способ получения чистого ксенона из первичного криптонового концентрата

Формула изобретения

Способ получения чистого ксенона из первичного криптонового концентрата, включающий получение первичного криптонового концентрата, отличающийся тем, что первичный криптоновый концентрат при температуре выше температуры, равновесной парциальному давлению в ней ксенона, вводят в вымораживатель, где его охлаждают до температуры ниже равновесной парциальному давлению ксенона в вымораживателе, при этом общее давление всех остальных компонентов первичного концентрата в вымораживателе поддерживают ниже их равновесных давлений при минимальном значении температуры в вымораживателе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для получения чистого ксенона из первичного криптонового концентрата с содержанием ксенона от 0,01%.

Известен способ получения чистого криптона и ксенона из первичного криптонового концентрата, включающий получение криптоно-ксеноновой смеси с содержанием Kr - Xe 98,6 - 99% с последующим адсорбционным-десорбционным выделением ксенона [1]. Этот способ позволяет получить чистый ксенон с коэффициентом извлечения до 84%, однако устройство для его осуществления сложное, громоздкое, энергоемкое и дорогое.

Известен также способ, обеспечивающий получение чистого ксенона, включающий получение криптоно-ксеноновой смеси с последующей ее ректификацией и абсорбционной очисткой [2]. Устройство для осуществления этого способа также весьма сложно, энергоемко и громоздко.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения чистого ксенона из первичного криптонового концентрата, включающий получение первичного криптонового концентрата [3], выбранный в качестве прототипа. Первичный криптоновый концентрат получают в воздухоразделительной установке, затем из него вымораживают криптоно-ксеноновую смесь с последующим выделением из последней ксенона.

Недостатком известного способа является сложность процесса получения ксенона из-за большого количества примесей на этапе выделения криптоно-ксеноновой смеси, что в целом делает способ неэффективным.

Решаемая задача - устранение вышеуказанных недостатков, упрощение процесса, снижение трудоемкости и повышение эффективности. Это достигается тем, что в способе получения чистого ксенона из первичного криптонового концентрата, включающем получение первичного криптонового концентрата, последний при температуре выше температуры, равновесной парциальному давлению в ней ксенона, вводят в вымораживатель, где его охлаждают до температуры ниже температуры, равновесной парциальному давлению ксенона в вымораживателе, при этом общее давление всех остальных компонентов первичного криптонового концентрата в вымораживателе поддерживают ниже их равновесных давлений при минимальном значении температуры в вымораживателе. Это позволяет при охлаждении первичного криптонового концентрата в вымораживателе до температур в диапазоне 74 - 90^oК и соответствующем им диапазоне давлений от 12 до 100 кПа извлекать от 95 до 50% ксенона, содержащегося в первичном криптоновом концентрате, в один этап на компактном и простом оборудовании при небольших капитальных вложениях и энергозатратах.

По фондам ВПТБ и ГПНТБ был произведен поиск для выявления аналогичных технических решений. Решений, совпадающих по отличительным признакам, обнаружено не было, на основании чего был сделан вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

Пример конкретного выполнения.

В данном примере в качестве хладагента используется азот. Предположим, что в воздухоразделительной установке известным способом получен первичный концентрат, имеющий следующий состав (в об. %): 97% O₂; 2% N₂+Ar; 0,77% CH₄; 0,21% Kr и 0,02 Xe. Допустим, что температура кипения азота 84 К. Для исключения конденсации кислорода в вымораживателе его парциальное давление должно быть меньше равновесного 84 К, т.е. меньше 50,5 кПа. Поскольку содержание O₂ в первичном концентрате составляет 97%, общее его давление в вымораживателе не должно превышать 52 кПа. Допустим, что общее давление первичного концентрата в вымораживателе 50 кПа. Тогда парциальные давления компонентов будут равны: P(O₂) = 48,5 кПа; P(N₂+Ar) = 1 кПа; P(CH₄) = 385 Па; P(Kr) = 105 Па; P(Xe) = 10 Па. Равновесные давления компонентов при 84К равны: P(O₂) = 50,5 кПа; P(N₂) = 0,2 МПа; (Ar) = 70 кПа; P(CH₄) = 4,07 кПа; P(Kr) = 897 Па; P(Xe) = 1,6 Па.

Как видно, парциальные давления всех компонентов, за исключением ксенона, ниже равновесных, так что их конденсация или вымерзание в вымораживателе исключены. Парциальное давление ксенона в несколько раз выше равновесного, и при условии достижения равновесия на выходе из вымораживателя 84% ксенона останется в вымораживателе. При более низких температурах кипения азота степень извлечения ксенона увеличивается, однако при этом необходимо обеспечить более низкое давление в вымораживателе.

Предложенный способ можно пояснить с помощью устройства.

На чертеже схематично представлено устройство для иллюстрации способа получения ксенона из первичного криптонового концентрата.

Устройство содержит два попеременно работающих вымораживателя 1 и 2, теплообменник 3, водокольцевой вакуумный насос 4, форвакуумный насос 5, наполнитель ксенона 6, дроссельный вентиль 7, вентили 8 и 9 соответственно вымораживателей 1 и 2, вентиль 10 вымораживателя 1 и вентиль 11 вымораживателя 2 для подачи жидкого азота и регуляторы 12 и 13 для отвода паров азота из межтрубных пространств, вентили 14 и 15, через которые криптоновый концентрат обратным потоком из вымораживателей 1 и 2 может подаваться в теплообменник 3, вентили 16 и 17 для подключения к вымораживателям 1 или 2 форвакуумного насоса 5, вентили 18 и 19 для слива ксенона в накопитель ксенона 6, вентили 20 и 21, через которые пары азота отводят на охлаждение стенок накопителя ксенона 6, и вентили 22 и 23 для отвода части паров азота на охлаждение теплозащитных экранов (на чертеже не показаны). Выморажитватели и теплообменник представлены на чертеже в виде кожухотрубных аппаратов, но могут быть использованы любые другие варианты конструкции.

Схематически представленная установка для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом.

Первичный концентрат из криптоновой колонны воздухоразделительной установки через дроссельный вентиль 7 поступает в теплообменник 3 и охлаждается обратным потоком до температуры, несколько превышающей температуру, равновесную парциальному давлению ксенона в первичном концентрате после дросселирования. Затем первичный концентрат поступает в один из вымораживателей, например вымораживатель 1, при открытом вентиле 8 и закрытом вентиле 9. В межтрубном пространстве вымораживателя 1 кипит жидкий азот, поступающий через вентиль 10, причем подача азота регулируется этим вентилем таким образом, чтобы его уровень в межтрубном пространстве поддерживался постоянным. Регулятор 12, через который отводятся пары азота из межтрубного пространства, поддерживает в нем постоянное давление, которому соответствует определенная температура кипения азота, причем эта температура должна быть ниже, чем температура, равновесная парциальному давлению ксенона в первичном концентрате, поступающем в трубное пространство. В этом случае из первичного концентрата на внутренней поверхности труб будет вымерзать ксенон, причем в предельном случае его парциальное давление должно понизиться до давления, равновесного температуре кипения азота. При этом необходимо исключить конденсацию или вымерзание любого другого компонента, что достигается за счет понижения давления в вентиле 7, при котором парциальные давления любого из компонентов, кроме ксенона, будут ниже, чем равновесные температуре кипения азота в межтрубном пространстве. Первичный криптоновый концентрат, из которого в той или иной степени извлечен ксенон, из вымораживателя через вентиль 14 обратным потоком поступает в теплообменник 3, причем прямой поток, во избежании вымерзания ксенона в теплообменнике, не должен охлаждаться ниже температуры, равновесной парциальному давлению ксенона в прямом потоке. Для условий вышеприведенного примера эта температура не должна быть ниже 91,3 К.

Из теплообменника 3 обратный поток откачивается водокольцевым вакуумным насосом 4, который и обеспечивает требуемое давление в вымораживателе. Вымораживатель 1 работает до тех пор, пока намерзание криптонового льда не приведет к чрезмерному росту гидравлического сопротивления вымораживателя. Перед прекращением работы вымораживателя 1 открывают вентиль 11 и заполняют межтрубное пространство вымораживателя 2 азотом, после чего закрывают вентили 8 и 14 и открывают вентили 9 и 15, начиная вымораживание ксенона в вымораживателе 2. Вымораживатель 2 работает так же, как вымораживатель 1. Во время работы вымораживателя 2 из вымораживателя 1 должен быть удален ксенон, и он подготовлен к очередному периоду работы. С этой целью после закрытия вентилей 8 и 14 включают небольшой форвакуумный насос 5, и по достижении давления на входе в насос меньше 50 кПа открывают вентиль 16 (вентиль 17 закрыт). Форвакуумный насос 5 откачивает из пространства вымораживания вымораживателя 1 атмосферу до давления выше чем 1,6 Па. Затем сливают азот из межтрубного пространства и повышают температуру в пространстве вымораживания до значения, превышающего температуру тройной точки ксенона, например до 164 К. При этом ксенон плавится и стекает в нижнюю часть пространства вымораживания. Поскольку атмосфера из пространства вымораживания была предварительно откачана, загрязнение ксенона из остаточной атмосферы пренебрежимо мало. При достижении в пространстве вымораживания давления, равновесного 164 К, т.е. 96 кПа, открывают вентиль 18 (вентиль 19 закрыт) и сливают ксенон в накопитель 6 ксенона, температура которого поддерживается более низкой, чем температура вымораживания, но выше температуры тройной точки, например 162 К, которой соответствует давление 85 кПа.

Поддержание этой температуры осуществляют за счет охлаждения стенок накопителя 6 парами азота, которые в необходимом для этого количестве отводятся через один из вентилей 20 и 21 (другая часть паров азота через один из вентилей 22 и 23 идет на охлаждение теплозащитных экранов). После того как давления в полости вымораживания в наполнителе 6 выравнивается, что свидетельствует об окончании слива, вентиль 18 закрывают. Затем перед окончанием работы вымораживателя 2 вымораживатель 1 охлаждается и заполняется азотом. Из накопителя 6 ксенон удаляется в баллоны за счет повышения температуры в накопителе 6 до величины, меньшей критической на несколько градусов, например, до 283 К. Естественно, что накопитель 6 должен выдерживать равновесное этой температуре давление, т.е. 5 мПа. Температура баллона в процессе слива должна быть ниже температуры накопителя 6, например, 28 К, что достигается за счет охлаждения баллона парами азота, отходящими через вентили 22 или 23 и теплозащитные экраны.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных технических решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

Таким образом, предлагаемый способ получения чистого ксенона из первичного криптонового газа позволяет упростить процесс, повысить эффективность, сократить материальные и технические затраты.