Способ очистки и разделения криптоно-ксеноновой смеси ректификацией и устройство для его осуществления - RU2300717C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к очистке и разделению криптоно-ксеноновой смеси, получаемой на воздухоразделительных установках, и может быть использовано в химической и нефтегазовой отраслях промышленности.

Известен способ очистки и разделения криптоно-ксеноновой смеси ректификацией, включающий подачу смеси в колонну предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции, очистку ректификацией каждой фракции от летучих и труднолетучих компонентов с образованием флегмы в конденсаторах-испарителях за счет кипения жидкого хладагента, поступающего из хранилища и из холодильного цикла, получение и закачку в баллоны продукционных криптона и ксенона (см. патент РФ RU 2265778 С1, МПК F25J 3/02).

Известный способ не позволяет очистить продукционные криптон и ксенон от радионуклидов, например от продуктов радиоактивного распада радона, содержащихся в исходной смеси, а также имеет недостаточную экономичность.

Целью изобретения является получение продукционных криптона и ксенона, очищенных от радионуклидов, для использования их, например, в медицинских целях и повышение экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки и разделения криптоно-ксеноновой смеси ректификацией, включающем подачу смеси в колонну предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции, очистку ректификацией каждой фракции от летучих и труднолетучих компонентов с образованием флегмы в конденсаторах-испарителях за счет кипения жидкого хладагента, поступающего из хранилища и из холодильного цикла, получение и закачку в баллоны продукционных криптона и ксенона, отличительной особенностью является то, что смесь перед подачей в колонну предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции дополнительно очищают от радионуклидов в дополнительном устройстве очистки смеси от радионуклидов, затем потоки криптоновой и ксеноновой фракций дополнительно очищают от радионуклидов соответственно в дополнительном устройстве очистки криптоновой фракции от радионуклидов и в дополнительном устройстве очистки ксеноновой фракции от радионуклидов с контролем в них содержания и/или активности радионуклидов, ксеноновую фракцию выводят из куба преимущественно в виде пара, при этом продукционные потоки криптона и ксенона перед подачей их на наполнительные рампы дополнительно очищают от радионуклидов соответственно в устройстве финишной очистки продукционного криптона и в устройстве финишной очистки продукционного ксенона, причем в процессе закачки продукционных потоков в баллоны потоки дополнительно сертифицируют на содержание и/или активность по радионуклидам, при этом в испарителях кубов ректификационных колонн охлаждают сжатый хладагент, отбираемый из холодильного цикла, с последующим возвратом хладагента в холодильный цикл, причем очистку криптоновой фракции в дополнительном устройстве очистки криптоновой фракции от радионуклидов и очистку ксеноновой фракции в дополнительном устройстве очистки ксеноновой фракции от радионуклидов осуществляют ректификационным методом, а очистку смеси в дополнительном устройстве очистки смеси от радионуклидов, очистку продукционного потока криптона в устройстве финишной очистки продукционного криптона и очистку продукционного потока ксенона в устройстве финишной очистки продукционного ксенона осуществляют фильтрационным, и/или адсорбционным, и/или абсорбционным, и/или химическим, и/или физико-химическим методами, причем вышеуказанные устройства термостатируют, при этом баллоны перед закачкой продукционных криптона и ксенона дополнительно очищают от радионуклидов и сертифицируют по содержанию и/или активности в них радионуклидов.

Известно устройство для очистки и разделения криптоно-ксеноновой смеси ректификацией, включающее линию подачи смеси, соединенную с ней колонну предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции, соединенные с последней линией криптоновой фракции колонну продукционного криптона и линией ксеноновой фракции колонну продукционного ксенона, соединенный с конденсаторами-испарителями колонн посредством трубопроводов и вентилей холодильный цикл, линии продукционных потоков криптона и ксенона с размещенными на них наполнительными рампами (см. патент РФ RU 2265778 С1, МПК F25J 3/02).

Известное устройство не позволяет очистить продукционные криптон и ксенон от радионуклидов, например от продуктов радиоактивного распада радона, содержащихся в исходной смеси, а также имеет недостаточную экономичность.

Целью изобретения является получение продукционных криптона и ксенона, очищенных от радионуклидов, для использования их, например, в медицинских целях и повышение экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для очистки и разделения криптоно-ксеноновой смеси ректификацией, включающем линию подачи смеси, соединенную с ней колонну предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции, соединенные с последней линией криптоновой фракции колонну продукционного криптона и линией ксеноновой фракции колонну продукционного ксенона, соединенный с конденсаторами-испарителями колонн посредством трубопроводов и вентилей холодильный цикл, линии продукционных потоков криптона и ксенона с размещенными на них наполнительными рампами, отличительной особенностью является то, что на линии подачи смеси установлено дополнительное устройство очистки смеси от радионуклидов с системой термостатирования, на линии криптоновой фракции перед колонной продукционного криптона установлено дополнительное устройство очистки криптоновой фракции от радионуклидов и/или дополнительная ректификационная колонна очистки криптоновой фракции от радионуклидов, на линии ксеноновой фракции перед колонной продукционного ксенона установлено дополнительное устройство очистки ксеноновой фракции от радионуклидов и/или дополнительная ректификационная колонна очистки ксеноновой фракции от радионуклидов, на линиях продукционных потоков криптона и ксенона перед соответствующими наполнительными рампами установлены соответственно устройство финишной очистки продукционного криптона и устройство финишной очистки продукционного ксенона, куб колонны предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции снабжен дополнительной линией отбора ксеноновой фракции в виде пара, колонны, линии выдачи продуктов разделения и наполнительные рампы дополнительно снабжены устройствами контроля и сертификации содержания и/или активности по радионуклидам, при этом в кубах колонн размещены дополнительные испарители, каждый из которых входом и выходом соединен с холодильным циклом, а дополнительные устройства очистки потоков от радионуклидов состоят из последовательно размещенных побудителя расхода, входного фильтрующего элемента, активного очистительного элемента и выходного фильтрующего элемента.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематично показано устройство очистки и разделения криптоно-ксеноновой смеси, на фиг.2 - дополнительное устройство очистки потоков от радионуклидов.

Устройство (фиг.1) содержит блок низкотемпературной ректификации 1, холодильный цикл 2, хранилище жидкого хладагента 3, соединенные трубопроводами с арматурой.

Блок низкотемпературной ректификации включает колонну 4 предварительного разделения на ксеноновую и криптоновую фракции, дополнительную ректификационную колонну 5 очистки криптоновой фракции от радионуклидов, продукционную криптоновую колонну 6, колонну 7 выделения криптона из низкокипящих примесей, дополнительную ректификационную колонну 8 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов, продукционную ксеноновую колонну 9, отделитель 10, соединенные трубопроводами (линиями) с регулирующей арматурой. Каждая колонна внизу имеет куб, снабженный змеевиком испарителя 49-4÷49-9, а в голове - конденсатор-испаритель. Куб колонны 4 предварительного разделения на ксеноновую и криптоновую фракции, кроме этого, содержит змеевик испарителя, обогреваемый поступающей на разделение многокомпонентной смесью.

Все конденсаторы-испарители 11-4÷11-9 имеют патрубки, соединенные линиями 12-4÷12-9, снабженными регулирующими клапанами 45-4÷45-9, с коллектором 13 жидкого хладагента, который в свою очередь соединен с патрубком в нижней части отделителя 10, и патрубки, соединенные линиями 14-4÷14-9 отвода паров хладагента с коллектором 15. В верхней части отделитель 10 имеет патрубок выхода паров хладагента, сообщенный линией 16 с регулирующим клапаном 46 с коллектором 15, патрубок входа жидкого хладагента, сообщенный линией 26 с регулирующим клапаном 47 с хранилищем 3 жидкого хладагента, и патрубок входа парожидкостного потока хладагента, сообщенный линией 27 с выходным патрубком холодильного цикла 2.

Колонна 4 предварительного разделения на ксеноновую и криптоновую фракции в средней части имеет патрубок, соединенный трубопроводом через испаритель 50 с линией 32 потока криптоно-ксеноновой смеси. На линии 32 потока криптоно-ксеноновой смеси, например, по ходу смеси после испарителя 50 установлено дополнительное устройство 51 очистки смеси от радионуклидов. В верхней части колонна 4 имеет патрубок, соединенный линией 33 потока криптоновой фракции с патрубком в средней части дополнительной ректификационной колонны 5 очистки криптоновой фракции от радионуклидов. На линии 33 потока криптоновой фракции установлено дополнительное устройство 52 очистки криптоновой фракции от радионуклидов. Куб колонны 4 в верхней части имеет патрубок, соединенный линией 54 потока ксеноновой фракции, отводимой в парообразном виде, с патрубком в средней части дополнительной ректификационной колонны 8 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов, а в нижней части - патрубок, соединенный линией 34 потока ксеноновой фракции, отводимой в жидком виде, с линией 54. На линии 54 установлено дополнительное устройство 53 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов.

Дополнительная ректификационная колонна 5 очистки криптоновой фракции от радионуклидов в верхней части имеет патрубок, соединенный линией 35 потока очищенной криптоновой фракции с патрубком в средней части продукционной криптоновой колонны 6, а в нижней части, в кубе, - патрубок, соединенный линией 36 потока промежуточных примесей через испаритель 55 с выходом из устройства.

Продукционная криптоновая колонна 6 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 37 потока отдувочных газов продукционной криптоновой колонны с патрубком в средней части колонны 7 выделения криптона из низкокипящих примесей, а в нижней части, в кубе, - патрубок, соединенный линией 38 потока продукционного криптона через испаритель 55, устройство 56 финишной очистки продукционного криптона с наполнительной криптоновой рампой 57 и баллонами 58, дополнительно очищенными от радионуклидов и сертифицированными по содержанию и/или активности в них радионуклидов.

Колонна 7 выделения криптона из низкокипящих примесей имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 44 потока низкокипящих примесей с выходом из установки, а в нижней части, в кубе, - патрубок, соединенный линией 43 потока выделенного криптона через испаритель 55 с выводом из установки.

Дополнительная ректификационная колонна 8 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 39 потока очищенной ксеноновой фракции с патрубком в средней части продукционной ксеноновой колонны 9, а в нижней части, в кубе, - патрубок, соединенный линией 40 потока высококипящих примесей через испаритель 55 с выходом из установки.

Продукционная ксеноновая колонна 9 имеет в верхней части патрубок, соединенный линией 41 потока отдувочных газов ксеноновой колонны с выходом из установки, а в нижней части, в кубе, - патрубок, соединенный линией 42 потока продукционного ксенона через испаритель 55, устройство 59 финишной очистки продукционного ксенона с наполнительной ксеноновой рампой 60 и баллонами 61, дополнительно очищенными от радионуклидов и сертифицированными по содержанию и/или активности в них радионуклидов.

Холодильный цикл 2 содержит компрессор 17, концевой холодильник 18, охлаждаемый водой, предварительный теплообменник 19, адсорбционный узел 20 комплексной очистки, фильтр 21, основной теплообменник 22, детандер 23, дополнительный теплообменник 24, дроссельное устройство 25, соединенные линией 28 прямого потока, всасывающей линией (линией обратного потока) 29 и линией 30 детандерного потока. Линия прямого потока 28 после фильтра 21 соединена коллектором 62 и линиями 63-4÷63-9, снабженными запорными клапанами, с входом змеевиков испарителей 49-4÷49-9, на выходе змеевики испарителей линиями 64-4÷64-9, снабженными дроссельными устройствами 65-4÷65-9, и коллектором 66 соединена с выходным патрубком холодильного цикла 2 и далее линией 27 с отделителем 10. На фиг.1 обозначены условно только змеевики испарителей 49-4, 49-5, линии 63-4, 63-5, 64-4, 64-5 и дроссельные устройства 65-4, 65-5, относящиеся к ректификационным колоннам 4 и 5. Для остальных колонн - аналогично.

Ректификационные колонны, линии питания ректификационных колонн, линии выдачи продуктов разделения и наполнительные рампы снабжены штуцерами А1-А19 и линиями 72-1÷72-19 отбора проб среды к устройствам 73 контроля и сертификации содержания и/или активности по радионуклидам, которые включают приборы 74 измерения микропримесей и/или приборы 75 измерения активности радионуклидов.

Дополнительное устройство 51 очистки смеси от радионуклидов, дополнительное устройство 52 очистки криптоновой фракции от радионуклидов, дополнительное устройство 53 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов, устройство 56 финишной очистки продукционного криптона и устройство 59 финишной очистки продукционного ксенона содержат (фиг.2) побудитель расхода 67, входной фильтрующий элемент 68, активный очистительный элемент 69, выходной фильтрующий элемент 70 и систему термостатирования 71.

Заявляемый способ разделения криптоно-ксеноновой смеси осуществляется следующим образом.

Криптоно-ксеноновую смесь, получаемую на воздухоразделительных установках, очищенную от углеводородов, содержащую в своем составе целевые компоненты криптон Kr, ксенон Хе, примеси, имеющие большую летучесть по отношению к криптону (например, неон Ne, азот N₂, кислород О₂), большую летучесть по отношению к ксенону, но меньшую по отношению к криптону (например, гексафторэтан С₂F₆), меньшую летучесть по отношению к ксенону (например, диоксид углерода СО₂, этан C₂H₆), а также радионуклиды (например, радон Rn и его дочерние продукты распада) подают по линии 32 потока криптоно-ксеноновой смеси через испаритель 50 в дополнительное устройство 51 очистки смеси от радионуклидов и далее в среднюю часть колонны 4 предварительного разделения на криптоновую и ксеноновую фракции. Смесь, проходя в термостатированном устройстве 51 через входной фильтрующий элемент 68, активный очистительный элемент 69 и выходной фильтрующий элемент 70, очищается от части радионуклидов, достигших на момент переработки стабильного состояния.

В результате процесса ректификации в кубе собирается ксеноновая фракция, содержащая весь ксенон, в основном менее летучие по отношению к ксенону примеси и тяжелые радионуклиды, а также небольшое, специально поддерживаемое количество криптона (2-5%). В верхней части колонны собирается криптоновая фракция, содержащая криптон, в основном летучие по отношению к криптону примеси и легкие радионуклиды, которую направляют по линии 33 потока криптоновой фракции через дополнительное устройство 52 очистки криптоновой фракции от радионуклидов в дополнительную ректификационную колонну 5 очистки криптоновой фракции от радионуклидов. В колонне 5 в результате процесса ректификации в кубе концентрируются труднолетучие по отношению к криптону радионуклиды вместе с труднолетучими примесями и незначительной частью криптона, откуда их по линии 36 через испаритель 55 выводят из устройства. Из головы колонны 5 выводят поток очищенной криптоновой фракции, уже не содержащий труднолетучих по отношению к криптону веществ, и направляют в продукционную криптоновую колонну 6. В результате процесса ректификации в кубе колонны 6 собирается продукционный криптон, который направляют по линии 38 потока продукционного криптона через испаритель 55, устройство 56 финишной очистки продукционного криптона в наполнительную криптоновую рампу 57 и баллоны 58. Из головы колонны 6 по линии 37 выводят поток газа, который в своем составе содержит криптон и все летучие по отношению к криптону примеси, и направляют в колонну 7 выделения криптона из низкокипящих примесей.

В результате процесса ректификации в кубе колонны 7 собирается криптон, который по мере накопления выводят по линии 43 через испаритель 55, а из головы колонны по линии 44 выводят поток низкокипящих примесей.

Из куба колонны 4 предварительного разделения на ксеноновую и криптоновую фракции поток ксеноновой фракции преимущественно в виде пара по линии 54 через дополнительное устройство 53 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов направляют в дополнительную ректификационную колонну 8 очистки ксеноновой фракции от радионуклидов. В колонне 8 в результате процесса ректификации в кубе концентрируют труднолетучие по отношению к ксенону радионуклиды вместе с труднолетучими примесями и незначительной частью ксенона, которые по мере накопления по линии 40 через испаритель 55 выводят из устройства. Из головы колонны 8 по линии 39 выводят поток очищенной ксеноновой фракции, который содержит в своем составе только ксенон и криптон, и направляют в продукционную криптоновую колонну 9. В результате процесса ректификации в кубе колонны 9 собирают продукционный ксенон, который по линии 42 через испаритель 55, устройство 59 финишной очистки продукционного ксенона направляют в наполнительную ксеноновую рампу 60 и баллоны 61, а из головы колонны 9 по линии 44 выводят поток газообразного криптона и направляют его, например, в газгольдер.

Хладагент, например жидкий азот, из хранилища 3 жидкого хладагента по линии 26 через регулирующий клапан 47 направляют в отделитель 10, поддерживая в отделителе 10 заданный уровень жидкости, и далее в коллектор 13 жидкого хладагента. Из коллектора 13 жидкий хладагент по линиям 12-4÷12-9, каждая из которых снабжена соответственно регулирующим клапаном 45-4÷45-9, подают к поверхности кипения конденсаторов-испарителей 11-4÷11-9. Образовавшиеся при кипении пары хладагента по линиям 12-4÷12-9 отвода паров хладагента направляют в коллектор 15 и далее по линии всасывания 29 в качестве обратного потока через дополнительный теплообменник 24, основной теплообменник 22, предварительный теплообменник 19 подают на всас компрессора 17. Сжатый в компрессоре 17 газ направляют в линию 28 прямого потока, охлаждая водой в концевом холодильнике 18, обратным потоком в предварительном теплообменнике 19, очищая от возможных примесей в адсорбционном узле комплексной очистки 20 и фильтре 21. После фильтра 21 часть сжатого газа по линии 30 детандерного потока направляют к детандеру 23, где расширяют с совершением внешней работы, а затем подают в линию обратного потока 29 перед основным теплообменником 22. Другую часть сжатого потока после фильтра 21 по коллектору 62 и линиям 63-4÷63-9, снабженным запорными клапанами, подают в змеевики испарителей 49-4÷49-9, на выходе из которых по линиям 64-4÷64-9 охлажденный поток расширяют в дроссельных устройствах 65-4÷65-9, собирают коллектором 66 и соединяют после дроссельного устройства 25 с оставшимся прямым потоком, предварительно охлажденным в основном 22 и дополнительном 24 теплообменниках и расширенном в дроссельном устройстве 25. Образовавшийся двухфазный поток по линии 27 направляют в отделитель 10, где пары хладагента после отделения жидкости по линии 16 через регулирующий клапан 46 направляют в коллектор 15, а ожиженный хладагент вместе с подпиткой жидкого хладагента из хранилища 3 жидкого хладоагента подают в конденсаторы-испарители. Клапан 46 обеспечивает необходимый для работы регулирующих клапанов 45-4÷45-9 перепад давления между давлением паров хладагента в отделителе 10 и коллекторе 15.

Регулирующий клапан 48, установленный на линии 31, поддерживает на всасе компрессора 17 требуемое давление, выводя из холодильного цикла часть теплого газообразного хладагента.

При осуществлении фильтрационного метода очистки от радионуклидов потока криптона смеси и/или криптоновой фракции и/или ксеноновой фракции и/или продукционного и/или продукционного потока ксенона подразумевают исполнение входного фильтрующего элемента 68 (фиг.2) и выходного фильтрующего элемента 70 из материалов, имеющих эквивалентный диаметр фильтрации меньше минимального размера аэрозолей, образуемых соответствующими фильтруемыми радионуклидами.

При осуществлении адсорбционного метода очистки от радионуклидов потока криптона смеси и/или криптоновой фракции и/или ксеноновой фракции и/или продукционного и/или продукционного потока ксенона подразумевают исполнение активного очистительного элемента 69 (фиг.2) в виде адсорбционного патрона, заполненного сорбентом, причем эквивалентный размер пор сорбирующего вещества составляет не менее размера молекул соответствующего радионуклида, а температура термостатирования поддерживается не менее температуры конденсации соответствующего потока.

При осуществлении абсорбционного метода очистки от радионуклидов потока криптона смеси и/или криптоновой фракции и/или ксеноновой фракции и/или продукционного и/или продукционного потока ксенона подразумевают исполнение активного очистительного элемента 69 в виде абсорбционного патрона, заполненного абсорбентом, при этом температура термостатирования поддерживается не ниже температуры кристаллизации абсорбента.

При осуществлении химического метода очистки от радионуклидов потока криптона смеси и/или криптоновой фракции и/или ксеноновой фракции и/или продукционного и/или продукционного потока ксенона подразумевают исполнение активного очистительного элемента 69 в виде химического реактора, заполненного катализатором, который осуществляет химическое связывание соответствующего радионуклида с окислителем, входящим в структуру катализатора. Температура термостатирования при этом составляет не ниже температуры зажигания реакции окисления и не выше температуры разрушения катализатора или температуры потери динамической прочности конструкционных материалов, из которых выполнен очистительный элемент.

При осуществлении физико-химического метода очистки от радионуклидов потока криптона смеси и/или криптоновой фракции и/или ксеноновой фракции и/или продукционного и/или продукционного потока ксенона подразумевают исполнение активного очистительного элемента 69 в виде патрона, заполненного активной разветвленной поверхностно-активной поверхностью, например пористым титаном, пористой медью и т.п., осуществляющей осаждение на разветвленной поверхности молекул и/или аэрозолей соответствующих радионуклидов под действием элетромагнитных сил взаимодействия.

Вышеперечисленные методы очистки от радионуклидов могут использоваться в отдельности или в комбинации друг с другом.

Отбор ксеноновой фракции в виде пара позволяет уменьшить в ней концентрацию труднолетучих по отношению к ксенону примесей, что в итоге позволяет получить большую чистоту продукционного ксенона.

Охлаждение сжатого хладагента в испарителях куба ректификационных колонн позволяет на 15-20% увеличить выход из холодильного цикла жидкого хладагента и, соответственно, повысить экономичность процессов разделения.

Использование заявляемого изобретения позволит очистить продукционные криптон и ксенон от радионуклидов и осуществить очистку и разделение криптоно-ксеноновой смеси более экономично.

Реферат

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к очистке и разделению криптоно-ксеноновой смеси, получаемой на воздухоразделительных установках. Способ предусматривает очистку и разделение смеси ректификацией с охлаждением в кубах ректификационных колонн сжатого хладагента, отбираемого и возвращаемого в холодильный цикл, причем поток смеси, потоки криптоновой и ксеноновой фракций, а также потоки продукционного криптона и ксенона дополнительно очищают от радионуклидов фильтрационным, и/или адсорбционным, и/или ректификационным, и/или абсорбционным, и/или химическим, и/или физико-химическим методами в дополнительных устройствах очистки от радионуклидов с дополнительной сертификацией потоков и баллонов перед и после их заполнения продуктами разделения на содержание и/или активность по радионуклидам. Предложено устройство для реализации описанного способа. Изобретение позволяет дополнительно очистить продукты разделения от радионуклидов для их применения, например, в медицинских целях, а также увеличивает экономичность процессов очистки и разделения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула