Способ получения криптоно-ксеноновой смеси и устройство для его осуществления
Изобретение относится к криогенной технике. Криптоно-ксеноновую смесь (ККС) получают из первичного криптонового концентрата 1 (ПКК), подаваемого из воздухоразделительных установок на газодувку 2. Сжатый в газодувке 2 ПКК делят на два потока. Большую часть направляют в высокотемпературный рекуперативный теплообменник 3, в электронагреватель 4 и затем на вход реактора 5. Другую часть холодного ПКК по байпасной линии 47 направляют в реактор 5. В трубчатом реакторе 5 контактная масса в трубах сформирована из двух слоев катализатора с различными характеристиками по температурам начала реакции и термостойкости. В межтрубное пространство реактора 5 подают теплоноситель. Из реактора 5 поток первичного концентрата направляют в узел адсорбционной очистки 7. Сжатый кислород подают в установку по линии 21 и подпитывают поток сжатого воздуха на входе в теплообменник-охладитель воздуха 15, после чего обогащенный кислородом воздух конденсируют в испарителе-конденсаторе 13. Очищенный в адсорбционном узле ПКК подают на газификацию в восходящем прямоточном потоке в двухступенчатом испарительном процессе за счет конденсации обогащенного кислородом воздуха. Технический результат - повышение экономичности процесса, в том числе, в случае переработки ПКК с повышенным содержанием до 4 мол.% углеводородов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к криогенной технике, в частности к технологии низкотемпературной ректификации воздуха, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности.
Известен способ получения криптоно-ксеноновой смеси, включающий подачу первичного концентрата в линию первичного концентрата, нагревание первичного концентрата обратным потоком в рекуперативном теплообменнике, повышение температуры до требуемой в электронагревателе, подачу на вход реактора для осуществления реакции каталитического окисления, охлаждение прямым потоком в рекуперативном теплообменнике, адсорбционную очистку в переключающихся адсорберах с регенерацией адсорберов азотом или воздухом, конденсацию и гидростатическое повышение давления при опускном движении конденсированного потока очищенного первичного концентрата, испарение в конце опускного движения в испарителе-конденсаторе с использованием в качестве конденсирующейся среды сжатого воздуха и подачу в ректификационную колонну с получением в кубе криптоно-ксеноновой смеси (см. патент РФ 2149676 С1, МПК 7 B01D 53/00, F25J 3/02).
Недостатком известного способа является низкая экономичность.
При увеличении содержания углеводородов в исходной смеси более 0,4 мол.% в известном способе уменьшается производительность установки по криптоно-ксеноновой смеси. Это связано с тем, что из-за разогрева реактора и опасения разрушения катализатора от недопустимо высокой температуры в известном способе увеличивают поток первичного концентрата (ПКК) из воздухо-разделительных установок, уменьшая в нем до приемлемой концентрацию углеводородов, а излишки потока ПКК из линии первичного концентрата выбрасывают в атмосферу. В этом случае выпадает из переработки часть ПКК, что уменьшает экономичность способа в результате уменьшения выхода криптоно-ксеноновой смеси.
Уменьшается выход криптоно-ксеноновой смеси в известном способе также в период включения в работу адсорбера после регенерации. Оставшийся в аппарате после регенерации азот или воздух загрязняет поток ПКК, что затрудняет его конденсацию и уменьшает производительность столбового конденсатора, приводящую в итоге также к сбросу в атмосферу части ПКК.
К недостаткам известного способа относятся также уменьшение доли жидкости в потоке при уменьшении давления охлаждаемого в испарителе-конденсаторе сжатого воздуха, а также чрезмерный перегрев ПКК в испарителе-конденсаторе, что приводит к увеличению расхода жидкого азота.
Целью изобретения является увеличение экономичности.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения криптоно-ксеноновой смеси, включающем подачу первичного концентрата в линию первичного концентрата, нагревание первичного концентрата обратным потоком в высокотемпературном рекуперативном теплообменнике, повышение температуры до требуемой в электронагревателе, подачу на вход реактора для осуществления реакции каталитического окисления углеводородов, охлаждение прямым потоком в высокотемпературном рекуперативном теплообменнике, адсорбционную очистку в переключающихся адсорберах с регенерацией адсорберов азотом или воздухом, конденсацию и гидростатическое повышение давления при опускном движении конденсированного потока очищенного первичного концентрата, испарение в конце опускного движения в испарителе-конденсаторе с использованием в качестве конденсирующейся среды сжатого воздуха и подачу в ректификационную колонну с получением в кубе криптоно-ксеноновой смеси, отличительной особенностью является то, что в начале линии первичного концентрата устанавливают газодувку, часть потока первичного концентрата из линии первичного концентрата отбирают и направляют на вход реактора, к реактору дополнительно осуществляют подвод теплоносителя, контактную массу катализатора распределяют по вертикальным каналам реактора и формируют по крайней мере из двух слоев с различными характеристиками по температурам начала реакции окисления и термостойкости, обеспечивая тепловое взаимодействие отдельно каждого слоя с теплоносителем, адсорберы после регенерации продувают потоком кислорода, поток первичного концентрата в линии первичного концентрата смешивают с частью очищенного первичного концентрата, отводимого из линии потока питания колонны, испарение жидкого первичного концентрата осуществляют в восходящем прямоточном потоке по крайней мере в двухступенчатом процессе: в испарителе-конденсаторе испаряют основную массу жидкости, а остаток жидкости, отбираемой на выходе из теплообменной поверхности испарителя-конденсатора, - в дополнительном испарителе, при этом поток воздуха, направляемый на конденсацию в испаритель-конденсатор, смешивают с потоком кислорода.
Известно устройство для получения криптоно-ксеноновой смеси, содержащее линию первичного концентрата, высокотемпературный регенеративный теплообменник, электронагреватель, реактор с катализатором, концевой холодильник, адсорбционный узел очистки с переключающимися адсорберами, регенерируемыми азотом или воздухом, низкотемпературный теплообменник-охладитель первичного концентрата, столбовой конденсатор со столбовой линией, парлифт со столбовой линией парлифта, испаритель-конденсатор, низкотемпературный теплообменник-охладитель воздуха, ректификационную колонну, соединенных трубопроводами технологических потоков с регулирующей, запорной арматурой и предохранительными клапанами (см. патент РФ 2149676 С1, МПК 7 B01D 53/00, F25J 3/02).
Недостатком известного устройства является низкая экономичность, что выражается в уменьшении производительности криптоно-ксеноновой смеси при увеличении содержания углеводородов в ПКК более 0,4 мол.%, а также в период запуска в работу адсорберов после регенерации, и увеличении расхода жидкого азота при уменьшении давления сжатого воздуха и чрезмерного перегрева ПКК в испарителе-конденсаторе.
Целью изобретения является увеличение экономичности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве получения криптоно-ксеноновой смеси, состоящем из линии первичного концентрата, высокотемпературного рекуперативного теплообменника, электронагревателя, реактора с катализатором, концевого холодильника, узла адсорбционной очистки с переключающимися адсорберами, регенерируемыми азотом или воздухом, низкотемпературного теплообменника-охладителя первичного концентрата, столбового конденсатора со столбовой линией, парлифта со столбовой линией парлифта, испарителя-конденсатора с патрубками входного и выходного коллекторов полости кипения, низкотемпературного теплообменника-охладителя воздуха, ректификационной колонны с линией потока питания, соединенных трубопроводами технологических потоков с запорной, регулирующей и предохранительной арматурой, отличительной особенностью является то, что оно дополнительно снабжено газодувкой, установленной в начале линии первичного концентрата, линией потока сжатого кислорода, соединенной перед теплообменником-охладителем сжатого воздуха с линией сжатого воздуха, и испарителем, испаритель-конденсатор и испаритель установлены вертикально с превышением выходных коллекторов полости кипения над входными коллекторами, причем входной коллектор испарителя расположен не выше входного коллектора испарителя-конденсатора, при этом выходной коллектор испарителя-конденсатора дополнительно оснащен патрубком выхода жидкости, который соединен трубопроводом с входным коллектором полости кипения испарителя, а коллектор выхода - с линией потока питания ректификационной колонны, которая, в свою очередь, дополнительно соединена трубопроводом с линией первичного концентрата, реактор дополнительно содержит трубные решетки с закрепленными в них трубами, заполненными контактной массой, которую формируют по крайней мере из двух слоев катализатора с различными характеристиками по температурам начала реакции окисления, каждая труба снаружи на высоте слоя окружена отдельными экранами с образованием кольцевого канала, заполненного гофрированной металлической насадкой, а экраны в пределах одного слоя соединены сплошными перегородками, образуя коллекторы, снабженные патрубками для входа и/или выхода теплоносителя.
Заявляемый способ получения криптоно-ксеноновой смеси может быть реализован в заявляемом устройстве, схематично показанном на чертеже, фиг.1. На фиг.2 показана конструктивная схема реактора, продольный разрез.
Устройство (установка) (фиг.1) содержит трубопровод (линию) первичного концентрата 1 с газодувкой 2 на входе, высокотемпературный рекуперативный теплообменник 3, электронагреватель 4, реактор 5, заполненный каталитической массой, концевой холодильник 6, узел адсорбционной очистки, состоящий из двух переключающихся адсорберов 7, низкотемпературный теплообменник-охладитель первичного концентрата 8, столбовой конденсатор 9 со столбовой линией 10 столбового конденсатора, парлифт 11 со столбовой линией 12 парлифта, вертикально установленный испаритель-конденсатор 13, входной коллектор 13а, полости кипения которого находятся ниже выходного коллектора 13б, установленный вертикально испаритель 14, входной коллектор 14а, полости кипения которого находятся ниже выходного коллектора 14б и не выше входного коллектора 13а полости кипения испарителя-конденсатора 13, теплообменник-охладитель воздуха 15, ректификационную колонну 16 с линией 17 потока питания ректификационной колонны и кипятильником куба 18, линию 19 подачи сжатого воздуха, линию 20 подачи жидкого азота, линию 21 подачи сжатого газообразного кислорода, линию 22 подачи охлаждающей воды, линию 23 выхода криптоно-ксеноновой смеси.
Реактор (фиг.2) содержит обечайку 24, верхнюю 25 и нижнюю 26 трубные решетки с закрепленными в них трубами 27, верхний коллектор 28 с патрубком 29 входа первичного концентрата, нижний коллектор 30 с сетчатой решеткой 32 и патрубком 31 выхода первичного концентрата. Трубы 27 заполнены контактной массой, которую формируют, например, из двух слоев катализатора: верхнего слоя 37 и нижнего слоя 38. Верхний слой катализатора, например палладиевый катализатор АПК-2, способен вызвать начало реакции окисления углеводородов и протекание процесса окисления с большей интенсивностью при более низкой температуре, чем нижний слой, например, никель-медного катализатора НКО-2-3, обладающий термостойкостью, близкой к термостойкости материала реактора.
Каждая труба снаружи на высоте слоя катализатора окружена отдельными экранами 33 и 34 с образованием кольцевых каналов 35, заполненных гофрированной металлической насадкой 36. Экраны 33 и экраны 34 в пределах одного слоя катализатора соединены сплошными перегородками соответственно 39 и 40, образуя коллекторы 41, 42, 43, снабженные патрубками для входа 44, входа или выхода 45 и выхода 46 теплоносителя.
Входящие в установку аппараты соединены линиями технологических потоков, снабженными запорными, регулирующими и предохранительными клапанами. Дополнительно соединены (фиг.1) байпасной линией 47, снабженной регулирующим клапаном 48, линия 1 первичного концентрата с линией 49 на входе первичного концентрата в реактор 5; линией 50 линия 51 выхода кислорода из установки с линией 52 подачи в адсорберы 7 регенерирующего газа (на схеме условно показан подвод технологических линий только к одному адсорберу), линией 53 через теплообменник-охладитель воздуха 15 линия 17 потока питания ректификационной колонны с линией 1 первичного концентрата.
Заявляемый способ получения криптоно-ксеноновой смеси при значительном повышении в первичном концентрате содержания углеводородов осуществляют следующим образом. Поток первичного концентрата, поданный из воздухоразделительных установок в линию 1 первичного концентрата и сжатый в газодувке 2, делят при входе в установку на две части. Большую часть направляют в высокотемпературный рекуперативный теплообменник 3, где нагревают за счет охлаждения обратного потока, и по линии 49 через электронагреватель 4 подают на вход реактора 5. Другую часть холодного ППК из линии 1 первичного концентрата по байпасной линии 47 через регулирующий клапан 48 также направляют непосредственно на вход реактора, смешивают с нагретым потоком и, меняя соотношение нагретой и холодной частей ППК, а также изменением мощности электронагревателя, поддерживают температуру Т2 в верхнем слое катализатора в допустимом диапазоне. При приближении температуры верхнего слоя катализатора к верхней границе подачей из линии 19а через регулирующий клапан 54 теплоносителя (воздуха) снижают температуру слоя. Выход теплоносителя из реактора производят через клапаны 66 или 67. При приближении температуры Т3 к верхней границе в нижнем слое осуществляют его охлаждение подачей теплоносителя через регулирующий клапан 55 с выходом теплоносителя из реактора через клапан 67.
Из реактора 5 поток первичного концентрата, уже не содержащий углеводородов, по линии 56 направляют в высокотемпературный рекуперативный теплообменник 3, где охлаждают прямым потоком, а затем по линии 57 - в концевой холодильник 6 и далее по линии 58 в узел адсорбционной очистки 7, где очищают от влаги и диоксида углерода.
Очищенный поток первичного концентрата по линии 59 направляют в низкотемпературный теплообменник-охладитель 8, где охлаждают потоком пара хладоагента, выходящим по линии 60 через отделители 61 из полости кипения столбового конденсатора 9, конденсируют в столбовом конденсаторе 9 за счет кипения жидкого хладоагента, полученного в результате смешивания в отделителе 61 потока жидкого обогащенного кислородом воздуха, подаваемого по линии 62 из испарителя-конденсатора 13, с добавкой жидкого азота по линии 20а. Поддерживая постоянным уровень жидкости в сборнике 9а столбового конденсатора, жидкий первичный концентрат по столбовой линии 10 столбового конденсатора направляют в нижнюю точку парлифта 11, на вход испарителя парлифта 11а, где подачей по линии 63 в испаритель парлифта сжатого воздуха осуществляют запуск парлифта и подъем жидкости в отделитель 11б парлифта. Из отделителя 11б поток жидкого первичного концентрата через столбовую линию 12 парлифта направляют в нижний коллектор 13а полости кипения испарителя-конденсатора 13, в котором за счет конденсации обогащенного кислородом воздуха, предварительно охлажденного в теплообменнике-охладителе воздуха 15, осуществляют в восходящем прямотоке испарение основной массы жидкости. Образовавшиеся пары из верхнего коллектора 13б полости кипения направляют в линию 17 потока питания ректификационной колонны 16.
Не испарившуюся часть жидкости из верхнего коллектора 13б полости кипения выводят из испарителя-конденсатора и по линии 64 направляют в нижний коллектор 14а полости кипения испарителя 14, где в восходящем прямотоке испаряют, например, за счет обогрева частью воздуха, выводимого по линии 65 из кипятильника 18 ректификационной колонны 16. Образовавшиеся пары из верхнего коллектора 14б испарителя по линии 64а направляют в линию 17 потока питания ректификационной колонны.
В ректификационной колонне 16, где флегмой является конденсат кислорода, получаемый в конденсаторе колонны за счет испарения жидкого азота, в результате процесса ректификации в кубе собирается криптоно-ксеноновая смесь, которую, в качестве целевого продукта по линии 23, в жидком виде выводят из установки, а в голове колонны - кислород, который по линии 51, в виде пара, направляют в теплообменник-охладитель воздуха 15, нагревают и выводят из установки. Часть нагретого кислорода направляют по линии 50 в адсорбер после завершения процесса его регенерации для замещения в адсорбере газа, используемого в процессе регенерации.
Образовавшиеся в конденсаторе колонны пары азота выводят по линии 68, нагревают в теплообменнике-охладителе воздуха 15, догревают в концевом холодильнике 6 и выбрасывают в атмосферу.
Предлагаемым техническим решением предусмотрена подача в устройство по линии 21 сжатого кислорода и подпитка им потока сжатого воздуха с образованием обогащенного кислородом воздуха (контроль содержания кислорода в воздухе из А-1) на входе в теплообменник-охладитель воздуха 15, его охлаждение и затем конденсацию в испарителе-конденсаторе 13. Конденсация в испарителе-конденсаторе обогащенного кислородом воздуха позволяет увеличить долю жидкости (вплоть до полной конденсации потока) при уменьшении в линии 19 давления воздуха ниже номинального, что увеличивает экономичность устройства в условиях недостаточного давления воздуха.
Подача по линии 53 из линии 17 в линию 1 части очищенного от углеводорода потока первичного концентрата позволяет без уменьшения расхода ПКК в установку уменьшить концентрацию углеводородов до допустимых величин на входе в реактор при повышении их в ПКК до сверхвысоких значений (~4 мол.%).
Уменьшение температуры потока на входе в реактор путем смешения теплой и холодной частей ПКК, применение по крайней мере двух слоев катализатора с более низкой температурой начала реакции окисления первого слоя и высокой термостойкостью второго слоя позволяют увеличить отвод тепла реакции окисления за счет нагрева потока ППК. Подачей теплоносителя и его нагревом в межтрубном пространстве реактора отводят оставшуюся часть тепла реакции окисления.
Газификация жидкого ПКК в двухступенчатом процессе позволяет уменьшить перегрев потока питания относительно температуры среды колонны в месте ввода, что улучшает процесс ректификации исчерпывающей части колонны и уменьшает расход жидкого азота при флегмообразовании.
Газодувка обеспечивает преодоление гидравлического сопротивления линии первичного концентрата при значительном (0,5÷3,0 км) удалении воздухоразделительных установок от устройства получении криптоно-ксеноновой смеси.
Предложенные технические решения позволяют повысить экономичность заявляемых способа и устройства.
1. Способ получения криптоно-ксеноновой смеси, включающий подачу первичного концентрата в линию первичного концентрата, нагревание первичного концентрата обратным потоком в высокотемпературном рекуперативном теплообменнике, повышение температуры до требуемой в электронагревателе, подачу на вход реактора для осуществления реакции каталитического окисления углеводородов, охлаждение прямым потоком в высокотемпературном рекуперативном теплообменнике, адсорбционную очистку, конденсацию и гидростатическое повышение давления при опускном движении конденсированного потока очищенного первичного концентрата, испарение в конце опускного движения в испарителе-конденсаторе с использованием в качестве конденсирующейся среды сжатого воздуха и подачу в ректификационную колонну с получением в кубе криптоно-ксеноновой смеси, отличающийся тем, что в начале линии первичного концентрата устанавливают газодувку, часть первичного концентрата из линии первичного концентрата отбирают и направляют на вход реактора, к реактору дополнительно осуществляют подвод теплоносителя, контактную массу катализатора распределяют по вертикальным каналам реактора и формируют, по крайней мере, из двух слоев с различными характеристиками по температурам начала реакции окисления и термостойкости, обеспечивая тепловое взаимодействие отдельно каждого слоя с теплоносителем, адсорберы после регенерации продувают потоком кислорода, поток первичного концентрата в линии первичного концентрата смешивают с частью очищенного первичного концентрата, отводимого из линии потока питания колонны, испарение жидкого первичного концентрата осуществляют в восходящем прямоточном потоке, по крайней мере, в двухступенчатом процессе: в испарителе-конденсаторе испаряют основную массу жидкости, а остаток жидкости, отбираемый на выходе из теплообменной поверхности испарителя-конденсатора - в дополнительном испарителе, при этом поток воздуха, направляемый на конденсацию в испаритель-конденсатор, смешивают с потоком кислорода.
2. Устройство получения криптоно-ксеноновой смеси, состоящее из линии первичного концентрата, высокотемпературного рекуперативного теплообменника, электронагревателя, реактора с катализатором, концевого холодильника, узла адсорбционной очистки, низкотемпературного теплообменника-охладителя первичного концентрата, столбового конденсатора со столбовой линией, парлифта со столбовой линией парлифта, испарителя-конденсатора с входным и выходным коллекторами полости кипения, низкотемпературного теплообменника-охладителя воздуха, ректификационной колонны с линией потока питания и испарителем куба, обогреваемого потоком сжатого воздуха, соединенных линиями с запорной, регулирующей и предохранительной арматурой, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено газодувкой, установленной в начале линии первичного концентрата, линией потока сжатого кислорода, соединенной перед теплообменником-охладителем сжатого воздуха с линией сжатого воздуха, и испарителем, испаритель-конденсатор и испаритель установлены вертикально с превышением выходных коллекторов полости кипения над входными коллекторами, причем входной коллектор испарителя расположен не выше входного коллектора испарителя-конденсатора, при этом выходной коллектор испарителя-конденсатора дополнительно оснащен патрубком выхода жидкости, который соединен трубопроводом с входным коллектором полости кипения испарителя, а коллектор выхода - с линией потока питания ректификационной колонны, которая, в свою очередь, дополнительно соединена трубопроводом с линией первичного концентрата, реактор дополнительно содержит трубные решетки с закрепленными в них трубами, заполненными контактной массой, которую формируют, по крайней мере, из двух слоев катализатора с различными характеристиками по температурам начала реакции окисления, каждая труба снаружи на высоте слоя окружена отдельными экранами с образованием кольцевого канала, заполненного гофрированной металлической насадкой, а экраны в пределах одного слоя соединены сплошными перегородками, образуя коллекторы, снабженные патрубками для входа и/или выхода теплоносителя.
