Устройство получения первичного криптоно-ксенонового концентрата

 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для получения криптоно-ксенонового концентрата. Испаритель устройства с рубашкой, обогреваемой водяным паром, содержит пустотелый вытеснитель, соединенный коллектором с рубашкой, и кольцевые теплопроводные ребра различных размеров на верхнем и нижнем участках испарителя, поочередно прикрепленные только к корпусу испарителя с зазором к вытеснителю или к вытеснителю с зазором к корпусу. Площадь кольцевых зазоров на верхнем участке, составляющем 0,5-0,8 рабочей высоты испарителя, уменьшается сверху вниз, а свободные края ребер имеют выступы высотой (0,004-0,015)D_к, где D_к - диаметр корпуса испарителя. В верхней части испарителя имеется обогреваемый водяным паром отделитель жидкости с патрубком выхода перегретого пара, который соединен трубопроводом, снабженным вентилем, с теплообменником-охладителем и далее с криптоновой колонной ниже ввода питающего жидкостного потока на расстоянии (0,1 -0,4)Н, где Н - высота контактной части нижней секции криптоновой колонны. Испаритель-конденсатор криптоновой колонны изготовлен из теплообменных элементов, имеющих со стороны кипения оребренную поверхность или поверхность с капиллярно-пористым теплопроводным покрытием. Изобретение позволяет уменьшить содержание углеводородов в концентрате, а также увеличить концентрацию криптона и ксенона и уменьшить затраты энергии на его получение. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к установкам разделения воздуха методом низкотемпературной ректификации.

Известна установка для обогащения криптоно-ксенонового (Kr+ Xe) концентрата. Установка снабжена трубопроводом с вентилем, соединяющим концентратор и испаритель жидкого кислорода по пару с образованием циркуляционного контура, а концентратор выполнен в виде сужающегося по диаметру змеевика и имеет расширительный патрубок, в котором установлена ректификационная тарелка, причем нижняя поверхность змеевика выполнена рифленой (см. Патент СССР N 1775029 A3, кл. F 25 J 13/02, 1992).

Недостатками установки являются высокая взрывоопасность и низкая эффективность. Взрывоопасность обусловлена тем, что газ, выходящий из змеевика в расширительный патрубок, имеет высокую температуру около 224 K (среднюю между температурой насыщения кислорода 94 K и температурой горячей стенки змеевика 353 K) и при прохождении по необогреваемой горячей водой верхней части концентратора сам обогревает не смоченные кислородом участки поверхности, заставляя кипеть на холодной поверхности кислород, содержащий значительное количество взрывоопасных примесей, что приводит к их интенсивному отложению и накоплению. В змеевике газообразная фаза, поднимающаяся с нижележащих участков, не взаимодействует со стекающей жидкостью, так как оттесняется от жидкости потоком пара, образовавшимся на этом участке. В результате в аппарате осуществляется лишь процесс фракционированного испарения без дополнительного выноса из змеевика углеводородов, что не позволяет увеличить содержание криптона и ксенона в получаемом концентрате.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающее криптоновую колонну, группу последовательно соединенных по линии кубовой жидкости испарителей-конденсаторов, испаритель с рубашкой, обогреваемой водяным паром и снабженный патрубками входа кубовой жидкости, выхода первичного криптоно-ксенонового концентрата и выхода паров кубовой жидкости (см. каталог "Криогенное оборудование", издание четвертое, Цинтихимнефтемаш, М., 1988, стр.7).

Недостатком прототипа является высокое содержание углеводородов в получаемом концентрате, низкое содержание Kr+Xe и большие затраты холода. Как известно (см., например, "Разделение воздуха методом глубокого охлаждения", т. 1, М. : Машиностроение, 1973, стр. 257-259) при концентрировании криптона и ксенона, поступающих в воздухоразделительную установку вместе с перерабатываемым воздухом, одновременно осуществляется и концентрирование углеводородов, также находящихся в перерабатываемом воздухе. Эти вещества, имея температуру кипения в сопоставимых условиях выше, чем наиболее высокая температура кипения основного компонента воздуха-кислорода, концентрируются в жидком кислороде. Концентрация углеводородов в жидком кислороде строго регламентирована и при ее превышении должны быть приняты экстренные меры по ее уменьшению вплоть до остановки и отогрева устройства. Поэтому допустимое содержание углеводородов в жидком кислороде является основным препятствием для увеличения концентрации Kr+Xe в получаемом первичном криптоно-ксеноновом концентрате, содержание которых в настоящее время в сумме не превышает 0,2 об. %. Такое низкое содержание Kr+Xe в первичном концентрате приводит к увеличению металлоемкости, энергоемкости и габаритов оборудования по переработке этого концентрата, т.к. вынуждает перерабатывать большое количество балластных газов. Первый по ходу движения кубовой жидкости испаритель-конденсатор (конденсатор криптоновой колонны), изготовленный из гладких труб, имеет высокую интенсивность накопления взрывоопасных примесей на теплопередающей поверхности.

Целью изобретения являются уменьшение содержания углеводородов в концентрате, увеличение концентрации криптона и ксенона и уменьшение затрат энергии на его получение.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающем криптоновую колонну, группу последовательно соединенных по линии кубовой жидкости испарителей-конденсаторов, испаритель с рубашкой, обогреваемой водяным паром, и снабженный патрубками входа кубовой жидкости, выхода первичного криптоно-ксенонового концентрата и выхода паров кубовой жидкости, отличительной особенностью является то, что испаритель содержит пустотелый вытеснитель, соединенный коллектором с рубашкой, кольцевые ребра различных размеров на верхнем и нижнем участках испарителя, поочередно укрепленные без контактного термического сопротивления только к одной внутренней поверхности корпуса с зазором к вытеснителю или к наружной поверхности вытеснителя с зазором к корпусу, причем внутренний диаметр ребер, размещенных на корпусе, меньше наружного диаметра ребер, размещенных на вытеснителе, площадь кольцевых зазоров на верхнем участке, составляющем (0,5 - 0,8) рабочей высоты испарителя, уменьшается сверху вниз, а свободные края ребер во всем аппарате имеют выступы высотой (0,004 - 0,015)D_к, где D_к - диаметр корпуса аппарата, при этом испаритель в верхней части дополнительно содержит обогреваемый отделитель жидкости, а патрубок выхода паров кубовой жидкости соединен трубопроводом через вентиль с криптоновой колонной ниже ввода обогащенного криптоном и ксеноном потока жидкого кислорода на расстоянии (0,1 - 0,4)H, где H - высота контактной части нижней секции криптоновой колонны, с установкой на этом трубопроводе теплообменника, охлаждаемого парами воздуха перед подачей его в испаритель-конденсатор, причем испаритель-конденсатор криптоновой колонны изготовлен из теплообменных элементов, имеющих со стороны кипения оребренную поверхность или поверхность с капиллярно-пористым теплопроводным покрытием.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - конструктивная схема испарителя. Устройство (фиг.1) содержит криптоновую колонну 1, первый по ходу кубовой жидкости испаритель-конденсатор (конденсатор криптоновой колонны) 2, второй по ходу кубовой жидкости испаритель-конденсатор 3, испаритель 4, теплообменник 5. Верхняя часть криптоновой колонны 1 имеет патрубки ввода по линии 6 бедного Kr+Xe жидкого кислорода, по линии 7 обогащенного Kr+Xe жидкого кислорода и выхода по линии 8 паров кислорода. Нижняя часть криптоновой колонны линией 9 соединена с межтрубным пространством конденсатора криптоновой колонны 2 и линией 10 с паровым пространством обоих испарителей-конденсаторов. Конденсатор криптоновой колонны 2 через вентиль 11 жидкостной линией 12 соединен с нижним коллектором парогенерирующих труб испарителя-конденсатора 3. Верхний коллектор испарителя-конденсатора 3 линией 13, снабженной вентилем 14, сообщен с обогреваемым пространством испарителя 4, которое в свою очередь в нижней части линией 15 с вентилем 16 соединено с установкой переработки первичного криптоно-ксенонового концентрата, например, УСК-1М 17, а по линии 18 с вентилем 19, теплообменником 5 и далее линией 20 соединен с патрубком криптоновой колонны 1, расположенным ниже патрубка ввода обогащенного криптоном и ксеноном жидкого кислорода на расстоянии (0,1 - 0,4)H, где H - высота контактной части нижней секции криптоновой колонны.

Конденсатор криптоновой колонны 2 имеет поверхность теплообмена со стороны кипения, выполненную из оребренных труб (например, медные или из алюминиевого сплава АМц трубы с поперечными ребрами наружным диаметром оребрения 0,014 - 0,016 м, высотой ребра 0,002 - 0,003 м, толщиной ребра 0,0003 - 0,0005 м и шагом оребрения 0,0018 - 0,002 м) или из алюминиевого сплава АМц труб с наружным капиллярно-пористым алюминиевым покрытием (толщина покрытия 0,00035 - 0,0007 м, открытая пористость не менее 25-30%, средний эквивалентный диаметр пор не более 70 мкм).

Испаритель (фиг.2) содержит корпус 21 с рубашкой 22 и полый вытеснитель 23, сообщенный в нижней части коллектором 24 с полостью рубашки 22. В верхней части корпуса испарителя находится отделитель жидкости 25, работающей в условиях осадительной сепарации, а также изолированный патрубок 26 входа кубовой жидкости и патрубок 27 выхода подогретого пара кубовой жидкости. В нижней части корпуса испарителя имеется патрубок 28 вывода газообразного первичного криптоно-ксенонового концентрата через рубашку 22 по небольшому змеевику 29 (для компенсации температурных деформаций).

Рубашка испарителя 22 в верхней части имеет патрубок 30 входа водяного пара, а в нижней части патрубок 31 выхода конденсата и патрубок 32 и трубу 33 отдува неконденсирующихся газов.

Пространство испарителя между корпусом 21 и полым вытеснителем 23 заполнено кольцевыми чередующимися ребрами 34 и 35. Ребра 35 приварены (припаяны) к корпусу 21, а ребра 34 - к вытеснителю 23. Ребра, корпус и вытеснитель изготовлены из высокотеплопроводного материала (например, меди), а ширина колец и их толщина определены из условия, чтобы температура поверхности ребра в самой холодной точке не опускалась ниже 353 K (80^oC).

Наружный диаметр D ребер 34 превышает внутренний диаметр d ребер 35, а площадь кольцевого зазора между ребрами 35 и вытеснителем на верхнем участке l₁ испарителя, составляющем (0,5 - 0,8) рабочей высоты аппарата (l₁ + l₂), уменьшается сверху до низу, обеспечивая в кольцевых зазорах одинаковую скорость газа, исключающую унос капельной влаги.

В нижней части испарителя на участке l₂ (нисходящее спутное движение газа и жидкости) площадь кольцевого зазора одинакова и равна площади кольцевого зазора в нижней части участка l₁.

Свободные края ребер 34 и 35 имеют на верхней поверхности небольшие уступы h для удержания минимального, но достаточного для распределения по всей площади ребра объема жидкости. На основании опытных данных эта высота h составляет (0,004 - 0,015)D_к, где D_к - внутренний диаметр корпуса испарителя.

Устройство работает следующим образом. В верхнюю часть криптоновой колонны (см. фиг. 2) на орошение по линии 6 подают бедный криптоном и ксеноном жидкий кислород, отбираемый из потока жидкого кислорода на входе в основные конденсаторы-испарители воздухоразделительной установки, а по линии 7 подают обогащенный криптоном и ксеноном жидкий кислород, отбираемый после адсорбера из циркуляционного контура очистки жидкого кислорода от взрывоопасных примесей.

При движении вниз по колонне жидкость на контактных элементах взаимодействует с поднимающимся паром и обогащается криптоном и ксеноном. Одновременно в жидкости происходит увеличение концентрации углеводородов, особенно метана, который является основной составляющей (~ 89%) концентрации взрывоопасных примесей в жидком кислороде (см. Правила безопасности при производстве и потреблении продуктов разделения воздуха ПБПРВ-88, М.: Гипрокислород, 1988, 112 стр., стр 33).

Обогащенная криптоном и ксеноном, а также углеводородами жидкость из куба колонны (кубовая жидкость) по линии 9 поступает в группу испарителей-конденсаторов 2, 3 на частичное испарение, а пары кислорода с незначительным содержанием криптона и ксенона уходят из колонны по линии 8. Питание колонны паром осуществляется в двух местах.

Основной поток пара по линии 10 поступает из группы испарителей-конденсаторов 2, 3 в куб колонны, под контактные элементы, а другой поток пара, меньший по объему, но с максимальной допустимой концентрацией метана поступает из испарителя 4 через вентиль 19 и теплообменник 5 по линиям 18, 20 к патрубку колонны, находящемуся между патрубком ввода обогащенной криптоном и ксеноном жидкого кислорода и патрубком ввода паров кубовой жидкости.

Поступившая из колонны в группу испарителей-конденсаторов 2, 3 кубовая жидкость большей частью испаряется последовательно в двух аппаратах. Основное количество жидкости испаряется в погружном аппарате 2 с естественной циркуляцией, изготовленном из теплообменных элементов с наружным поперечным оребрением или с наружными капиллярно-пористым покрытием, за счет конденсации сжатых паров азота.

Часть жидкости из аппарата 2 через вентиль 11 по линии 12 поступает в трубное пространство витого испарителя-конденсатора 3, где испаряется за счет конденсации сжатых паров воздуха. Неиспарившийся остаток жидкости из верхнего коллектора испарителя-конденсатора 3 выводится по линии 13 через вентиль 14 в верхнюю часть на вход испарителя 4, где за счет подвода тепла при конденсации водяного пара газифицируется с выводом двух потоков: внизу аппарата - газообразного потока первичного криптоно-ксенонового концентрата, направляемого по линии 15 через вентиль 16 на дальнейшую переработку, и сверху аппарата - газообразного потока обогащенного криптоно-ксенонового концентрата с максимально допустимым содержанием метана, охлаждаемого в теплообменнике 5 за счет подачи холодного воздуха и поступающего затем по линии 20 в криптоновую колонну.

Испаритель 4 работает следующим образом (фиг.2). В рубашку испарителя через патрубок 30 подают водяной пар при давлении (0,2 - 0,25) МПа, который конденсируется на наружной поверхности корпуса испарителя 21 и на внутренней поверхности вытеснителя 23. Конденсат собирается в коллекторе 24 и через патрубок 31 выводится из аппарата. Возможные неконденсирующиеся примеси, содержащиеся в водяном паре, отдуваются из верхней части вытеснителя по трубе 33 через патрубок 32.

Благодаря высокой теплоотдаче от конденсирующегося пара корпус 21 и вытеснитель имеют температуру, близкую к температуре насыщения водяного пара, а благодаря идеальному контакту ребер с несущей поверхностью, высокой теплопроводности ребер и их достаточной толщине оребренная поверхность имеет температуру в любой точке не менее 353 K (80^oC), что исключает отложение взрывоопасных примесей на поверхности теплообмена.

Криогенную жидкость подают в верхнюю часть испарителя через изолированный патрубок 26 на ребро 36, установленное с торца вытеснителя. При контакте с ребром часть жидкости испаряется при пленочном кипении, часть разбрызгивается, часть стекает с ребра. Неиспарившаяся жидкость собирается на нижерасположенном ребре 35. При перемещении жидкости на нижерасположенное ребро она взаимодействует в межреберном пространстве с поднимающимся потоком пара, образованным в результате испарения жидкости на нижележащих ребрах. Происходит дальнейшее обогащение жидкости криптоном и ксеноном, а также метаном и другими углеводородами. При этом диффузия криптона, ксенона и метана из пара в жидкость осуществляется непропорционально: в паре метана остается относительно больше, чем криптона и ксенона. Такой процесс взаимодействия пара и жидкости осуществляется на верхнем участке l₁ испарителя. Здесь поток пара увеличивается снизу вверх, увеличивается также и площадь кольцевых зазоров для его прохода, что обеспечивает одинаковую скорость, исключающую унос жидкости. На выходе из этого участка жидкость содержит предельно допустимую концентрацию метана. На нижележащем участке l₂ жидкость просто испаряется на ребрах при спутном нисходящем движении пара и жидкости и выводится в газообразном виде из испарителя через патрубок 28 и змеевик 29. Пары, образовавшиеся на верхнем участке l₁, выводятся вверху отделителя жидкости через патрубок 27. Расход пара, выводимый через патрубок 27 и патрубок 28, регулируется вентилями 16 и 19 (см. фиг. 1) в соответствии с измеренной концентрацией метана в первичном криптоно-ксеноновом концентрате и отводимом паре.

Таким образом, осуществляя процесс массообмена в испарителе, из испарителя выходят пары с большей концентрацией метана, чем в поступающей жидкости, что позволяет безопасно увеличивать содержание криптона и ксенона в продукте до 1-5 об.%.

Ввод в криптоновую колонну пара из испарителя ниже ввода обогащенного криптоном и ксеноном жидкого кислорода на расстоянии (0,1 - 0,4)H является оптимальным и обеспечивает по сравнению с прототипом уменьшение концентрации метана в кубовой жидкости приблизительно на 20%. При уменьшении этого расстояния растут потери криптона и ксенона с уходящими из колонны парами кислорода, при увеличении - растет концентрация метана в кубовой жидкости. При уменьшении концентрации метана в кубовой жидкости появляется возможность вывода из воздухоразделительной установки меньшего количества жидкости с одинаковым абсолютным содержанием криптона и ксенона, что уменьшает затраты холода (энергии) на их получение.

Размер выступов высотой h = (0,004 - 0,015)D_к на свободном конце ребер является также оптимальным. При увеличении h увеличивается объем жидкости в аппарате, что с одной стороны увеличивает запасенную энергию в случае аварийной ситуации, а с другой - возможность неконтролируемого локального увеличения концентрации метана. Уменьшение h приводит к неравномерному распределению жидкости на поверхности ребер, образованию голых участков, увеличению массы и габаритов аппарата.

За счет того, что в устройстве получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающем криптоновую колонну, группу последовательно соединенных по линии кубовой жидкости испарителей-конденсаторов, испаритель с рубашкой, обогреваемой водяным паром, и снабженный патрубками входа кубовой жидкости, выхода первичного криптоно-ксенонового концентрата и выхода паров кубовой жидкости, испаритель содержит пустотелый вытеснитель, соединенный коллектором с рубашкой, кольцевые ребра различных размеров на верхнем и нижнем участках испарителя, поочередно укрепленные без контактного термического сопротивления только к одной внутренней поверхности корпуса с зазором к вытеснителю или к наружной поверхности вытеснителя с зазором к корпусу, причем внутренний диаметр ребер, размещенных на корпусе, меньше наружного диаметра ребер, размещенных на вытеснителе, площадь кольцевых зазоров на верхнем участке, составляющем (0,5 - 0,8) рабочей высоты испарителя, уменьшается сверху вниз, а свободные края ребер во всем аппарате имеют выступы высотой (0,004 - 0,015)D_к, где D_к - диаметр корпуса аппарата, при этом испаритель в верхней части дополнительно содержит обогреваемый отделитель жидкости, а патрубок выхода паров кубовой жидкости соединен трубопроводом через вентиль с криптоновой колонной ниже ввода обогащенного криптоном и ксеноном потока жидкого кислорода на расстоянии (0,1 - 0,4)H, где H - высота контактной части нижней секции криптоновой колонны, с установкой на этом трубопроводе теплообменника, охлаждаемого парами воздуха перед подачей его в испаритель - конденсатор, причем испаритель-конденсатор криптоновой колонны изготовлен из теплообменных элементов, имеющих со стороны кипения оребренную поверхность или поверхность с капиллярно-пористым теплопроводным покрытием, уменьшают содержание углеводородов в концентрате, увеличивают концентрацию криптона и ксенона в первичном криптоно-ксеноновом концентрате и уменьшают затраты электроэнергии на его получение.

Применение в испарителе-конденсаторе криптоновой колонны теплообменных элементов из оребренных труб или труб с капиллярно-пористым покрытием уменьшает накопление взрывоопасных примесей на теплопередающей поверхности аппарата, что позволяет безопасно работать аппарату с большим содержанием углеводородов в кипящем кислороде, которое возникает в случае поступления в воздухоразделительную установку воздуха с повышенным содержанием взрывоопасных примесей.

Формула изобретения

1. Устройство получения первичного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительных установках, включающее криптоновую колонну, группу последовательно соединенных по линии кубовой жидкости испарителей-конденсаторов, испаритель с рубашкой, обогреваемой водяным паром, и снабженный патрубками входа кубовой жидкости, выхода первичного криптоно-ксенонового концентрата и выхода паров кубовой жидкости, отличающееся тем, что испаритель содержит пустотелый вытеснитель, соединенный коллектором с рубашкой, кольцевые ребра различных размеров на верхнем и нижнем участках испарителя, поочередно укрепленные без контактного термического сопротивления только к одной внутренней поверхности корпуса с зазором к вытеснителю или к наружной поверхности вытеснителя с зазором к корпусу, причем внутренний диаметр ребер, размещенных на корпусе, меньше наружного диаметра ребер, размещенных на вытеснителе, площадь кольцевых зазоров на верхнем участке, составляющем (0,5 - 0,8) рабочей высоты испарителя, уменьшается сверху вниз, а свободные края ребер во всем аппарате имеют выступы высотой (0,004 - 0,015) D_к, где D_к - диаметр корпуса аппарата.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испаритель в верхней части дополнительно содержит обогреваемый отделитель жидкости, а патрубок выхода паров кубовой жидкости соединен трубопроводом через вентиль с криптоновой колонной ниже ввода обогащенного криптоном и ксеноном потока жидкого кислорода на расстоянии (0,1 -0,4)H, где H - высота контактной части нижней секции криптоновой колонны, с установкой на этом трубопроводе теплообменника, охлаждаемого парами воздуха перед подачей его в испаритель-конденсатор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испаритель-конденсатор криптоновой колонны изготовлен из теплообменных элементов, имеющих со стороны кипения оребренную поверхность или поверхность с капиллярно-пористым теплопроводным покрытием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2