способ очистки криоагента и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки криоагента по крайней мере от одной примеси путем последовательного охлаждения криоагента, конденсации и отделения жидкой фракции примеси в двух отделителях, нагревания криоагента и последующего адсорбирования, отличающийся тем, что тепло конденсации снимают отделенной жидкой фракцией примеси, температуру которой во втором отделителе снижают вакуумированием, а процесс адсорбирования ведут ступенчато с отведением теплоты адсорбции промежуточным охлаждением криоагента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе регенерации нагрев адсорбента ведут с одновременным подводом тепла ко всем ступеням адсорбера, а после десорбции охлаждение адсорбента ведут ступенчатого при одинаковой начальной температуре с использованием промежуточного охлаждения в теплообменниках.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно введена низкотемпературная очистка, при которой адсорбирование низкокипящей примеси ведут после предварительного охлаждения криоагента до температуры, близкой к температуре конденсации этой примеси, используя при этом холод расширенного в турбодетандере криоагента.

4. Устройство для очистки криоагента, состоящее из теплообменника для охлаждения криоагента, идущего на очистку, отделителя жидкой фракции примеси, теплообменника для охлаждения газовой фракции криоагента, второго отделителя жидкой фракции примеси и адсорберов, отличающееся тем, что отделители жидкой фракции примеси размещены в теплоизолированных сосудах, служащих сборниками отделенной жидкой фракции примеси, в которую погружены отделители и змеевики для охлаждения криоагента и конденсации примеси перед отделителями жидкой фракции примеси, каждый адсорбер разделен на ступени, а между ступенями установлены промежуточные теплообменники, причем число ступеней адсорбера определяется из условия, что время регенерации каждой ступени должно быть не больше времени адсорбции.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно введен блок низкотемпературной очистки, состоящий из последовательно установленных теплообменника для охлаждения криоагента до температуры, близкой к температуре конденсации выделяемой низкокипящей примеси, адсорберов и турбодетандера, служащего для расширения криоагента, подаваемого в теплообменник для охлаждения криоагента, поступающего на низкотемпературную очистку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к способам очистки криоагентов от примесей, и может быть использовано в установках по переработке природного газа, криогенных гелиевых и воздухоразделительных установках.

Известен способ очистки смесей от примесей (см. Патент РФ N 2009412, кл. F 25 J 3/06, "Установка для очистки гелийсодержащих смесей от примесей", 1994, Б. N 5), заключающийся в последовательном охлаждении смеси, конденсации примесей, отделении жидкой фракции примеси и адсорбировании оставшейся в газовой фазе примеси.

Недостатком этого способа является большое количество примеси, остающейся в газовой фазе после отделения жидкой фракции, что при дальнейшей очистке требует адсорберов значительных размеров, а кроме того, этот способ нельзя использовать для очистки от низкокипящих примесей.

Известен также способ очистки криоагента от примесей (см. Проспект фирмы "Linde AG" (KRYOTECHNIK). "Helium - Verflussiger/Refrigerator Standard III," Verfahrensbeschreibung, 1982) путем последовательного охлаждения криоагента, конденсации примеси, нагревания и последующего адсорбирования примеси, оставшейся в криоагенте в газовой фазе.

Недостатком этого способа также является большое количество примеси, остающейся в газовой фазе после отделения жидкой фракции, что ведет к значительным размерам адсорбера, а также к изменению в процессе очистки концентрации примеси в продукционном газе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ очистки криоагента (см. Патент РФ N 2091683, кл. F 25 J 3/08, "Способ очистки криоагента", 1997, Б. N 27), заключающийся в последовательном охлаждении криоагента, конденсации и отделении жидкой фракции примеси, вторичном охлаждении криоагента, конденсации и отделении жидкой фракции примеси во втором отделителе, нагревании криоагента и последующем адсорбировании оставшейся в нем примеси с отведением теплоты адсорбции.

Устройство для осуществления этого способа состоит из теплообменника для охлаждения криоагента, идущего на очистку, отделителя жидкой фракции примеси, теплообменника для охлаждения газовой фракции криоагента, второго отделителя жидкой фракции примеси и адсорбера.

Недостатком этого способа и устройства является то, что для криостатирования процесса адсорбции адсорбер помещен в ванну с отделенной жидкой фракцией примеси.

В промышленном масштабе при большой производительности практически невозможно осуществить охлаждение адсорберов с использованием отделенной жидкой фракции криоагента из-за большой высоты как адсорбера, так и ванны, в которую он помещен, а также невозможно получение высокочистого продукта при непрерывном процессе очистки, так как время регенерации адсорбера значительно превышает время адсорбции.

Основной задачей изобретения является получение высокочистого продукта и обеспечение при этом непрерывного технологического процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки криоагента, по крайней мере от одной примеси, проводимом путем последовательного охлаждения криоагента, конденсации и отделения жидкой фракции примеси в двух отделителях, нагревания криоагента и последующего адсорбирования ,тепло конденсации снимают отделенной жидкой фракцией примеси, температуру которой во втором отделителе снижают вакуумированием, а процесс адсорбирования ведут ступенчато с отведением теплоты адсорбции промежуточным охлаждением криоагента.

Для осуществления этого способа предложено устройство, состоящее из теплообменника для охлаждения криоагента, идущего на очистку, отделителя жидкой фракции примеси, теплообменника для охлаждения газовой фракции криоагента, второго отделителя жидкой фракции примеси и адсорберов, причем отделители жидкой фракции примеси размещены в теплоизолированных сосудах, служащих сборниками отделенной жидкой фракции примеси, в которую погружены отделители и змеевики для охлаждения криоагента и конденсации примеси перед отделителями жидкой фракции примеси; каждый адсорбер разделен на ступени, а между ступенями установлены промежуточные теплообменники; причем число ступеней адсорбера определяется из условия, что время регенерации каждой ступени должно быть не больше времени адсорбции.

Для осуществления непрерывного технологического процесса при адсорбировании примесей, в котором время регенерации адсорбента должно быть равно или меньше времени прямого процесса очистки, в процессе регенерации нагрев адсорбента ведут с одновременным подводом тепла ко всем ступеням адсорбера, а после десорбции охлаждение адсорбента ведут ступенчато с одновременным отводом тепла от всех ступеней адсорбера при одинаковой начальной температуре с использованием промежуточного охлаждения в теплообменниках.

Для получения высокочистого продукта дополнительно введена низкотемпературная очистка, при которой адсорбирование низкокипящей примеси ведут после предварительного охлаждения криоагента до температуры, близкой к температуре конденсации этой примеси, используя при этом холод расширенного в турбодетандере криоагента.

Для осуществления этого способа в ранее предложенное устройство дополнительно введен блок низкотемпературной очистки, состоящий из последовательно установленных теплообменника для охлаждения криоагента до температуры, близкой к температуре конденсации выделяемой низкокипящей примеси, адсорберов и турбодетандера, служащего для расширения криоагента, подаваемого в теплообменник для охлаждения криоагента, поступающего на низкотемпературную очистку.

Для пояснения сущности предлагаемого технического решения на фиг. 1 представлено устройство для очистки криоагента по крайней мере от одной высококипящей примеси, а на фиг. 2 - устройство для низкотемпературной очистки криоагента от низкокипящей примеси.

Устройство, представленное на фиг. 1, служит для очистки криоагента и состоит из теплообменника 1 для охлаждения криоагента, идущего на очистку, теплоизолированных сосудов 2 и 3, служащих сборниками отделенной жидкой фракции примеси, в которую погружены отделители 4 и 5 жидкой фракции примеси и змеевики 6 и 7, служащие для охлаждения потока криоагента перед отделителями, теплообменника 8 для охлаждения газовой фракции неочищенного криоагента потоком криоагента перед адсорбированием и двух адсорберов I и II, состоящих каждый из 4-х ступеней адсорберов 9, 10, 11 12 и 13, 14, 15 и 16 соответственно и промежуточных теплообменников 17, 18, 19 и 20, 21, 22, служащих для охлаждения очищаемого потока криоагента и выравнивания температур на входе его в каждую из ступеней адсорберов, а также вентилей: дроссельных 23 и 24-слива отделенной жидкой фракции примеси в теплоизолированные сосуды 2 и 3; 25 и 26 - подачи жидкого криоагента с температурой, соответствующей давлению отделенной жидкой фракции примеси в теплоизолированных сосудах 2 и 3; 27 и 28 - слива отделенной жидкой фракции примеси из теплоизолированных сосудов 2 и 3; 29 и 30 - подачи очищаемого криоагента в адсорберы I и II; 31, 32 - выхода криоагента после адсорберов I и II; 33, 34 и 35 - подачи криоагента в промежуточные теплообменники адсорберов I и II для снятия тепла адсорбции и охлаждения в период регенерации; 36, 37 и 38 - подачи криоагента в адсорберы I и II на отогрев и продувку при регенерации; 39, 40, и 41 - подачи криоагента в промежуточные теплообменники адсорберов I и II на отогрев при регенерации; 42, 43, 44, 45 и 46, 47, 48, 49 - подсоединения ступеней адсорберов 9, 10, 11, 12 и 13, 14, 15, 16 соответственно к вакуумным насосам (на фиг. 1 не показаны); байпасного 50 и запорных 51 и 52 - выхода и входа продукционного криоагента.

В устройстве, представленном на фиг. 2, по сравнению с устройством, изображенным на фиг. 1, через вентили 51 и 52 введен блок низкотемпературной очистки, состоящий из последовательно установленных теплообменника 53 для охлаждения очищаемого криоагента, низкотемпературных адсорберов 54 и 55 с вентилями 56, 57 и 58, 59 для их переключения и турбодетандера 60, служащего для расширения криоагента, подаваемого после турбодетандера в теплообменник 53 для охлаждения криоагента, поступающего на низкотемпературную очистку.

Очистка криоагента по крайней мере от одной примеси осуществляется в установке, изображенной на фиг. 1, которая работает следующим образом.

Криоагент, подлежащий очистке, например гелиевый концентрат с примесями азота, неона, водорода и др., из блока предварительной осушки (на фиг. 1 не показан) при температуре, близкой к температуре окружающей среды, поступает в теплообменник 1, где охлаждается до температуры начала конденсации высококипящей примеси, которая, например, для азота равна 91К (при содержании азота в концентрате по объему y = 20% и P=2,5 МПа).

Конденсация примеси из криоагента проводится в две стадии:

- вначале охлажденный в теплообменнике 1 криоагент (гелиевый концентрат) поступает в змеевик 7, в котором сжижается основная часть (около 70% сжижаемой примеси) высококипящей примеси (например, азота), затем двухфазная смесь поступает в отделитель жидкой фракции примеси 5, где сжиженная фракция (жидкий азот) отделяется, а затем дросселируется через вентиль 23 в теплоизолированный сосуд 3, в котором накапливается при небольшом избыточном давлении (порядка 0,12 МПа) и служит как для ожижения примеси в змеевике 7, так и для криостатирования отделителя жидкой фракции примеси 5 и поддержания в нем постоянной температуры, равной температуре конденсации. Несконденсированная фракция криоагента выводится из отделителя 5 и направляется на вторую стадию конденсации - в теплообменник 8, в котором охлаждается выходящими из отделителя 4 парами криоагента, затем в змеевике 6 сжижается меньшая часть (около 30% сжижаемой примеси) высококипящей примеси, а далее двухфазная смесь криоагента поступает во второй отделитель жидкой фракции примеси 4, в котором жидкая фракция (жидкий азот) отделяется, а затем через вентиль 24 дросселируется в теплоизолированный сосуд 2, где она собирается и также служит для криостатирования отделителя 4 и поддержания постоянной температуры конденсации, причем давление во втором теплоизолированном сосуде 2 поддерживается ниже атмосферного, например 0,0174 МПа, для снижения температуры конденсации до 65К (для азота).

При необходимости избыток жидкой фракции может быть выведен из теплоизолированных сосудов 2 и 3 через вентили 27 и 28.

В случае недостатка сконденсированной жидкой фракции примеси (жидкого азота) в теплоизолированных сосудах 2 и 3 предусмотрена подача через вентили 25 и 26 жидкого криоагента (жидкого азота) при температуре, соответствующей температуре жидкой фракции примеси при поддерживаемом давлении в теплоизолированных сосудах 2 и 3.

Образующиеся в теплоизолированном сосуде 3 пары криоагента направляются на охлаждение криоагента в теплообменнике 1. А пары криоагента, образующиеся в теплоизолированном сосуде 2, с целью понижения температуры вторичной конденсации откачиваются вакуумным насосом.

После теплообменника 8, в котором предварительно очищенный криоагент (до 2,5% объемных примеси азота) нагревается до температуры, оптимальной для проведения адсорбции (80К для азота), он поступает в один из адсорберов, например 1, и через вентиль 29 в I-ую ступень 9 адсорбера 1, где поглощается часть примеси, и далее в промежуточный теплообменник 17 для снятия теплоты адсорбции, и с температурой, равной температуре перед I-ой ступенью 9, криоагент поступает во II-ую ступень 10, а затем поочередно в промежуточный теплообменник 18, III-ю ступень 11, промежуточный теплообменник 19 и IV-ую ступень 12, после которой чистый криоагент или через вентили 31 и 50 (при закрытых вентилях 51 и 52) направляется обратным потоком в теплообменник 1 для охлаждения криоагента, поступающего на очистку, и далее - к потребителю или через вентиль 51 (при закрытом вентиле 50) - на доочистку от низкокипящих примесей.

Для охлаждения промежуточных теплообменников 17, 18, 19 и 20, 21 и 22 адсорберов I и II используется жидкий криоагент (жидкий азот), подаваемый через вентили 35 и 33 или 34 (в зависимости от режима).

При необходимости глубокой очистки от низкокипящих примесей (неона, водорода) предварительно очищенный криоагент, см. фиг. 2, после адсорберов I или II через вентиль 51 направляется в теплообменник 53, где охлаждается до температуры, близкой к температуре конденсации низкокипящей примеси, и далее в один из адсорберов, например 54, через вентиль 56 для низкотемпературной очистки, например, при температуре 25 - 30К (для неона), после чего через вентиль 58 (вентили 57 и 59 закрыты) чистый криоагент направляется в турбодетандер 60, в котором при расширении криоагента его температура понижается, а получаемый холод используется в теплообменнике 53 для обеспечения требуемого температурного уровня при очистке от низкокипящей примеси (например, неона) в адсорберах 54 или 55.

Разбивка адсорберов на ступени и установка промежуточных теплообменников дает возможность снять промежуточную теплоту адсорбции и проводить очистку при наиболее выгодном температурном режиме, что способствует повышению качества очистки.

Число ступеней при разбивке адсорбера определяется из условия, что время регенерации адсорбера должно быть не больше времени адсорбирования примесей.

Процесс регенерации, например, в адсорбере II ведется в три этапа: нагрев, откачка (продувка) и охлаждение.

Нагрев. После процесса очистки ступени 13, 14, 15 и 16 адсорбера II находятся в холодном состоянии (при температуре адсорбции) и в них через вентили 36 и 38 подается криоагент, например газообразный азот, при температуре около 150^oC и давлении 20 атм для отогрева адсорбента и вывода накопившихся в нем примесей. Одновременно в промежуточные теплообменники 20, 21 и 22 через вентили 40 и 41 подается тот же криоагент для нагрева криоагента, выходящего после ступеней 13, 14 и 15 адсорбера II, соответственно, до температуры, равной температуре криоагента на входе в первую ступень 13 адсорбера II. Таким образом, процесс десорбции в каждой из ступеней адсорберов идет при одинаковой начальной температуре, что сокращает время отогрева в n-раз, где n - число ступеней. Процесс отогрева длится до тех пор, пока температура на выходе из адсорберов не достигнет значения, например, 100-120^oC.

Откачка. При закрытых вентилях 30, 38, 32 и 40 через вентили 46, 47, 48 и 49 ступени 13, 14, 15 и 16 адсорбера II подключаются к вакуумным насосам (на фиг. 1 не показаны) и одновременно откачиваются до давления, например, 100-500 Па. Затем вакуумные насосы отключаются (вентили 46, 47, 48, 49 закрыты) и ступени 13, 14, 15 и 16 адсорбера II через вентили 36 и 38 вновь заполняются криоагентом до давления, например, 50 кПа. После чего процесс вакуумирования повторяется.

Процесс заполнения-откачки повторяется несколько раз.

Охлаждение. Охлаждение адсорбента в ступенях адсорберов ведется чистым криоагентом при температуре, близкой к температуре конденсации примеси (например, гелием при температуре около 80К), подаваемым через вентили 36 и 38 в ступени 13, 14, 15 и 16 адсорбера II; одновременно в промежуточные теплообменники 20, 21 и 22 через вентили 34 и 35 подается жидкий криоагент с температурой, равной температуре конденсации примеси.

Процесс охлаждения ведется до температуры режима адсорбции.

Адсорберы I и II работают попеременно: адсорбер I - процесс очистки; адсорбер II - процесс регенерации. По окончании цикла - наоборот.

При регенерации адсорбента использование промежуточных теплообменников между ступенями адсорберов позволяет в n раз ускорить процесс отогрева, где n - число ступеней адсорберов, и вести его при одинаковых температурах теплоносителя на входе в каждую ступень адсорбера.

Таким образом, благодаря использованию ступенчатого адсорбера полное время регенерации адсорбента не превышает время адсорбции примеси и осуществляется беспрерывный технологический процесс очистки криоагента от примесей при стабильной высокой чистоте получаемого продукта.