УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРВИЧНОГО КРИПТОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ ЖИДКОГО КИСЛОРОДА ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использована для получения первичного криптонового концентрата (ПКК) в виде первичного концентрата криптона и ксенона из обогащенного по криптону и ксенону жидкого кислорода, отбираемого из воздухоразделительных установок (ВРУ), с содержанием в нем криптона и ксенона с концентрацией 0,005…0,05%.
Известно устройство, включающее в себя колонну первичного концентрирования, в которую сверху подается жидкий кислород, а снизу отбирается обогащенный по криптону и ксенону концентрат. Ректификация в колонне обеспечивается стеканием сверху колонны жидкого кислорода, и подъемом вверх по колонне паров, образующихся в нижнем конденсаторе-испарителе [Каталог "Криогенное оборудование", часть вторая, Цинтихимнефтемаш, М., 1976 г., стр. 75].
Недостатком устройства является относительно низкая производительность.
Известно также устройство для получения ксенонового концентрата [SU 1745313, A2, B01D 53/02, 07.07.1992], 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 трубопровода соединен с блоком адсорберов ксенона.
Недостатком этого устройства также являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно может быть использовано для получения концентрата ксенона только из смеси ксенона и криптона.
Кроме того, известно устройство [RU 2259522, C1, F25J 3/00, B01D 53/02, 27.08.2005], 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.
Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает низкий радиационный фактор в выходном полезном продукте.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для получения ксенонового концентрата [RU 110287, U1, B01D 53/02, F25J 3/00, 20.11.2011], содержащее адсорбер ксенона, теплообменник, наполнительную рампу, 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 возвращаемого 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, соединенные между собой трубопроводом подачи охлаждающего азота, соединен с третьим входом теплообменника, третий выход которого соединен через третий вентиль с выходом в атмосферу.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку его функции ограничиваются только получением ксенона.
Однако, возрастающая потребность в криптоне требует новых технических решений, позволяющих извлекать не только ксенон, но и криптон.
Кроме того, в последнее время ведущие отечественные и зарубежные фирмы-изготовители воздухоразделительной и криогенной техники [Linde, Air Liquid, Air Products, Kriogenmash и др.] стали производить ВРУ, в технологическую схему которых не включается узел первичного концентрирования криптона и ксенона, т.е. извлечение криптона и ксенона на этих ВРУ становится практически невозможным.
Однако, имеющий место в мире дефицит запасов криптона и ксенона заставляет изыскивать возможности и технические решения, позволяющие хотя бы частично извлекать криптон и ксенон при отсутствии в схеме ВРУ узла первичного концентрирования криптона и ксенона.
Для этого в схему ВРУ иногда включаются дополнительные узлы отмывки криптона из жидкого кислорода (обычно - это заключается во введении в нижнюю часть ректификационной колонны нескольких дополнительных тарелок), после которых из ВРУ выводится обогащенный по криптону и ксенону жидкий кислород. Но, поскольку концентрация криптона и ксенона в этом кислороде более, чем на порядок меньше, чем в ПКК, то возникает необходимость в создании устройства, выполняющего функции выносного узла первичного концентрирования криптона и ксенона.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей и получения концентрата криптона и ксенона из обогащенного по криптону и ксенону жидкого кислорода.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих получения концентрата криптона и ксенона из обогащенного по криптону и ксенону жидкого кислорода с одновременной подачей потребителям помимо полезного продукта также азота и жидкого кислорода.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее рекуперативный теплообменник и трубопровод с вентилями с первого по одиннадцатый, согласно предложенной полезной модели, введены колонна первичного концентрирования с верхним конденсатором и нижним испарителем, ожижитель жидкого кислорода и сборник жидкого кислорода, а также средства подачи азота и кислорода из внешней воздухоразделительной установки, средства подачи азота, жидкого кислорода и концентрата криптона и ксенона потребителям, и средства подачи несконденсировавшейся части кислорода в атмосферу, причем, средства подачи кислорода от воздухоразделительной установки через восьмой вентиль трубопроводом соединены со средней частью колонны первичного концентрирования, средства подачи азота от воздухоразделительной установки через девятый вентиль и рекуперативный теплообменник трубопроводом соединены с нижним испарителем колонны первичного концентрирования, выход азота которого трубопроводом соединен через второй вентиль с входом подачи азота ожижителя жидкого кислорода, а через первый вентиль соединен со входом подачи азота верхнего конденсатора колонны первичного концентрирования, выход кислорода которого трубопроводом соединен со входом подачи кислорода ожижителя жидкого кислорода, выход жидкого кислорода которого трубопроводом через одиннадцатый вентиль соединен со входом подачи жидкого кислорода сборника жидкого кислорода, выход которого трубопроводом через шестой вентиль соединен со средствами подачи жидкого кислорода потребителям, выход несконденсировавшейся части кислорода верхнего конденсатора колонны первичного концентрирования трубопроводом через седьмой вентиль соединен со средствами подачи несконденсировавшейся части кислорода в атмосферу, выход концентрата криптона и ксенона нижнего испарителя колонны первичного концентрирования трубопроводом через пятый вентиль соединены со средствами подачи концентрата криптона и ксенона потребителям, а выходы азота ожижителя жидкого кислорода и верхнего конденсатора колонны первичного концентрирования через третий и четвертый вентили, соответственно, трубопроводом через рекуперативный теплообменник и десятый вентиль соединены со средствами подачи азота потребителям.
На Фиг. 1 представлено устройство для получения первичного криптонового концентрата из жидкого кислорода воздухоразделительных установок.
Устройство для получения первичного криптонового концентрата из жидкого кислорода воздухоразделительных установок содержит колонну 1 первичного концентрирования с нижним испарителем 2 и верхним конденсатором 3, ожижитель 4 жидкого кислорода, рекуперативный теплообменник 5, сборник 6 жидкого кислорода и трубопровод с вентилями 7-17 с первого по одиннадцатый, соответственно, а также средства подачи азота и кислорода из внешней воздухоразделительной установки, средства подачи азота, жидкого кислорода и концентрата криптона и ксенона потребителям, и средства подачи несконденсировавшейся части кислорода в атмосферу (отдельными позициями на чертеже не обозначены).
В устройстве для получения первичного криптонового концентрата из жидкого кислорода воздухоразделительных установок средства подачи кислорода от воздухоразделительной установки через восьмой вентиль 14 трубопроводом соединены со средней частью колонны 1 первичного концентрирования, средства подачи азота от воздухоразделительной установки через девятый вентиль 15 и рекуперативный теплообменник 5 трубопроводом соединены с нижним испарителем 2 колонны первичного концентрирования, выход азота которого трубопроводом соединен через второй вентиль 8 с входом подачи азота ожижителя 4 жидкого кислорода, а через первый вентиль 7 соединен со входом подачи азота верхнего конденсатора 3 колонны первичного концентрирования.
Кроме того, в устройстве для получения первичного криптонового концентрата из жидкого кислорода воздухоразделительных установок выход кислорода верхнего конденсатора 3 колонны первичного концентрирования трубопроводом соединен со входом подачи кислорода ожижителя 4 жидкого кислорода, выход жидкого кислорода которого трубопроводом через одиннадцатый вентиль 17 соединен со входом подачи жидкого кислорода сборника 6 жидкого кислорода, выход которого трубопроводом через шестой вентиль 12 соединен со средствами подачи жидкого кислорода потребителям.
Помимо указанного выше, выход несконденсировавшейся части кислорода верхнего конденсатора 3 колонны первичного концентрирования трубопроводом через седьмой вентиль 13 соединен со средствами подачи несконденсировавшейся части кислорода в атмосферу, выход концентрата криптона и ксенона нижнего испарителя 2 колонны первичного концентрирования трубопроводом через пятый вентиль 11 соединены со средствами подачи концентрата криптона и ксенона потребителям, а выходы азота ожижителя 4 жидкого кислорода и верхнего конденсатора 3 колонны первичного концентрирования через третий 9 и четвертый 10 вентили, соответственно, трубопроводом через рекуперативный теплообменник 5 и десятый вентиль 16 соединены со средствами подачи азота потребителям.
Устройство для получения первичного криптонового концентрата из жидкого кислорода воздухоразделительных установок работает следующим образом.
Жидкий кислород из ВРУ с содержащимися в нем криптоном и ксеноном, поступает в среднюю часть колонны 1 первичного концентрирования, в которой происходит отмывка из него криптона и ксенона. Ректификация в колонне 1 обеспечивается организацией противотока жидкого кислорода, стекающего вниз по колонне, и поднимающегося вверх парообразного кислорода. Для образования жидкой флегмы служит верхний конденсатор 3, а пары образуются в нижнем испарителе 2.
В качестве источника холода для работы устройства используется жидкий кислород из ВРУ, который одновременно является "сырьем", содержащим криптон и ксенон, а также потенциал азота среднего давления (6,5 ата), отбираемого из ВРУ. Этот потенциал реализуется не только в целях образования паров в нижней части колонны 1, необходимых для протекания в ней ректификации, но и для ожижения газообразного кислорода после вымывания из него криптона и ксенона.
Для этого азот из ВРУ через девятый вентиль 15 направляется в рекуперативный теплообменник 5, где он охлаждается обратным потоком азота, выводимого через него потребителю. После охлаждения азот проходит нижний испаритель 2, где, отдавая тепло кислороду нижней части колонны 1, конденсируется. После нижнего испарителя 2 жидкий азот разделяется на 2 потока: первый после дросселирования и снижения давления до 3,5 ата с помощью первого вентиля 7, выполненного в виде дроссельного вентиля, направляется в верхний конденсатор 3, где за счет его испарения образуется флегма, необходимая для ректификации в колонне 1, а второй поток после дросселирования и снижения давления до 4 ата с помощью второго вентиля 8, который также выполнен в виде дроссельного вентиля, направляется в ожижитель 4, в котором кислород, отбираемый из верней части колонны 1, ожижается и собирается в сборнике 6. По мере надобности жидкий кислород из сборника 6 отводится потребителю. В верхней части колонны 1 предусмотрен отдув в атмосферу несконденсировавшейся части кислорода, а из куба (нижней части) колонны 1 отводится концентрат криптона и ксенона для дальнейшей переработки его в криптоно-ксеноновую смесь.
В таблице 1 приводятся основные параметры потоков в устройстве для примера осуществления одного из его вариантов.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, поскольку обеспечивается получение концентрата криптона и ксенона из обогащенного по криптону и ксенону жидкого кислорода из ВРУ с одновременной подачей потребителям помимо полезного продукта также азота и продукционного жидкого кислорода, т.е. обеспечивается возможность вернуть потребителю практически то же количество жидкого кислорода, которое отводится из ВРУ для использования в технологическом процессе получения концентрата криптона и ксенона.