202

Тема 31. Производство инертных газов

Содержащиеся в воздухе редкие газы распределяются в воздухораздели-тельном аппарате двойной ректификации соответственно их температурам кипения с учетом давления.

На рис.31.1. приведены температуры кипения редких газов при давлении 760 мм рт.ст. (101,3 кПа) и схема распределения газов в колонне двойной ректификации.

Неон и гелий, имеющие наиболее низкие температуры сжижения, накапливаются в газообразном состоянии под крышкой конденсатора.

Криптон и ксенон, у которых температуры кипения выше, чем у кислорода, собираются в кубовой жидкости и вместе с нею переходят в жидкий и газообразный кислород конденсатора.

Аргон, температура кипения которого лежит между температурами кипения кислорода и азота, распределяется между этими газами, отводимыми из аппарата в качестве основных продуктов разделения воздуха.

Количество редкого газа, которое может быть получено на установке, можно приближенно определить по формуле:

, м³/ч

где:

V – количество газа при нормальных условиях, м³/ч;

B – количество перерабатываемого воздуха, м³/ч;

C_и – содержание редкого газа в воздухе, %;

k – коэффициент извлечения редкого газа.

k имеет следующие значения:

• аргон - 0,5-0,85

• криптон - 0,55-0,6

• ксенон - 0,35

• неон и гелий - 0,5

По отношению к азоту и кислороду инертные газы можно разбить на три группы:

I – неон и гелий, легкие инертные газы, температуры кипения которых значительно ниже, чем кислорода и азота. Следовательно, при температурах и давлениях в ректификационной колонне они находятся в газообразном состоянии и не могут быть сконденсированы.

II – ксенон и криптон, тяжелокипящие инертные газы, так как температуры кипения Kr и Xe на десятки градусов выше, чем О₂ и N₂. Поэтому они конденсируются главным образом в жидком кислороде.

III – аргон, температура кипения которого находится между температурами кипения О₂ и N₂. Поэтому в колонне фактически разделяется не двойная смесь О₂- N₂, а тройная – О₂-N₂-Аr, и аргон оказывает существенное влияние на процесс ректификации.

Неон и гелий, поступая с воздухом в нижнюю колонну разделительного аппарата, не конденсируясь, поднимаются вместе с парами и постепенно накапливаются под крышкой конденсатора.

В аппаратах, из которых парообразный азот отбирают из конденсатора, смесь неона и гелия непрерывно отводится вместе с азотом и не влияет на процесс ректификации.

Из аппаратов, в которых такой отбор не предусмотрен, накопившуюся неоно-гелиевую смесь удаляют. Если этого не делать, неоно-гелиевая смесь постепенно заполняет пространство конденсатора, связанное с нижней колонной, и будет препядствовать поступлению паров азота в верхнюю часть конденсатора. В результате часть поверхности трубок не будет использоваться для конденсации азота, уменьшение рабочей поверхности конденсатора вызовет повышение давления в нижней колонне и приведет к нарушению режима аппарата.

В небольших установках неоно-гелиевую смесь из нижней колонны не используют, а удаляют периодической продувкой конденсатора через перепускную диафрагму 1 или специальный вентиль (рис.31.2, а).

В установках большой производительности неоно-гелиевую смесь отбирают через небольшой дополнительный конденсатор, установленный в верхней части колонны низкого давления (рис.31.2, б). Так как температура в этой части колонны ниже, чем в трубном пространстве конденсатора, то змеевике 2 при давлении 0,55 МПа часть азота сконденсируется и содержание Ne+He в смеси повысится до 30-50%. Жидкий азот стекает в сборник 3, откуда его периодически сливают, а обогащенную Ne+He смесь отводят на очистку от азота и разделение.

Организация извлечения криптоно-ксенонового концентрата из перерабатываемого воздуха, учитывая малое содержание их в воздухе, целесообразна только на крупных воздухоразделительных агрегатах, перерабатывающих более 15-20 тыс.м³/ч воздуха. Получение криптоно-ксенона снижает себестоимость кислорода. При этом на 1 дм³ чистой криптоно-ксеноновой смеси расход энергии составляет порядка 10 кВтч.

Технологический процесс получения криптона и ксенона включает следующие 3 стадии:

1. Получение первичного (бедного) криптоно-ксенонового концентрата, содержащего 0,1-0,2% Kr и Xe.

Происходит это следующим образом. Криптон и ксенон как тяжелокипящие компоненты остаются в жидкости испарителя, вместе с которой поступают в середину верхней колонны, а затем в межтрубное пространство конденсатора. Здесь они накапливаются, растворяясь в жидком кислороде. Для получения Kr + Xe концентрата жидкий кислород отводят в криптоновую колонну. Примерно 10% поступающего кислорода отводится из куба в виде концентрата с (0,10,2 Kr + Xe).

2. Обогащение первичного концентрата и получение из него технического криптона, содержащего до 99% Kr и Xe.

3. Выделение из криптоно-ксеноновой смеси чистых криптона и ксенона.

Если первые две стадии осуществляются на предприятиях разделения воздуха, то третья – на заводах, потребляющих чистые криптон и ксенон.

Технологический процесс производства чистого аргона включает три стадии. На первой стадии в воздухоразделительном аппарате попутно с кислородом или азотом получают азото-аргоно-кислородную смесь. Так как температура кипения аргона лежит между температурами кипения азота и кислорода (на 10⁰С выше азота , на 3⁰С ниже кислорода), аргон накапливается в нижней части верхней колонны. В этой части колонны отбирают аргонную фракцию, содержащую 5-12% аргона и направляют на обогащение в специальную аргонную колонну. Именно в ней получают так называемый сырой аргон, содержащий 82-90% аргона, 4-8% азота и 1-10% кислорода.

На второй стадии эту смесь подвергают каталитической очистке от кислорода при связывании последнего водородом с получением смеси азот-аргон.

Третья стадия заключается в разделении смеси азот-аргон на чистый аргон, извлекаемый как конечный продукт, и азот, выбрасываемый в атмосферу.