Способ извлечения ксенона из газовой смеси

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для получения чистого ксенона. Способ включает в себя процессы каталитического выжигания углеводородов из газовой смеси, сорбционной очистки от влаги и двуокиси углерода, предварительного охлаждения и низкотемпературной ректификации с получением чистого ксенона и отводом его потребителю. Перед каталитическим выжиганием углеводородов исходную газовую смесь, содержащую ксенон, направляют на адсорбцию в контактный аппарат, который заполняют по меньшей мере одним слоем адсорбента, имеющим поглотительную способность в отношении ксенона в 8-10 раз выше поглотительной способности в отношении остальных компонентов газовой смеси. На выходе из контактного аппарата непрерывно измеряют состав газовой смеси. Газовую смесь, выходящую из контактного аппарата в процессе адсорбции, отводят в атмосферу. Процесс адсорбции продолжают до момента появления ксенона в газовой смеси на выходе из контактного аппарата. Затем проводят регенерацию адсорбента. При регенерации процесс десорбции ксенона ведут с постоянным подводом тепла при температуре, находящейся в пределах от 333 до 353 градусов Кельвина. Процесс десорбции продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента. Ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в процессе десорбции, направляют на каталитическое выжигание углеводородов. Способ позволяет получать ксенон высокой чистоты, а именно 99,99999%, с высоким коэффициентом извлечения, равным 0,99. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к разделению компонентов газовых смесей ректификацией и может быть использовано для получения ксенона высокой чистоты.

Известен способ извлечения ксенона из газовой смеси путем низкотемпературной ректификации с получением чистого ксенона и отводом его потребителю (DE 19526226 С2, 31.07.97, F 25 J 3/00).

Известен способ извлечения ксенона из газовой смеси путем каталитического выжигания углеводородов из газовой смеси, сорбционной очистки последней от влаги и двуокиси углерода, предварительного охлаждения и низкотемпературной ректификации с получением чистого ксенона и отводом его потребителю (RU 2032870 С1, 10.04.95, F 25 J 3/04).

В то же время упомянутые выше способы не экономичны, вследствие потерь ксенона в смеси с отходящими (отдуваемыми) низкотемпературными газами, и не эффективны, поскольку не обеспечивают высокой очистки продукционного ксенона.

Известен также способ (прототип) извлечения ксенона из газовой смеси, включающий каталитическое выжигание углеводородов из газовой смеси, сорбционную очистку последней от влаги и двуокиси углерода, предварительное охлаждение и низкотемпературную ректификацию с получением чистого ксенона и отводом его потребителю (RU 2051318 С1, 27.12.95, F 25 J 3/02).

Однако известный способ не обеспечивает высокую степень очистки ксенона от газовых примесей, содержащихся в исходной газовой смеси. Низкая эффективность (невозможность получить ксенон высокой чистоты) и низкая экономичность (большие затраты энергии на низкотемпературное газоразделение) известного способа объясняется низким содержанием ксенона и большим количеством примесей в газовой смеси, поступающей на низкотемпературную ректификацию, а также потерями дорогостоящего ксенона в смеси с отходящими (отдуваемыми) газами после ректификации, поскольку перед каталитическим выжиганием углеводородов не предусмотрен процесс адсорбции ксенона из исходной газовой смеси с последующей его десорбцией, а также процесс очистки газовой смеси от фторхлордериватов предельных углеводородов и отвод отдуваемых газов в газгольдер.

Задача настоящего изобретения состоит в разработке эффективного и экономичного способа, который обеспечивает получение ксенона высокой чистоты с высоким коэффициентом его извлечения при низких затратах энергии на газоразделение.

Указанный технический результат (повышение эффективности и экономичности) достигается тем, что в известном способе извлечения ксенона из газовой смеси, включающего каталитическое выжигание углеводородов из газовой смеси, сорбционную очистку последней от влаги и двуокиси углерода, предварительное охлаждение и низкотемпературную ректификацию газовой смеси с получением чистого ксенона и отводом его потребителю, согласно изобретению, исходную газовую смесь, содержащую ксенон, направляют на адсорбцию в контактный аппарат, который заполняют по меньшей мере одним слоем адсорбента, имеющим поглотительную способность в отношении ксенона в 8-10 раз выше поглотительной способности в отношении остальных компонентов газовой смеси. На выходе из контактного аппарата непрерывно измеряют состав газовой смеси. Газовую смесь, выходящую из контактного аппарата в процессе адсорбции, отводят в атмосферу. Процесс адсорбции ведут при постоянном отводе тепла и продолжают до момента появления ксенона в газовой смеси на выходе из контактного аппарата. Затем проводят регенерацию адсорбента. При регенерации процесс десорбции ксенона ведут с постоянным подводом тепла при температуре, находящейся в пределах от 333 до 353 градусов Кельвина. Процесс десорбции продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента. Ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в процессе десорбции, направляют на каталитическое выжигание углеводородов.

Кроме того, контактный аппарат заполняют тремя слоями адсорбента, при этом по направлению движения газовой смеси в первом слое адсорбента используют силикагель или цеолит марки КА, во втором слое используют цеолит марки СаА или СаЕХ, а в третьем слое - цеолит марки NaX или СаТ.

Предусмотрено, что ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в процессе десорбции, отводят в газгольдер, а из газгольдера направляют на каталитическое выжигание углеводородов.

Предусмотрено также, что отдуваемые газы, образующиеся при проведении низкотемпературной ректификации газовой смеси, отводят в газгольдер, а из газгольдера направляют на каталитическое выжигание углеводородов.

Кроме того, в качестве исходной газовой смеси, содержащей ксенон, могут использовать криптоно-ксеноновую смесь газов.

Также в качестве исходной газовой смеси, содержащей ксенон, могут использовать криптоно-ксеноновый концентрат, получаемый в установках разделения воздуха методом глубокого охлаждения.

Предусмотрено, что в процессе низкотемпературной ректификации газовой смеси одновременно с получением чистого ксенона получают чистый криптон.

Рекомендуется в качестве холодильного агента при проведении низкотемпературной ректификации газовой смеси использовать жидкий азот.

Предусмотрено, что после десорбции ксенона при температуре от 333 до 353 градусов Кельвина дополнительно процесс десорбции ведут с постоянным подводом тепла при температуре от 453 до 473 градусов Кельвина и продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента.

Целесообразно после прекращения выделения ксенона из адсорбента в процессе десорбции, адсорбент, находящийся в контактном аппарате, продувать сухим азотом или гелием.

Наряду с этим, после прекращения выделения ксенона из адсорбента в процессе десорбции, адсорбент, находящийся в контактном аппарате, могут вакуумировать.

Кроме того, после вакуумирования, адсорбент, находящийся в контактном аппарате, рекомендуется продувать сухим азотом или гелием.

На чертеже схематично представлены основные рабочие элементы установки для реализации предлагаемого способа.

Установка состоит по меньшей мере из одного контактного аппарата (1), заполненного адсорбентом, газгольдера (2), первой контактной печи (3) для каталитического выжигания углеводородов, второй контактной печи (4) для каталитического выжигания фторхлордериватов предельных углеводородов, охладителя газа (5), блока осушки и очистки газа (6), включающего два попеременно работающих адсорбера-осушителя, и блока низкотемпературного разделения (7) компонентов газовых смесей, включающего соответствующее оборудование (регенеративные теплообменники, ректификационные колонны, сепараторы, детандеры, фильтры и т.д.). Установка может иметь несколько контактных аппаратов (1) с возможностью их отключения и переключения на соответственные режимы работы, а именно на процесс адсорбции или регенерации (десорбции) адсорбента.

Способ извлечения ксенона из газовой смеси осуществляется следующим образом.

Исходную газовую смесь, содержащую ксенон (например, от 10 до 28% объемных ксенона, кислород, азот, углекислый газ, пары воды, предельные и непредельные углеводороды и дериваты непредельных углеводородов) направляют по линии (8) на адсорбцию в контактный аппарат (1), заполненный адсорбентом, который имеет поглотительную способность в отношении ксенона в 8-10 раз выше поглотительной способности в отношении остальных компонентов газовой смеси и высокий коэффициент извлечения ксенона в процессе десорбции. На выходе газа из контактного аппарата непрерывно измеряют состав газовой смеси. Газовую смесь, выходящую из контактного аппарата в процессе адсорбции, отводят в атмосферу по трубопроводу (9). Процесс адсорбции ведут при постоянном отводе тепла и продолжают до момента появления ксенона в газовой смеси на выходе из контактного аппарата. Это уменьшает количество примесей в газовой смеси и потери дорогостоящего ксенона. Затем проводят регенерацию адсорбента. При регенерации процесс десорбции ксенона ведут с постоянным подводом тепла при температуре, находящейся в пределах от 333 до 353 градусов Кельвина. Процесс десорбции продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента путем измерения состава газовой смеси на выходе ее из контактного аппарата (1) по трубопроводу (10). Ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в процессе десорбции, направляют по линии (11) на каталитическое выжигание углеводородов в первую контактную печь (3), в которой поддерживается температура 900-950К. После каталитического выжигания углеводородов газовую смесь подают во вторую контактную печь (4), где пропускают через слой смеси магния с активной окисью алюминия при постоянном подводе тепла при температуре от 720 до 1050К. Во второй контактной печи происходит каталитическое выжигание фторхлордериватов предельных углеводородов из газовой смеси. В результате каталитического выжигания углеводородов и фторхлордериватов предельных углеводородов соответственно в первой и второй контактной печи образуются продукты сжигания - пары воды и двуокись углерода. Выходящую из второй контактной печи смесь газов охлаждают в охладителе газа (5) до температуры 290-300К и направляют на сорбционную очистку от паров воды и двуокиси углерода в блок осушки и очистки газа (6). Здесь газовая смесь поступает в один из двух попеременно работающих адсорберов, заполненных, например силикагелем или цеолитами марки КА, СаА или СаЕХ. Из блока осушки и очистки обогащенную ксеноном, например до 30-85% объемных, газовую смесь подают в блок низкотемпературного разделения (7), в котором происходит предварительное охлаждение газовой смеси в регенеративном теплообмене с отдуваемыми (отходящими) газами и ее низкотемпературная ректификация с получением жидкого ксенона чистотой 99,99999% объемных. При этом коэффициент извлечения ксенона в целом по установке достигает значения от 0,97 до 0,98. Жидкий ксенон газифицируют, компримируют до заданного давления, заполняют в баллоны и отправляют потребителю.

Для повышения эффективности работы контактного аппарата его заполняют тремя слоями адсорбента. По направлению движения газовой смеси в первом слое адсорбента используют силикагель или цеолит марки КА, во втором слое используют цеолит марки СаА или СаЕХ, а в третьем слое - цеолит марки NaX или СаТ. В первом слое адсорбента происходит предварительная осушка газовой смеси и очистка от двуокиси углерода в случае использования цеолита марки КА. Во втором слое адсорбента происходит дополнительная осушка газовой смеси и очистка ее от двуокиси углерода. В третьем слое адсорбента происходит поглощение ксенона из газовой смеси.

Ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в контактном аппарате (1) в процессе десорбции, могут отводить по трубопроводу (12) в газгольдер (2), а из газгольдера направлять по трубопроводу (13) на каталитическое выжигание углеводородов в первую контактную печь (3). Содержащие ксенон отдуваемые газы, образующиеся при проведении ректификации газовой смеси также могут отводить по трубопроводу (14) из блока низкотемпературного разделения (7) в газгольдер, а из газгольдера направлять на каталитическое выжигание углеводородов в первую контактную печь. В результате возврата отдуваемых газов, содержащих от 0,2 до 3% ксенона, на каталитическое выжигание, очистку и низкотемпературную ректификацию коэффициент извлечения ксенона увеличивается до 0,985-0,99.

В качестве исходной газовой смеси, содержащей ксенон, могут использовать криптоно-ксеноновую смесь газов или криптоно-ксеноновый концентрат, получаемый в установках разделения воздуха методом глубокого охлаждения. При этом криптоно-ксеноновый концентрат может содержать от 0,15 до 0,2% объемных ксенона. В этом случае в процессе низкотемпературной ректификации газовой смеси одновременно с получением чистого ксенона получают чистый криптон.

Целесообразно, чтобы в качестве холодильного агента при проведении низкотемпературной ректификации газовой смеси использовали жидкий азот.

Кроме того, для уменьшения потерь ксенона после его десорбции при температуре от 333 до 353 градусов Кельвина дополнительно процесс десорбции ведут с постоянным подводом тепла при температуре от 453 до 473 градусов Кельвина и продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента, что позволяет увеличить коэффициент извлечения до 0,995.

Для увеличения поглотительной способности адсорбента после прекращения выделения ксенона из адсорбента в процессе десорбции, адсорбент, находящийся в контактном аппарате, продувают сухим азотом или гелием, или вакуумируют. С этой же целью, после вакуумирования, адсорбент, находящийся в контактном аппарате, рекомендуется продуть сухим азотом или гелием.

Получение ксенона высокой чистоты (99,99999% объемных) с высоким коэффициентом извлечения (0,995) при малых затратах энергии, то есть эффективность и экономичность предложенного способа, в основном обусловлены тем, что перед каталитическим выжиганием углеводородов и низкотемпературной ректификацией производят обогащение газовой смеси ксеноном путем адсорбции ксенона из исходной газовой смеси с последующей его десорбцией, а также и тем, что отдуваемые газы отводят в газгольдер, а затем направляют на каталитическое выжигание углеводородов. Кроме того, после каталитического выжигания углеводородов проводят очистку газовой смеси от фторхлордериватов предельных углеводородов.

Предлагаемый способ прошел промышленные испытания и используется в заводских условиях для получении ксенона высокой чистоты из газовой смеси, содержащей ксенон, и для получения чистого ксенона и криптона из обогащенной криптоно-ксеноновой смеси.

1. Способ извлечения ксенона из газовой смеси, включающий каталитическое выжигание углеводородов из газовой смеси, сорбционную очистку последней от влаги и двуокиси углерода, предварительное охлаждение и низкотемпературную ректификацию газовой смеси с получением чистого ксенона и отводом его потребителю, отличающийся тем, что исходную газовую смесь, содержащую ксенон, направляют на адсорбцию в контактный аппарат, который заполняют, по меньшей мере, одним слоем адсорбента, имеющим поглотительную способность в отношении ксенона в 8-10 раз выше поглотительной способности в отношении остальных компонентов газовой смеси, на выходе из контактного аппарата непрерывно измеряют состав газовой смеси, газовую смесь, выходящую из контактного аппарата в процессе адсорбции, отводят в атмосферу, процесс адсорбции ведут при постоянном отводе тепла и продолжают до момента появления ксенона в газовой смеси на выходе из контактного аппарата, затем проводят регенерацию адсорбента, при регенерации процесс десорбции ксенона ведут с постоянным подводом тепла при температуре от 333 до 353 K, процесс десорбции продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента, ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в процессе десорбции, направляют на каталитическое выжигание углеводородов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактный аппарат заполняют тремя слоями адсорбента, при этом по направлению движения газовой смеси в первом слое адсорбента используют силикагель или цеолит марки КА, во втором слое используют цеолит марки СаА или СаЕХ, а в третьем слое - цеолит марки NaX или СаТ.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ксенон и сопутствующие газы, выделяемые из адсорбента в процессе десорбции, отводят в газгольдер, а из газгольдера направляют на каталитическое выжигание углеводородов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что отдуваемые газы, образующиеся при проведении низкотемпературной ректификации газовой смеси, отводят в газгольдер, а из газгольдера направляют на каталитическое выжигание углеводородов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходной газовой смеси, содержащей ксенон, используют криптоно-ксеноновую смесь газов.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходной газовой смеси, содержащей ксенон, используют криптоно-ксеноновый концентрат, получаемый в установках разделения воздуха методом глубокого охлаждения.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что в процессе низкотемпературной ректификации газовой смеси одновременно с получением чистого ксенона получают чистый криптон.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после каталитического выжигания углеводородов газовую смесь пропускают через слой смеси магния с активной окисью алюминия при постоянном подводе тепла при температуре, от 720 до 1050 K, и затем направляют на сорбционную очистку от влаги и двуокиси углерода.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве холодильного агента при проведении низкотемпературной ректификации газовой смеси используют жидкий азот.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что после десорбции ксенона при температуре от 333 до 353 K дополнительно процесс десорбции ведут с постоянным подводом тепла при температуре от 453 до 473 K и продолжают до момента прекращения выделения ксенона из адсорбента.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что после прекращения выделения ксенона из адсорбента в процессе десорбции адсорбент, находящийся в контактном аппарате, продувают сухим азотом или гелием.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что после прекращения выделения ксенона из адсорбента в процессе десорбции адсорбент, находящийся в контактном аппарате, вакуумируют.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что после вакуумирования адсорбент, находящийся в контактном аппарате, продувают сухим азотом или гелием.