Патент на изобретение №2307698

(54) СПОСОБ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ ОТ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии сорбционной очистки газов и может быть использовано для получения инертных газов. Способ включает трехстадийный процесс разложения примесей: на первой стадии – легко разрушаемых кислородсодержащих при температуре 700-740°С, на второй стадии – углерод- и азотсодержащих при температуре 820-850°С, на третьей стадии – водородсодержащих при температуре 300-350°С, с адсорбцией продуктов разложения на каждой стадии поглотителем – активированным металлическим титаном. В качестве поглотителя может быть использован порошок титана фракции 1,0±0,315 мм. Весь процесс разложения примесей ведут при давлении 4-20 атм. Предложенный способ позволяет увеличить степень очистки инертных газов по водороду при сохранении высокой степени очистки от других газообразных примесей, повысить ресурс работы поглотителя и используемого оборудования, а также снизить энергопотребление. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии сорбционной очистки газов и может быть использовано для получения высокочистых инертных газов, применяемых в металлургии, медицине, электротехнике, светотехнике, сварочном производстве и других отраслях науки и техники.

Известны традиционные адсорбционные способы очистки инертных газов на различных сорбентах: активированном угле, цеолитах, алюмогелях, силикагелях и пр.

(см., например, Фастовский В.Г. и др. Инертные газы. – М.: АТОМИЗДАТ, 1964, с.207-219).

Кроме того, известен способ глубокой очистки ксенона от примесей органических соединений и компонентов воздуха с применением трехкомпонентного поглотителя, состоящего из активного оксида алюминия, цеолита КА и цеолита NaA, размещаемого чередующимися слоями.

(см. п. РФ №2242422, МПК С01В 23/00, заявл. 07.08.2003, опубл. 10.02.2005).

Наряду с указанными выше известен способ извлечения ксенона из газовой смеси, включающий процессы каталитического выжигания углеводородов, сорбционную очистку от влаги и двуокиси углерода (три слоя адсорбента: силикагель или цеолит марки КА, цеолит марки СаА или СаЕХ, цеолит марки NaX или СаТ), охлаждение и низкотемпературную ректификацию.

(см. п. РФ №2259522, МПК B01D 53/02, заявл. 06.02.2004, опубл. 27.08.2005).

Однако известные способы не обеспечивают высокой степени очистки инертных газов от водорода и других газообразных примесей из-за избирательного действия адсорбентов, а также многие из них сложны и энергоемки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей, включающий трехстадийный процесс разложения примесей: на первой стадии – легко разрушаемых кислородсодержащих, на второй стадии – углерод- и азотсодержащих, а на третьей стадии – водородсодержащих, с адсорбцией продуктов разложения на каждой стадии поглотителем – активированным металлическим титаном. Процесс проводят при атмосферном давлении (1 атм) и температуре: на первой стадии 750-800°С, на второй стадии 850-950°С, на третьей стадии 350-400°С, причем в качестве поглотителя используют губчатый титан.

Известный способ позволяет очистить инертный газ до остаточного содержания водорода 0,1×10^-4 об.%, при этом при температуре 950°С и выдержке 500 часов процент спекания поглотителя – губчатого титана – составляет 50%.

(см. п. РФ №2113270, МПК B01D 53/04, заявл. 06.08.1996, опубл. 20.06.1998, б. №17). Недостатки известного способа заключаются в:

– невозможности повышения глубины очистки по водороду;

– жестких температурных рабочих условиях;

– необходимости частой смены поглотителя из-за его спекания при температуре выше 850°С;

– сложности, трудоемкости и высоких материальных затратах при замене отработанного губчатого титана;

– высоком энергопотреблении;

– ограничении на применение аппаратурных материалов по жаростойкости и жаропрочности.

Задачей настоящего изобретения является увеличение степени очистки инертных газов по водороду при повышении ресурса работы поглотителя и используемого оборудования, а также снижение энергопотребления.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей, включающем трехстадийный процесс разложения примесей: на первой стадии – легко разрушаемых кислородсодержащих, на второй стадии – углерод- и азотсодержащих, а на третьей стадии – водородсодержащих, с адсорбцией продуктов разложения на каждой стадии поглотителем – активированным металлическим титаном, согласно изобретению весь процесс ведут при повышенном абсолютном давлении 4-20 атм и температуре: на первой стадии 700-740°С, на второй стадии 820-850°С, на третьей стадии 300-350°С.

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ в качестве поглотителя используют порошок титана фракции 1,0±0,315 мм.

Осуществление способа тонкой очистки инертных газов, таких как аргон, неон, криптон и ксенон, в заявляемых условиях позволяет:

– повысить степень очистки по водороду до остаточного содержания 0,05×10^-4 об.% за счет более полного извлечения водорода;

– сократить энергозатраты за счет уменьшения рабочих температур на всех стадиях процесса при увеличении абсолютных давлений, времени контакта газообразных примесей с поглотителем и оптимизации фракционного состава самого поглотителя;

– резко снизить спекание гранул порошка поглотителя (при температуре 850°С в течение 1000 часов процесса спекания не выявлено);

– 100%-ную выработку поглотителя за счет предотвращения спекания и увеличения времени контакта газообразных примесей с поглотителем (под давлением все примеси диффундируют в глубину зерна поглотителя, очищая поверхность зерна для поглощения следующих порций примесей),

– увеличить ресурс работы используемого оборудования.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Сущность заявляемого изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Возможность осуществления тонкой очистки инертных газов в заявляемых условиях на серийно выпускаемых аппаратах и вспомогательном оборудовании свидетельствует о соответствии предлагаемого изобретения критерию «промышленная применимость».

Заявляемый способ тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей прошел промышленные испытания в условиях газоперерабатывающего предприятия Уральского региона при использовании промышленных реакторов, заполненных поглотителем – порошком титана марки ПТХ-2.

На чертеже схематично представлено аппаратурное оформление заявляемого способа тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей.

Обозначения на чертеже:

1 – реактор для первой стадии процесса, работающий при температуре 700-740°С;

2 – реактор для второй стадии процесса, работающий при 820-850°С;

3 – реактор для третьей стадии процесса, работающий при 300-350°С;

4 – газоанализатор;

5 – манометр;

6, 7 – крионасосы;

8, 9 – баллоны для хранения очищенного газа;

10 – регулировочный вентиль.

Пример 1. Очистка ксенона от газообразных примесей.

Ксенон, содержащий Н₂O, CO₂, СО, СН₄, O₂ и N₂, в количестве 1×10^-2 об.% при абсолютном давлении 4 атм непрерывно подавали в реактор 1, где при температуре 700°С осуществляли разложение легко разрушаемых кислородсодержащих примесей (Н₂O и CO₂) с адсорбцией выделившегося кислорода порошком титана (расход газа 0,5 нм³/ч).

Очищенный от кислорода ксенон при абсолютном давлении 4 атм переводили в реактор 2, где при температуре 820°С проводили разложение СО и СН₄ с адсорбцией углерод- и азотсодержащих примесей при том же расходе газа, что и на первой стадии.

Затем очищенный от кислорода, углерода и азота ксенон при абсолютном давлении 4 атм непрерывно пропускали через реактор 3, в котором при температуре 300°С адсорбировали порошком титана водород с тем же расходом газа, что и на первой стадии. На выходе из реактора 3 содержание водорода в ксеноне составило 0,04×10^-4 об.%.

Очищенный от газообразных примесей ксенон кристаллизовали известным методом в крионасосах 6 и 7, откуда после газификации направляли на хранение в баллоны 8 и 9, при этом состав очищенного газа контролировали при помощи газоанализатора 4.

Давление в реакторах 1, 2 и 3 контролировали манометрами 5.

Остаточное содержание газообразных примесей в очищенном ксеноне составило, об.%:

– кислорода, воды, метана – 0,1×10^-4;

– окиси углерода, двуокиси углерода – 0,5×10^-4;

– азота – 0,3×10^-4;

– водорода – 0,04×10^-4.

Необходимая замена поглотителя производилась после прохождения 1000 нм³ очищаемого газа.

Пример 2. Очистка криптона от газообразных примесей.

Криптон, содержащий Н₂О, СО, СН₄, CF₄, О₂ и N₂, в количестве 1×10^-2 об.% при абсолютном давлении 20 атм непрерывно подавали в реактор 1, где при температуре 740°С осуществляли разложение легко разрушаемых кислородсодержащих примесей с адсорбцией выделившегося кислорода порошком титана (расход газа 1,5 нм³/ч). Очищенный от кислорода криптон при абсолютном давлении 20 атм непрерывно переводили в реактор 2, где при температуре 850°С проводили разложение и адсорбцию порошком титана углерод- и азотсодержащих примесей при том же расходе газа, что и на первой стадии.

Затем очищенный от кислорода, углерода и азота криптон при абсолютном давлении 20 атм. непрерывно пропускали через реактор 3, в котором при температуре 350°С адсорбировали водород и осаждали летучие фтористые соединения порошком титана при том же расходе газа, что и на первой стадии. Содержание водорода на выходе из реактора 3 составило 0,05×10^-4 об.%.

Очищенный от газообразных примесей криптон кристаллизовали, газифицировали и направляли на хранение в условиях, аналогичных примеру 1.

Остаточное содержание газообразных примесей в очищенном криптоне составило, об.%:

– кислорода, воды, метана и фтористого углерода – 0,1×10^-4;

– окиси углерода, двуокиси углерода – 0,5×10^-4;

-азота – 0,4×10^-4;

– водорода – 0,05×10^-4.

Необходимая замена поглотителя производилась после прохождения 3000 нм³ очищаемого газа.

Кроме того, проводили тонкую очистку инертных газов от газообразных примесей в условиях способа-прототипа (см. п. РФ №2113270) – см. примеры 3 и 4.

Условия и результаты осуществления способов приведены в таблице.

Как видно из приведенных примеров и данных таблицы, осуществление способа тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей в заявляемых условиях по сравнению со способом-прототипом (см. п. РФ №2113270) обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:

– увеличение степени очистки инертных газов по водороду в 10 раз при сохранении высокой степени очистки от других газообразных примесей;

– повышение ресурса работы поглотителя и используемого оборудования;

– снижение энергопотребления с одновременным уменьшением себестоимости производимой продукции;

– легкость замены отработанного поглотителя;

– простоту и безопасность осуществления способа при минимальной модернизации (введение в принципиальную схему регулировочного вентиля и манометров повышает надежность работы установки, предотвращает проскок водорода, обеспечивает улучшение других технических характеристик по глубине очистки).

Формула изобретения

1. Способ тонкой очистки инертных газов от газообразных примесей, включающий трехстадийный процесс разложения примесей: на первой стадии – легко разрушаемых кислородсодержащих, на второй стадии – углерод- и азотсодержащих, а на третьей стадии – водородсодержащих, с адсорбцией продуктов разложения на каждой стадии поглотителем – активированным металлическим титаном, отличающийся тем, что весь процесс ведут при повышенном абсолютном давлении 4-20 атм и температуре: на первой стадии 700-740°С, на второй стадии 820-850°С, на третьей стадии 300-350°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве поглотителя используют порошок титана фракции 1,0±0,315 мм.

РИСУНКИ