СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИЕЙ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ИЗ ХВОСТОВЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHODS FOR TWO-STEP FRACTIONATION SEPARATION OF INERT GASES FROM TAIL GASES AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к области газохимии, предназначено для получения инертных газов и может быть использовано для выделения инертных газов из хвостовых газов, например, установок получения газовой серы.
Известен способ получения криптоноксенонового концентрата, включающий сжатие исходного потока газа, его очистку и охлаждение с образованием основного потока и детандерного потока, очистку детандерного потока, разделение основного потока и детандерного потока с образованием потока кубовой жидкости, циркуляционного потока кислорода и потока криптоноксенонового концентрата, очистку потока кубовой жидкости, очистку циркуляционного потока, очистку циркуляционного потока кислорода и извлечение жидких продуктов разделения - аргона и криптоноксенонового концентрата и газообразного продукта разделения - азота (RU 2146552, 2000).
Известный способ сводится к получению криптоноксенонового концентрата очисткой и разделением воздуха, однако он не может быть реализован при использовании в качестве исходного потока газа хвостовых газов, например, отходящих газов установки Сульфрин.
Известно устройство для получения криптоноксенонового концентрата, содержащее линию подачи входного потока воздуха с размещенным на ней устройством сжатия воздуха, линию сжатого входного потока воздуха, входом соединенную с устройством сжатия воздуха, а выходом - с входным узлом очистки и охлаждения воздуха, линию детандерного потока с размещенным на ней адсорбционным узлом очистки детандерного потока, входом соединенную с входным узлом очистки и охлаждения воздуха, а выходом - с узлом разделения, линию основного потока воздуха, входом соединенную с входным узлом очистки и охлаждения воздуха, а выходом - с узлом разделения, включающим линию потока кубовой жидкости с размещенным на ней адсорбционным узлом очистки потока кубовой жидкости, линию циркуляционного потока кислорода с размещенным на ней адсорбционным узлом очистки циркуляционного потока кислорода и линию потока криптоноксенонового концентрата, при этом, по крайней мере, один из адсорбционных узлов очистки детандерного потока, и/или потока кубовой жидкости, и/или циркуляционного потока кислорода снабжен дополнительной линией перерабатываемого выходного регенерирующего потока соответствующего адсорбционного узла очистки, причем, по крайней мере, одна из дополнительных линий перерабатываемых выходных регенерирующих потоков адсорбционного узла очистки детандерного потока, и/или адсорбционного узла очистки потока кубовой жидкости, и/или адсорбционного узла очистки циркуляционного потока кислорода входом соединена с соответствующим узлом очистки, а выходом - с линией подачи входного потока воздуха с размещенным на ней устройством сжатия воздуха (RU 2146552, 2000).
Недостатком известных способа и устройства является ограниченность условий их применения, поскольку они предназначены для получения инертных газов из воздуха и не позволяют использовать в качестве исходного газа, например, хвостовые газы установки Сульфрин.
Известен способ производства инертных газов и кислорода посредством перегонки в системе колонн, содержащей, по меньшей мере, одну колонну среднего давления, одну колонну низкого давления и одну вспомогательную колонну. Способ состоит из следующих стадий: отводят выпуск промежуточного потока с промежуточного уровня колонны среднего давления и перемещают его в колонну низкого давления; отводят выпуск потока из колонны среднего давления, который обогащен кислородом по отношению к выпуску промежуточного потока, и перемещают его в резервуар вспомогательной колонны; отводят выпуск богатого азотом потока из верхней части колонны низкого давления; отводят выпуск потока жидкости, богатого кислородом, из резервуара колонны низкого давления как продукт, чтобы образовать газообразный продукт; и отводят выпуск потока жидкости, обогащенного кислородом, из вспомогательной колонны, который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению к выпуску второго обогащенного кислородом потока, и перемещают выпуск потока жидкости, содержащий, по меньшей мере, 78 мол.% азота, в виде флегмы во вспомогательную колонну (RU 2319084, 2008).
Известна установка для производства инертных газов и кислорода, содержащая колонну (К01) среднего давления, колонну (К02) низкого давления и вспомогательную колонну (К03), средство (1) для направления потока охлажденного и очищенного воздуха (исх. газа) в колонну К01 для разделения, средство для отвода первого обогащенного азотом потока (11) из колонны К01 и средство для направления части этого потока, напрямую или не напрямую, в колонну К02, средство для отвода богатого азотом потока (ОА2) из верхней части колонны К02, средство для отвода промежуточного потока (БЖ1) с промежуточного уровня колонны К01, средство для направления потока (5, 15) жидкости в виде флегмы в колонну К03, средство для отвода богатого кислородом потока (ЖК) из нижней части колонны К02 в виде продукта, необязательно после степени испарения, чтобы образовать готовый продукт, средство для отвода третьего обогащенного кислородом потока (продувка), который также обогащен криптоном и ксеноном по отношению ко второму обогащенному кислородом потоку, из колонны К03, и средство для направления в качестве потока флегмы в колонну К03 сжиженного воздуха или потока жидкости, обогащенного азотом по отношению к потоку жидкого воздуха, направляемому в колонну К01 (RU 2319084, 2008).
Недостатком известных способа и установки для производства инертных газов является то, что они основаны на криогенной перегонке воздуха и не предназначены для осуществления процессов выделения инертных газов из хвостовых газов.
Техническим результатом предложенной группы изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является снижение вредных выбросов и возможность извлечения из хвостовых газов ценных компонентов - инертных газов с максимальным выходом аргона.
Технический результат достигается тем, что способ выделения инертных газов из хвостовых газов включает охлаждение исходного потока газов, ожижение и разделение посредством двухступенчатой ректификации с получением жидких продуктов разделения: аргона, криптоноксеноновой смеси, и газообразных продуктов разделения: азота и азото-водородной смеси, при этом на первой ступени ректификации осуществляют предварительное разделение с получением флегмы, а на второй ступени ректификации используют для орошения флегму, полученную на первой ступени ректификации.
Способствует достижению технического результата то, что перед ректификацией на второй ступени большую часть потока газов после охлаждения подвергают предварительному разделению на газообразную фракцию, которую конденсируют и сепарируют, и жидкостную фракцию - флегму, которую возвращают в первую ступень ректификации и затем направляют на переохлаждение перед использованием для орошения на второй ступени ректификации, а меньшую часть потока газов перед охлаждением подвергают сжатию.
Обычно охлаждение меньшей части потока газов производят в три стадии, между второй и третьей стадиями охлаждения ее фильтруют, а из азото-водородной смеси выделяют водород.
В конкретном случае используют исходный поток газов, имеющий состав: азот до 96%, водород до 2%, окись углерода до 1%, ксенон от 0.1 ppm, криптон от 1.5 ppm, аргон от 1%.
Технический результат достигается также тем, что устройство для выделения инертных газов включает средство 1 разделения исходного потока газа, основной теплообменник 2, переохладитель 3, основную, криптоновую и дополнительную колонны 4, 5, 6, конденсатор- испаритель 7, ожижитель 8, оборудованный линией 9 слива товарного аргона, и блок 10 подготовки криптоноксеноновой смеси, оборудованный сливом 11 товарной криптоноксеноновой смеси, при этом средство 1 разделения исходного потока газа связано одной из выходных магистралей 39, пропущенной через основной теплообменник 2, и последовательно расположенную дополнительную колонну 6,  с конденсатором-испарителем 7 и переохладителем 3, имеющим линию 23 связи с ожижителем 8, другой из выходных магистралей 12 через дожимной узел 13 - с основной колонной 4, которая имеет связи с переохладителем 3, ожижителем 8 и, через конденсатор-испаритель 7 - с сепаратором 14, а через криптоновую колонну 5 - с блоком 10 подготовки криптоноксеноновой смеси, причем связи основной колонны 4 с переохладителем 3 представлены трубопроводом 15 отвода азотной фракции из переохладителя 3 в основную колонну 4 и трубопроводом 16, связывающим верхний вывод основной колонны 4 с одним из входов переохладителя 3, три других входа которого сообщены с выводами дополнительной колонны 6, связи основной колонны 4 с ожижителем 8 представлены трубопроводом 17 отвода части чистого газообразного аргона из основной колонны 4 в ожижитель 8 и трубопроводом 18 вывода пара из ожижителя 8 в среднюю часть основной колонны 4, связи основной колонны 4 через конденсатор-испаритель 7 с сепаратором 14 представлены трубопроводом 19 вывода жидкого аргона из основной колонны 4 в конденсатор-испаритель 7, трубопроводом 20 подачи газообразного потока из конденсатора-испарителя 7 в основную колонну 4 и трубопроводом 21 отвода жидкой фракции из конденсатора-испарителя 7 в сепаратор 14, замкнутый своей линией 22 отвода жидкой фракции на дополнительную колонну 6, а связь основной колонны 4 через криптоновую колонну 5 - с блоком 10 подготовки криптоноксеноновой смеси представлена трубопроводом 24 отвода жидкости из средней части конденсатора-испарителя 7 на вход криптоновой колонны 5, трубопроводом 25, связывающим верхнюю часть криптоновой колонны 5 с конденсатором-испарителем 7, при этом газовый выход 26 сепаратора 14 и трубопровод 27, предназначенный для отвода азота из переохладителя 3, пропущены через основной теплообменник 2.
Предпочтительно, чтобы дожимной узел 13 был выполнен в виде турбодетандерного агрегата по схеме «компрессор 28 - турбина 29», гидравлически связанных между собой через последовательно установленные дополнительный теплообменник 30 и фильтр 31. Причем дополнительный теплообменник 30 выполнен с собственным водяным контуром 32 охлаждения, а связь (линия) между последовательно установленными дополнительным теплообменником 30 и фильтром 31 пропущена через основной теплообменник 2.
Оптимально, когда блок 10 подготовки криптоноксеноновой смеси выполнен в виде испарителя 33 и двухфазного сепаратора 34, последовательно связанных по жидкости и параллельно по газу.
В конкретном воплощении устройства два из трех входов переохладителя 3, сообщенных с выводами дополнительной колонны 6, связаны единым трубопроводом 44, присоединенным к выводу, расположенному в нижней части дополнительной колонны 6, а третий его вход связан трубопроводом 45 с одним из выводов, расположенных в верхней части упомянутой дополнительной колонны 6.
На графическом изображении приведена схема устройства, реализующего предложенный способ.
Устройство (установка) для выделения инертных газов включает средство 1 разделения исходного потока газа, основной теплообменник 2, переохладитель 3, основную, криптоновую и дополнительную колонны 4, 5, 6, конденсатор-испаритель 7, ожижитель 8, оборудованный линией 9 слива товарного аргона, и блок 10 подготовки криптоноксеноновой смеси, оборудованный сливом 11 товарной криптоноксеноновой смеси. Средство 1 одной из своих выходных магистралей 12 связано через дожимной узел 13 - с основной колонной 4, которая имеет связи с переохладителем 3, ожижителем 8 и через конденсатор-испаритель 7 - с сепаратором 14. Основная колонна 4 через криптоновую колонну 5 сообщена с блоком 10 подготовки криптоноксеноновой смеси. Связи основной колонны 4 с переохладителем 3 представлены трубопроводом 15 отвода азотной фракции из переохладителя 3 в основную колонну 4 и трубопроводом 16, связывающим верхний вывод основной колонны 4 с одним из входов переохладителя 3. Три других входа переохладителя 3 сообщены с выводами дополнительной колонны 6. Связи основной колонны 4 с ожижителем 8 представлены трубопроводом 17 отвода части чистого газообразного аргона из основной колонны 4 в ожижитель 8 и трубопроводом 18 вывода пара из ожижителя 8 в среднюю часть основной колонны 4. Связи основной колонны 4 через конденсатор-испаритель 7 с сепаратором 14 представлены трубопроводом 19 вывода жидкого аргона из основной колонны 4 в конденсатор-испаритель 7, трубопроводом 20 подачи газообразного потока из конденсатора-испарителя 7 в основную колонну 4 и трубопроводом 21 отвода жидкой фракции из конденсатора-испарителя 7 в сепаратор 14, замкнутый своей линией 22 отвода жидкой фракции на дополнительную колонну 6. Переохладитель 3 имеет линию 23 связи с ожижителем 8. Связь основной колонны 4 через криптоновую колонну 5 с блоком 10 подготовки крипто ноксеноновой смеси представлена трубопроводом 24 отвода жидкости из средней части конденсатора-испарителя 7 на вход криптоновой колонны 5, трубопроводом 25, связывающим верхнюю часть криптоновой колонны 5 с конденсатором-испарителем 7. Газовый выход 26 сепаратора 14 и трубопровод 27, предназначенный для отвода азота из переохладителя 3, пропущены через основной теплообменник 2. Дожимной узел 13 выполнен в виде турбодетандерного агрегата по схеме «компрессор 28 - турбина 29», гидравлически связанных между собой через последовательно установленные дополнительный теплообменник 30 и фильтр 31. Причем дополнительный теплообменник 30 выполнен с собственным водяным контуром 32 охлаждения, а связь (линия) между последовательно установленными дополнительным теплообменником 30 и фильтром 31 пропущена через основной теплообменник 2. Блок 10 подготовки криптоноксеноновой смеси выполнен в виде испарителя 33 и двухфазного сепаратора 34, последовательно связанных по жидкости и параллельно по газу. Испаритель 33 оборудован контуром активной текучей среды с подводящим и отводящим трубопроводами 35, 36. Газовый выход 26 сепаратора 14 и трубопровод 27, предназначенный для отвода азота из переохладителя 3, после основного теплообменника 2 оканчиваются выводами 37, 38 азото-водородной смеси и водорода, соответственно.
Средство 1 разделения исходного потока газа связано другой из выходных магистралей 39, пропущенной через основной теплообменник 2 и последовательно расположенную дополнительную колонну 6 с конденсатором-испарителем 7 и переохладителем 3, имеющим линию 23 связи с ожижителем 8.
Для обеспечения вывода охлажденного в переохладителе (ПЕ-01) 3 потока (1-17) и направления его на орошение в середину основной колонны (К-01) 4 служит трубопровод 40. Связь дожимного узла 13 с основной колонной 4 осуществлена трубопроводом 41. Трубопровод 40 оборудован дросселем 42. Для направления потока (1-14) из выходной магистрали 39 после основного теплообменника 2 в дополнительную колонну 6 служит трубопровод 43.
Два из трех входов переохладителя 3, сообщенных с выводами дополнительной колонны 6, связаны единым трубопроводом 44, присоединенным к выводу, расположенному в нижней части дополнительной колонны 6, а третий его вход связан трубопроводом 45 с одним из выводов, расположенных в верхней части упомянутой дополнительной колонны 6.
Для отвода потока газа (1-1), обогащенного легколетучими компонентами, из верхней части дополнительной колонны (К-03) 6 в конденсатор-испаритель (КИ-01) 7 служит трубопровод 46. Криптоновая колонна 5 сообщена с блоком 10 подготовки криптоноксеноновой смеси жидкостным выводом 47 и газовым входом 48.
Способ осуществляется в процессе работы устройства следующим образом.
Исходный поток газов (исходный газ) поступает в средство 1 разделения исходного потока газа и делится на два потока 12, 39, при этом поток 12 составляет меньшую часть исходного потока газа. Поток (большая часть исходного потока газа) 39 направляют на охлаждение в основной теплообменник 2, а затем по трубопроводу 43 в дополнительную колонну (в куб нижней ректификационной колонны К-03) 6 на предварительное разделение.
Газ, поднимаясь по колонне 6, обогащается легколетучими компонентами и из ее верхней части отводится (1-1) в конденсатор-испаритель (КИ-01) 7, где частично конденсируется и выводится из конденсатора-испарителя 7 в виде пара по трубопроводу 20 подачи газообразного потока в основную колонну 4, а жидкость, обогащенная легколетучими компонентами, по трубопроводу 24 подается на вход криптоновой колонны (в верхнюю ее часть) 5.
После охлаждения в конденсаторе-испарителе 7 оставшаяся жидкая фракция отводится по трубопроводу 21 в сепаратор 14, из которого по линии 22 жидкая фракция подается в дополнительную колонну 6 в виде флегмы на орошение. По трубопроводу 45 из колонны 6 азотная фракция (1-15) отводится на переохлаждение в переохладитель (ПЕ-01) 3, а затем по трубопроводу 15 поступает (1-6) в верхнюю часть основной колонны 4.
Кубовая жидкость (1-16) подается по единому трубопроводу 44 из дополнительной колонны и делится на две части, которые направляются в переохладитель (ПЕ-01) 3.
После охлаждения в переохладителе (ПЕ-01) 3 одна часть (1-17) потока выводится по трубопроводу 40, проходит дроссель 42 (дросселируется) и направляется в середину основной колонны (К-01) 4 в виде флегмы на орошение, а другая часть (1-10) переохлажденного потока по линии 23 поступает в ожижитель 8.
Поток (меньшая часть исходного потока газа) 12 перед охлаждением подвергают сжатию в дожимном узле (турбодетандерном агрегате, выполненном по схеме «компрессор 28 - турбина 29») 13, при этом поток 12 газа поступает сначала в компрессор 28, затем проходит через дополнительный и основной теплообменники 30, 2, фильтр 31 и, пройдя турбину 29, в которой расширяясь охлаждается, поступает в трубопровод 41 и далее в середину основной (насадочной) колонны (К-01) 4. Таким образом, охлаждение меньшей части потока газов осуществляется в три стадии с фильтрацией между второй и третьей стадиями охлаждения.
Часть чистого газообразного аргона (1-9) выводится из колонны (К-01) 4 и подается по трубопроводу 17 также в ожижитель (ОЖ-01) 8. При испарении в ожижителе 8 поступившей по линии 23 части (1-10) переохлажденного потока часть чистого газообразного аргона (1-9), поступившего по трубопроводу 17, конденсируется. Из верхней части основной колонны (К-01) 4 по трубопроводу 16 направляются газообразные фракции в один из входов переохладителя 3 на переохлажедение.
Товарный жидкий аргон сливается из ожижителя (ОЖ-01) 8 по линии 9 слива товарного аргона в криогенную емкость (не показана) продуктового аргона.
Поток пара (1-11) из ожижителя (ОЖ-01) 8 по трубопроводу 18 отводится в среднюю часть основной колонны (К-01) 4.
Поток жидкости (1-2), обогащенный легколетучими компонентами (криптоноксеноновой смесью), поданный по трубопроводу 24 в криптоновую колонну 5, разделяется в ней, и газовая составляющая возвращается в куб основной колонны (К-01) 4 по трубопроводу 25, а криптоноксеноновая смесь в жидком виде поступает в блок 10 подготовки криптоноксеноновой смеси, оборудованный сливом 11 товарной криптоноксеноновой смеси.
Пример. В качестве исходного потока газов (исходного газа) поступают хвостовые газы установки Сульфрин следующего состава: (в мольных долях): 0.017 Н2, 0.961 N2, 0.012 Ar, 0.010 CO, 0.01 ppm Xe, 1.5 ppm Kr.
3
Давление потока исходного газа составляет 7 бар, температура - 228К, объемный расход газовой смеси - 1.13∗105 нм/ч.
Состав и характеристика продуктов газоразделения представлены в таблице.
Таблица
Состав и характеристика продуктов газоразделения
Название потока
Kr+Xe жидкие
Азото-водородная смесь
Азот
Аргон жидкий
Температура, К
125.1
225
224.9
89.73
Давление,bar
1.4
6.85
1.2
1.297
Объемный расход, нм<sup>3</sup>/ч (для газа)
0.1783
5000
1.05Е+05
1203
Состав, моль. доля:
Водород
0
0.3235
0.0016
0
Азот
0
0.6753
0.9882
0
Аргон
0
0.0001
0.0007
1
Криптон
0.9374
0
0
0
Ксенон
0.0626
0
0
0
Монооксид углерода
0
0.0011
0.0095
0