способ получения чистого аргона методом ректификации воздуха

Формула изобретения

Способ получения чистого аргона методом ректификации воздуха, включающий получение аргонной фракции в колонне двукратной ректификации, последующую ректификацию аргонной фракции во второй колонне с очисткой ее от кислорода и дальнейшее разделение в третьей колонне с получением в ней чистого аргона, отличающийся тем, что жидкую аргонную фракцию, отводимую из второй колонны, переохлаждают в переохладителе потоком газообразного азота, отводимого из третьей колонны, а затем с помощью жидкостного насоса подают в третью колонну.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в установках низкотемпературного разделения воздуха при получении из него кислорода, азота и аргона.

Известен способ извлечения аргона из воздуха [1], включающий в себя отбор аргонной фракции из верхней колонны узла двукратной ректификации и последующую очистку аргонной фракции от кислорода в трех последовательно установленных колоннах путем многократного чередования процессов ректификации и дефлегмации и получением чистого аргона при дальнейшим разделением смеси Ar-N₂ в дополнительной ректификационной колонне.

Однако из-за большого числа ректификационных колонн технологическая схема такой установки получается достаточно сложной. Кроме того, в верхней колонне узла двукратной ректификации необходимо иметь повышенное давление, что при последовательном прохождении разделяемого потока через четыре колонны связано с необходимостью компенсации в них гидравлических потерь.

Этих недостатков в значительной степени лишен способ извлечения аргона, предлагаемый в воздухоразделительных установках, приведенных в [2].

Согласно способу извлечения аргона в этих установках аргонная фракция, извлекаемая из верхней колонны узла двукратной ректификации, поступает во вторую колонну, в которой в процессе ректификации аргонной фракции она практически полностью очищается от кислорода, а затем жидкая аргонно-азотная смесь разделяется в третьей ректификационной колонне, где продукционный аргон очищается от азота.

Однако недостатком этого способа является то, что в верхней колонне узла двукратной ректификации необходимо поддерживать повышенное давление, т.к. при последовательном прохождении разделяемого потока аргонной фракции через вторую и третью колонны приходится преодолевать значительное гидравлическое сопротивление. Это сопротивление несколько снижается, если вторая и третья колонны вместо ректификационных тарелок заполнены регулярной насадкой. Но даже в этом случае, ввиду значительной высоты этих колонн, их гидравлическое сопротивление остается значительным. Повышение давления в верхней колонне узла двукратной ректификации вызывает повышение давление в нижней колонне, что приведет к некоторому снижению холодопроизводительности детандера в данной установке, т.к. воздух в детандере будет расширяться до более высокого давления, соответствующего давлению в нижней колонне.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработать способ получения чистого аргона методом ректификации воздуха, в котором по сравнению с прототипом давление разделяемого потока на входе в третью колонну, где производится разделение смеси Ar-N₂, не будет зависеть от давления верхней колонны узла двукратной ректификации, т.к. его величина будет определятся давлением нагнетания жидкостного насоса, подающего этот поток в третью колонну.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого способа, заключается в исключении необходимости дополнительного повышения давления в верхней колонне узла ректификации, часть которого тратилась бы на преодоление гидравлического сопротивления третьей колонны для разделения смеси Ar-N₂ и возможного снижения холодопроизводительности детандера за счет повышения давления за детандером.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения чистого аргона методом ректификации воздуха, включающем получение аргонной фракции в колонне двукратной ректификации последующей ректификации аргонной фракции во второй колонне с очисткой ее от кислорода и дальнейшее разделение в третье колонне с получением в ней чистого аргона, согласно изобретению жидкую аргонную фракцию, отводимую из второй колонны, переохлаждают в переохладителе потоком газообразного азота, отводимого из третьей колонны, а затем с помощью жидкостного насоса подают в третью колонну.

Подача жидкой аргонной фракции с помощью жидкостного насоса в третью колонну, где производится разделение смеси Ar-N₂ и получение чистого аргона, позволяет давление в этой колонне поддерживать независимо от давления в верхней колонне (первая колонна) узла ректификации. Это исключает необходимость повышения давления в первой колонне для компенсации гидравлического сопротивления не только второй, но и третьей колонны. Исключение необходимости значительного повышения давления в верхней колонне не приводит к повышению давления в нижней колонне и необходимости такого же повышения давления за детандером в воздухоразделительной установке, что привело бы к снижению его холодопроизводительности и снижению устойчивости работы установки.

На чертеже представлена принципиальная схема узла ректификации с получением чистого аргона в воздухоразделительной установке. Узел ректификации содержит нижнюю и верхнюю колонны 1 и 3, а также конденсатор-испаритель 2 основной ректификационной колонны, аргонную колонну 4 с конденсатором-испарителем 5, переохладители 6 и 7, жидкостной насос 8, колонну очистки аргона от азота 9 со змеевиком 10 и конденсатором-испарителем 11 и дроссельные вентили 12, 13, 14, 15.

Узел ректификации воздухоразделительной установки, в которой реализуется предлагаемый способ, работает следующим образом. Разделяемый воздух после охлаждения в теплообменниках (на схеме не показаны) поступает в нижнюю колонну 1 колонны двукратной ректификации, где осуществляется предварительное разделение воздуха на кубовую жидкость и азотную флегму.

Потоки кубовой жидкости и азотной флегмы затем проходят через переохладитель 6 и первый из них дросселируется через дроссельный вентиль 12 в межтрубное пространство конденсатора-испарителя 5, а второй - через дроссельный вентиль 13 на верхнюю тарелку колонны 3.

Из колонны 3 в кубовую часть колонны 4 отводят поток аргонной фракции в виде газообразной смеси O₂ - Ar-N₂. Этот поток в колонне 4 практически полностью очищается от кислорода и жидкая фракция, отводимая из колонны 4, в своем составе состоит из аргона и азота с незначительным содержанием O₂.

Поток кубовой жидкости, сдросселированный через вентиль 12 в межтрубное пространство конденсатора-испарителя 5, частично испаряется и парожидкостная смесь затем поступает в колонну 3. В эту же колонну из под крышки конденсатора-испарителя 5 отводится и небольшое количество смеси Ar-N₂ в колонну 3.

Жидкая фракция в составе Ar-N₂ из колонны 4 поступает в переохладитель 7, пройдя который, поступает в жидкостной насос 8, подающий ее в колонну 9.

В этой колонне происходит разделение смеси Ar-N₂ с получением чистого жидкого аргона, который отводится из куба этой колонны.

Для обеспечения работы колонны 9, давление в которой определяется жидким потоком смеси Ar-N₂ после насоса 8, из под крышки конденсатора колонны 1 отводится часть газообразного азота, который поступает в змеевик 10 колонны 9, а после конденсации в змеевике его дросселируют через вентиль 14 в межтрубное пространство конденсатора-испарителя 11. Этот поток затем смешивают с потоком азота, отводимого из под крышки конденсатора- испарителя, после дросселирования последнего, когда он проходит через дроссельный вентиль 15, и направляют в качестве обратного потока в переохладитель 7, по выходу из которого смешивают с основным потоком азота, выходящим из переохладителя 6.

Через переохладитель 6 проходит и поток продукционного жидкого кислорода, отводимого из конденсатора-испарителя 2, который после переохлаждения направляется потребителю.

Источники информации

1. А.с. СССР №1839224, MKИ 5 F 25 J 3/04, опубликовано 30.12.93.

2. Гарин В.А., Писарев Ю.Г. Воздухоразделительные установки нового поколения. Химическое и нефтяное машиностроение, 1996, №1, с.35-42.