СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИЕЙ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ИЗ ХВОСТОВЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SINGLE-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 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 хвостовых газов, например, отходящих газов установки Сульфрин в качестве исходного потока газа.
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, включающем 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.
Техническим результатом предложенной группы изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является снижение вредных выбросов и возможность извлечения из хвостовых газов ценных компонентов - инертных газов.
Технический результат достигается тем, что согласно способу выделения инертных газов из хвостовых газов охлаждают исходный поток газов, ожижают и разделяют посредством одноступенчатой ректификации с получением жидких продуктов разделения: аргона и криптоноксеноновой смеси и газообразных продуктов разделения: азота, смеси окиси углерод-азот и азотоводородной смеси.
Целесообразно перед ректификацией большую часть потока газов после охлаждения конденсировать, сепарировать и переохлаждать, а меньшую часть перед охлаждением подвергать сжатию.
В конкретном случае исходный поток газов имеет состав: азот до 96%, водород до 2%, окись углерода до 1%, ксенон от 0.1 ppm, криптон от 1.5 ppm, аргон от 1%.
В дальнейшем продукт разделения - смесь окиси углерода-азот может быть подвергнут каталитическому окислению окиси углерода с получением на выходе двуокиси углерода, азота и воды, а из другого продукта разделения - азотоводородной смеси может быть отобран водород.
Технический результат достигается также тем, что устройство для выделения инертных газов из хвостовых газов включает средство разделения исходного потока газа, основной теплообменник, переохладитель, основную и криптоновую колонны, конденсатор - испаритель, ожижитель, оборудованный линией слива товарного аргона, сепаратор, связанный своей линией отвода жидкой фракции с переохладителем, и блок подготовки криптоноксеноновой смеси, связанный с криптоновой колонной и оборудованный сливом товарной криптоноксеноновой смеси, при этом средство разделения исходного потока газа связано одной из выходных магистралей, пропущенной через основной теплообменник, - с конденсатором-испарителем, другой из выходных магистралей через дожимной узел - с основной колонной, которая имеет связи с переохладителем, ожижителем и, через конденсатор-испаритель, - с сепаратором и с криптоновой колонной, причем связи основной колонны с переохладителем представлены двумя трубопроводами вывода газообразных фракций из основной колонны в переохладитель и возвратным трубопроводом, связи основной колонны с ожижителем представлены трубопроводом отвода части чистого газообразного аргона из основной колонны в ожижитель и трубопроводом вывода пара из ожижителя в среднюю часть основной колонны, связи основной колонны через конденсатор-испаритель с сепаратором и с криптоновой колонной представлены трубопроводом вывода жидкого аргона из основной колонны в конденсатор-испаритель, трубопроводом подачи газообразного потока из конденсатора-испарителя в основную колонну, трубопроводом отвода жидкой фракции из конденсатора-испарителя в сепаратор и циркуляционным контуром из двух трубопроводов, связывающих конденсатор-испаритель с верхней частью криптоновой колонны, при этом газовый выход сепаратора и трубопроводы, предназначенные для отвода из переохладителя сбросного азота и смеси азота с окисью углерода, пропущены через основной теплообменник, а переохладитель имеет линию связи с ожижителем.
В предпочтительном варианте дожимной узел выполнен в виде турбодетандерного агрегата по схеме «компрессор - турбина», гидравлически связанных между собой через последовательно установленные дополнительный теплообменник и фильтр, причем дополнительный теплообменник выполнен с собственным водяным контуром охлаждения, а связь (линия) между последовательно установленными дополнительным теплообменником и фильтром пропущена через основной теплообменник.
В конкретном примере блок подготовки криптоноксеноновой смеси выполнен в виде испрарителя и двухфазного сепаратора, последовательно связанных по жидкости и параллельно по газу.
В рассматриваемом конкретном примере два входа переохладителя связаны единым трубопроводом с жидкостным выводом сепаратора, а основной теплообменник выполнен пластинчато-ребристым.
Предлагаемый способ может быть использован для выделения тяжелых инертных газов из хвостовых газов установки Сульфрин, после их осушки, извлечения соединений серы и диоксида углерода и имеющих следующий состав: азот до 96%, водород до 2%, окись углерода до 1%, ксенон от 0.1 ppm (0,00001%,), криптон от 1.5 ppm (0,00015%), аргон от 1%.
Технологический процесс газоразделения осуществляется в несколько стадий:
- охлаждение в теплообменном аппарате (основном теплообменнике);
- ожижение и разделение газа на основные компоненты посредством ректификации. Технологическая схема построена по циклу низкого давления с применением турбодетандерного агрегата по схеме «компрессор-турбина».
Разделение смеси осуществляется без применения внешнего холодильного цикла с дополнительным компрессором (дожимным узлом), смесь поступает на разделение под давлением 7 МПа.
Узел ректификации состоит из двух колонн: основной и криптоновой. Основной разделительный аппарат построен по схеме одноступенчатой ректификации. Флегмовое орошение основной ректификационной колонны осуществляется исходной смесью, которая конденсируется в конденсаторе-испарителе этой колонны.
Продуктами разделения являются:
а) аргон жидкий;
б) криптоноксеноновая смесь жидкая высокой чистоты (извлечение не ниже 99%);
в) азотоводородная смесь газообразная:
г) смесь окись углерода - азот газообразная;
д) азот газообразный.
На чертеже приведена принципиальная технологическая схема устройства, предназначенного для осуществления предлагаемого способа.
Устройство для выделения инертных газов включает средство 1 разделения исходного потока газа, основной теплообменник 2, переохладитель 3, основную и криптоновую колонны 4, 5 с тарелками 6, конденсатор-испаритель 7, ожижитель 8, оборудованный линией 9 слива товарного аргона, сепаратор 10, связанный своей линией 11 отвода жидкой фракции с переохладителем 3, и блок 12 подготовки криптоноксеноновой смеси, связанный с криптоновой колонной 5 и оборудованный сливом 13 товарной криптоноксеноновой смеси. Средство 1 разделения исходного потока газа связано одной из выходных магистралей 14, пропущенной через основной теплообменник 2, с конденсатором-испарителем 7, другой из выходных магистралей 15 через дожимной узел 16 - с основной колонной 4. Связи основной колонны 4 с переохладителем 3 представлены двумя трубопроводами 17, 18 вывода газообразных фракций из основной колонны 4 в переохладитель 3 и возвратным трубопроводом 19. Связи основной колонны 4 с ожижителем 8 представлены трубопроводом 20 отвода части чистого газообразного аргона из основной колонны 4 в ожижитель 8 и трубопроводом 21 вывода пара из ожижителя 8 в среднюю часть основной колонны 4. Связи основной колонны 4 через конденсатор-испаритель 7 с сепаратором 10 и с криптоновой колонной 5 представлены трубопроводом 22 вывода жидкого аргона из основной колонны 4 в конденсатор-испаритель 7, трубопроводом 23 подачи газообразного потока из конденсатора-испарителя 7 в основную колонну 4, трубопроводом 24 отвода жидкой фракции из конденсатора-испарителя 7 в сепаратор 10, и циркуляционным контуром из двух трубопроводов 25, 26, связывающих конденсатор-испаритель 7 с верхней частью криптоновой колонны 5. Газовый выход 27 сепаратора 10 и трубопроводы 28а, 28б, предназначенные для отвода сбросного азота и смеси азота с окисью углерода, соответственно, из переохладителя 3, пропущены через основной теплообменник 2. Переохладитель 3 имеет линию 29 связи с ожижителем 8. Дожимной узел 16 выполнен в виде турбодетандерного агрегата по схеме «компрессор 30-турбина 31», гидравлически связанных между собой через последовательно установленные дополнительный теплообменник 32 и фильтр 33. Дополнительный теплообменник 32 выполнен с собственным водяным контуром 34 охлаждения. Связь (линия) между последовательно установленными дополнительным теплообменником 32 и фильтром 33 пропущена через основной теплообменник 2.
Блок 12 подготовки криптоноксеноновой смеси выполнен в виде испарителя 35 и двухфазного сепаратора 36, последовательно связанных по жидкости и параллельно по газу. Испаритель 35 оборудован контуром активной текучей среды с подводящим и отводящим трубопроводами 37, 38.
Из источника информации (Российская газовая энциклопедия./Под ред. Р.И.Вяхирева. М., Большая Российская энциклопедия, 2004, с.433) известно, что в качестве испарителей используются различные модификации кожухотрубных теплообменников. Характерной особенностью испарителей является наличие зоны сепарации жидкости и пара, образуемой, например, с помощью увеличения свободного объема межтрубного пространства.
Сепаратор 10 замкнут своей линией 11 отвода жидкой фракции на переохладитель 3 таким образом, что два входа переохладителя 3 связаны единым трубопроводом (линией 11) с жидкостным выводом сепаратора 10.
2
Способ осуществляется следующим образом. Поток исходного газа, например, с давлением 7 атм и температурой 450°C поступает на вход установки в виде исходного потока газа и средством 1 разделяется на два потока (две части): одна (большая) часть поступает на охлаждение в основной пластинчато-ребристый теплообменник (Т-01) 2, другая (меньшая) часть в виде детандерного потока поступает в дожимной узел (ТДК-01) 16. Поток после дожимного (дожимающего) компрессора 30 охлаждается водой в дополнительном теплообменнике 32 и поступает в основной теплообменник (Т-01) 2, где он охлаждается обратными потоками азотоводородной смеси, сбросного (отбросного) азота и фракции CO-N (смесь азота с окисью водорода) и выводится из средней части теплообменника 2. Далее дожатый газ направляется через фильтр (Ф-01) 33 в турбину турбодетандерного агрегата (ТДК-01) 16, где, расширяясь, охлаждается и поступает в середину основной (насадочной) колонны (К-01) 4.
После охлаждения основной поток газа (1-1) направляется в конденсатор-испаритель (КИ-01) 7, где частично конденсируется (1-12). Далее парожидкостная смесь поступает в сепаратор 10, где разделяется на пар (1-3) и жидкость (1-4). Поток 27 пара (1-3) выводится обратным потоком через основной теплообменник (Т-01) 2 из установки в виде обогащенной водородом азотоводородной смеси. Поток жидкости 11 (1-4) делится на два потока - (1-5) и (1-4-1). Расход потока (1-5) существенно меньше расхода потока (1-4-1). Потоки (1-5) и (1-4-1) проходят через переохладитель (ПЕ-01) 3.
2
Поток (1-5) переохлаждается за счет нагрева газообразных потоков азота (1-14) и фракции CO-N (1-13), выходящих из основной колонны (К-01) 4 с давлением 1.3 бар, и дросселируется (1-6) в верхнюю часть этой колонны (К-01) 4. Стекая вниз по колонне 4, жидкость обогащается аргоном за счет процессов тепломассообмена с парами, поднимающимися по колонне 4 из конденсатора-испарителя 7. Из куба основной колонны 4 отбирается жидкий аргон (1-7), который направляется в конденсатор-испаритель (КИ-01) 7, где частично испаряется за счет обмена теплом с конденсирующимся газом.
Газообразный поток (1-8) из конденсатора-испарителя (КИ-01) 7 направляется обратно в основную колонну (К-01) 4. Пары аргона, поднимаясь по колонне 4, проходят пять тарелок и отмываются от криптона и ксенона. Часть чистого газообразного аргона (1-9) выводится из основной колонны (К-01) 4 и подается в ожижитель (ОЖ-01) 8. Туда же из переохладителя (ПЕ-01) 3 подается переохлажденный поток (1-10), при испарении которого часть потока (1-9) конденсируется. Товарный жидкий аргон через линию 9 слива товарного аргона направляется из ожижителя (ОЖ-01) 8 в криогенную емкость продуктового аргона (не показана). Поток пара (1-11) из ожижителя (ОЖ-01) 8 отводится в среднюю часть основной колонны (К-01) 4.
Поток жидкости (1-2) из конденсатора-испарителя (КИ-01) 7 подается в верхнюю часть криптоновой колонны (К-02) 5, связанной в нижней части с блоком 12 подготовки криптоноксеноновой смеси. Из испарителя (И-01) 35 жидкая фаза поступает в двухфазный сепаратор 36, из которого отбирается чистая криптоноксеноновая смесь в жидком виде через слив 13 товарной криптоноксеноновой смеси. Газовая фаза из блока 12 подготовки криптоноксеноновой смеси возвращается в куб основной колонны (К-01) 4.
Пример
2
2
На установку выделения тяжелых инертных газов из хвостовых газов установки Сульфрин поступает газ следующего состава: (в мольных долях) 0.017 H, 0.961 N, 0.012 Ar, 0.010 СО, 0.01 ppm Хе, 1.5 ppm Kr. Давление потока составляет 7 бар, температура - 228 К, 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
Азот
Фракц. СО
Kr+Xe жидк.
АРГ жидк.
Фракц. H<sub>2</sub>
1
2
3
4
5
6
Температура, K
227.5
225
125.1
89.75
225
Давление, bar
1.25
1.25
1.4
1.3
6.85
Объемный расход, нм<sup>3</sup>/ч (для газа)
1.09Е+05
150
0.175
0.175
0.175
Состав, моль. доля
Водород
0.0114
0.0012
0
0
0.3508
Азот
0.9757
0.2377
0
0
0.6411
Аргон
0.0048
0.0188
0
1
0.0038
Криптон
0
0
0.9363
0
0
Ксенон
0
0
0.0637
0
0
Монооксид углерода
0.0081
0.7424
0
0
0.0043