Исследование рабочих процессов и разработка современных криогенных технологий в производстве криптона и ксенона - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Образование вуз: Военно-воздушная инженерная академия им профессора Н. 1 13.19kb.
Программа по соизучению языка и культуры на основе современных технологий... 1 54.01kb.
Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурное... 4 500.08kb.
Исследование и разработка моделей и методов эффективной эксплуатации... 1 363.68kb.
Сборник трудов V международной конференции «Исследование, разработка... 1 27.22kb.
Исследование нелинейных волновых процессов в газах и жидкостях 1 75.13kb.
Разработка технологий активации слоистых материалов с целью повышения... 1 71.79kb.
Отчет о работе фгбун музея антропологии и этнографии имени Петра... 5 476.6kb.
Методическая разработка по проведению урока-ролевая игра по дисциплине... 1 138.37kb.
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Исследование социально-экономических... 1 412.42kb.
Исследование рабочих процессов в гидродинамическом трансформаторе... 1 54.67kb.
Рабочая учебная программа по внутренним болезням для специальности... 1 377.7kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Исследование рабочих процессов и разработка современных криогенных технологий в производстве - страница №1/4




на правах рукописи


Савинов Михаил Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА

СОВРЕМЕННЫХ КРИОГЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В

ПРОИЗВОДСТВЕ КРИПТОНА И КСЕНОНА

Специальность 05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2008

Р

абота выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана на кафедре Э-4 «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения»


Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Архаров Алексей Михайлович



Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванов Владислав Иванович


доктор технических наук, профессор

Пеньков Максим Михайлович


доктор технических наук, профессор

Иванов Борис Александрович



Ведущая организация: ОАО «Гелиймаш», г.Москва

Защита диссертации состоится « 21 » января 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.234.01 в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, СПбГУНиПТ, тел./факс 8 (812) 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «____»______________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Тимофеевский Л.С.




ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Тяжелые инертные газы криптон и ксенон как физические элементы были открыты в конце ХIХ века методами спектрального анализа при фракционированном испарении жидкого воздуха. Атмосферный воздух до настоящего времени является основным источником их промышленного производства, начало которого можно датировать 1938-м годом, когда фирмами Linde, Vereinigten Gluhlampen Elektrizitate и Air Liquide были созданы установки для прямого извлечения криптона и ксенона из воздуха в Венгрии и Франции. Производительность каждой из этих установок не превышала 250 нм3 (Kr+Xe) в год, а удельные затраты электроэнергии составляли около 40000 кВт·ч/нм3 (Kr+Xe). Последовавшее в дальнейшем развитие техники воздухоразделения привело к преобладанию концепции комплексного разделения воздуха, когда основными продуктами являются О2 и N2, а группа инертных газов производится как дополнительные продукты. Необходимо отметить, что процессы извлечения Kr и Xe из воздуха напрямую связаны с процессами концентрирования углеводородов в жидком О2 и лимитируются условиями взрывобезопасной эксплуатации ВРУ. Тем не менее основные принципы организации технологических процессов получения первичного криптонового концентрата (ПКК) и дальнейшего извлечения Kr-Xe смеси (ККС) оставались практически неизменными и требовали своего развития и оптимизации.

Состав атмосферного воздуха, при его рассмотрении как источника криптона и ксенона, в последние десятилетия претерпевает существенные изменения. Воздух загрязняется не только традиционными примесями (СO2, CO и т.п.), но и специфическими микропримесями синтезированных газов, таких как CF4, C2F6, SF6 и др., которые концентрируются в ПКК и ККС.

В общей номенклатуре технических газов Kr и Xe всегда занимали особое положение ввиду малых объемов их производства и высокой стоимости. Тем не менее они все больше используются как в традиционных областях своего применения (электроламповая, электронная промышленности и пр.), так и в новых наукоемких технологиях, таких как производство плазменных панелей (PDP) и полупроводников, космической технике, ядерной промышленности, строительных технологиях, медицине, что определяет растущий спрос на Kr и Xe и необходимость опережающего роста их производства по отношению к темпам увеличения объемов переработки воздуха. Поэтому актуальной является задача повышения коэффициента извлечения Kr и Xe как на действующих производствах, так и при проектировании новых установок. Помимо этого, актуальной становится проблема получения тяжелых инертных газов на ВРУ, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

Новые сферы потребления предъявляют более высокие требования к качеству газов, что определяет необходимость поиска и исследования новых технологических и схемных решений для получения Kr и Xe высокой (99,999 % об.) и особо высокой (99,99995 % об.) чистоты, что невозможно без проведения комплекса научно-исследовательских работ. Необходимо отметить, что в открытой печати информация по этой проблеме крайне ограничена.

Исследования, проведенные в рамках настоящей диссертационной работы, являются продолжением и развитием работ С.Д.Глухова, Н.Боранбаева, А.В. Шевцова, К.Е.Тчанниковой, А.М.Поминова, проводившихся на кафедре Э-4 «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана с начала 70-х годов под руководством профессоров И.В.Марфениной и А.М.Архарова. Также автор опирался на работы В.И.Файнштейна, А.С.Бронштейна, Л.Б.Лебедева, В.Б.Воротынцева, посвященые вопросам обеспечения взрывобезопасности ВРУ, исследования распределения высококипящих примесей при ректификации воздуха и экспериментального определения задержки криптона в регенераторах ВРУ, и работы Е.И. Борзенко, Л.А. Акулова, С.С. Будневича и других авторов, посвященных вопросам получения О2, N2, Ar особо высокой чистоты методами ректификации.

Целью работы является исследование и развитие традиционных и создание новых промышленных технологий получения криптон-ксенон содержащих смесей на ВРУ; разработка новых универсальных технологий производства криптона и ксенона высокой и особо высокой чистоты из многокомпонентных смесей и создание опытно-промышленных установок.

В соответствии с поставленной целью в работе рассмотрены и решены следующие задачи:

1. Расчетное и экспериментальное исследование распределения Kr и Xe в аппаратах ВРУ низкого давления и выработка рекомендаций по оптимизации конструктивных решений и технологических параметров ВРУ.

2. Исследование процессов тепломассообмена применительно к созданию адсорбционной технологии получения ксеноносодержащих смесей.

3. Разработка высокоэффективной технологии и создание взрывобезопасных установок для переработки первичного криптонового концентрата.

4. Исследование парожидкостного равновесия смесей Kr-CF4, Kr-Xe, Xe-C2F6 в области разбавленных растворов.

5. Исследование процессов массопередачи в насадочных колоннах при концентрировании Kr и Xe из многокомпонентных смесей методами низкотемпературной ректификации.

6. Разработка структуры узлов ректификации установок для производства из многокомпонентных смесей продуктов разделения особо высокой чистоты с максимальными коэффициентами извлечения.

7. Разработка технологии и создание универсальной установки для получения криптона и ксенона особо высокой чистоты из многокомпонентных смесей, содержащих в своем составе тяжелые инертные газы.
Научная новизна работы.

1. Получены новые экспериментальные данные по задержке криптона и ксенона в регенераторах, в газовых и жидкостных адсорберах, в двухслойных адсорберах БКО современных ВРУ низкого давления, предложены меры по снижению потерь целевых компонентов в аппаратах узлов очистки.

2. Получены расчетные значения общих потерь по Kr и Xe для основных типов крупных ВРУ и предложены способы снижения потерь тяжелых инертных газов на стадиях их концентрирования.

3. Получены новые экспериментальные данные о гидравлическом сопротивлении, задержке жидкости, «захлебывании» вертикального противоточного течения Kr–Xe содержащих смесей на спирально-призматических насадках. Получены соотношения для расчета удельного гидравлического сопротивления и величины задержки жидкости.

4. Получены новые данные о величине движущей силы и кинетике процесса массопередачи при разделении разбавленных растворов Хе в Kr, CF4 в Kr, C2F6 в Хе, О2 и N2 в Kr в колоннах со спирально-призматическими насадками и криптона в кислороде в колонне с регулярной насадкой К-600 производства ОАО «Криогенмаш». Показано, что высота теоретической ступени контакта существенно увеличивается в области микроконцентраций компонентов.

5. Впервые получены экспериментальные интегральные характеристики процесса теплообмена в конденсаторах-испарителях с промежуточным хладоносителем при температурных напорах 35÷50 К в условиях конденсации Kr и кипения хладагента (азота) при давлении, близком к атмосферному.

6. Впервые показана возможность практической реализации методов непрерывной ректификации при разделении смесей Kr-CF4, Xe-C2F6 и экспериментально исследованы характеристики процессов разделения на нерегулярных спирально-призматических насадках. Установлено, что в области разбавленных растворов смесь Xe-C2F6 является азеотропной.

7. Предложена структура построения узлов ректификации установок для производства из многокомпонентных смесей продуктов разделения особо высокой чистоты с максимальными коэффициентами извлечения, не зависящими от чистоты целевых компонентов. Получено соотношение для определения количества массообменных аппаратов таких установок.

8. Впервые получены экспериментальные данные по фазовому равновесию смеси Kr-CF4, Kr-Xe в области разбавленных растворов.

9. Получены новые экспериментальные данные по адсорбции ксенона (в микроконцентрациях) из O2-Xe смеси при температурах 95÷140 К. Предложена расчетная зависимость времени защитного действия адсорбционного слоя силикагеля по ксенону от параметров технологического процесса.



Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Установлены источники потерь криптона и ксенона во всех узлах ВРУ на основе предложенной структурной классификации установок низкого давления. Получены данные о технологически достижимых коэффициентах извлечения тяжелых инертных газов для различных схем ВРУ.

2. Предложена методика расчета процессов концентрирования высококипящих примесей в кислороде применительно к аппаратам универсальной схемы узла получения ПКК. Получены результаты анализа взаимовлияния параметров работы отдельных аппаратов с точки зрения повышения выхода тяжелых инертных газов из ВРУ с обеспечением условий их безопасной эксплуатации при повышенном содержании углеводородов в перерабатываемом воздухе.

3. Доказана возможность получения ксеноносодержащих смесей из блоков разделения воздуха, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

4. Создан стенд для исследования парожидкостного равновесия смесей, в том числе, в области разбавленных растворов компонентов.

5. Создан стенд для исследования динамики адсорбции в изотермических условиях в диапазонах температур 55÷300 К и давлений 0,10÷15,0 МПа.

6. Получены новые данные о каталитическом окислении углеводородов в O2-Kr-Xe, Kr-Xe, Xe-N2 смесях в диапазоне изменения концентраций углеводородов от 3·10-4 до 3,5 % моль. при давлении смесей от 0,15 МПа до 1,2 МПа. Предложены новые схемы организации процессов каталитического окисления.

7. Получены новые экспериментальные данные о величине коэффициента распределения C2F6 в Xe при ректификации в области разбавленного раствора.

8. Разработана технология и создана серия установок Х-0,06 для производства Хе-N2 смеси на ВРУ, в том числе, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

9. Разработана технология и создана серия высокоэффективных промышленных установок «Хром-3» для получения ККС, на 25÷40 % превосходящая по эффективности аналоги УСК-1М и УСК-0,45.

10. Разработана технология и создана универсальная установка «Хром-5» для получения Kr и Xe особо высокой чистоты (более 99,99995 % мол.) из Kr-Xe, Xe-N2 и иных смесей, содержащих в своем составе тяжелые инертные газы.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований задержки тяжелых инертных газов в аппаратах узлов очистки и аналитических исследований по распределению криптона, ксенона и метана в массообменных аппаратах основных типов ВРУ низкого давления, способы снижения потерь тяжелых инертных газов при их концентрировании в узлах очистки и ректификации.

2. Способ получения ксеноносодержащих смесей на ВРУ, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

3. Результаты экспериментальных исследований динамики адсорбции ксенона (в микроконцентрациях) из O2-Xe смеси. Методика расчета зависимости времени защитного действия адсорбционного слоя силикагеля по ксенону от конструктивных и технологических параметров.

4. Результаты экспериментальных исследований гидравлического сопротивления, задержки жидкости, «захлебывания» вертикального противоточного течения Kr–Xe содержащих смесей в спирально-призматических насадках.

5. Результаты экспериментальных исследований величины движущей силы и кинетики процессов массопередачи при разделении разбавленных растворов Xe в Kr, CF4 в Kr, C2F6 в Хе, О2 и N2 в Kr в колоннах со спирально-призматическими насадками и криптона в кислороде в колонне с регулярной насадкой К-600 производства ОАО «Криогенмаш».

6. Результаты экспериментальных исследований интегральных характеристик теплообмена в конденсаторах-испарителях с промежуточным хладоносителем при температурных напорах 35÷50 К в условиях конденсации Kr и кипения хладагента под давлением, близким к атмосферному.

7. Способ исследования парожидкостного равновесия смесей, в том числе, в области низких концентраций компонентов. Результаты экспериментальных исследований фазового равновесия смесей Kr-CF4, Kr-Xe в области разбавленных растворов. Экспериментальные данные о величине коэффициента распределения C2F6 в Xe при ректификации в области разбавленного раствора.

8. Методология построения узлов ректификации установок для производства из многокомпонентных смесей продуктов разделения особо высокой чистоты с максимальными коэффициентами извлечения, не зависящими от чистоты целевых компонентов. Соотношение для определения количества массообменных аппаратов таких установок.

9. Технологические схемы установок для получения Хе-N2, Kr-Xe смесей, а также для получения криптона и ксенона особо высокой чистоты.



Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Cryogenics» (Прага, Чехия, 1998, 2000 гг.); 17-й международной конференции по криогенной технике (ICEC17) (Бермаф, Великобритания, 1998 г.); ХIХ конгрессе Международного Института Холода (IIR) (Гаага, Нидерланды, 1995 г.); ХХ конгрессе Международного института холода (IIR) (Сидней, Австралия, 1999 г.); ХХII конгрессе Международного института холода (IIR) (Пекин, Китай, 2007 г.); научных семинарах в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана на кафедре «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» в течение 1995-2008 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 56 печатных работ. 16 работ опубликовано в Российских журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 8 работ опубликовано в зарубежных журналах.

Личный вклад автора заключается в постановке научных задач экспериментальных, теоретических и расчетных исследований, решении теоретических, методических и практических вопросов, в том числе разработка расчетных схем и алгоритмов, разработка экспериментальных стендов и установок, выбор режимов и способов измерений, проведение экспериментов, сбор, анализ и обработка информации. Автор развил методы исследования потерь криптона и ксенона в аппаратах ВРУ, разработал технологические схемы установок Х-0,06, «Хром-3» и «Хром-5», а также разработал концепцию компоновки ректификационных узлов установок для разделения многокомпонентных смесей с получением продуктов разделения особо высокой чистоты при максимальных коэффициентах извлечения и получил соотношение для определения количества массообменных аппаратов таких установок. Автору принадлежат экспериментальные данные по динамике сорбции ксенона из смесей; данные по гидравлическим, массообменным характеристикам спирально-призматических насадок и эффективности массообмена в насадочных колоннах при разделении многокомпонентных смесей; данные по фазовому равновесию бинарных смесей в области разбавленных растворов. Разработанные автором новые технические решения защищены патентами России, Украины, Казахстана, Румынии, Китая. Работы, по материалам которых написаны разделы (2.3-2.4, 3.1-3.3, 3.5.1, 4.3-4.4) выполнены с соавторами (д.т.н. А.М.Архаров, д.т.н. В.Л.Бондаренко, к.т.н. В.Е.Позняк, к.т.н. А.С.Бронштейн, к.т.н. В.Б.Воротынцев, к.т.н. М.Ю.Колпаков, к.т.н. В.И.Файнштейн, д.х.н. Е.З.Голосман).

Внедрение. Результаты работы внедрены на пятнадцати металлургических и химических комбинатах России, Украины, Казахстана, Румынии. Созданы 14 установок типа Х-0,06 и 6 установок типа «Хром-3», на которых производится более 20 % мирового производства криптона и ксенона в составе смесей. Создана установка «Хром-5» по получению криптона и ксенона особо высокой чистоты (99,99995 %). Результаты работы используются также в учебном процессе кафедры «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы из 257 наименований, и содержит 283 страницы основного текста, 88 рисунков, 37 таблиц и 26 страниц приложений.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Актуальность, практическая значимость темы диссертационной работы и ее цель обосновываются: анализом данных по составу атмосферного воздуха как основного источника тяжелых инертных газов и данных об объемах мирового производства криптона и ксенона; анализом возможностей основных физико-химических методов, применяемых при разделении и очистке многокомпонентных смесей; анализом существующих технологий получения из воздуха смесей, содержащих тяжелые инертные газы, и технологий разделения и очистки, используемых при производстве чистых продуктов разделения; анализом имеющихся литературных данных по теплообмену и парожидкостному равновесию смесей, содержащих криптон и ксенон.

Исследование распределения тяжелых инертных газов и метана в аппаратах ВРУ низкого давления проводится на основе классификации установок для целей анализа потерь Kr и Xe. За основные отличительные признаки приняты наличие или отсутствие узла концентрирования Kr и Xe, тип аппаратов основного узла очистки воздуха, способ очистки детандерного потока от СО2, способ получения технического О2, средства отмывки Kr и Xe из продукционного О2, схема организации циркуляционного потока жидкого О2, место отбора жидкого продукционного О2. При этом потери Kr и Хе в ВРУ делятся на условно невозвратные (имея ввиду невозможность их рациональной утилизации) и условно возвратные (которые можно минимизировать путем усовершенствования схемных решений, технологических операций и конструкций отдельных узлов и аппаратов). К невозвратным относятся потери с утечками из продувок (присвоены индексы П1 и П4), а также потери, связанные с выводом из ВРУ регенерирующих потоков из узлов очистки потоков (присвоены индексы П2, П3, П9, П10). Остальные потери (П5 - потери при отборе газообразного О2 из верхней колонны, П6 - потери при отборе газообразного О2 из отмывочной колонны, П7 - потери с газообразным О2 из колонны технического О2, П8 - потери с газообразным О2 из криптоновой колонны, П11 - потери с жидким продукционным О2) следует считать условно возвратными, так как они относятся к условиям работы аппаратов узла ректификации.

Проведены экспериментальные исследования задержки Kr и Xe в регенераторах и адсорберах БКО ВРУ нового поколения (П2), газовых адсорберах (П3), жидкостных адсорберах кубовой жидкости (П9) и циркуляционного потока О2 (П10). Результаты исследований представлены в табл. 1, из которой следует, что наибольшие потери Kr и Xe реализуются в регенераторах.

Таблица 1

Потери в блоках ВРУ

НАИМЕНОВАНИЕ ПОТЕРИ



КОМПОНЕНТ

Криптон

Ксенон

П2, %, регенераторы

10,5

28

П2, %, адсорберы БКО

0,24

8,0

П3, %, газовый адсорбер детандерного потока

0,1

0,5

П9, %, адсорбер кубовой жидкости

0,18

0,27

П10, %, адсорбер жидкого кислорода

0,03

0,57

Применение БКО позволяет увеличить коэффициент извлечения по Kr на 10 % и по Хе почти на 20 %. Относительно малые потери Kr и Xe в жидкостных адсорберах обусловлены компактностью этих аппаратов, небольшой массой содержащегося в них сорбента и условиями адсорбции из жидкости. Потери тяжелых инертных газов в газовых адсорберах при оптимальной длительности периода адсорбции относительно малы и составляют по криптону менее 0,1 %, а по ксенону – не более 0,5 %. Исключение составляют ВРУ, эксплуатируемые в условиях относительно малого содержания СО2 в атмосферном воздухе или при переохлаждении холодных концов регенераторов. В течение проектной длительности периода адсорбции сорбент не успевает набрать расчетное количество СО2 и часть адсорбированного Хе не вытесняется углекислотой из аппаратов. При этом потери ксенона П3 могут возрасти до 3÷4 %. Предложен способ, позволяющий практически полностью исключить потери ксенона с регенерирующими потоками путем подачи этих потоков или их частей в воздушный компрессор.

Расчетно-теоретическое исследование распределения криптона и ксенона в аппаратах узла ректификации ВРУ и потерь П5-П8, П11 проведено на основе предложенной универсальной расчетной схемы узла концентрирования ВРУ (рис. 1), в соответствии с которой жидкий О2 из куба верхней колонны 1 последовательно испаряют в основных конденсаторах первой 3 и второй 4 групп.

Рис. 1. Универсальная расчетная схема узла концентрирования криптона и ксенона


В основных конденсаторах испаряется до 98 % жидкого О2, а оставшиеся 2 % жидкости с повышенным содержанием Kr и Xe очищают в адсорберах 5 и направляют на разделение в криптоновую колонну 6 (имеющую конденсатор-испаритель этой колонны 7 и дополнительный испаритель криптоновой колонны 8). Этот процесс реализуется в ВРУ с получением только технического О2.

В установках с получением одновременно технологического и технического О2 жидкий О2 из верхней колонны частично испаряется в конденсаторах первой группы, а оставшаяся часть жидкости направляется на орошение колонны технического кислорода 10. Испаритель этой колонны 11 выполняет функции основного конденсатора второй группы, в котором осуществляется практически полное испарение технического О2. Часть жидкого О2 из испарителя 11 подается на «отмывку» в верхнюю секцию колонны 6. В расчетную схему заложены возможности изменения мест отбора продукционного О2 в газообразном и жидком состоянии, отмывки О2 от Kr и Xe в отмывочной колонне 2, изменения мест ввода потоков питания в колонну 6, предусматривается обогащение ПКК в концентраторе 9.

Предложенная методика расчета распределения CH4, Kr и Xe в узле концентрирования ВРУ базируется на следующих упрощениях: первое - тяжелые инертные газы и CH4 выводятся из установки только с газообразным и жидким кислородом и связь между концентрацией высококипящих примесей в паре и жидкости в кубе верхней колонны может быть определена на основании общего материального баланса узла концентрирования; второе упрощение обусловлено относительно малыми концентрациями CH4, Kr и Xe вкислороде, что позволяет осуществлять расчет процесса разделения в колоннах по индивидуальным компонентам. Такой подход для разбавленных растворов является общепринятым и находит широкое применение.

На первом этапе расчета определяются исходные данные для расчета нижней и верхней колонн из материального и теплового балансов установки в целом. Эти данные рассчитываются на основании фактических значений количества перерабатываемого воздуха, требований к качеству выводимых азота, кислорода, аргонной фракции, недорекуперации в узле теплообмена для рассматриваемой ВРУ. Вторым этапом является расчет процесса ректификации воздуха как тройной смеси N2-Ar-O2 в нижней и верхней колоннах, а также в колонне сырого аргона по методике ОАО «Криогенмаш», с определением составов выводимых из колонн продуктов, расхода пара и жидкости в нижней секции верхней колонны, тепловой нагрузки конденсаторов-испарителей. Эта информация является исходной для последующего расчета параметров узла концентрирования метана, криптона и ксенона.

Заключительным этапом является определение концентрации CH4, Kr и Xe в точках технологической схемы узла концентрирования тяжелых инертных газов. С этой целью предложена методика безитерационного расчета указанных выше параметров на основе решения системы уравнений, описывающих условия парожидкостного равновесия, интенсивности массопереноса и покомпонентного материального баланса. При этом приняты следующие допущения:

1. В области микропримесей CH4, Kr и Xe в кислороде связь между концентрацией компонентов в паре и жидкости выражается зависимостью вида:



, (1)

где ki - константа равновесия компонента «i» по отношению к кислороду.

2. Составы уходящих из конденсаторов-испарителей пара и жидкости равновесны.

3. Эффективность разделительного действия контактных устройств в пределах одной секции ректификационных колонн постоянна.

Расчетная система состоит из уравнений материального баланса отдельных аппаратов и их групп, уравнения парожидкостного равновесия и уравнений, устанавливающих связь между степенью обогащения потока пара кислородом при его движении по колонне с эффективностью массопередачи по Мерфи. Если равновесная, рабочая и кинетическая линии процесса ректификации описываются линейными уравнениями, то можно получить аналитическое решение для расчета степени разделения компонентов в отдельной секции с заданным числом тарелок и в целом по колонне. Из определения эффективности по Мерфи:

. (2)

Совместное решение уравнений (1) и (2) с уравнением рабочей линии вида



, (3)

для секции колонны с «n» реальными тарелками приводит к выражению:



, (4)

где , (5)



, (6)

где yni - концентрация компонента «i» в паре над верхней тарелкой;



– концентрация компонента «i» в паре, подходящем к нижней тарелке.

Коэффициенты А и Вi уравнения рабочей линии определяются из материального баланса соответствующей секции колонны. Константы равновесия разбавленных растворов Kr, Xe и CH4 в кислороде заимствованы и рассчитываются по эмпирическим соотношениям:


Смесь криптон- кислород: k1 = ( 18.392 – 4.73· lgP) -1 , (7)

Смесь метан – кислород: k2 = ( 5.454 – 0.9825· lgP) -1 , (8)

где Р – давление в колонне, кПа.

Смесь ксенон- кислород: k3 = k k4 , (9)

где k4 – константа равновесия криптона в ксеноне.
С помощью уравнения (4) при заданном числе тарелок и заданной эффективности их разделительного действия определяется состав уходящего пара и через материальный баланс состав стекающей жидкости для входящих в узел концентрирования колонн.

В концентраторах ПКК разделительный эффект в испарителе при пленочном кипении обогащенного криптоном и ксеноном кислорода рассчитывается на основе модели фракционированного испарения жидкости.

Путем решения системы линейных уравнений получены аналитические выражения для определения концентрации криптона, метана и ксенона в технологических потоках универсальной расчетной схемы (рис.1). Возможности методики позволяют изучить распределение Kr, Xe и CH4 в аппаратах узла концентрирования с целью минимизации потерь Kr, Xe с продукционным кислородом на ВРУ, определения методов и средств увеличения выхода инертных газов на действующих и проектируемых установках и нахождения оптимального соотношения между выходом инертных газов и концентрацией метана в ПКК для различных вариантов схемных и конструктивных решений.

На рис. 2 для примера представлено влияние относительного расхода пара из конденсаторов первой группы на потери Kr и Xe с О2 из верхней колонны (П5), на рис. 3 представлены примеры зависимостей потерь Kr П8 и выход CH4 с верхним продуктом от числа тарелок в нижней секции криптоновой колонны, на рис. 4 представлен пример влияния координаты точки ввода паров из концентратора ПКК в криптоновую колонну на величину потерь Kr П8 и выход CH4 с верхним продуктом.







Рис. 2. Влияние относительного расхода пара из конденсаторов 1-ой группы на потери инертных газов с кислородом из верхней колонны

Предложены способы снижения потерь Kr и Xe на всех стадиях их концентрирования в действующих и проектируемых ВРУ. Показано, что отмывка Kr целесообразнее в отмывочной колонне с флегмовым числом 0,2÷0,25, отбор жидкого продукционного кислорода целесообразно осуществлять из куба верхней колонны, ввод потока питания в криптоновую колонну (без работы концентратора ПКК) целесообразно распределять между 2 и 5-ой тарелками снизу, а при работе с концентратором ПКК - под нижнюю тарелку и ввод пара из концентратора ПКК на 4-ю тарелку снизу. Это обеспечит минимальный выход метана с ПКК (12,5 %) ценой потери криптона П8 в 2,2 %, что особенно важно при больших концентрациях метана в перерабатываемом воздухе.




следующая страница >>



Не проглатывай веры больше, чем можешь переварить. Генри Брукс Адамс
ещё >>