RU2091683C1

RU2091683C1 - Method of cleaning cryogenic agent

Info

Publication number: RU2091683C1
Application number: RU94018874A
Authority: RU
Inventors: В.В. Беляков; Б.Д. Краковский; В.А. Мартынов; Б.Г. Берго; Г.С. Шубин
Original assignee: Акционерное общество "Гелиймаш"
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1997-09-27
Also published as: RU94018874A

Abstract

FIELD: cryogenic engineering; cryogenic helium and air-fractionating plants and natural gas processing plants. SUBSTANCE: method consists in successive cooling of cryogenic agent, condensation of admixture and separation of liquid fraction of mixture, heating of cryogenic agent followed by adsorption of remaining admixture; cryostating of adsorption process is performed through cooling the adsorbent by separated liquid fraction of mixture. To reduce concentration of admixture in gas fraction before adsorbent, cryogenic agent is cooled to temperature of (1.02-1.5) of mixture melting point T_m.p. and liquid fraction is separated for the second time and cooled to temperature equal of 0.98 T_m.p. (melting point of mixture); solid fraction is separated. To facilitated separation of liquid fraction of mixture in method of double separation of liquid fraction of mixture, cooling of cryogenic agent after first separation of liquid fraction is accompanied by reduction of pressure through throttling, for example. EFFECT: enhanced reliability. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к способам очистки криоагентов от примесей, и может быть использовано в криогенных гелиевых и воздухоразделительных установках, а также в установках по переработке природного газа. The invention relates to cryogenic technology, in particular to methods for purifying cryoagents from impurities, and can be used in cryogenic helium and air separation plants, as well as in natural gas processing plants.

Известен способ очистки гелийсодержащих смесей от примесей [1] заключающийся в последовательном охлаждении смеси, конденсации примесей, отделении жидкой фракции примеси и адсорбировании оставшейся в газовой фазе примеси. При этом для охлаждения смеси, конденсации примеси и криостатирования процесса адсорбирования используются жидкий азот и отделенная жидкая фракция примеси. A known method of purification of helium-containing mixtures from impurities [1] consists in sequential cooling of the mixture, condensation of impurities, separation of the liquid fraction of the impurity and adsorption of the remaining impurity in the gas phase. In this case, liquid nitrogen and a separated liquid fraction of the impurity are used to cool the mixture, condense the impurity, and cryostat the adsorption process.

Недостатком этого способа является большое количество примеси, остающейся в газовой фазе после отделения жидкой фракции примеси, требующее для ее извлечения адсорбер значительных размеров или соответственно снижающее время непрерывной работы адсорбера. Кроме того, этот способ нельзя использовать для очистки от низкокипящих примесей (водорода, неона), так как в известном способе охлаждения криоагента ведут смесью жидкого азота с отделенной жидкой фракцией примеси (водород, неон), переохлаждение и переход азота в твердое состояние может привести к забивке устройства и нарушению его нормальной работы. The disadvantage of this method is the large amount of impurity remaining in the gas phase after separation of the liquid fraction of the impurity, requiring an adsorber of significant size for its extraction or, accordingly, reducing the time of continuous operation of the adsorber. In addition, this method cannot be used for purification from low-boiling impurities (hydrogen, neon), since in the known method of cooling the cryoagent is a mixture of liquid nitrogen with an separated liquid fraction of impurities (hydrogen, neon), supercooling and transition of nitrogen to a solid state can lead to clogging the device and disrupting its normal operation.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению, выбранному нами за прототип, является способ очистки криоагента (гелия) от примесей [2] (компонентов воздуха-азота и кислорода) путем последовательного охлаждения криоагента, конденсации примеси, отделения жидкой фракции примеси, нагревания и последующего адсорбирования примеси, оставшейся в газовой фазе криоагента. The closest in technical essence to the claimed invention, which we have chosen for the prototype, is a method for purifying a cryoagent (helium) from impurities [2] (air-nitrogen and oxygen components) by sequential cooling of the cryoagent, condensation of the impurity, separation of the liquid fraction of the impurity, heating and subsequent adsorption of impurities remaining in the gas phase of the cryoagent.

Недостатком этого способа, как и в первом случае, является относительно большое количество примеси, остающейся в газовой фазе после отделения жидкой фракции примеси, что влечет за собой большие размеры адсорбента или малое время его непрерывной работы. Кроме того, переменная температура криоагента в процессе адсорбирования приводит к изменению концентрации примеси в выходящем из адсорбера криоагенте. The disadvantage of this method, as in the first case, is the relatively large amount of impurity remaining in the gas phase after separation of the liquid fraction of the impurity, which entails a large size of the adsorbent or a short time of its continuous operation. In addition, the variable temperature of the cryoagent during the adsorption process leads to a change in the concentration of impurities in the cryoagent leaving the adsorber.

Основной задачей изобретения является стабилизация работы адсорбера, увеличение времени его непрерывной работы и уменьшение габаритов, а также очистка криоагента с выделением содержащихся в нем примесей для дальнейшего их использования как выходного продукта. The main objective of the invention is the stabilization of the adsorber, increasing the time of its continuous operation and reducing the size, as well as cleaning the cryoagent with the release of impurities contained in it for their further use as an output product.

Поставленная задача решается тем, что в способе очистки криоагента, по крайней мере, от одной примеси, проводимом путем последовательного охлаждения криоагента, конденсации примеси и отделения жидкой фракции примесей, нагревания и последующего адсорбирования оставшейся в нем примеси, криостатирование процесса адсорбции ведут охлаждением адсорбента отделенной жидкой фракцией примеси, благодаря чему сохраняется концентрация оставшейся примеси в газовой смеси перед адсорбером, что стабилизирует его работу. The problem is solved in that in the method of purification of the cryoagent from at least one impurity, carried out by sequential cooling of the cryoagent, condensation of the impurity and separation of the liquid fraction of the impurities, heating and subsequent adsorption of the remaining impurity, cryostatting the adsorption process by cooling the adsorbent with the separated liquid impurity fraction, due to which the concentration of the remaining impurity in the gas mixture in front of the adsorber is maintained, which stabilizes its operation.

Для уменьшения концентрации примеси, остающейся в газовой фазе криоагента в вышеуказанном способе очистки, криоагент дополнительно после первого отделения жидкой фракции примеси вторично охлаждают до температуры, большей чем температура, составляющая 1,02 Т_пл (температура плавления примеси), но меньшей чем температура, составляющая 1,5 Т_пл. После этого сконденсированную жидкую фракцию примеси вторично отделяют. Это значительно уменьшает нагрузку на адсорбер и способствует более полному выделению жидкой фракции высококипящей примеси.To reduce the concentration of the impurity remaining in the gas phase of the cryoagent in the above purification method, the cryoagent is additionally cooled after the first separation of the liquid fraction of the impurity to a temperature higher than the temperature of 1.02 T _pl (melting point of the impurity), but lower than the temperature of 1.5 _Tm. After that, the condensed liquid fraction of the impurity is again separated. This significantly reduces the load on the adsorber and contributes to a more complete separation of the liquid fraction of high-boiling impurities.

Другим вариантом способа очистки криоагента предлагается способ, в котором после первого отделения жидкой фракции примеси криоагент охлаждают до температуры ниже температуры, составляющей 0,98 T_пл (температуры плавления примеси) путем смешения с потоком холодного криоагента от источника холода, при этом твердую фракцию примеси отделяют.Another variant of the cryoagent purification method provides a method in which, after the first separation of the liquid fraction of the impurity, the cryoagent is cooled to a temperature below 0.98 T _pl (melting point of the impurity) by mixing with the cold cryoagent stream from the cold source, while the solid fraction of the impurity is separated .

Для облегчения выделения жидкой фракции примеси с учетом того, что плотность жидкой фракции примеси, например жидкого водорода, будет ниже плотности ожижаемого газообразного криоагента, например гелия, при понижении температуры, при способе очистки с двойным отделением жидкой фракции примеси после первого отделения жидкой фракции примеси вторичное охлаждение криоагента ведут с понижением давления, например дросселированием. To facilitate the separation of the liquid fraction of the impurity, given the fact that the density of the liquid fraction of the impurity, for example liquid hydrogen, will be lower than the density of the liquefied gaseous cryoagent, for example helium, when the temperature is lowered, the cleaning method with double separation of the liquid fraction of the impurity after the first separation of the liquid fraction of the impurity is secondary cooling of the cryoagent is carried out with decreasing pressure, for example by throttling.

На фиг.1 изображено устройство для очистки криоагента от примеси с одним отделителем жидкой фракции примеси; на фиг. 2 то же, с двумя отделителями жидкой фракции примеси; на фиг. 3 то же, с одним отделителем жидкой фракции примеси и смесителем; на фиг. 4 то же, с двумя отделителями жидкой фракции примеси и промежуточным дросселированием. Figure 1 shows a device for cleaning the cryoagent from impurities with one separator of the liquid fraction of the impurity; in FIG. 2 the same, with two separators of the liquid fraction of the impurity; in FIG. 3 the same, with one separator of the liquid fraction of the impurity and a mixer; in FIG. 4 the same, with two separators of the liquid fraction of the impurity and intermediate throttling.

Устройство, представленное на фиг. 1, служит для очистки криоагента от высококипящего компонента примеси и состоит из теплообменника 1 для охлаждения криоагента, идущего на очистку, отделителя 2 жидкой фракции примеси, теплообменника 3 для нагрева газовой фракции криоагента и адсорбера 4, расположенного в ванне криостатирования 5, соединенной с отделителем жидкой фракции 2 через дроссельный вентиль 6. The device shown in FIG. 1, serves to clean the cryoagent from a high boiling impurity component and consists of a heat exchanger 1 for cooling the cryoagent to be cleaned, a separator 2 for the liquid fraction of the impurity, a heat exchanger 3 for heating the gas fraction of the cryoagent and adsorber 4, located in the cryostat bath 5, connected to the liquid separator fraction 2 through the throttle valve 6.

В устройстве, представленном на фиг. 2, по сравнению с устройством, изображенным на фиг. 1, введен второй отделитель 7 жидкой фракции примеси и дроссельный вентиль 8 подачи жидкой фракции из отделителя 7 в ванну криостатирования 5. In the device of FIG. 2, compared with the device shown in FIG. 1, a second separator 7 of the liquid fraction of the impurity and a throttle valve 8 for supplying the liquid fraction from the separator 7 to the cryostat bath 5 are introduced.

В устройстве для очистки криоагента, представленном на фиг. 3, в схему по фиг. 1 введен смеситель 9 для смешения потоков криоагента после первого отделителя 2 жидкой фракции примеси и холодного криоагента от источника холода (не показан). In the cryoagent purification apparatus shown in FIG. 3 to the circuit of FIG. 1, a mixer 9 is introduced for mixing the cryoagent flows after the first separator 2 of the liquid fraction of the impurity and cold cryoagent from a cold source (not shown).

В устройстве, представленном на фиг. 4, по сравнению с устройством, изображенным на фиг. 2, дополнительно установлены дроссельный вентиль 10, служащий для понижения давления криоагента перед вторым отделителем 7 жидкой фракции примеси, и теплообменник 11. In the device of FIG. 4, compared with the device depicted in FIG. 2, an additional throttle valve 10 is installed, which serves to lower the pressure of the cryoagent in front of the second separator 7 of the liquid fraction of the impurity, and a heat exchanger 11.

Предлагаемый способ очистки криоагента по крайней мере от одной примеси осуществляется следующим образом (см. фиг. 1). The proposed method for purification of a cryoagent from at least one impurity is carried out as follows (see Fig. 1).

Криоагент, поступающий на очистку, охлаждается в теплообменнике 1 потоком выходящего чистого криоагента (в пусковой период потоком от источника холода), при охлаждении происходит конденсация примеси в виде жидкой фракции, которая направляется в отделитель 2, где идет отделение жидкой фракции примеси. Газообразный криоагент (газовая фракция), вышедший из отделителя 2, направляется в теплообменник 3 и далее в адсорбер 4 для адсорбирования примеси, оставшейся в газовой фазе криоагента. Криостатирование адсорбера 4 ведут за счет кипения в ванне 5 отделенной жидкой фракции примеси, подаваемой из отделителя 2 через теплообменник 3 и дроссельный вентиль 6. The cryoagent arriving for purification is cooled in the heat exchanger 1 by the stream of the leaving pure cryoagent (during the start-up period, by the stream from the cold source), upon cooling, the impurity is condensed in the form of a liquid fraction, which is sent to separator 2, where the liquid fraction of the impurity is separated. The gaseous cryoagent (gas fraction) leaving the separator 2 is sent to the heat exchanger 3 and then to the adsorber 4 to adsorb the impurity remaining in the gas phase of the cryoagent. Cryostatization of the adsorber 4 is carried out due to boiling in the bath 5 of the separated liquid fraction of the impurity supplied from the separator 2 through the heat exchanger 3 and the throttle valve 6.

Вышедший из адсорбера 4 очищенный криоагент после теплообменника 3 направляется потребителю или на доочистку от низкокипящей фракции примеси. The purified cryo agent emerging from the adsorber 4 after the heat exchanger 3 is sent to the consumer or for purification from the low boiling fraction of the impurity.

Очистку криоагента от низкокипящей фракции примеси можно осуществлять с помощью устройства, показанного на фиг. 2. Purification of the cryoagent from the low boiling fraction of the impurity can be carried out using the device shown in FIG. 2.

Газообразная фракция криоагента после первого отделения жидкой фракции примеси в отделителе 2 направляется в теплообменник 3 для охлаждения до температуры, которая выбирается из условия 1,02 T_пл <T <1,5 T_пл, где T_пл температура плавления примеси, а затем ее вновь направляют во второй отделитель 7, где сконденсированную жидкую фракцию примеси вторично отделяют и через дроссельный вентиль 8 и теплообменник 3 подают в ванну криостатирования 5, а газообразная фракция криоагента после отделителя 7 через теплообменник 3 направляется в адсорбер 4, откуда очищенный криоагент идет потребителю и вновь на доочистку.The gaseous fraction of the cryoagent after the first separation of the liquid fraction of the impurity in the separator 2 is sent to the heat exchanger 3 for cooling to a temperature that is selected from the condition 1.02 T _pl <T <1.5 T _pl , where T _pl is the melting point of the impurity, and then again sent to the second separator 7, where the condensed liquid fraction of the impurity is recovered and throttle valve 8 and the heat exchanger 3 are fed into the cryostat bath 5, and the gaseous fraction of the cryoagent after the separator 7 through the heat exchanger 3 is sent to the adsorber 4, open Yes purified cryoagent goes to the consumer and back to the advanced treatment.

Выбор предельных температур охлаждения криоагента в теплообменнике 3 объясняется тем, что при температуре T криоагента менее 1,02 T_пл возможно появление твердой фракции примеси в жидкости, которая приводит к "зашугиванию" аппарата и невозможности своевременного отвода жидкой фракции примеси из отделителя 7. При температуре криоагента более 1,5 T_пл увеличивается давление паров примеси в газовой фазе после отделения жидкой фракции, что ведет к увеличению нагрузки на адсорбер и, как следствие, к уменьшению времени его непрерывной работы или увеличению размеров адсорбера.The choice of limiting cooling temperatures of the cryoagent in the heat exchanger 3 is explained by the fact that, at a temperature T of the cryoagent less than 1.02 T _pl , a solid fraction of the impurity may appear in the liquid, which leads to the device “frightening” and impossibility of timely removal of the liquid fraction of the impurity from the separator 7. At temperature cryoagent more than 1.5 T _{PL the} vapor pressure of the impurity in the gas phase increases after separation of the liquid fraction, which leads to an increase in the load on the adsorber and, as a result, to a decrease in the time of its continuous operation or increase the size of the adsorber.

Очистку криоагента от низкокипящей фракции примеси можно осуществить и при помощи устройства, представленного на фиг. 3. Этот способ отличается от способа очистки по фиг. 1 тем, что газообразный криоагент после отделения жидкой фракции примеси в отделителе 2 направляют в смеситель 9, где его смешивают с потоком холодного криоагента от источника холода (не показан) и охлаждают до температуры ниже температуры, составляющей 0,98 T_пл (температуры плавления примеси), образовавшуюся при этом твердую фракцию примеси отделяют. Охлаждение криоагента до температуры выше 0,98 T_пл может привести к тому, что твердая фаза не образуется, и тогда оставшееся в газовой фазе количество примеси приведет к уменьшению времени непрерывной работы адсорбера.Purification of the cryoagent from the low-boiling impurity fraction can also be carried out using the device shown in FIG. 3. This method is different from the cleaning method of FIG. 1 in that the gaseous cryoagent after separation of the liquid fraction of the impurity in the separator 2 is sent to a mixer 9, where it is mixed with a stream of cold cryoagent from a cold source (not shown) and cooled to a temperature below a temperature of 0.98 T _pl (impurity melting temperature ), the resulting solid fraction of the impurity is separated. Cooling the cryoagent to a temperature above 0.98 T _pl can lead to the fact that the solid phase is not formed, and then the amount of impurity remaining in the gas phase will lead to a decrease in the time of continuous operation of the adsorber.

В способе очистки криоагента от примеси, осуществляемом в устройстве, схема которого представлена на фиг. 4, в отличие от способа, проводимого по схеме фиг. 2, криоагент после первого отделения жидкой фракции примеси в отделителе 2 вторично охлаждают в теплообменнике 3, затем дросселируют в дроссельном вентиле 10 и снова охлаждают в теплообменнике 11. Суть этого способа заключается в том, что в дроссельном вентиле 10 при понижении давления уменьшается плотность криоагента и она становится меньше плотности жидкой фракции примеси, благодаря чему облегчается процесс отделения примеси в отделителе 7. In the method for purification of a cryoagent from an impurity, carried out in a device, the scheme of which is shown in FIG. 4, in contrast to the method carried out according to the scheme of FIG. 2, the cryoagent after the first separation of the liquid fraction of the impurity in the separator 2 is secondly cooled in the heat exchanger 3, then throttled in the throttle valve 10 and again cooled in the heat exchanger 11. The essence of this method is that in the throttle valve 10 when the pressure decreases, the density of the cryoagent and it becomes less than the density of the liquid fraction of the impurity, which facilitates the process of separation of the impurity in the separator 7.

Таким образом, используя вышеуказанные способы очистки криоагента можно добиться поэтапного выделения примесей в виде жидкой фракции в отделителях жидкости и в твердом состоянии в смесителе, что дает возможность использования этих фракций как выходного продукта. Thus, using the above methods of purification of the cryoagent, it is possible to achieve a phased separation of impurities in the form of a liquid fraction in the liquid separators and in the solid state in the mixer, which makes it possible to use these fractions as an output product.

Способ не ограничивает процентное содержание фракций примеси, которое в ранее известных способах лимитировалось объемом адсорбера или временем его непрерывной работы, так как использование при криостатировании адсорбера отделенной жидкой фракции примеси создает наиболее благоприятные условия адсорбции, что способствует стабилизации работы адсорбера. The method does not limit the percentage of impurity fractions, which in previously known methods was limited by the volume of the adsorber or the time of its continuous operation, since the use of the separated liquid fraction of the impurity during cryostatization of the adsorber creates the most favorable adsorption conditions, which helps to stabilize the operation of the adsorber.

Кроме того, способ дает возможность очистки широкого спектра криоагентов, включая гелий, водород, неон, кислород, азот и пр. от примесей. In addition, the method allows the purification of a wide range of cryoagents, including helium, hydrogen, neon, oxygen, nitrogen, etc. from impurities.

Источники информации. Sources of information.

1. Патент РФ N 2009412 "Установка для очистки гелийсодержащих смесей от примесей", М. ВНИИПИ, 1994, Б. N 5. 1. RF patent N 2009412 "Installation for the purification of helium-containing mixtures from impurities", M. VNIIIPI, 1994, B. N 5.

2. Проспект фирмы "Linde AG" (KRYOTECHNIK) "Helium - Verflussiger/Refrigerator Standard III," Verfahrensbeschreibung. 1982. 2. Prospectus of the company Linde AG (KRYOTECHNIK) Helium - Verflussiger / Refrigerator Standard III, Verfahrensbeschreibung. 1982.

Claims

1. A method of purifying a cryoagent from at least one impurity by sequentially cooling the cryoagent, condensing and separating the liquid fraction of the impurity, heating the cryoagent and then adsorbing the remaining impurity in it, characterized in that the cryostatting of the adsorption process is carried out by cooling the adsorbent with the separated liquid fraction of the impurity.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cryoagent after the first separation of the liquid fraction of the impurity is secondly cooled to a temperature of 1.02 1.5 from the melting point of the impurity, after which the condensed liquid fraction of the impurity is secondly separated.

3. The method according to claim 1, characterized in that the cryoagent remaining after separation of the liquid fraction of the impurity is supercooled to a temperature below 0.98 of the melting temperature of the impurity by mixing with a stream of cold cryoagent from a cold source, while the resulting solid fraction of the impurity is separated.

4. The method according to claim 2, characterized in that after the first separation of the liquid fraction of the impurity, the secondary cooling of the cryoagent is carried out with a decrease in pressure.