РАЗДЕЛ 2
КРИОГЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛИЕВОГО КОНЦЕНТРАТА
2.1. Обоснование схемных решений, предусматривающих отбор водородно-гелиевой фракции
2.1.1. Общие принципы переработки отдувочных потоков в криогенных сепараторах. Низкотемпературные приемы сепарации газовых смесей нашли широкое применение в промышленности. Во многих случаях они оказываются эффективней других технологий. Известно, что изменение агрегатного состояния различных веществ происходит при разных условиях. Например, при давлении 0,5 МПа азот конденсируется при ТN2 = 94 К, а метан - при ТCH4 = 135 К (рис. 2.1.) [39]. Вследствие упомянутого различия свойств появляется возможность разделения смеси. Для рассматриваемого случая, при образовании двухфазной системы в жидкости будет наблюдаться повышенное содержание метана, а в парах, наоборот, преобладать азот. Рисунок 2.2 иллюстрирует простейшее устройство - разделитель фаз и процессы, сопровождающие обогащение продуктов в этом аппарате.
Рис. 2.1. Кривые фазовых переходов N2 и CH4 в диаграмме Р-Т.
В устойчивом режиме работы (без накопления веществ) для всех разделителей потоков выполняются условия материальных балансов по отдельным компонентам. Например, для азота:
, (2.1)
или ,
где V1, V2 и V3 расходы потоков в нормальных м3, У1, У2, У3 - составы смеси на входе в сепаратор, в жидкости и в паре, соответственно.
Рис. 2.2. Устройство простейшего фазового разделителя и процесс
сепарации на примере 45%-й азотно-метановой смеси в диаграмме Р-Т-У.
Из (1.2.2) однозначно определяются расходы потоков жидкости и пара
, (2.2)
Например, для расхода V1=10 000м3/ч и наших условий (см. рис. 2.2):
.
При заданном давлении путем изменения температуры фазового равновесия можно несколько приблизить состав одного из потоков к концентрации соответствующего чистого компонента. При нагреве потока (сепаратора) жидкая фаза обогащается метаном до У3 ? 3%N2, т.е. (1-У3) ? 97% СН4. Переохлаждение фазоразделителя приведет к повышению концентрации азота в паре до У3 ? 95% N2.
Анализ зависимостей 2.1 -2.2 и графика показывает, что при попытке получения более чистых веществ материальный баланс нарушается. Иными словами, должны выполняться условия У1<У2 и У3<У1. Набор возможных режимов показан на диаграмме рисунка 2.2 в виде совокупности горизонтальных линий. Несмотря на относительную простоту фазоразделителя, рассматриваемое устройство имеет два существенных эксплуатационных недостатка:
- ни одно из веществ, как правило, не может быть получено в чистом виде;
- при попытке приблизиться к граничным значениям концентраций (допустимых по балансу) расход искомого "чистого" продукта оказывается крайне малым, а его степень извлечения - ничтожной.
Причина таких ограничений - одинаковая температура фаз. Такое качество не позволяет создать условия, при которых какое либо из веществ получается в чистом виде, так как при этом нарушаются условия материального баланса системы.
Этого недостатка частично лишены аппараты, с трубной или насадочной тепломассообменной поверхностью, называемые дефлегматорами (рис.2.3). Они допускают при одном и том же давлении понизить температуру пара, покидающего аппарат (Т2<Т1=Т3). Диаграмма на рисунке 2.3 показывает, что в дефлегматоре, жидкость обогащена метаном. В то же время, в отличие от сепаратора (см. рис. 2.2), состав парожидкостной флегмы в верхней части дефлегматора может приблизиться к концентрации чистого азота. По высоте трубок количество метана в паровом и жидкостном потоках падает. Соответственно меняется температура поднимающегося вверх пара и стекающей вниз жидкости. По сравнению с простейшими фракционными конденсаторами (см. рис. 2.2.), в дефлегматорах поле рабочих режимов расширяется. Однако и в этом аппарате одновременно получить оба продукта в чистом виде невозможно. Из-за ограниченной поверхности тепломассообмена поток жидкости и пара в каждом сечении далеки от равновесного состояния. Результат - в метановый куб стекает флегма, несущая в растворенном виде азот, который не успел испариться на коротком участке трубок. Навстречу ей идет поток пара, увлекающий ощутимое количество метана. Из-за незавершенности процесса конденсации степень извлечения продуктов в дефлегматоре является относительно низкой.
Рис. 2.3. Схема кожухотрубного дефлегматора и иллюстрация процесса
обогащения метано-азотной смеси в диаграмме Р-Т-У.
Наиболее совершенным типом фазового сепаратора является ректификационная колонна (рис. 2.4.). В верхней и нижней частях такого аппарата удается максимально приблизить температуры равновесия (и концентрации) к параметрам чистых веществ. Из-за достаточно развитой массообменной поверхности, распределенной по высоте колонны, стекающая флегма и поднимающийся навстречу ей пар находятся в состоянии равновесия. Жидкость, попадающая куб колонны, практически лишена летучего компонента (азота). Из паровой фракции, формирующейся в верхней зоне аппарата, высококипящий продукт (метан) переходит во флегму. В результате ректификационного разделения можно получить практически чистые продукты. Для обеспечения работы колонны к ее кубу постоянно подводится тепло. Посредством конденсатора в верхней части устройства , например, с помощью внешнего хладагента отводится эквивалентное количество тепла.
Рис.2.4. Схема колонны и иллюстрация процесса обогащения
метано-азотной смеси в диаграмме Р-Т-У.
Метод криогенной ректификации нашел применение в установках разделения воздуха [21, 22, 26, 27, 43-46] и системах по переработке редких газов [3, 4, 12, 38,39]. С его помощью осуществляется получение компонентов углеводородных смесей [12, 38, 43, 44]. Дефлегматоры и ректификационные колонны являются основными аппаратами в известных установках разделения побочных продуктов аммиачных производств.
Достоинством рассмотренных технологий разделения является непрерывность процесса. Наряду с ними могут использоваться способы