Способ выделения водорода или гелия из газовых смесей и установка для его осуществления

Способ выделения водорода или гелия из газовых смесей и установка для его осуществления

Реферат

 

Использование: разделение газов и их смесей путем низкотемпературного охлаждения, в частности, отделение газовых примесей от водорода или гелия. Сущность изобретения: исходная газовая смесь, содержащая водород или гелий, ступенчато охлаждается до криогенных температур с частичной конденсацией компонентов газовой смеси с использованием для ее охлаждения на одной из ступеней жидкого азота, кипящего под вакуумом. После ступенчатого охлаждения конденсата газовая смесь направляется на тонкую очистку посредством низкотемпературной адсорбции в адсорбционном блоке. Создание и поддержание вакуума в системе азотного охлаждения осуществляется путем эжекции. При этом в качестве эжектирующего потока используется обратный поток конденсата, подогретый в процессе теплообмена с исходной газовой смесью. В качестве инжектируемого потока поступает поток газообразного азота из системы азотного охлаждения. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано в химической промышленности, медицине, при проведении глубоководных работ и других областях науки и техники.

Известен способ очистки сырого гелия от примесей азота, диоксида углерода, воды и небольшого количества углеводородов и установка для его осуществления [1] в соответствии с которыми, исходная газовая смесь при давлении 19 МПа подвергается ступенчатому охлаждению в последовательно соединенных между собой теплообменнике и конденсаторах-испарителях, охлаждаемых жидким азотом, кипящим под вакуумом, в которых происходит конденсация значительной части примесей. Образовавшаяся при этом жидкая фаза отделяется в сепараторах, установленных на выходе смеси из конденсаторов-испарителей, а газовая фаза подвергается тонкой очистке в блоке низкотемпературной адсорбционной очистки, который криостатируется жидким азотом, кипящим при давлении выше атмосферного.

Недостатком данного способа и установки является то, что холод паров газообразного азота, отводимого из второго конденсатора-испарителя, где жидкий азот кипит под вакуумом, полезно не используется. Кроме того, криостатирование блока низкотемпературной адсорбционной очистки производится жидким азотом, кипящим под давлением выше атмосферного, что снижает адсорбционную способность адсорбента. Недостатком данного способа и установки является также то, что создание и поддержание вакуума в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя осуществляется с помощью вакуумного насоса, что приводит к увеличению энергозатрат.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ выделения водорода или гелия из газовых смесей, содержащих выделяемый газ и примеси азота (N₂), кислорода (O₂), диоксида углерода (СO₂) и другие, включающий ступенчатое охлаждение исходной газовой смеси до криотемператур с частичной конденсацией при этом примесей с использованием для охлаждения исходной смеси на одной из ступеней жидкого азота, кипящего под вакуумом, создаваемым и поддерживаемым посредством откачки паров азота с помощью вакуумного насоса, отделение образовавшегося конденсата, его использование в качестве обратного потока для охлаждения исходной смеси и последующую тонкую очистку полученного газа посредством низкотемпературной адсорбции при использовании для криостатирования адсорбционного блока жидкого азота, кипящего при давлении выше атмосферного [2] Недостатком такого способа является то, что создание и поддержание вакуума при охлаждении исходной газовой смеси жидким азотом посредством откачки его паров с помощью вакуумного насоса требует определенных затрат электроэнергии, увеличивая в целом энергозатраты на получение водорода или гелия. К недостатку данного способа относится вымораживание в теплообменнике при охлаждении исходной газовой смеси содержащихся в ней влаги и СO₂, приводящее к забивке теплообменника, что при значительной концентрации СO₂ в смеси приведет к быстрой забивке теплообменника и потребует его отогрева и остановки для этой цели установки. Кроме того, недостатком данного способа является то, что криoстатирование низкотемпературного адсорбционного блока жидким азотом, кипящим при давлении выше атмосферного, обеспечивает меньшую адсорбционную способность адсорбента, что неблагоприятно сказывается на массогабаритных характеристиках блока низкотемпературной адсорбционной очистки, а следовательно, и всего устройства.

Выбранное в качестве прототипа устройства для выделения водорода или гелия из газовых смесей содержит систему ступенчатого охлаждения исходной газовой смеси, состоящую из последовательно соединенных между собой противоточного теплообменника и конденсаторов-испарителей, паровое пространство одного из которых соединено с вакуумным насосом для откачки паров азота, отделители конденсата, выход которых связан с входом обратного потока одной из ступеней системы охлаждения исходной смеси, и блок низкотемпературной адсорбционной очистки с системой азотного криостатирования [2] Недостатком данного устройства является то, что вакуумный насос, являясь его неотъемлемым элементом, приводит к увеличению энергозатрат на получение азота или гелия. Кроме того, наличие подвижных конструктивных элементов в вакуумном насосе снижают надежность работы устройства в целом. Недостатком данного устройства является также то, что отсутствие узла вакуумной откачки паров азота из системы криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки требует увеличения массы и габаритов упомянутого блока, а следовательно и устройства в целом, из-за того, что при осуществлении криостатирования адсорбционного блока жидким азотом, кипящим при давлении выше атмосферного обеспечивается меньшая адсорбционная емкость адсорбента, по сравнению с той, которую можно было бы иметь при обеспечении вакуумной откачки паров азота из системы криостатирования.

Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является также возможность быстрой забивки теплообменников и необходимость остановки устройства для их отогрева. Это обусловлено тем, что содержащаяся в исходной газовой смеси влага будет при ее охлаждении вымораживаться в теплообменнике, а при дальнейшем охлаждении исходной газовой смеси в теплообменнике следующей ступени будут вымораживаться СO₂ и другие высококипящие примеси, что при значительной концентрации СO₂ в смеси приведет к забивке теплообменника.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, - разработать способ и устройство для выделения водорода или гелия из газовых смесей, обеспечивающих получение чистых водорода или гелия и требующих при этом возможно меньших затрат энергии при обеспечении высокой надежности работы устройства и возможно меньших его габаритах и массе.

Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого способа заключается в использовании внутренней энергии обратного потока конденсата для создания и поддержания вакуума в системе азотного охлаждения исходной газовой смеси. Кроме того, технический результат, на получение которого направлен заявленный способ, заключается в снижении температуры криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки за счет использования внутренней энергии обратного потока конденсата. Технический результат, на получение которого направлен заявляемый способ, заключается также в предотвращении вымораживания влаги и СO₂ в теплообменниках.

Технический результат, на получение которого направлено заявляемое устройство, заключается в обеспечении возможности использования внутренней энергии обратного потока конденсата для создания и поддержания вакуума в системе азотного охлаждения исходной газовой смеси, кроме того, в обеспечении возможности снижения температуры криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки за счет использования внутpенней энергии обратного потока конденсата и уменьшения за счет этого массы и габаритов устройства. Технический результат, на получение которого направлено заявляемое устройство, заключается также в предотвращении вымораживания влаги и СO₂ в теплообменниках.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе выделения водорода или гелия из газовых смесей, содержащих выделяемый газ и примеси, преимущественно N₂, O₂ и СO₂, включающем ступенчатое охлаждение исходной газовой смеси до криотемператур, с частичной конденсацией при этом примесей, при использовании для ее охлаждения на одной из ступеней жидкого азота, кипящего под вакуумом, отделение образовавшегося конденсата, его использование в качестве обратного потока для охлаждения исходной газовой смеси и последующую тонкую очистку полученного газа посредством низкотемпературной адсорбции, согласно изобретению, создание и поддержание вакуума в системе азотного охлаждения исходной газовой смеси осуществляют посредством эжекции, используя в качестве эжектирующего потока обратный поток конденсата, подогретый за счет теплообменника с исходной газовой смесью, а в качестве инжектируемого поток газообразного азота из системы азотного охлаждения исходной газовой смеси, а полученный в результате их смешения поток используют для охлаждения исходной газовой смеси.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что в заявленном способе процесс низкотемпературной адсорбции проводят при криостатировании адсорбционного блока жидким азотом, кипящим под вакуумом, а создание и поддержание последнего осуществляют путем использования в процессе эжекции в качестве инжектируемого потока газообразного азота, образовавшегося при упомянутом криостатировании, вместе с потоком газообразного азота из системы азотного охлаждения исходной смеси. Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что перед охлаждением исходную газовую смесь подвергают адсорбционной сушке. Достижению указанного технического результата способствует также то, что после охлаждения исходную газовую смесь подвергают адсорбционной очистке от СO₂ на температурном уровне на 5-10 К, превышающем температуру его конденсации (кристаллизации).

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для выделения водорода или гелия из газовых смесей, содержащее систему, по меньшей мере, двухступенчатого охлаждения исходной смеси, состоящую из последовательно соединенных между собой противоточного теплообменника и, по меньшей мере, одного конденсатора-испарителя и отделителя конденсата, выход которого соединен с входом обратного потока одной из ступеней системы охлаждения исходной смеси, и блок низкотемпературной адсорбционной очистки с системой азотного криостатирования, согласно изобретению, снабжено эжектором, сопло которого соединено с выходом обратного потока конденсата системы охлаждения исходной смеси, камера смешения с выходом газообразного азота упомянутой системы, а выход эжектора с входом обратного потока низкого давления противоточного теплообменника. Кроме того, достижению указанного технического результата способствует также то, что в заявляемом устройстве линия вывода газообразного азота из системы азотного криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки соединена с линией вывода газообразного азота из системы охлаждения исходной смеси. Указанный технический результат достигается также тем, что устройство снабжено адсорбером для осушки исходной газовой смеси, размещенным перед противоточным теплообменником.

Достижению указанного технического результата способствует также то, что заявляемое устройство снабжено адсорбером для очистки исходной газовой смеси от диоксида углерода, установленным между верхней и нижней секциями противоточного теплообменника.

Создание и поддержание вакуума в системе азотного охлаждения исходной газовой смеси посредством эжекции, используя в качестве эжектирующего потока обратный поток конденсата, подогретый за счет теплообмена с исходной газовой смесью, а в качестве инжектируемого поток газообразного азота из системы азотного охлаждения исходной газовой смеси, обеспечивает использование для этой цели внутренней энергии обратного потока конденсата и за счет этого снижение энергозатрат на получение водорода или гелия. Использование потока, образовавшегося в результате смешение вышеупомянутых эжектирующего и инжектируемого потоков, в качестве обратного потока для охлаждения исходной газовой смеси обеспечивает практически полную рекуперацию холода этих потоков, способствуя тем самым также снижению энергозатрат, на получение выделяемых газов.

Проведение процесса низкотемпературной адсорбции при криостатировании адсорбционного блока жидким азотом, кипящим под вакуумом, создаваемым и поддерживаемым путем использования в процессе эжекции в качестве инжектируемого потока газообразного азота, образовавшегося при упомянутом криостатировании, вместе с потоком газообразного азота из системы азотного охлаждения исходной смеси позволяет снизить температуру криостатирования адсорбционного блока за счет использования внутренней энергии обратного потока конденсата и повысить таким образом адсорбционную емкость адсорбента, в результате чего обеспечивается возможность уменьшения массы и габаритов адсорбционного блока, а следовательно и всего устройства в целом. Адсорбционная осушка исходной газовой смеси перед ее охлаждением и ее адсорбционная очистка CO₂ после охлаждения смеси на температурном уровне, на 5-10 К превышающем температуру его конденсации (кристаллизации) позволяют предотвратить вымораживание влаги и СO₂ в теплообменниках и тем самым исключить их забивку и необходимость последующего отогрева, что приводит к снижению энергозатрат на получение водорода или гелия. Указанный температурный интервал для проведения адсорбционной очистки исходной газовой смеси от СO₂ позволяет исключить опасность выпадения СO₂ в твердом виде в трубках теплообменника при обеспечении максимально возможной при этом условии адсорбционной способности адсорбента.

Наличие в заявляемом устройстве эжектора, сопло которого соединено с выходом обратного потока конденсата системы охлаждения исходной смеси, а камера смешения с выходом газообразного азота из упомянутой системы, обеспечивает возможность использования внутренней энергии обратного потока конденсата для создания и поддержания вакуума в системе азотного охлаждения исходной газовой смеси, исключая при этом необходимость использования для этой цели вакуумного насоса, что в конечном итоге приводит к снижению энергозатрат на получение водорода или гелия, а также к повышению надежности работы устройства. Соединение выхода эжектора с входом обратного потока низкого давления противоточного теплообменника обеспечивает возможность осуществления практически полной рекуперации холода обратных потоков конденсата и вакуумного азота. Соединение линии вывода газообразного азота из системы азотного криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки с линией вывода газообразного азота из системы охлаждения исходной смеси позволяет обеспечить возможность создания и поддержания вакуума в упомянутой системе криостатирования за счет использования внутренней энергии обратного потока конденсата, что приводит к повышению адсорбционной емкости адсорбента и за счет этого возможности уменьшения массы и габаритов блока низкотемпературной адсорбционной очистки, а следовательно, и всего устройства в целом. Наличие в заявляемом устройстве адсорбера для осушки исходной газовой смеси, размещенным перед противоточным теплообменником позволяет предотвратить вымораживание влаги в теплообменнике и тем самым исключить его забивку. Наличие же адсорбера для очистки исходной газовой смеси от СO₂, установленным между верхней и нижней секциями противоточного теплообменника обеспечивает предотвращение вымораживания СO₂ и за счет этого также исключает забивку теплообменника.

на чертеже изображена принципиальная схема устройства для выделения водорода или гелия из газовых смесей.

Устройство для выделения водорода или гелия из газовых смесей содержит связанные между собой адсорбер 1 для осушки исходной газовой смеси, двухсекционный противоточный теплообменник 2, установленный между секциями последнего дополнительный адсорбер 3 для очистки исходной газовой смеси от СO₂, отделитель конденсата 4, конденсатор-испаритель 5, отделитель конденсата 6, блок низкотемпературной адсорбционной очистки 7 с системой азотного криостатирования, эжектор 8, сопло которого соединено с выходом обратного потока конденсата из противоточного теплообменника 2, камера смешения с выходом газообразного азота из межтрубного пространства конденсатора-испарителя 5 и системы азотного криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки 7, а выход с входом обратного потока низкого давления противоточного теплообменника 2.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходную газовую смесь, содержащую кроме водорода или гелия СO₂, H₂O, N₂ и O₂, а также следы CO, NO₂ и SO₂, при давлении 2-6,5 МПа и температуре, близкой к температуре окружающей среды, подают в заполненный силикагелем адсорбер 1, где происходит ее осушка и очистка от части примесей СO, NO₂ и SO₂, после чего смесь направляют в верхнюю секцию противоточного теплообменника 2, где происходит ее охлаждение обратными потоками чистого гелия или водорода и сбросного потока до температуры на 5-10 К выше температуры конденсации (кристаллизации) СO₂, после чего смесь подают в цеолитовый дополнительный адсорбер 3, в котором происходит ее очистка от СO₂. По выходу из адсорбера 3 смесь направляют на дальнейшее охлаждение в нижнюю секцию противоточного теплообменника 2, после чего поток смеси подают в отделитель конденсата 4. Выходящий из нижней секции теплообменника поток смеси содержит некоторое количество конденсата, состоящего в основном из N₂ и O₂. После отделения в отделителе конденсата 4 жидкой фазы, газовую фазу направляют на дальнейшее охлаждение в конденсатор-испаритель 5, межтрубное пространство которого охлаждается жидким азотом, кипящим под вакуумом. В этом аппарате конденсируется большая часть примесей N₂ и O₂, которые в виде конденсата отделяют в отделителе конденсата 6, а оставшуюся после отделения конденсата газовую фазу подвергают тонкой очистке от оставшегося количества N₂ и O₂ в низкотемпературном адсорбере 7, который криостатируется жидким азотом, кипящим под вакуумом. Потоки конденсата, отводимого из отделителей конденсата 4 и 6 под давлением 2-6,5 МПа, соединяют и направляют в нижнюю секцию противоточного теплообменника 2. После подогрева в теплообменнике 2 за счет теплообмена с исходной газовой смесью, обратный поток конденсата направляют в сопло эжектора 8, используя его в качестве эжектрирующего потока для создания и поддержания вакуума в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя 5 и системе азотного криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки 7, при использовании при этом в качестве инжектируемого потока соединенных между собой потоков газообразного азота из межтрубного пространства конденсатора-испарителя 5 и системы азотного криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки 7. Поток, образовавшийся после смешения в эжекторе 8 вышеупомянутых эжектирующего и инжектирующего потоков, направляют в противоточный теплообменник 2, после подогрева в котором, он выбрасывается в атмосферу. Чистый гелий или водород из блока низкотемпературной адсорбционной очистки 7 направляют в противоточный теплообменник 2, где он используется для охлаждения исходной газовой смеси. После подогрева в теплообменнике 2 при давлении 2-6,5 МПа водород или гелий поступает в реципиенты.

П р и м е р: Исходная смесь, содержащая кроме гелия примеси в об. O₂ 15; N₂ 5; CO₂ 0,5, пары H₂O, а также следы NO₂, NH₃, CO и SO₂ при давлении 6,4 МПа в количестве 20 м³/ч подают в силикагелевый адсорбер 1. В адсорбере 1 смесь осушается и очищается от большей части NO₂, NH₃, CO и SO₂ и поступает на охлаждение в верхнюю секцию теплообменника 2 до температуры 203 К. С этой температурой поток смеси отводят из верхней секции теплообменника 2 и подают в цеолитовый адсорбер 3, где из смеси адсорбируется CO₂ и остатки NO₂, NH₃, CO и SO₂. Далее поток смеси направляют в нижнюю секцию теплообменника 2, где она охлаждается до Т 78 К. При этом часть примесей N₂ и O₂, содержащихся в смеси, конденсируется и образовавшийся конденсат в количестве 2,894 м³/ч отделяется в сепараторе 4. Несконденсировавшийся поток затем поступает на дальнейшее охлаждение в конденсатор-испаритель 5, в межтрубном пространстве которого кипит под вакуумом жидкий азот и в котором смесь охлаждается до 68 К. Парожидкостную смесь, выходящую из этого аппарата, направляют в сепаратор 6, где от нее отделяется конденсат в количестве 0,852 м³/ч. Несконденсировавшийся поток, с концентрацией гелия 98,35% об.поступает на окончательную очистку в низкотемпературный адсорбер 7.

Суммарный поток конденсата из сепараторов 4 и 6 в количестве 3,746 м³/ч поступает в нижнюю секцию теплообменника 2, где испаряется и подогревается и затем подается в сопло эжектора 8. С помощью этого потока из межтрубного пространства конденсатора-испарителя 5 и ванны жидкого азота, в которую погружен адсорбер 7, инжектируются пары азота, обеспечивая требуемое снижение давления кипящего азота до 0,0176 МПа. Поток газа, выходящий из эжектора 8, поступает в теплообменник 2, пройдя который выбрасывается в атмосферу. Чистый газообразный гелий под давлением, близким к 6,4 МПа, выходящий из блока очистки 7 подогревается в теплообменнике 2 и поступает в реципиенты.

Формула изобретения

1. Способ выделения водорода или гелия из газовых смесей, включающий ступенчатое охлаждение исходной газовой смеси до криогенных температур с частичной конденсацией компонентов смеси при использовании для ее охлаждения на одной из ступеней жидкого азота, кипящего под вакуумом, отделение от газа образовавшегося конденсата, использование конденсата в качестве обратного потока для охлаждения исходной смеси и последующую тонкую очистку полученного газа посредством низкотемпературной адсорбции в адсорбционном блоке, отличающийся тем, что создание и поддержание вакуума в системе азотного охлаждения исходной газовой смеси осуществляют посредством эжекции, используя в качестве эжектирующего потока обратный поток конденсата, подогретый за счет теплообмена с исходной газовой смесью, а в качестве инжектируемого поток газообразного азота из системы азотного охлаждения исходной газовой смеси, полученный в результате смешения последних поток направляют на охлаждение исходной газовой смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс низкотемпературной адсорбции проводят при криостатировании адсорбционного блока жидким азотом, кипящим под вакуумом, а создание и поддержание последнего осуществляют путем использования в процессе эжекции в качестве инжектируемого потока газообразного азота, образовавшегося при упомянутом криостатировании, вместе с потоком газообразного азота из системы азотного охлаждения исходной смеси.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед охлаждением исходную газовую смесь подвергают адсорбционной сушке.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что исходную газовую смесь подвергают адсорбционной очистке от диоксида углерода на температурном уровне, на 5 10 К превышающем температуру его конденсации или кристаллизации.

5. Установка для выделения водорода или гелия из газовых смесей, содержащая систему по меньшей мере двухступенчатого охлаждения исходной смеси, состоящую из последовательно соединенных между собой противоточного теплообменника и по меньшей мере одного конденсатора-испарителя и отделителя конденсата, выход которого соединен с входом обратного потока одной из ступеней системы охлаждения исходной смеси, и блок низкотемпературной адсорбционной очистки с системой азотного криостатирования, отличающаяся тем, что установка снабжена эжектором, сопло которого соединено с выходом обратного потока конденсата системы охлаждения исходной смеси, камера смешения с выходом газообразного азота упомянутой системы, а выход эжектора с входом обратного потока низкого давления противоточного теплообменника.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что линия вывода газообразного азота из системы азотного криостатирования блока низкотемпературной адсорбционной очистки соединена с линией вывода газообразного азота из системы охлаждения исходной смеси.

7. Установка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что она снабжена адсорбером для сушки исходной газовой смеси, размещенным перед противоточным теплообменником.

8. Установка по п.5, или 6, или 7, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным адсорбером для очистки исходной газовой смеси от диоксида углерода, противоточный теплообменник выполнен двухсекционным с верхней и нижней секциями, при этом дополнительный адсорбер включен между секциями.

РИСУНКИ

Рисунок 1