Назначение и область применения ксенона и его характеристика

6. Описание аппаратурно-технологической схемы.

В данной курсовой работе в качестве схемы для получения криптоно-ксенонового концентрата выбрана схема, представленная на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема получения бедного криптоно-ксенонового концентрата на воздухоразделительной установке.

1 — криптоновая колонна, 2 — дополнительная  колонна, 3 — конденсатор,

4 — сепаратор, 5 — испаритель, 6 — теплообменник, 7 — конденсатор-переохладитель,8 —  насос.

Степень обогащения нижнего продукта криптоновой колонны криптоном и ксеноном ограничивается одновременно протекающим обогащением его углеводородами, содержащимися в жидком кислороде. Практически содержание криптона и ксенона в бедном концентрате не превышает 0,2% при этом содержание углеводородов в концентрате не должно превышать 1500 мг углерода на 5 л жидкости; в противном случае увеличивают скорость отбора концентрата, что, естественно, приводит к уменьшению содержания в нем криптона  и ксенона.

На рисунке 6 приведена технологическая схема получения бедного концентрата на установке Кт-12 (Бр-1), перерабатывающей 66200 м3/ч воздуха. Газообразный кислород из продукционного конденсатора поступает в среднюю часть криптоновой колонны 1. Жидкий кислород, направляющийся в продукционный конденсатор, проходит через адсорбер, где поглощаются углеводороды, которые могут концентрироваться в криптоновой колонне вместе с криптоном; на некоторых установках на линии жидкого кислорода адсорберов не ставят, но в этом случае производят неполное испарение кислорода и отделение неиспарившейся части, в которой концентрируются углеводороды. Для этой цели используют специальный сепаратор: газообразный кислород направляется в криптоновую колонну, а отделившаяся жидкость присоединяется к продукционному кислороду, идущему из криптоновой колонны. В верхней части криптоновой колонны 1 криптон и ксенон извлекаются из газообразного кислорода при промывке его флегмой, образующейся в верхнем конденсаторе. В нижней части колонны стекающая жидкость обогащается тяжелолетучими криптоном и ксеноном при отпарке кислорода. Криптоновая колонна в установке КТ-12 используется для получения 300 м3/ч технического кислорода (99,5% О2): для этой цели служит дополнительная колонна 2, на тарелках которой также происходит извлечение криптона и ксенона. Как следует из рисунка 7, в колонну 2 кислород поступает из нижней части колонны 1, где он уже обогащен криптоном и ксеноном; поэтому необходимо извлечь их из потока технического кислорода, что и делается в колонне 2, которая орошается флегмой из верхнего конденсатора. Жидкий кислород из криптоновой колонны 1 направляется в трубки конденсатора 3, где почти полностью испаряется за счет теплоты конденсации азота в межтрубном пространстве, куда он поступает из нижней колонны воздухоразделительного аппарата. Образовавшийся в конденсаторе 3 жидкий азот направляется на орошение верхней колонны воздухоразделительного аппарата.

Испарившийся кислород отделяется в сепараторе 4 и возвращается в нижнюю часть криптоновой колонны 1, а неиспарившаяся часть, представляющая собой бедный концентрат (обычно 0,01 – 0,2% Kr + Xe) , идет в испаритель 5, обогреваемый горячей водой, а оттуда в виде газа – в газгольдер установки для получения  чистой криптоно-ксеноновой смеси и ее разделения (см. ниже). Технический кислород из колонны 2 направляется в теплообменник 6, нагревается в нем, сжимается компрессором и нагнетается в баллоны; часть технического кислорода поступает в конденсатор-переохладитель   7, где сжимается за счет нагревания и кипения кубовой жидкости, направляемой в межтрубное пространство из нижней колонны воздухоразделительного аппарата через переохладитель. Жидкий переохлажденный технический кислород попадает в насос 8, который подает его под давлением 165 атм а баллоны через теплообменник 6. Смесь жидкости и пара из межтрубного пространства конденсатора-переохладителя 7 переводится в верхний конденсатор криптоновой колонны 1, обусловливаемая конденсацию кислорода в трубках с образованием флегмы. Пар направляется в верхнюю колонну воздухоразделительного аппарата.

Теперь перейдем к следующему этапу – получению чистой криптоно-ксеноновой смеси, а затем к ее разделению.

Бедный концентрат, содержащий 0,1-0,2% Kr+XE перерабатывают на установке типа УСК-1 или УСК-1М, на которой получают так называемую сырую криптоно-ксеноновую смесь. На рисунке 7 приведена схема установки УСК-1, дополненная аппаратурой для разделения криптоно-ксеноновой смеси с получением технически чистого ксенона.

Бедный концентрат (0,01 – 0,2% Kr + Xe) из воздухоразделительной установки собирается в резинотканевый газгольдер 1, сжимается компрессором 2 или 3 до 5-6 атм и через теплообменник 4 поступает в одну из печей 5, где производится выжигание углеводородов на контактной массе (CuO или Al2O3) при 700-750 0С. Газ, находящийся в печи, охлаждается в теплообменнике 4 и водяном холодильнике 6 и последовательно проходит через щелочные скрубберы 7 и 8, где поглощается углекислота, образовавшаяся при сгорании углеводородов; в осушительных баллонах 9 с едким кали поглощается влага. После первого выжигания в печи 5 содержание углеводородов в концентрате снижается с 1500 до 100-150 мг углерода на 5 л жидкого кислорода. Через водяной холодильник 12 газ идет в баллоны 13 с едким кали, поглощающим продукты сгорания углеводородов (СО2 и влагу). Затем концентрат поступает в один из блоков 14 для дальнейшего обогащения.

Рисунок 7. Схема установки для получения чистого ксенона.

1 — резинотканевый газгольдер, 2, 3 - компрессоры, 4,11 - теплообменник, 5, 10,16, 21 - печь, 6 — водяной холодильник, 7,8 — щелочные скрубберы, 9 — осушительные  баллоны, 12 -  холодильник, 13 — баллоны  с едким кали, 14 — блок концентрирования, 15,19 — газификатор, 17 — патрон, 18, 22, 26, 27 — газгольдеры,  20 — магнитный газоанализатор, 23 — адсорбер, 24 — морозилка, 25 — молекулярные газовые весы, 28 — сосуд для конденсации, 29 — баллоны для газификации криптона, 30 — охлаждаемый сосуд, 31 — баллоны для газификации ксенона. 

Блок концентрирования 14 включает ректификационную колонну и два теплообменника – криптоновый и воздушный. Криптоно-ксеноновый концентрат, охлажденный в теплообменнике (правом), вводится в среднюю часть ректификационной колонны, давление в которой составляет 2-2,5 атм. Колонна работает в режиме полунепрерывной ректификации: в нее непрерывно поступает концентрат и из колонны непрерывно выводится дистиллят – газообразный кислород, а в кубе колонны постепенно накапливаются криптон и ксенон. Накопление криптона и ксенона производят до увеличения их концентрации в кубовой жидкости до 95-98%. Затем в течение сравнительно короткого промежутка времени выводят сырую криптоно-ксеноновую смесь через газификатор 15 и печи 16, где выжигаются углеводороды, накопившиеся в кубовой жидкости (содержание углеводородов в сырой смеси после печей 16 составляет примерно 50 мг углерода на 5 л жидкого кислорода). Сырая смесь через патрон 17 с едким кали, поглощающим СО2 и влагу, направляется в жесткие металлические газгольдеры 18. При сливе кубовой жидкости режим ректификации в колонне нарушается, в результате чего продукт загрязняется кислородом: в сырой криптоно-ксеноновой смеси, собирающейся в газгольдерах 18, содержание кислорода достигает 15-25%.

Для подвода тепла в кубе колонны, отвода тепла в конденсаторе холодопотерь используется сжатый воздух, который под давлением 120-130 атм поступает в теплообменник (левый) блока 14, сжижается в змеевике куба колонны и дросселируется в межтрубное пространство конденсатора, где кипит, обусловливая образование флегмы в трубках. Испарившийся воздух выводится через теплообменник.

Криптоно-ксеноновая смесь из газгольдеров 18 периодически конденсируется в газификаторе 19, охлаждаемом жидким азотом. Затем производится фракционированное испарение конденсата. Первые фракции, содержащие небольшое количество криптона возвращаются в газгольдер 1 для повторной переработки; состав этого газа непрерывно контролируется магнитным газоанализатором 20. Фракционированное испарение не сопровождается значительными потерями криптона, так как летучести кислорода и криптона сильно различаются; к тому же отбираемые фракции идут на повторную переработку.

Когда содержание криптона в газе, отбираемом из газификатора 19, достигнет примерно 40%, поток переключают на газгольдеры 18. При уменьшении содержания кислорода до 3-5% газ направляют через печь 21 с активной окисью меди, где происходит поглощение кислорода, в газгольдер 22 для чистого криптона.

После испарения половины или двух третей содержимого газификатора 19 концентрация ксенона в оставшейся жидкости повышается до 15-20%; в этом случае благодаря большому различию в летучестях криптона и ксенона выпаривание жидкости не сопряжено со значительными потерями ксенона. Пары, образующиеся при выкипании оставшейся жидкости, направляются из газификатора 19 в адсорбер 23(модель данного адсорбера изображена в приложении к курсовой) с активированным углем, охлаждаемым приблизительно до – 700С смесью спирта с жидким азотом. При этом ксенон и некоторое количество криптона поглощаются углем, а выходящий из адсорбера 23 чистый криптон направляется в газгольдер 22.

После полного испарения жидкости в газификаторе 19 и адсорбции образовавшегося при этом газа производят фракционированную десорбцию. Процесс ведется сначала при постоянной температуре ( в пределах от -65 до -750С), но при постепенно понижающемся давлении, что достигается с помощью морозилки 24, охлаждаемой жидким азотом. Затем десорбция продолжается при постепенном повышении температуры угля сверху вниз, что достигается понижением уровня охлаждающей жидкости и одновременным нагреванием верхней части адсорбера 23 струей горячего воздуха или азота.

Первые фракции десорбирующегося газа содержат в основном криптон и некоторое количество ксенона. Проходя через нижнюю, еще холодную зону адсорбера, ксенон вновь адсорбируется на угле, вытесняя поглощенный ранее криптон: таким образом, четкость разделения заметно увеличивается. Однако и в этом случае первые фракции ксенона загрязнены криптоном; после анализа на молекулярных газовых весах 25 эти фракции собирают в газгольдере 26 и направляют на повторную переработку со свежим газом из газгольдеров 18. При дальнейшей десорбции газа из угля в адсорбере 23 получают чистый ксенон, который поступает в газгольдер 27. Периодически чистый криптон из газгольдера 22 конденсируется в сосуде 28, охлаждаемом жидким азотом, и газифицируется под давлением в баллоны 29, а ксенон из газгольдера 27 конденсируется в охлаждаемом сосуде 30 и газифицируется в баллоны.

7. Характеристика отходов производства и возможные варианты их утилизации.

Как видно из эскизной схемы, представленной на рисунке 1, побочными продуктами производства ксенона являются – кислород, неон, аргон, углеводороды, азот, гелий и криптон.

Для полного анализа производства необходимо рассмотреть краткую характеристику каждого из этих продуктов, а также способы их утилизации или же дальнейшего применения, если такое возможно.

Кислород. Является самым распространенным элементом в земной коре - составляет 49,13% от её общей массы. Масса кислорода равна 23,1% от общей массы воздуха (20,9% по объему). Присутствие кислорода в атмосфере играет очень важную роль. Без него невозможны фотосинтез, дыхание животных и растений, многие важные процессы в почвах и т. д.

Газообразный кислород в сравнимых условиях несколько тяжелее, чем воздух. Так, если 1 л воздуха при н. у. весит 1,293 г, то 1л кислорода при тех же условиях - 1,429 г. Удельная масса жидкого O2 составляет 1,124 г/см3. При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.  Слабо растворяется в воде и спирте, но при этом хорошо растворяется в расплавленном серебре. Является парамагнетиком.

Кислород – это один из главных элементов, необходимых для развития промышленности. Поэтому получив кислород в качестве побочного продукта производства ксенона, его не утилизируют, а подвергают дальнейшей очистке и собирают в газообразном виде в металлические баллоны голубого цвета под давлением 150 кгс/см2 и в таком виде транспортируют для дальнейшего использования. Полученный таким образом кислород может использоваться:

1. В металлургии - во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь. Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода.
2. При сварке и резке металлов - кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.
3. В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород,  пероксид водорода,  азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива.
4. В медицине - для обогащения дыхательных газовых смесей в наркозной аппаратуре, при нарушении дыхания, для купирования приступа бронхиальной астмы, устранения гипоксии любого генеза, для лечения патологии желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей.
5. В пищевой промышленности - в качестве пищевой добавки E948, как пропеллент и упаковочный газ.
6. В химической промышленности кислород - как реактив-окислитель в многочисленных синтезах. Вследствие высоких температур, развивающихся при окислении, последние часто проводят в режиме горение.
7. В тепличном хозяйстве, для изготовления кислородных коктейлей, для прибавки в весе у животных, для обогащения кислородом водной среды в рыбоводстве.

Азот. Достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха, из которого на три четверти состоит земная атмосфера.

Азот является элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16—18 % по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. 

При нормальных условиях азот  мало растворим в воде и имеет плотность 1,2506 кг/м³. В жидком состоянии — бесцветная, подвижная, как вода, жидкость. Плотность жидкого азота - 808 кг/м³.  При −209,86 °C азот переходит в твердое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов. При контакте с воздухом поглощает из него кислород, при этом плавится, образуя раствор кислорода в азоте.

Из-за значительного применения азота, его также как и кислород можно подвергнуть дальнейшей очистке и собрать в баллоны в газообразном виде для дальнейшей транспортировки и хранения, или же подвергнуть ожижению и собрать в сосуды Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или же в криогенные емкости под давлением. Баллоны для азота окрашивают в черный цвет, при этом надпись азот должна быть выполнена желтой краской. Азот из баллонов находит разнообразное применение в различных сферах деятельности.