УСТАНОВКА ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ НЕОНОГЕЛИЕВОЙ СМЕСИ
UNIT FOR CONCENTRATION OF NEON-HELIUM MIX

Изобретение относится к области селективного разделения многокомпонентных газовых смесей и может быть использовано при извлечении неоно-гелиевой смеси, получаемой в виде побочного продукта в установках разделения воздуха.
Известна установка для разделения газовых смесей, содержащая последовательно соединение мембранные аппараты, в которых для подачи газовых смесей из одного аппарата в другой используются компрессоры, количество которых соответствует числу аппаратов, при этом установка снабжена коммуникациями для отвода газовой смеси из полостей высокого давления модулей, коммуникацией для отвода продукта, обогащенного промежуточными компонентами, из полости высокого давления последнего модуля, причем в качестве коммуникаций для отвода разделенной смеси используют коммуникации первого модуля [RU 1498543 A1, B01D 63/00, 07.08.1989].
Недостатком установки является ее относительно высокая сложность, связанная с использованием множества компрессоров, к которым предъявляются особые требования по чистоте перекачиваемого продукта.
Известно также устройство для мембранного многостадийного разделения неоно-гелиевой смеси, включающее мембранный модуль, содержащий газоразделительный блок в виде набора капилляров-мембран из кварцевого стекла, входной патрубок и первый и второй выходные патрубки, термостат для подогрева мембранного модуля, а также первый канал для поступления исходной смеси из первого баллона под давлением в мембранный модуль через первый вентиль, муфельную печь и входной патрубок мембранного модуля, второй канал для поступления исходной смеси из первого баллона в хроматограф через второй вентиль, третий канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из мембранного модуля во второй баллон через первый выходной патрубок мембранного модуля и третий вентиль, четвертый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в хроматограф через третий и четвертый вентили, пятый канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из второго баллона в мембранный модуль через пятый вентиль, мембранный компрессор, шестой вентиль, муфельную печь и входной патрубок мембранного модуля, шестой канал для поступления обогащенного неона из мембранного модуля в третий баллон через седьмой вентиль, седьмой канал для поступления обогащенного неона из третьего баллона в хроматограф через седьмой и четвертый вентили, восьмой канал для поступления смеси, обогащенной неоном, из третьего баллона в мембранный модуль через восьмой вентиль, мембранный компрессор, шестой вентиль, первый расходомер, муфельную печь и входной патрубок, девятый канал для вывода обогащенного неона из устройства через седьмой вентиль и девятый вентиль, десятый канал для поступления обогащенного гелия из мембранного модуля в хроматограф через второй выходной патрубок мембранного модуля, десятый вентиль, вакуум-насос, двенадцатый вентиль или через одиннадцатый и двенадцатый вентили, одиннадцатый канал для вывода обогащенного гелия из устройства через второй выходной патрубок мембранного модуля, десятый вентиль, вакуум-насос, второй расходомер или через одиннадцатый вентиль и второй расходомер [RU 2180871 A, B01D 63/04, 27.12.2010].
Недостатками этого устройства является относительно низкая производительность.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является устройство для концентрирования неоно-гелиевой смеси, содержащее источник перерабатываемой смеси и газоразделительный блок, выполненный в виде мембранного блока, включающего два мембранных аппарата, содержащих высокоселективные к неону полимерные полые волокна на основе полисульфона или политрибромкарбоната, последовательно соединенные друг с другом, и снабженный теплообменником для обеспечения температуры газовой смеси, входящей в блок, 263 К, причем полость низкого давления первого по ходу перемещения смеси аппарата соединена через дожимающий компрессор с полостью высокого давления второго аппарата [RU 2441693 A, B01D 63/04, 27.12.2010].
В этом устройстве источником неоно-гелиевой смеси служит воздухоразделительная установка, содержащая дополнительный низкотемпературный дефлегматор неона и рекуперативный теплообменник, причем сбросная линия полости высокого давления первого аппарата соединена со входом в дефлегматор неона через рекуперативный теплообменник, охлаждающий смесь, а входная линия полости высокого давления первого аппарата соединена с тем же теплообменником, нагревающим неоно-гелиевую смесь воздухоразделительной установки до 263 К, а выводная линия полости низкого давления первого аппарата через дожимающий компрессор и рекуперативный теплообменник соединена с входной линией полости высокого давления второго аппарата, причем выводная линия полости низкого давления второго аппарата соединена с трубопроводом для отбора целевого продукта - неоно-гелиевого концентрата, а выводная линия полости высокого давления второго аппарата соединена для рециркуляции с входом в полость высокого давления первого аппарата.
Кроме того, в этом устройстве источником неоно-гелиевой смеси служит рампа с баллонами или газгольдер с перерабатываемой смесью и редуцирующим устройством и содержится фреоновый холодильник, причем сбросная линия полости высокого давления первого аппарата соединена с ресивером для последующей утилизации неона, входная линия полости высокого давления первого аппарата соединена с холодильником для охлаждения газовой смеси до 263 К, а выводная линия полости низкого давления первого аппарата через дожимающий компрессор и холодильник соединена с входной линией полости высокого давления второго аппарата, причем выводная линия полости низкого давления второго аппарата соединена с трубопроводом для отбора целевого продукта - неонового концентрата в ресивер, а выводная линия полости высокого давления второго аппарата соединена для рециркуляции с входом в полость высокого давления первого аппарата.
Недостатками наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность концентрирования неоно-гелиевой смеси, обусловленная тем, что используемые в качестве источника исходной газовой смеси воздухоразделительные установки характеризуются относительно низким выходным давлением, что обеспечивает малый перепад давлений между полостями высокого и низкого давлений в мембранном аппарате, что, в конечном счете, и обусловливает относительно низкую эффективность концентрирования неоно-гелиевой смеси.
Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности концентрирования неоно-гелиевой смеси.
Требуемый технический результат достигается тем, что в установке для концентрирования неоно-гелиевой смеси, включающей редуцирующее устройство, вход которого соединен с источником неоно-гелиевой смеси, выполненным в виде воздухоразделительной установки, дожимающий компрессор с всасывающей и нагнетательной линиями, трубопровод для отбора целевого продукта и газоразделительный блок, выполненный в виде двух последовательно соединенных первого и второго мембранных аппаратов, в которых полость низкого давления первого мембранного аппарата связана через дожимающий компрессор с полостью высокого давления второго мембранного аппарата, выводная линия полости высокого давления которого для обеспечения рециркуляции связана с полостью высокого давления первого мембранного аппарата, полости низкого давления первого и второго мембранных аппаратов непосредственно соединены с всасывающей линией дожимающего компрессора, нагнетательная линия которого связана с трубопроводом для отбора целевого продукта, а полость высокого давления второго мембранного аппарата подключена к упомянутой нагнетательной линии через редуцирующее устройство, управляемое давлением всасывающей линии компрессора.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что между источником неоно-гелиевой смеси и полостью высокого давления первого мембранного аппарата установлен эжектор-смеситель, сопло рабочего потока которого связано с полостью высокого давления второго мембранного аппарата.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что между нагнетательной линией компрессора и трубопроводом для отбора целевого продукта установлен регулятор давления типа «до себя».
На фиг.1 - функциональная схема установки для концентрирования неоно-гелиевой смеси для варианта с использованием эжектора-смесителя и регулятора давления.
На фиг.2 - пример параметров потоков в характерных точках установки для концентрирования неоно-гелиевой смеси (давления показаны в абсолютных величинах).
Установка для концентрирования неоно-гелиевой смеси содержит источник 1 перерабатываемой смеси, выполненный в виде воздухоразделительной установки, и первый мембранный аппарат 2 с селективным слоем 3 первого мембранного аппарата, образованным полыми волокнами. Селективный слой 3 ограничивает полость 4 высокого давления первого мембранного аппарата, имеющую вводную линию 5 полости высокого давления первого мембранного аппарата и сбросную линию 6 полости высокого давления первого мембранного аппарата с регулятором 7 сбросного потока. С другой стороны селективного слоя 3 расположена полость низкого давления 8 первого мембранного аппарата с выводной линией 9 полости низкого давления первого мембранного аппарата.
В установке для концентрирования неоно-гелиевой смеси выводная линия 9 полости низкого давления первого мембранного аппарата соединена с всасывающей линией 10 компрессора 11. К нагнетательной линии 12 компрессора подключен трубопровод 13 для отбора целевого продукта и связанная с ним рампа с баллонами 14 концентрированной неоно-гелиевой смеси. Нагнетательная 12 и всасывающая 10 линии компрессора 11 связаны основной байпасной веткой 15 с дросселем 16. Нагнетательная линия 12 сообщена также с дополнительной байпасной веткой 17, на которой установлено редуцирующее устройство 18, подключенное через внешнюю управляющую ветку 19 к всасывающей линии 10 компрессора 11.
Кроме того, в установке для концентрирования неоно-гелиевой смеси выход редуцирующего устройства 18 подключен к вводной линии 20 полости высокого давления 21 второго мембранного аппарата 22, разделенного селективным слоем 23 второго мембранного аппарата. Полость 24 низкого давления второго мембранного аппарата снабжена выводной линией 25 полости низкого давления второго мембранного аппарата, которая связана с всасывающей линией 10 компрессора 11. Выводная линия 26 полости высокого давления второго мембранного аппарата подключена к соплу 27 рабочего потока эжектора-смесителя 28, имеющего патрубок 29 инжектируемого потока, связанный с источником 1 перерабатываемой смеси, и патрубок 30 смешанного (сжатого) потока, подключенный к вводной линии 5 полости высокого давления первого мембранного аппарата 2.
Дополнительно к указанному выше, в установке для концентрирования неоно-гелиевой смеси между нагнетательной линией 12 компрессора 11 и трубопроводом 13 для отбора целевого продукта установлен регулятор 31 давления типа «до себя».
Установка для концентрирования неоно-гелиевой смеси работает следующим образом.
Перерабатываемая неоно-гелиевая смесь, содержащая около 50% азота, поступает из источника 1 (воздухоразделительной установки) под давлением 0,5…0,52 МПа (абс.) в патрубок 29 инжектируемого потока эжектора-смесителя 28. В сопло 27 эжектора-смесителя 28 подается рабочий поток из выходной линии 26 полости высокого давления 21 второго мембранного аппарата 22. Давление на входе в сопло 27 превышает давление источника перерабатываемой смеси. За счет этой разности давлений рабочий поток расширяется в полости эжектора 28 и приобретает высокую скорость, увлекая поток перерабатываемой смеси, подводимой через патрубок 29. Кинетическая энергия рабочего потока частично передается перерабатываемой смеси. За счет этого давление смешанного потока в патрубке 30 оказывается выше давления смеси, подаваемой от источника 1. Увеличение давления во вводной линии 5 полости 4 первого мембранного аппарата 2 способствует повышению эффективности разделения перерабатываемой неоно-гелиевой смеси, так как перепад давлений между полостями 4 и 8 является основной движущей силой баромембранной сепарации.
Под действием разности давлений между полостями 4 и 8 первого мембранного аппарата 2 часть потока проникает через селективный слой 3 первого мембранного аппарата в полость 8 низкого давления первого мембранного аппарата. За счет различных проницаемостей компонентов смеси в потоке, отбираемом через выводную линию 9 полости низкого давления первого мембранного аппарата, преобладают инертные газы - неон и гелий. За счет этого в полости 4 высокого давления первого мембранного аппарата одновременно повышается концентрация примеси (азота). Обогащенный азотом поток выводится через сбросную линию 6 полости высокого давления первого мембранного аппарата и регулятор 7 сбросного потока. В зависимости от соотношения расходов потоков, отводимых через сбросную линию 6 полости высокого давления первого мембранного аппарата и выводную линию 9 полости низкого давления первого мембранного аппарата, в них устанавливается та или иная концентрация целевых продуктов (Ne и Не).
К потоку, отбираемому из первого мембранного аппарата 2 через выводную линию 9 полости низкого давления первого мембранного аппарата, подмешивается поток из выводной линии 25 полости низкого давления второго мембранного аппарата. Смесь указанных потоков подается во всасывающую линию 10 компрессора 11. Сжатая смесь из нагнетательной линии 12 компрессора попадает в трубопровод 13 для отбора целевого продукта и подается в рампу с баллонами 14 концентрированной неоно-гелиевой смеси.
Если производительность компрессора 11 превышает суммарный расход потоков, поступающих из выводной линии 9 полости низкого давления первого мембранного аппарата и выводной линии 25 полости низкого давления второго мембранного аппарата, то меньшую часть смеси из нагнетательной линии 12 компрессора 11 вынужденно перепускают по основной байпасной ветке 15 во всасывающую линию 10 компрессора через дроссель 16. Такой перепуск смеси не оказывает прямого влияния на режим работы мембранных аппаратов и служит исключительно для поддержания рекомендуемого давления во всасывающей линии 10 компрессора 11, которое обычно равно 0,01…0,03 МПа (изб.), 0,11…0,13 МПа (абс.). Большая часть невостребованного расхода компрессора возвращается в газоразделительный блок в виде рециркулирующего потока по дополнительной байпасной ветке 17. Этот прием способствует повышению эффективности сепарации, поскольку смесь повторно подвергается концентрированию во втором 22 и в первом 2 мембранных аппаратах соответственно.
10
10
В процессе наполнения баллонов 14 давление в нагнетательной линии 12 компрессора и дополнительной байпасной ветке 17 изменяется и может составлять P>15 МПа. Это, как правило, на порядок выше, чем рекомендуемое рабочее давление мембранных аппаратов с полыми волокнами. Понижение давления в полости 21 высокого давления второго мембранного аппарата, например, до уровня Р=1,2…1,4 МПа обеспечивается редуцирующим устройством 18. Для достижения стабильности работы редуцирующее устройство 18 снабжено внешней управляющей веткой 19, связанной с всасывающей линией 10 компрессора 11. Во всасывающей линии 10 необходимо поддерживать стабильное давление, поскольку его падение. Р<0,11 МПа (абс.) недопустимо из-за возможного подсоса атмосферного воздуха в концентрированную смесь. Повышение давления во всасывающей линии Р>0,13 МПа (абс.) ведет к перегрузке компрессора 11.
10
10
10
10
10
10
Автоматическое поддержание давления Р в заданном интервале Р=0,12±0,01 МПа (абс.) осуществляется следующим образом. При понижении давления в линии 10 Р<0,11 МПа (абс.) увеличиваются давление и расход концентрированной смеси, циркулирующей в контуре: «вспомогательная байпасная ветка 17 - второй мембранный аппарат 22 - эжектор-смеситель 28 - первый мембранный аппарат 2 - компрессор 11». За счет этого давление всасывания возрастает до номинальных значений Р=0,12 МПа (абс.). В случае повышения давления Р>0,13 МПа (абс.) редуцирующее устройство 18 по сигналу ветки 19 ограничивает расход и давление в упомянутом контуре. За счет этого Р снижается до заданного уровня.
Второй мембранный аппарат 22 работает аналогично аппарату 2, но давление в полости 21 высокого давления второго мембранного аппарата, задаваемое сечением сопла 27 и редуцирующим устройством 18, назначается выше, чем в полости 4 высокого давления первого мембранного аппарата. За счет этого повышается эффективность работы селективного слоя 23 второго мембранного аппарата и поддерживается достаточное давление рабочего потока, отбираемого из выводной линии 26 полости высокого давления второго мембранного аппарата для обеспечения работы эжектора 28.
14
12
12
Устойчивой работе газоразделительного блока мембранных аппаратов способствует стабилизация давления в нагнетательной линии 12 компрессора 11. Для снижения колебаний давления между нагнетательной линией 12 компрессора и трубопроводом 13 для отбора целевого продукта устанавливают регулятор 31 давления типа «до себя». Он настраивается на давление, например, 14,0 МПа. В основной промежуток времени наполнения баллонов (пока давление Р в них повышается с 1,0 МПа до 14,0 МПа регулятор 31 поддерживает в нагнетательной линии 12 компрессора одинаковое давление P=14 МПа (абс.). Только в завершающий момент наполнения баллонов 14 до давления в нагнетательной линии 12 компрессора на короткое время поднимается на 7% до уровня P=15,0 МПа (абс.). Этим обеспечивается практически стабильный расход смеси, подаваемой через полость 21 высокого давления второго мембранного аппарата в сопло 27 эжектора-смесителя 28. Кроме того, наличие регулятора 31 позволяет уменьшить до минимума расход «непродуктивного» потока через основную байпасную ветку 15 и дроссель 16, т.е. снизить влияние ручного регулирования.
Использование эжектора-смесителя позволяет в первом мембранном аппарате 2 повысить давление до 0,6 МПа (абс.), а во втором мембранном аппарате 22 - обеспечить для селективного слоя 23 второго мембранного аппарата оптимальные условия работы, которые в мембранных аппаратах с полыми волокнами обычно реализуются при давлении 1,2…1,4 МПа.
1
10
Особенностью работы установки является то, что требуемый перепад давлений, с одной стороны, задан технологическими условиями работы источника исходной неоно-гелиевой смеси - нижней колонны воздухоразделительной установки (Р=0,50…0,52 МПа, абс.), а с другой стороны, он ограничен условиями эксплуатации компрессора, в частности Р=0,12±0,01 МПа (абс.).
Таким образом, в предложенной установке для концентрирования неоно-гелиевой смеси достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности концентрирования неоно-гелиевой смеси, обеспечивается работа мембранных аппаратов при перепадах давлений, превышающих исходный уровень давления смеси, поступающей из воздухоразделительного устройства.