CC BY
131
УДК 621.565
А. М. Архаров, В. Л. Бондаренко, Ю. М. Симоненко
ОБОГАЩЕНИЕ Ne-He СМЕСИ В СТУПЕНЧАТЫХ ДЕФЛЕГМАТОРАХ
Создана серия установок для очистки неоногелиевой смеси от преобладающего в ней азота методом конденсации при Т = 68... 78 K. Дефлегматоры отличаются компактностью, что допускает размещение в непосредственной близости от воздухо-разделительных установок — источников сырья и жидкого азота. Уменьшение концентрации побочных примесей в неоногелиевой смеси позволило снизить транспортные расходы и складские издержки за счет сокращения непродуктивной части баллонного парка.
E-mail: [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: гелий, неон, воздухоразделение, очистка смесей, метод
конденсации.
Основными источниками концентратов редких газов являются кислородные производства металлургических комбинатов [1, 2]. Из-за технологических ограничений и теплофизических особенностей системы Ne-He-N2 при разделении воздуха теряется 50... 60% неоногелиевой смеси (табл. 1). Поэтому совершенствование технологии извлечения и концентрирования легких инертных газов представляется актуальной задачей.
Начальные этапы технологии получения неона, по существу, начинаются еще в воздухоразделительной установке (ВРУ) [3]. В процессе ректификации Ne и He не сжижаются, а накапливаются в нижней колонне (НК) и основных конденсаторах (рис. 1). Эту газовую смесь необходимо отводить из контура для обеспечения благоприятных условий теплоотдачи в аппаратах К1 и К2. По этой причине в отдувочном потоке конденсаторов концентрация Ne и He обычно не поднимается выше 3 %.
В крупных и средних ВРУ для дальнейшего обогащения смеси предусмотрен дополнительный контур на основе конденсатора КНГ (см. рис. 1). При сохранении давления фазового равновесия (Р = 0,5 МПа) за счет дросселирования жидкого азота температура в этом аппарате поддерживается на уровне Т « 83K (точка 1V, рис.2 [1, 4]). В виде жидкой фазы из смеси извлекается почти половина содержащегося в ней азота. Как следует из диаграммы (см. рис.2, точка 1L), в составе флегмы, покидающей конденсатор, содержатся Ne и He в количестве около 0,5 %. Для повышения степени извлечения этих продуктов ниже КНГ предусмотрена отгонная колонна. В процессе массообмена в этом аппарате из конденсата выпаривается практически весь целевой
Рис. 1. Упрощенная схема ВРУ, включающей в себя систему извлечения редких газов:
контур разделения воздуха: НК и ВК — нижняя и верхняя колонны; К1 и К2 — основные конденсаторы; ПФ — переохладитель чистого азота; ПКФ - переохладитель кубовой жидкости и грязной азотной флегмы; ПК — подогреватель кислорода; АК — адсорбер кубовой жидкости; АЖК — адсорбер жидкого кислорода; контур ПКК: КПК — колонна первичного концентрирования криптона; ФС — фазовый сепаратор; ИКК — испаритель бедного криптоноксенонового концентрата; контур обогащения сырой №-Ие смеси: КНГ — конденсатор №-Ие смеси; ОК — отгонная колонна извлечения легких газов из азотной флегмы КНГ; КИ — конденсатор-испаритель. Точки 1у и 1 соответствуют состояниям на диаграмме (рис.2)
Таблица 1
Продуктивность крупных ВРУ по концентратам инертных газов [2]
Параметр Производитель, тип установки
Криогенмаш Linde Air Liquide
Кт-70 КтК-35 КАр-30
Расход перерабатываемого 350 180 180 320 310
воздуха, тыс. Нм3/ч
Теоретически возможный 8,1 4,2 4,2 7,4 7,3
выход неоногелиевой сме-
си, м3/ч
Получаемая №-Ие смесь (в расчете на 100% продукт), м3/ч 3,8 1,5 1,6 3,4 3,0
Р, МПа
МПа 1
/ sc
Л» Фу Фу / UO (О
% й- Дс \вле чие в ни жней колон % / f
Г
О 1 2 3 4 5 6 50 60 70 80 90 100 Жидкая фаза, % (Ые + Не) Газовая фаза, % (Ые + Не)
Рис.2. Изотермы фазового равновесия смеси ^-(№е + Не) [1]
продукт (Ке-Ие смесь). Отдувка ОК подается в испаритель КИ криптоновой колонны. Здесь поток частично конденсируется, а жидкая фаза возвращается на верхнюю тарелку ОК. Газообразная фракция проходит через конденсатор КНГ и выводится из контура в виде 55 %-ной Ке-Ие смеси.
Освобожденный от целевых продуктов жидкий азот из куба ОК дросселируется в охлаждающую рубашку КНГ и затем направляется в верхнюю часть колонны ВК.
Для снижения доли азота в смеси менее 50... 60 % при Р = 0,5 МПа требуется уменьшить температуру в аппарате (Т < 80 К). Такие условия в классических ВРУ недостижимы. Дополнительное охлаждение и, следовательно, концентрирование смеси возможно в отдельном аппарате (дефлегматоре) путем использования азота, кипящего при пониженном давлении. На диаграммах (рис. 3) показано влияние условий фазового равновесия (Т и Р) на состав и степень извлечения неоно-гелиевой смеси. Из первого графика (рис.3,а) следует, что путем повышения давления в аппарате можно достичь высоких концентраций сырья. Но при этом растут потери из-за растворимости продуктов в азоте (степень извлечения С падает). На практике получили распространение аппараты с давлением, близким к уровню нижней колонны. Для откачки паров хладагента (снижения температуры) используются водокольцевые насосы [5]. Агрегат типа ВВН-1/3 способен обеспечить давление в нагруженной азотной ванне РК2 ~ -0,7 бар, при этом концентрация смеси составляет около у(Ке+Ие) = 94 % (табл. 2).
При использовании более мощного насоса ВВН-1/6 удается понизить температуру фазового равновесия до Т4 = 66 К. Концентрация продукта при этом повышается до у = 96 %. Задача выбора оптимального режима решается с учетом энергетических затрат на привод оборудования и транспортных расходов на доставку сырья [6-8].
C(Ne-He)' >,(Ne-He)'°/° ^(Ne-He)'^0 ■V(Ne-He),°/'0
Рис.3. Зависимость состава продукта (отдувки) У(уе_Не) и степени извлечения С от давления при Т = 68 К (я) и температуры фазового равновесия при Р = 0,5 МПа (б)
Таблица 2
Влияние температуры кипения азота в ванне на концентрацию Ne-He смеси при Р = 0,5 МПа на выходе из дефлегматора в точке 2У
Состав продукта на выходе yN2 27 20 13 10 8 6 4 3
y(Ne-He) 73 80 87 90 92 94 96 97
Параметры N2 Повышенное давление Атмосферное Вакуумирование паров азота
Давление PN2, бар (изб.) + 0,37 0 -0,33 -0,49 -0,61 -0,71 -0,79 -0,85
PN2, МПа (абс.) 0,137 0,10 0,067 0,051 0,039 0,029 0,021 0,015
Температура Т N to 80 77,4 74 72 70 68 66 64
Анализ потенциальных источников неоногелиевого сырья показал, что в странах СНГ эксплуатируется значительное число установок (АКТ-30; КАР-15, БР-2), не оборудованных первичными концентраторами (см. рис. 1). В них неоногелиевая смесь выдается с составом не 50... 60 %, а в десятки раз беднее (на уровне нескольких процентов). Естественно, возникает вопрос: "Можно ли на таких установках с помощью внешнего дефлегматора получать концентраты?". Из графика на рис. 4 следует, что, к сожалению, при концентрации на входе во внешний дефлегматор у^е-Не) = 2 ... 3 % теряется 1/3 продукта. Повысить степень извлечения (С > 70 %) можно только путем уменьшения отбора смеси в основных конденсаторах К1 и К2 (см. рис. 1). Это, как упомянуто ранее, может затруднить ожижение азота в нижней колонне ВРУ.
Упрощенная схема дефлегматора (см. рис. 4) не отражает в полной мере функциональные особенности аппарата конденсационной очистки. Более подробно эти аппараты показаны на рис. 5-9. Многовариант-
Рис. 4. Влияние концентрации исходной смеси на степень извлечения N и Не в дефлегматоре при Р = 0,5 МПа (на фрагменте — схема простейшего дефлегматора и обозначения потоков)
Рис. 5. Схема (я), внешний вид и устройство (б) трехступенчатого дефлегматора с вакуумной изоляцией:
ТО — теплообменник; НВ — нижняя азотная ванна (с кипением N2 при атмосферном давлении); ВВ — верхняя (вакуумная) ванна; ВИ — высоковакуумная изоляция; К1, К2 и КЗ — первая, вторая и третья ступени конденсации; СК — сборник конденсата; П — поплавковые регуляторы уровня жидкого азота; ВВН — водокольцевой вакуум-насос
ность схемных и конструктивных решений обусловлена различиями в условиях эксплуатации оборудования. В число специфических особенностей, которые учитываются при выборе системы обогащения, входят стоимость жидкого азота, число питающих блоков, размеры располагаемой площадки и ее удаленность от ВРУ, состав сырья и т.д. [7].
На рис. 5 показана модификация экономичного дефлегматора, в котором потребление жидкого азота менее 3 кг/м3 чистой №-Ие смеси. Особенностью модели является эффективная высоковакуумная изоляция и исключительная компактность. Наружные габаритные размеры холодного блока 0,35x0,35x3,0 м. В качестве азотных ванн использованы модифицированные узлы серийного криостата КГ-15/150. В нижней ванне Б = 250 мм при температуре Т = 78 К работают прямоточная (К1) и противоточная (К2) ступени. Они оформлены в виде единого блока, соосного сборнику конденсата. В верхней секции расположены теплообменник и верхняя ванна с температурой кипения азота Т = 66 ... 68 К. Недостаток дефлегматора — ограниченные размеры криостатов (диаметр ВВ с конденсатором К3 всего 150 мм). Поэтому такой аппарат способен перерабатывать потоки смеси с расходом < 6 м3/ч, а расстояние до источника жидкого азота не должно превышать 5 м. Еще один конструктивный недостаток — низкая ремонтопригодность, так как поплавковые регуляторы уровня П верхней ванны и сборника конденсата скрыты в герметичных отсеках.
Указанные недостатки частично устранены в ступенчатой конструкции, показанной на рис. 6. Здесь понятие "ступенчатость" отражает не только последовательность ступеней конденсации К1^К2^К3, но и их компоновку в пространстве. Аппарат сформирован в виде четырех смещенных блоков (СК-НВ-ВВ-ПО). Такое решение позволило получить доступ (после отогрева установки) к любому из четырех поплавковых регуляторов уровня П. Четвертым (верхним) блоком в составе этой "лесенки" является автоматический пароотделитель. Наличие этого устройства повысило стабильность работы поплавковых регуляторов П при удалении аппарата от источника жидкого азота. Установка (см. рис. 6) снабжена более простой перлитной изоляцией, но вакуумная ванна ВВ защищена дополнительным защитным слоем ДТ. Он препятствует конденсации воздуха (азота) из перлитного пространства на стенках вакуумной ванны ВВ.
Появление в составе дефлегматора отдельного пароотделителя на азотной линии привело к нарастанию вертикального размера. Это несколько усложнило доступ к арматуре и фланцевым узлам съемных поплавковых регуляторов уровня. Поэтому в устройстве, показанном на рис. 7, использована горизонтальная компоновка основных узлов. Подобный принцип размещения ванн предложен в работе [9]. Резервом дальнейшего снижения вертикального размера (к < 3 м) является
Азот в дренаж
Рис. 6. Схема (а), пространственное расположение азотных ванн и сборника конденсата (б), пароотделитель (в) и основные узлы (г) трехступенчатого дефлегматора с перлитной изоляцией:
ПО — пароотделитель; ДТ — дополнительная теплоизоляция верхней ванны (обозначения аппаратов см. рис. 5)
Жидкий азот
4-ХХ- х-х-х-х-х-х х- х- х-х-х-х-д,
Азот В
Рис. 7. Схема (я) и внешний вид (б) трехступенчатого дефлегматора с горизонтальной компоновкой азотных ванн (обозначения см. рис. 5, 6)
Рис.8. Схема («) и устройство (б) двухступенчатого дефлегматора с двумя вакуумными ступенями ВВ и ВВ' (в, г — устройство поплавкового регулятора уровня)
(Ые+Не)
ВВН(Г)
(Ые+Не)
Жидкий азот
Азот в дренаж
ел от 2!
о и
чо 4-
03
г
к
и
СП
ё
р
о
р
Е н я о о и тЗ О ст а: а
и о
Азотный конденсат - в нижнюю ванну
Жидкий азот
ВВН
(№+Не)
92%
(№+Не) 40%
Азот в дренаж
ЧО и>
Рис.9. Схема (я) двухступенчатого дефлегматора с непосредственной подачей жидкости из пароотделителя ПО в ванну АВ конденсатора К1 (б); внешний вид дефлегматора (в)
размещение пароотделителя на одном уровне с фланцевыми узлами верхней и нижней азотных ванн.
Помимо автономных установок для обогащения сырья дефлегматоры работают в составе адсорбционных блоков окончательной очистки неоногелиевой смеси [3]. Дополнительные ступени конденсационного обогащения питаются достаточно концентрированной смесью после первичных дефлегматоров (см. рис. 4, 5), установленных в кислородных цехах ВРУ. Для дополнительного снижения доли азота с 8 % до 4 % в них поддерживается повышенное рабочее давление (Р > 1 МПа). Такая мера позволяет увеличить время защитного действия адсорберов [6]. В дефлегматорах, питаемых обогащенным продуктом, нет необходимости в ступенях, работающих при температуре Т = 78 К. Даже при Р = 1 МПа в них не достигаются условия для эффективной конденсации азота из потока смеси (см. рис. 2).
Поэтому в схеме на рис. 8 предусмотрены только вакуумные ступени. Главная (противоточная) ступень К2 расположена в вакуумной азотной ванне ВВ с температурой Т = 66 . . . 68 К. На входе в К2 включена вспомогательная прямоточная ступень К1, работающая при тех же условиях. Она вынесена в компактную ВВ', которая связана с основной ВВ по жидкости и пару. Это обеспечивает поддержание в аппаратах одинаковых уровней кипящего азота. Естественно, все стенки азотных ванн и трубопроводы снабжены дополнительным слоем изоляции ДТ. Наружная стенка верхней ванны является очагом конденсации воздуха (азота) из перлитного пространства кожуха. Если не применять эффективное ограждение ДТ, паразитная нагрузка со стороны внешней поверхности ванны будет соизмерима с полезным теплопритоком от аппарата К2! Это приведет к перерасходу хладагента и возрастанию нагрузки на вакуумный насос. В свою очередь снижение вакуума и повышение температуры в ВВ отрицательно скажется на степени обогащения смеси.
Поплавковые регуляторы (см. рис. 8, в) — единственные подвижные узлы дефлегматора. Это — наиболее ответственные и дорогостоящие элементы установки. В целях упрощения схемы, повышения надежности и снижения стоимости в аппарате (см. рис. 9) исключена одна из ванн (точнее — ее поплавковый регулятор уровня и соответствующий фланцевый узел). При этом охлаждающая оболочка АВ конденсатора К1 подключена непосредственно к пароотделителю (см. рис. 9). Платой за такое упрощение является некоторое перераспределение нагрузок между К1 и К2, так как змеевик-конденсатор К1 работает при повышенной температуре кипения азота Т = 80 . . . 83 К. Это обусловлено избыточным давлением в аппарате ПО.
В табл.3. указаны проектные характеристики одной из наиболее распространенных моделей дефлегматора, схема которого приведена
на рис. 6. После изготовления дефлегматор прошел серию приемочных испытаний с использованием смеси-имитатора, концентрация которой соответствовала типовому составу сырой №-Не смеси.
Таблица 3
Техническая характеристика дефлегматора (см. рис. 6)
Исходная смесь Продукт Жидкий азот
Объемный расход, м3/ч 5-20 2-8 Расход, кг/ч 10-30
Азот 50-60 6-8 Давление, МПа 0,15-0,4
Состав, % (об.) Водород 1,5-2,5 3-5 Масса установки — 800 кг Габаритные размеры — 1,4x0,85x3,4 м
Ne-He Остальное
Дефлегматор (см. рис. 6 и табл. 3) введен в эксплуатацию в кислородном цехе ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат" в III кв. 2009 г. На вход аппарата подается исходная смесь из трех блоков с расходом 13 м3/ч. Планируется подключение к питающему коллектору еще одной установки КАр-30 М1 (Б4, рис. 10). В этом случае производительность достигнет 16... 18 м3/ч. Для бесперебойного обеспечения жидким азотом все блоки связаны единой теплоизолированной магистралью суммарной длиной ~ 150 м. Учитывая протяженность линии, в ней предусмотрен пароотделитель ЦП. Непосредственно перед подачей жидкого азота в дефлегматор установлен еще один пароотделитель ПО с поплавковым регулятором уровня (см. рис. 6). Такое решение обеспечило стабильность управления системой подачи хладоносителя в установку.
Опыт внедрения систем конденсационной очистки на ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат" и других предприятиях показывает, что обогащение сырой смеси целесообразно проводить до уровня 93... 95 %. Для этой цели предпочтительно использовать единый аппарат — дефлегматор с несколькими ступенями очистки, из ко-
Рис. 10. Схема подключения дефлегматора к комплексу ВРУ (размеры агрегатов и расстояния условны):
Б1-Б4 — блоки ВРУ; Д — дефлегматор; ЦП — централизованный ПО азотной магистрали; ПО — входной пароотделитель в составе дефлегматора; РД — пост контроля расхода и регулирования давления; МК — мембранные компрессоры; БР — баллонная рампа; ВН — водокольцевые насосы
торых по крайней мере одна работает при температуре Т = 66 ... 68 K. Стабильной работе устройства в промышленных условиях способствует централизованная подача жидкого азота, система пароотдели-телей, контур поплавковых регуляторов уровня и блок поддержания давления.
Динамика потребления редких газов опережает технические возможности их получения. Рост производства легких инертных газов возможен за счет повышения степени извлечения и расширения сырьевой базы. Введение в технологическую цепочку удаленных источников сырья предопределяет необходимость снижения доли побочных примесей в перевозимом продукте. Применение семейства установок конденсационной очистки способствует снижению расходов на наполнение, перевозку и хранение баллонов с неоногелиевым концентратом в среднем на 25... 35 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Головко Г. А. Установки для производства инертных газов. - Л.: Машиностроение: ЛО. - 1974. - 383 с.
2. Криогенные системы. Т. 2 / А.М. Архаров, И.А. Архаров, В.П. Беляков и др. - М.: Машиностроение, 1999. - 720 с.
3. Поколение новой техники для криогенного производства неона и гелия / В.Н. Рура, В.Л. Бондаренко, Н.П. Лосяков и др. // Технические газы. - 2001. -№ 3.-С. 37-44.
4. С к р и п к а В. Г., Л о б а н о в а Н. Н. Фазовые и объемные соотношения при низких температурах и высоких давлениях. Экспериментальное исследование растворимости гелия и неона в жидких кислороде, азоте и аргоне // Труды НПО "Криогенмаш". - 1971. - Вып. 13. - C. 90-103.
5. Системы криогенного обеспечения процессов производства редких газов при Т = 63 — 78 К/ В.Л. Бондаренко, Ю.М. Симоненко, О.В. Дьяченко и др. // Технические газы. - 2003. - № 4. - С. 39-44.
6. Симоненко Ю. М. Предварительное обогащение Ne-He смеси в дефлегматорах // Proc. 6 Int. Conf. Cryogenics'2000. - Praha. - Р. 177-180.
7. Бондаренко В. Л., Вигуржинская С. Ю. Оптимизация системы предварительной очистки неоногелиевой смеси // Холодильная техника и технология. - 1999. - Вып. 63. - С. 86-91.
8. Т е х н и к о-экономическое обоснование степени предварительной очистки Ne-Не-смеси / В.Л. Бондаренко, Ю.М. Симоненко, О.В. Дьяченко и др. // Технические газы. - 2001. - № 1; 2. - С. 20-23.
9. Система предварительной очистки неоногелиевой смеси от азота / М.Ю. Белов, А.П. Графов, А.Б. Елисеев и др. // Вестник МГТУ Сер. Машиностроение. Спец. выпуск "Криогенная и холодильная техника. Криомедицина". - 1996. -С. 70-73.
Статья поступила в редакцию 1.07.2010
