Назначение и область применения ксенона и его характеристика

Поэтому при регулировании работы ректификационной колонны всегда стремятся достичь наибольшей чистоты отходящего криптона с целью повышения количества получаемого ксенона.

Полученные при расчете данные представим в виде таблицы 3 материального баланса.

Таблица 3. Материальный баланс производства ксенона из криптоно-ксенонового концентрата.

№ п.п.	Загружено	Количество	Получено	Количество
1.	Криптоно-ксеноновый концентрат	Кк	криптон
2.			ксенон
	Всего	Кк		Кк

В таблице 4 приводится выход ксенона из 1 м3 криптоно-ксенонового концентрата.

Таблица 4. Выход ксенона из 1 м3 криптоно-ксенонового концентрата.

Концентрация криптона, %	Концентрация ксенона, %
	100	99,5	99,0	98,5	98,0
100	0,209	0,210	0,211	0,212	0,213
99	0,201	0,202	0,203	0,204	0,205
98	0,193	0,194	0,195	0,196	0,197
97	0,184	0,185	0,186	0,187	0,188
96	0,176	0,177	0,178	0,179	0,180
95	0,167	0,168	0,169	0,170	0,171

 

5. Подбор и обоснование типа основного технологического оборудования.

Существует множество технологий производства ксенона. Но следует отметить, что все они, так или иначе, сводятся к трем основным этапам:

1. получению криптоно-ксенонового концентрата с содержанием 0,1-0,2% Kr+Xe;
2. получению чистой криптоново-ксеноновой смеси;
3. разделение этой смеси на чистые криптон и ксенон.

Технологическая последовательность получения Xe представлена в таблице 5.

Таблица 5. Технологическая последовательность получения ксенона.

Кислород	Объемная доля ксенона, %
	<0,0001	0,015-0,02	5	99,999 Хе	0,0001
	Первичное концентрирование в крипт. Колонне	Каталитическое «выжигание» углеводородов	Очистка в блоке адсорберов	Обогащение сырой смеси в колонне	Разделение Кг-Хе-смеси в колоннах
	←О2	CmHn+O2→CO2+H2O	↓CO2↓H2O↓	↑O2↑	↑Kr;Xe↓

Для составления представлений о производстве ксенона перейдем к обзору технологий получения данного инертного газа.

5.1. Классическая технология первичного концентрирования.

 На рисунке 2 представлена  схема колонны первичного концентрирования  криптона и ксенона. При ректификации  воздуха криптон и ксенон полностью  «отмываются» в куб нижней колонны НК. Далее, в виде весьма бедного криптоном раствора (кубовой жидкости) тяжелые инертные газы переводятся в верхнюю колонну ВК воздухоразделительной установки. В ней криптон и ксенон уносятся флегмой в сторону конденсатора КИ. В потоке кислорода, отбираемом над конденсатором, суммарная концентрация (Кг+Хе) не превышает 0,0006%, что всего в пять раз больше, чем их содержание в атмосферном воздухе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Схема колонны первичного концентрирования криптона  и ксенона.

ВК – верхняя колонна; НК – нижняя колонна; КИ – конденсатор-испаритель; ФС1 – встроенный фракционный сепаратор; АК – аргоновая колонна; КК – криптоновая колонна; ФС4 – фракционный сепаратор криптона; ИА – испаритель азотный; ИВ – испаритель водяной; ПО – переохладитель кубовой жидкости.

Первичное концентрирование криптоновой фракции проводят в сдельной колонне КК. По существу она является комплексом нескольких ректификационных аппаратов. Поток газообразного кислорода, подаваемый в среднюю часть криптоновой колонны, представляет собой многокомпонентную смесь. Помимо следов Кг и Хе, в ней содержатся углеводороды (преимущественно – метан). Через верхний конденсатор криптоновой колонны проходит поток кубовой жидкости, переохлажденной в аппарате ПО. Ожижаемый в конденсаторе кислород образует два потока флегмы – периферийный и внутренний. В периферийной части КК основной поток отмывается от примесей и покидает колонну по кольцевому каналу в виде 95%-го технологического кислорода.

Внутренний поток флегмы из верхнего конденсатора поступает в центральный канал КК' и служит для отмывания потока технического О2. Внутренняя секция питается газообразным кислородом из нижней части колонны КК». Этот поток пара обогащен криптоном и другими примесями. В секции КК' технический кислород практически полностью очищается от тяжелых инертных газов и углеводородов и покидает установку с чистотой 99,5%.

Кубовая фракция, обогащенная криптоном и ксеноном, из нижней секции колонны КК» направляется в трубки испарителя ИА. Там кислород почти полностью переходит в пар за счет теплоты конденсаций азота в межтрубном пространстве.

Газообразный N2 поступает из конденсатора КИ нижней колонны НК воздухоразделительного аппарата. После неполной конденсации поток азота дополнительно охлаждается в верхней части ВК и направляется в фазовый сепаратор неоногелиевой смеси ФС1. Испарившийся в ИА кислород отделяется в сепараторе ФС4 и возвращается в нижнюю часть криптоновой колонны КК». Жидкая фаза сепаратора ФС4 представляет собой первичный криптоновый концентрат (ПКК). Продукт первичного обогащения состоит практически из чистого кислорода и содержит не более 0,2-0,3% смеси Kr+Xe. Наряду с насыщением жидкого кислорода криптоном (ксеноном), в нем накапливаются и углеводороды. Поэтому дальнейшее обогащение ПКК выше указанного предела опасно. Газификацию полученного бедного концентрата производят в ИВ за счет теплообмена с горячей водой.

5.2. Вторичное обогащение продукта методом ректификации.

Обогащение криптоно-ксеноновой смеси вынужденно ограничивают на уровне 0,2-0,3%. Наиболее распространенным способом дальнейшей очистки продукта является технология УСК (установка сырого криптона и ксенона). На рисунке 3 изображена упрощенная схема установки типа УСК.

В технологии УСК по существу реализованы два этапа очистки. На первом – производится «выжигание» углеводородов (печь П1). После реакции каталитического гидрирования смесь охлаждается до температуры окружающей среды в теплообменнике ТО1 и холодильнике ВХ. Продукты реакции (водяной пар и диоксид углерода) улавливаются в блоке комплексной осушки и очистки. Блок состоит из адсорберов, заполненных синтетическим цеолитом NaX. Его условно изобразили на рисунке в виде одного аппарата А1.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Упрощенная схема установки типа УСК- 1М.

К – компрессор; П1, П2 – печи выжигания углеводородов; Al, А2 – адсорберы; П, Г2 – газгольдеры; РК – колонна; ТК – термокомпрессор; ВХ – водяной холодильник; ИГ – испаритель; ТО – теплообменники; Б – баллон с продуктом; ЭН – электронагреватели.

На втором этапе сухой концентрат, очищенный от углеводородов и высококипящих примесей, поступает на дальнейшее обогащение в колонну вторичного концентрирования РК. В змеевике куба РК смесь при давлении 0,4-0,45 Мпа охлаждается с 290 К до 140 К за счет испарения кубовой жидкости. В теплообменнике ТО2 температура концентрата понижается до 115 К выходящим из конденсатора колонны азотом. Затем его дросселируют в среднюю часть колонны. Из верхней части колонны РК отводится кислород высокой концентрации с незначительными примесями криптона. Этот продукт возвращается в установку первичного концентрирования (рисунок 2). Объемная концентрация криптона и ксенона в кубе колонны РК возрастает в сотни раз и достигает 99,5-99,9 %. Одновременно в такой же пропорции повышается объемное содержание углеводородов (СН4, С2Н2 и др.). Поэтому углеводороды подвергают повторному «выжиганию» и очистке от продуктов реакции в печи П2 и адсорбере А2, соответственно.

Для замены морально устаревших установок УСК разработаны установки нового поколения типа «Хром-3». Схема одна из таких установок представлена на рисунке 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. Технологическая схема установки «Хром-3».

Р – ресивер; Ш – печь выжигания углеводородов; ТО1-ТО4 – теплообменники; А1 – адсорбер; РК – колонна; ТК – термокомпрессор; К(И), И(К) – конденсаторы-испарители; И(ГЛ) – испаритель газ-лифта; С – сепаратор; И(В) – испаритель водяной; Б – баллон (Кг+Хе).

Отличительными особенностями новых установок является использование газ-лифта для повышения давления. Такой прием позволил вывести из схемы кислородные компрессоры. Кроме того, учитывая, что при окончательной переработке криптоновый концентрат, как правило, подвергается очистке от углеводородов, в установке исключили вторую ступень «выжигания» CnН2n и  CnН2n+2  .

5.3. Адсорбционные технологии извлечения криптона и ксенона.

В предыдущих разделах изложены методы получения Kr, основанные на ректификации. Сорбционные средства в них используются только в качестве вспомогательных систем очистки. Наряду с этим, известны способы извлечения криптона и ксенона, в которых на адсорберы возложена основная функция.

На рисунке 5 представлены основные процессы, протекающие в адсорбционном блоке для получения N2-Хе-смеси из потока «бедного» кислорода. Рассмотрим последовательность процессов работы установки.

Поглощение ксенона (рисунок 5-а). Газообразный «грязный» кислород поступает из испарителей ВРУ в предварительный теплообменник ТО1, где охлаждается до Т≈200К. Начальная очистка меси от тяжелых углеводородов и радона происходит во вспомогательном адсорбере АП. В теплообменнике ТО2 температура смеси понижается за счет теплообмена с холодным азотом до уровня, превышающего на ∆Т=10-15К температуру жидкого кислорода. Ксенон поглощается в адсорбере А1. Отбросный поток, представляющий собой чистый кислород, через теплообменники ТО2 и ТО1 сбрасывается в атмосферу. Этап накопления продолжается от 2-х до 3-х месяцев и заканчивается после появления проскока ксенона на выходе из адсорбера А1.

Замещение кислорода и концентрирование (рисунок 5-б). Подача исходного продукта в адсорберы временно прекращается (В1 закрыт). Процесс вытеснения кислорода из адсорбера А1 осуществляют путем подачи холодного азота из ВРУ через N1. Замещение сопровождается сбросом выходящего кислородоазотного потока в атмосферу через В2. По сравнению с кислородом азот является менее адсорбируемым компонентом. Поэтому достичь полного замещения О2 не удается. Тем не менее, остаточная концентрация кислорода 0,3-0,5 % в конце этапа замещения обеспечивает безопасность дальнейшего обогащения смеси.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Принципиальная схема установки получения азотоксеноновой смеси.

АП – предварительный адсорбер; А1 – адсорбер ксеноновый; R – редуктор; ТО1 и ТО2 – теплообменники; МК – мембранный компрессор; ВП – водяной подогреватель; РБ – рампа баллонная; В1-В4 и N1, N2 – управляющая арматура.

Для обогащения с помощью сорбента используют прием газовой хроматографии. В адсорбере А1 создается движущееся (сверху вниз) температурное поле путем подачи в него через вентиль N2 греющего азота. В результате появления фронта повышенной температуры происходит десорбция азота и ксенона (а также криптона и метана). Ксенон перемещается в нижние холодные слои сорбента, в то время как азот, не задерживаясь в адсорбере, выбрасывается в атмосферу. Ксенон концентрируется в относительно узком слое сорбента, сохраняющем низкую температуру. Процесс заканчивается при появлении на выходе следов Хе.

Разделение (рисунок 5-в). Для сбора продукционной азотоксеноновой смеси вводится в действие циркуляционный контур, включающий в себя водяной подогреватель ВП, компрессор МК и редуктор R. За счет воздействия температурного поля осуществляется десорбция ксенона из нижних слоев сорбента, сопровождаемая ростом давления в контуре. Избыточный продукт (ксеноноазотная смесь) сбрасывается в баллоны на рампе РБ. Процесс циркуляции заканчивают после полного отогрева аппарата А1 до положительных температур и прекращения роста давления в замкнутом контуре.