного экрана 55 на протяжении контактных пространств 5 и размеры вакуумного кожуха 53.
Установка для разделения газовых смесей в ректификационных колоннах в частном варианте, показанном на фиг.1, работает следующим образом.
Компрессор 21 сжимает рабочее тело, поступающее из полостей 10 охлаждающей среды по линии 13 обратного потока. Прямой поток рабочего тела высокого давления, например P=140 бар, подаваемый по линии 22, охлаждается в первом рекуперативном газовом теплообменнике 23 до T≈100 К. Затем температура прямого потока падает до T≈82 К в погружном теплообменнике 24 и далее во втором рекуперативном газовом теплообменнике 25 до T≈52 К. В погружном теплообменнике 24 понижение температуры рабочего тела и подаваемой по линии 17 разделяемой смеси (например, природного неона) происходит за счет кипения жидкого азота при P=0,3…1,0 бар, в первом и втором газовых рекуперативных теплообменниках 23 и 25 - за счет обратного потока рабочего тела в линии 13, а в первом газовом теплообменнике также за счет паров азота подаваемого по линиям 56 и 58.
В дросселе 26 давление прямого потока снижается до уровня P=5,4…21,8 бар. При этом после дросселя 26 в потоке образуется 50…60% жидкости, а температура падает до T=34…43 К, соответственно. В отделителе 27 рабочее тело низкого давления расслаивается на две фазы: газообразную и жидкую. Газовая фаза по линии 20 подается на вход погружных испарителей 6 и обеспечивает кипение тяжелого компонента в кубах 5, при этом частично конденсируясь. Расход рабочего тела через погружные испарители 6 каждой из колонн устанавливают при помощи регуляторов расхода 15. Жидкая фаза из отделителя 27 подается через дроссели 28, смешивается с парожидкостными потоками рабочего тела после регуляторов расхода 15 и с давлением около P=1,5 бар, (абс.) подступает в полости 10 охлаждающей среды ректификационных колонн головной (первой) 1, второй 2 и третьей 3 секций.
Охлаждающая среда 9 в результате кипения на теплообменных поверхностях 8 превращается в газ, который выводятся из полости 10 охлаждающей среды через выходные патрубки 12, подается в линию 13 обратного потока рабочего тела и поступают в компрессор 21. При этом газообразная охлаждающая среда последовательно отогревается во втором 25 и в первом 23 рекуперативных газовых теплообменниках.
22
20
21
22
20
В результате подвода тепла к жидкому тяжелому компоненту в кубах 5 со стороны погружных испарителей 6 образуются потоки пара, которые двигаются вверх вдоль контактных пространств 4 в ректификационных колоннах (головной) первой 1, второй 2 и третьей 3 секций. Достигая холодной теплообменной поверхности 8 блоков 11 конденсаторов 7, пары разделяемой смеси переходят в жидкое состояние. Жидкость стекает вниз, орошая контактные пространства 4. За счет интенсивного массообмена между этой жидкостью (так называемой флегмой) и потоками пара, образующимися в кубах 5, происходит обогащение жидкости в кубах тяжелым изотопным компонентом (в данном случае - неоном Ne). Одновременно в верхних частях контактных пространств 4 начинает накапливаться легкий (преобладающий) компонент Ne. Наиболее редкий компонент Ne получают на первом этапе в смеси с тяжелым компонентом (Ne) или накапливают в контактных пространствах 4, постепенно замещая в них менее ценный компонент Ne.
22
Жидкость из кубов 5 ректификационных колонн головной (первой) 1 и второй 2 секций отбирают по линиям 18. Причем, тяжелый компонент группы ректификационных колонн первой секции 1 поступает в виде жидкости на дальнейшее обогащение в группу ректификационных колонн второй секции 2, а ее кубовая жидкость - в ректификационной колонну третьей секции 3, из куба которой по линии 19 отбирают в виде продукта тяжелый компонент Ne.
21
20
22
21
В средину контактного пространства 4 группы ректификационных колонн первой секции 1 по линии 17 подается разделяемая смесь, предварительно охлажденная в первом 23 и втором 25 рекуперативных газовых теплообменниках, а также в погружном теплообменнике 24. Подвод разделяемой смеси, содержащей 0,27% Ne, и отбор легкого Ne и тяжелого Ne компонентов по линиям 16 и 19, соответственно, позволяет накапливать Ne в контактном пространстве 4 ректификационной колонны третьей секции 3.
1
2
3
Для работы последовательно включенных секций и обеспечения бескомпрессорной подачи жидкого тяжелого компонента из группы ректификационных колонн головной секции 1 группу в ректификационных колонн второй секции 2, а из них - в ректификационную колонну третьей секции 3, между колоннами генерируется побуждающая разность давлений P>P>P.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
При одинаковых условиях охлаждения в конденсаторах 7 необходимая для работы побуждающая разность давлений между колоннами P>P>P обеспечивается настройкой регуляторов 15 расхода погружных испарителей 6. Для получения разности давлений (например, P=3,5 бар, P=3 бар и P=2,5 бар) расходы рабочего тела через погружные испарители 6 кубов 5 колонн предыдущей секции устанавливают выше, чем через погружные испарители кубов последующей секции G>G>G, (фиг.6). Причем, для обеспечения компактности группы периферийных ректификационных колонн секций 1 и 2 расположены на одинаковом удалении от оси кожуха, а кубы упомянутых ректификационных колонн выполнены с эксцентриситетом δ по отношению к осям ректификационных колонн секций 1 и 2.
Блоки 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн (фиг.1-5) работают следующим образом. В полости 10 охлаждающей среды через входные патрубки 14 подается парожидкостный поток рабочего тела. Поток расслаивается на жидкость 9 и газ, который сразу отводится через выходной патрубок 12 в линию 13 обратного потока рабочего тела. Слои жидкости 9 омывают снаружи теплообменные поверхности 8 в виде трубок, установленных между верхними (31, 32, 35, 37) и нижним (33, 34, 36, 38) трубными решетками. Внутренние полости трубок соответствующих конденсаторов 7 сообщены с контактными пространствами 4 ректификационных колонн головной (первой) 1, второй 2 и третьей 3 секций. Между парами разделяемой смеси в трубках теплообменных поверхностей 8 и кипящей охлаждающей средой 9 обеспечивается разность температур ΔT=2…4 К. За счет этого пары разделяемой смеси конденсируются внутри трубок и образуют флегму, которая собирается в нижних коллекторах 41, 42, 45, 46 группы ректификационных колонн головной (первой) секции 1, нижних коллекторах 49, 50 группы ректификационных колонн второй секции 2 и нижнем коллекторе 52 ректификационной колонны третьей секции 3. Потоки флегмы из нижних коллекторов направляются в контактные пространства соответствующих ректификационных колонн. Одновременно охлаждающая среда снаружи теплообменных поверхностей 8 кипит, а образовавшийся газообразный поток отводится через выходные патрубки 12 в линию 13 обратного потока рабочего тела. За счет верхней 29 и нижней 30 линий между полостями 10 охлаждающей среды в блоках 11 конденсаторов 7 ректификационных колонн головной (первой) секции 1 обеспечиваются одинаковые уровни жидкой охлаждающей среды 9 (фиг.2-5).
20
Легкий компонент накапливается в верхних коллекторах 39, 40, 43, 44 группы ректификационных колонн головной секции 1, верхних коллекторах 47, 48 группы ректификационных колонн второй секции 2 и верхнем коллекторе 51 ректификационной колонны третьей секции 3. Легкий компонент (Ne) отбирают по линиям отдувки 16 через расходомеры в газгольдеры (не показаны) и периодически закачивают в баллоны.
В таблице 1 систематизированы данные о процессах, характерных для работы холодильного цикла, обеспечивающего работу комплекса ректификационных колонн для разделения неона на изотопы.
22
Концентрации Z, X и Y тяжелого компонента (Ne) на входе и выходе из ректификационных колонн для схемы, представленной на фиг.7, определяется следующим образом.
Допустим, что изотопная смесь состоит из двух преобладающих компонентов: легкого «Л» и тяжелого «Т» и имеет начальную концентрацию по компоненту «Т» равную, например, Z=0,095 (9,5%). В дальнейшем, учитывая бинарный состав смеси, все концентрации приведены исключительно к компоненту «Т». Тогда доля компонента «Л» при этом будет равна (1-Z). Например, для принятого состава исходной смеси содержание легкого компонента будет (1-Z)=1-0,095=0,905; (90,5%).
В результате разделения, например, путем фракционной конденсации, будут получены два потока. По отношению к исходной смеси один из потоков (жидкость) несколько обогатится тяжелым компонентом «Т» X=0,097>Z. В то же время, в другом потоке - паре наступит понижение концентрации компонента «Т» Y=0,093<Z (т.е. он обогатится легким компонентом «Л»), В пределах одного шага фракционирования (одной теоретической тарелки) разность концентраций между потоками жидкости и пара выражается формулой [Apelblat A. The Theory of a Real Isotope Enriching Cascade / A.Apelblat, Y.Ilamed-Lehrer // Journal of Nuclear Energy. - Vol.22. - July 1967. - P.1-26.], [Бродский А.И., Стабильные изотопы легких элементов, / Успехи физических наук, т.ХХ, вып.2, 1988 г. с.153-182]
20
22
В формуле (1) в числителе - относительная концентрация тяжелого и легкого компонентов в жидкости; а в знаменателе - относительная концентрация тяжелого и легкого компонентов в паре; α - коэффициент разделения (для изотопной пары Ne-Ne α≈1,04 [Теория разделения изотопов в колоннах - А.М.Розен Москва 1960 стр.437]. Если изменение состава одного из потоков (X или У) отсчитывается от исходной концентрации Z, то изменение концентраций потоков будет менее выраженным. В этом случае в качестве приближенной характеристики процесса используют величину
или
Чтобы усилить эффект разделения процесс повторяют несколько раз, используя в каждом шаге фракционирования уже полученный (ранее обогащенный определенным компонентом поток). Эту процедуру можно осуществить, например, в ректификационной колонне, имеющей k условных тарелок. Тогда результат обогащения в частях колонны (ниже и выше точки ввода исходной смеси) выразится соотношениями, соответственно
или
22
Применительно к нижней части колонны, предназначенной для концентрирования тяжелого компонента «Т» (или Ne) формула 4-а может быть представлена в виде
Последнее равенство устанавливает зависимость между составом подаваемой в колонну смеси Z (по тяжелому компоненту), фактором разделения компонентов β, количеством единиц переноса (теоретических тарелок) k в нижней части ректификационной колонны и концентрацией X кубового продукта. Применим формулу (5) для последовательно включенных секций (фиг.7). Полагая, что кубовая смесь предыдущей секции подается на вход в очередную секцию и, воспользовавшись уравнениями балансов по компоненту «Т», можно определить расходы смеси на входе в каждую ступень.
20
22
22
Ниже, в табличной форме (таблица 2) дан расчет расходных характеристик для 4-х (фиг.7) последовательно включенных секций, предназначенных для начального обогащения нижней фракции тяжелым компонентом «Т» на примере разделения изотопной пары Ne-Ne с природным составом Z=9,5% по неону Ne.
Как следует из таблицы 2 в рассматриваемом примере расходы смеси на входе в секции 1, 2, 3 и 4 относятся, как 160:79:40:22≈8:4:2:1, что примерно соответствует членам геометрической прогрессии со знаменателем=2.
T1
T2
T3
Примечание: Получение абсолютно корректного соотношения расходов по секциям не является самоцелью расчета. Например, с точностью до 1% эта задача решается изменением степеней извлечения C=0,814; C=0,78 и C=0,74.
j
j
1
1
1
1-j
N-1
Площадь поперечного сечения контактного пространства ректификационных колонн каждой из секций, при одинаковых эксплуатационных условиях во многом определяется расходом подаваемой в колонну смеси. Изменение (уменьшение) расходов смеси и эквивалентного сечения контактных пространств ректификационных колонн достигается путем формирования начальных секций из групп колонн одинакового диаметра. В этом случае число колонн n, в составе каждой из групп, образующих N последовательных секций, изменяется по закону геометрической прогрессии n=n·(r+1), где r является натуральным числом, а первый член n равен числу колонн в группе, образующей головную секцию. При этом n=(r+1).
Помимо расхода подаваемой смеси, на скорость пара в ректификационной колонне (а, значит, на сечение ее контактного устройства) оказывают воздействие и другие эксплуатационные факторы. Среди них: флегмовое число и давление ректификации. Однако влияние указанных режимных параметров не только не отвергает возможность и целесообразность формирования последовательных секций из групп колонн, число которых убывает по закону геометрической прогрессии. Наоборот, эти режимные параметры можно рассматривать в качестве дополнительных «степеней свободы», которые позволят существенно расширить диапазон эксплуатационных условий для установок, формируемых из параллельно включаемых групп однотипных ректификационных колонн.
Полезная модель позволяет упростить ступенчатое разделение изотопных смесей в ректификационных колоннах. Снижение металлоемкости низкотемпературного блока за счет исключения части теплообменных аппаратов и применения компактных узлов конденсаторов и кубов позволяет уменьшить радиальный габарит и объем вакуумного кожуха. Снижение величины внешних теплопритоков приводит к сокращению энергозатрат в холодильном цикле и способствует стабильной работе ректификационных колонн.
21
Формирование головной и начальных ступеней из нескольких ректификационных колонн позволяет повысить производительность устройства по исходной смеси без ущерба для эффективности разделения. За счет такого решения сокращается время пускового периода, так как несколько колонн первой секции по существу работают на одну финишную колонну, в контактном пространстве которой происходит накопление целевого продукта. Кроме того, сокращение длительности пускового периода при разделении трудноразделимых смесей, например изотопов неона, достигается за счет исключения из схемы объеов парлифтов, не участвующих в ректификации. Вместо них побуждающая разность давлений, необходимая для подачи смеси из секции в секцию обеспечивается за счет изменения тепловых потоков в испарителях кубов. Повышение производительности и качества разделения газовых смесей обеспечивает получение редких компонентов, например, изотопа Ne.
21
Предложенная схема холодильного цикла хорошо согласуется с технологическим контуром, позволяя получить перепады давлений между колоннами, достаточные для бескомпрессорной подачи разделяемой смеси из секции в секцию. Полезность защищаемых технических решений подтверждена в процессе создания и эксплуатации промышленных установок для получения изотопов неона, в том числе Ne.
Таблица 1
Параметры потоков рабочего тела и разделяемой изотопной смеси на примере неона (согласно схемы фиг.1)
Характер процесса
Параметры (давления абсолютные)
начало
конец
Рабочее тело (неон)
Дросселирование рабочего тела высокого давления в дросселе 26
T=52 К; P=140 бар
T=38,7К; P=12 бар. Доля жидкости φ=53%
Разделение паро-жидкостной смеси в фазовом сепараторе 27
T=38,7К; P=12 бар. Доля жидкости φ=53%
Насыщенный пар, φ=0
Жидкость, φ=100%
Частичная конденсация рабочего тела в погружных испарителях 6
T=38,7К; P=12 бар. Насыщенный пар, φ=0
T=38,7К; P=12 бар. Доля жидкости φ=70%
Дросселирование в регуляторах расходов 15
T=38,7К; P=12 бар. Доля жидкости φ=70%
T=28,5К; P=1,5 бар. Доля жидкости φ=50%
Дросселирование жидкого рабочего тела низкого давления в дросселях 28
T=38,7К; P=12 бар. Доля жидкости φ=100%
T=28,5К; P=1,5 бар. Доля жидкости φ=69%
Смешение потоков рабочего тела перед полостью 10 охлаждающей среды
T=28,5К; P=1,5 бар. Доли жидкости φ=69%; φ=50%.
N=28,5К; P=1,5 бар. Доля жидкости φ=58%
Разделение смеси в полости 10 на пар и жидкость
T=28,5К; P=1,5 бар. Доля жидкости φ=58%
Насыщенный пар, φ=0
Жидкость, φ=100%
Кипение охлаждающей среды 9 в полости 10
T=28,5К; P=1,5 бар. Доля жидкости φ=100%
T=28,5К; P=1,5 бар. Насыщенный пар, φ=0
Разделяемая изотопная смесь (неон)
Кипение тяжелого компонента в кубах 5, конденсация паров легкого компонента на внутренних теплообменных поверхностях 8 конденсаторов 7
T<sub>1</sub>=31,9К; P<sub>1</sub>=3,5 бар, (первая секция)
T<sub>2</sub>=31,2К; P<sub>2</sub>=3 бар, (вторая секция)
T<sub>3</sub>=30,5К; P<sub>3</sub>=2,5 бар, (третья секция)
Таблица 2
Концентрации и Z, X и Y даны по целевому продукту (тяжелому компоненту) <sup>22</sup>Ne
Наименование
Источник, формула
Численное значение
Коэффициент разделения изотопных компонентов (<sup>20</sup>Ne-<sup>22</sup>Ne)
[3], относительная летучесть изотопной пары <sup>20</sup>Ne-<sup>22</sup>Ne
α=1,040
Фактор разделения изотопной пары <sup>20</sup>Ne-<sup>22</sup>Ne
[4]
<img file="00000009.tif" he="6" wi="34" img-content="undefined" img-format="tif" />
Концентрация тяжелого компонента на входе в первую секцию
[6], изотопная доля <sup>22</sup>Ne в природном неоне
Z<sub>1</sub>=0,095; (9,5%)
Количество единиц переноса в отгонной части каждой из секций (ниже точки ввода смеси)
Задано
k<sub>1</sub>=k<sub>2</sub>=k<sub>3</sub>=k<sub>4</sub>=28
Концентрация тяжелого компонента смеси на выходе из куба j-й ступени
<img file="00000010.tif" he="24" wi="47" img-content="undefined" img-format="tif" />
j=1
X<sub>1</sub>=(1,741·0,105)/1,183=0,155
j=2
X<sub>2</sub>=(1,741·0,183)/1,318=0,241
j=3
X<sub>3</sub>=(1,741·0,318)/1,554=0,356
j=4
X<sub>4</sub>=(1,741·0,554)/1,964=0,491
Степень извлечения тяжелого компонента в секциях
<img file="00000011.tif" he="12" wi="47" img-content="undefined" img-format="tif" />
C<sub>T1</sub>=C<sub>T2</sub>=C<sub>T3</sub>=0,8; (80%)
Расходные характеристики секции j=1
Полный расход на входе
Задан
V<sub>1</sub>=160 дм<sup>3</sup>/ч
Расход на входе по тяжелому компоненту (<sup>22</sup>Ne)
ν<sub>1</sub>=V<sub>1</sub>·Z<sub>1</sub>
=160·0,095=15,2 дм<sup>3</sup>/ч
Выход из куба тяжелого (<sup>22</sup>Ne) компонента с учетом степени извлечения
ν<sub>2</sub>=ν<sub>1</sub>·C<sub>T1</sub>
=15,2·0,8=12,2 дм<sup>3</sup>/ч
Полный расход на выходе (фиг.7)
<img file="00000012.tif" he="11" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
=12,2/0,155=78,7 дм<sup>3</sup>/ч
Баланс:
g<sub>1</sub>=81,3 дм<sup>3</sup>/ч; Y<sub>1</sub>=0,037 (3,7%); g<sub>1</sub>·Y<sub>1</sub>+ν<sub>2</sub>=3+12,2=15,2 дм<sup>3</sup>/ч=ν<sub>2</sub>
Расходные характеристики секции j=2
Полный расход на входе
V<sub>2</sub>=G<sub>1</sub>
=78,7 дм<sup>3</sup>/ч
Выход из куба тяжелого (<sup>22</sup>Ne) компонента с учетом степени извлечения
ν<sub>3</sub>=ν<sub>2</sub>·C<sub>T2</sub>
=12,2·0,8=9,7 дм<sup>3</sup>/ч
Полный расход на выходе
<img file="00000013.tif" he="11" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
=9,7/0,241=40,2 дм<sup>3</sup>/ч
Баланс:
g<sub>2</sub>=38,5 дм<sup>3</sup>/ч; Y<sub>2</sub>=0,063(6,3%); g<sub>2</sub>=·Y<sub>2</sub>+ν<sub>3</sub>=2,4+9,7=12,1 дм<sup>3</sup>/ч=ν<sub>3</sub>
Расходные характеристики секции j=3
Полный расход на входе
V<sub>3</sub>=G<sub>2</sub>
40,2 дм<sup>3</sup>/ч
Выход из куба тяжелого (<sup>22</sup>Ne) компонента с учетом степени извлечения
ν<sub>4</sub>=ν<sub>3</sub>·C<sub>T3</sub>
=9,7·0,8=7,8 дм<sup>3</sup>/ч
Полный расход на выходе
<img file="00000014.tif" he="11" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
=7,8/0,356=21,9 дм<sup>3</sup>/ч
Баланс:
g<sub>3</sub>=18,3 дм<sup>3</sup>/ч; Y<sub>3</sub>=0,105(10,5%); g<sub>3</sub>·Y<sub>3</sub>+ν<sub>4</sub>=1,9+7,8=9,7 дм<sup>3</sup>/ч=ν<sub>4</sub>
Таблица 3
Результаты расчета количества колонн n<sub>j</sub> в группах, образующих N последовательно соединенных секций по закону n<sub>j</sub>=n<sub>1</sub>·(r+1)<sup>1-j</sup>, где n<sub>1</sub>=(r+1)<sup>N-1</sup> - число колонн в группе, образующей головную секцию, r - натуральные числа (1, 2, 3…).
N
N-1
r
(r+1)
j
1-j
n<sub>j</sub>
N
N-1
r
(r+1)
j
1-j
n<sub>j</sub>
2
1
1
2
1
0
n<sub>1</sub>=2
2
1
2
3
7
0
n<sub>1</sub>=3
2
-1
n<sub>2</sub>=1
2
-1
n<sub>2</sub>=1
3
2
1
2
1
0
n<sub>1</sub>=4
3
2
2
3
1
0
n<sub>1</sub>=9
2
-1
n<sub>2</sub>=2
2
-1
n<sub>2</sub>=3
3
-2
n<sub>3</sub>=1
3
-2
n<sub>3</sub>=1
4
3
1
2
1
0
n<sub>1</sub>=8
4
3
2
3
1
0
n<sub>1</sub>=27
2
-1
n<sub>2</sub>=4
2
-1
n<sub>2</sub>=9
3
-2
n<sub>3</sub>=2
3
-2
n<sub>3</sub>=3
4
-3
n<sub>4</sub>=1
4
-3
n<sub>4</sub>=1
5
4
1
2
1
0
n<sub>1</sub>=16
2
1
3
4
1
0
n<sub>1</sub>=4
2
-1
n<sub>2</sub>=8
2
-1
n<sub>2</sub>=1
3
-2
n<sub>3</sub>=4
3
2
3
4
1
0
n<sub>1</sub>=16
4
-3
n<sub>4</sub>=2
2
-1
n<sub>2</sub>=4
5
-4
n<sub>4</sub>=1
3
-2
n<sub>3</sub>=1