СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КСЕНОНОВОГО КОНЦЕНТРАТА ИЗ КСЕНОНОСОДЕРЖАЩЕГО КИСЛОРОДА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR OBTAINING XENON CONCENTRATE FROM XENON-CONTAINING OXYGEN, AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технологическим процессам получения инертных газов и может быть использовано для получения ксенонового концентрата из потока ксеноносодержащего кислорода.
Известен способ, в соответствии с которым ксенон получают из концентрата, содержащего 0,2% Кr и Хе и который последовательно пропускают через два слоя адсорбента до насыщения криптоном второго слоя по ходу концентрата, затем подают элюент во второй слой для десорбции нагревом криптона, перекрыв сообщение между слоями, причем, концентрат после первого слоя переключают на второй слой параллельного адсорбера до появления ксенона на выходе из первого слоя, после чего проводят десорбцию ксенона [SU 1369771 А1, B01D 53/02, 30.01.1988].
Недостатком этого способа является относительно узкая область применения, поскольку он может быть использован только при предварительном получении т.н. «первичного криптонового концентрата», т.е концентрата ксенона и криптона в кислороде.
Известен также способ, включающий последовательное пропускание криптонового концентрата через два слоя адсорбента до насыщения криптоном второго слоя по ходу концентрата и периодическую десорбцию при нагревании слоев с раздельным выводом криптоновой фракции из второго слоя и ксеноновой фракции из первого слоя, процесс ведут при соотношении числа циклов сорбции-десорбции 1:10-1:35, причем перед разделением производят контактирование концентрата со слоем силикагеля при температуре 130-150 К и давлении 0,03-0,25 МПа [SU 1745313 А2, B01D 53/02, 07.07.1992].
Недостатком этого способа также является относительно узкая область применения, поскольку он также может быть использован только при предварительном получении концентрата ксенона и криптона в кислороде.
К известным относится также способ получения ксенона из газовой смеси, в соответствии с которым исходную газовую смесь, содержащую ксенон, направляют на адсорбцию в контактный аппарат, который заполняют, по меньшей мере, одним слоем адсорбента, имеющим поглотительную способность в отношении ксенона в 8-10 раз выше поглотительной способности в отношении остальных компонентов газовой смеси, процесс адсорбции продолжают до момента появления ксенона в газовой смеси, проводят регенерацию адсорбента с постоянным подводом тепла при температуре, находящейся в пределах от 333 до 353 К, процесс десорбции продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента [RU 2259522 C1, F25J 3/00, B01D 53/02, 27.08.2005].
Недостатком способа является относительно высокий радиационный фактор в выходном полезном продукте, вызванный относительно высоким присутствием в нем радона.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ получения ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающий разделение основного и детандируемого потоков воздуха в нижней и верхней колоннах на потоки, подачу потока газообразного азота из нижней колонны в блок основных конденсаторов, конденсацию потока газообразного азота и подачу потока жидкого азота из блока основных конденсаторов в нижнюю колонну, вывод основного потока жидкого кислорода из верхней колонны, который осуществляют с последующей подачей его в блок основных конденсаторов, где осуществляют частичное испарение основного потока жидкого кислорода, при этом часть основного потока жидкого кислорода выводят из блока основных конденсаторов в виде циркуляционного потока жидкого кислорода, затем часть циркуляционного потока жидкого кислорода подают в испаритель-конденсатор, где осуществляют частичное испарение последнего потока с образованием двух потоков - потока очищенного газообразного кислорода и потока кислорода, выводящего взрывоопасные примеси из воздухоразделительной установки, а из потока кислорода, выводящего взрывоопасные примеси из воздухоразделительной установки, осуществляют извлечение ксенонового концентрата [RU 2129904, С1, B01D 53/02, 10.05.1999].
Недостатком наиболее близкого технического решения относительно способа является его относительно низкая безопасность, вызванная высоким радиационным фактором в выходном полезном продукте из-за относительно высокого присутствием в ней радона.
Требуемый технический результат в отношении способа заключается в повышении безопасности способа.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, согласно которому исходную газовую смесь, в качестве которой используют ксеноносодержащий кислород, предварительно подвергают охлаждению, направляют исходную газовую смесь в ксенонозадерживающий адсорбер, из которого в последующем осуществляют извлечение ксенонового концентрата, из исходной газовой смеси предварительно удаляют радон путем его направления в охлажденный сорбент радонозадерживающего адсорбера, а извлечение ксенонового концентрата из ксенонозадерживающего адсорбера производят путем создания температурного градиента в сорбенте ксенонозадерживающего адсорбера от его входа к выходу до появления десорбционной волны ксенона на выходе, после чего производят вывод ксеноновой фракции.
Известны также устройства для получения ксенонового концентрата.
Одно из известных устройств содержит блок адсорбентов ксенона, который по трубопроводу соединен с блоком адсорбентов криптона через первый теплообменник, а также первую и вторую газодувки, которые через соответствующие электронагреватели трубопроводами соединены с блоком адсорбентов ксенона и блоком адсорбентов криптона, соответственно, и второй теплообменник, который соединен, по крайней мере, с одним из адсорбентов дополнительной очистки, который посредством трудопровода соединен с блоком адсорбентов 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 устройству для получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода по предложенному выше способу 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 C1, 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 относительно устройства заключается в расширении функциональных возможностей за счет дополнительного обеспечения низкого 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, эжектор, расходомер и вентили с первого по пятнадцатый, причем наполнительная рампа через одиннадцатый вентиль соединена с эжектором трубопроводом, соединенным с выходом мембранного компрессора, эжектор через десятый вентиль соединен с входом расходомера трубопроводом, который 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 пятнадцатый и четвертый вентили - с первым выходом 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 охлаждающего азота, соединен с третьим входом теплообменника, третий выход которого соединен через третий вентиль с выходом в атмосферу.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве ксенонозадерживающего сорбента использован силикагель или оксид алюминия или цеолит NaX.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве радонозадерживающего сорбента использован активированный уголь или силикагель или оксид алюминия или цеолит NaX.
На чертеже представлена функциональная схема установки для реализации предложенного способа получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода.
Установка для реализации предложенного способа получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода содержит радонозадерживающий адсорбер 1, адсорбер 2 ксенона, теплообменник 3, мембранный компрессор 4, эжектор 5, наполнительную рампу 6, ксенонозадерживающий сорбент 7, помещенный в адсорбер 2 ксенона, радонозадерживающий сорбент 8, помещенный в радонозадерживающий адсорбер 1, электронагреватель 9, расходомер 10 и вентили с первого по пятнадцатый 11…25, соответственно.
В установке для реализации предложенного способа наполнительная рампа 6 через одиннадцатый вентиль 21 соединена с эжектором 5 трубопроводом, соединенным с выходом мембранного компрессора 4.
Кроме того, эжектор 5 через десятый вентиль 20 соединен с входом расходомера 10 трубопроводом, который через девятый вентиль 19 соединен с входом подачи нагретого азота, выход расходомера 10 соединен со входом электронагревателя 9, выход которого соединен с трубопроводом между седьмым вентилем 17 и входом адсорбера 2 ксенон, 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 пятнадцатый 25 и четвертый 14 вентили - с первым входом теплообменника 3, первый выход которого через первый 11 вентиль соединен с выходом возвратного 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 2 ксенона, а через последовательно установленные тринадцатый вентиль 23 и шестой вентиль 16, соединенные между собой трубопроводом подачи охлажденного азота, соединен с третьим входом теплообменника 3, третий выход которого соединен через третий вентиль 13 с выходом в атмосферу.
Предложенный способ получения ксенонового концентрата из ксеноносодержащего кислорода реализуется в предложенной установке следующим образом.
Основное предназначение предложенного способа и реализующей его 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.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что 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 с известными установками, при минимальных потерях продукта, связанных с отключением адсорбера на десорбцию и выдачу целевого продукта.
С целью ускорения процесса десорбции и выдачи продукта из циркуляционного контура в установку вводится эжектор 5, позволяющий в 3-4 раза увеличить расход циркулирующего через адсорбер 2 ксенона газа, в сравнении с известными установками, при одинаковой производительности компрессора.
В технологическую схему установки перед адсорбером 2 ксенона включен радонозадерживающий адсорбер 1, габариты которого значительно меньше адсорбера 2 ксенона 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 2 ксенона.
Заявленный способ получения ксенонового концентрата может быть реализован на установке, схематически показанной на чертеже и содержащей два технологически последовательно включенных адсорбера (радонозадерживающий адсорбер 1 и адсорбер 2 ксенона), соединенных в единую технологическую схему с помощью вентилей, трубопроводов, а также включающую в себя теплообменник 3, компрессор 4, эжектор 5 и наполнительную рампу 6 с баллонами.
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. Пример осуществления заявленного способа на установке для его реализации.
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 2 ксенона, 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 ксенона проводится операция замещения, имеющая целью заместить взрывоопасную в присутствии метана кислородную среду на безопасную азотную. Для этого закрываются седьмой 17 и пятнадцатый 25 вентили и на вход адсорбера 2 ксенона 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 ксенона 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 ксенона 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 и эжектор 5. Контроль за расходом газа осуществляется по расходомеру 10.
После образования циркуляционного контура включают в работу электронагреватель 9, обеспечивая на входе в адсорбер 2 ксенона 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 ксенона 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 6 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 ксенона до заданного предела, циркуляционный контур размыкают путем закрывания десятого вентиля 20. Закрывают также эжектор 5, выключают электронагреватель 9 и остающийся на ксенонозадерживающем сорбенте 7 и в его межзерновом пространстве концентрат закачивается в баллоны наполнительной рампы 6 путем вытеснения его азотом из адсорбера 2 ксенона, для чего азот подается через девятый вентиль 19.
При снижении концентрации ксенона на выходе адсорбера 2 ксенона ниже заданного предела закачку концентрата в наполнительную рампу 6 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 ксенона. Для этого открывают девятый 19 и двенадцатый 22 вентили, устанавливают по расходомеру 10 необходимый расход азота на входе в адсорбер 2 ксенона и включают электронагреватель 9, поднимая температуру регенерирующего газа на входе до заданного предела (контроль осуществляется по температуре на выходе адсорбера 2 ксенона).
Регенерация ксенонозадерживающего сорбента 7 заканчивается по достижении заданной температуры на выходе адсорбера 2 ксенона. После этого выключают электронагреватель 9 и закрывают девятый 19 и двенадцатый 22 вентили. Затем проводят охлаждение адсорбера 2 ксенона 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 ксенона 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 усовершенствованиям известных способов и устройств достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении уровня безопасности их применения и использования, поскольку снижается уровень радиационного фактора в полезном продукте и уменьшается концентрация кислорода в присутствии метана.
Усовершенствование известного устройства позволяет достичь расширения его функциональных возможностей за счет обеспечения снижения радиационного фактора в выходном полезном продукте и одновременно сократить продолжительность операций разделения, в частности, благодаря введению в устройство эжектора, что позволяет увеличить в несколько раз интенсивность циркуляции через адсорбер десорбирующего потока газа.
Кроме того, в устройстве вместо двух попеременно работающих адсорберов используется один, объем которого рассчитывается таким образом, чтобы при работе выдерживался коэффициент непрерывности работы адсорбера К≥30, К=Падс/Пдес, где Падс - продолжительность этапа адсорбции, сутки, Пдес - продолжительность этапа десорбции, сутки. За счет исключения отдельного этапа замещения, путем совмещения его с этапом концентрирования и разделения, значительно снижается величина Пдес и, следовательно, повышается К.