Процессов при получении особо чистых веществ

Основы теории и расчета ректификационных

Процессов при получении особо чистых веществ

В автономных криогенных модулях

Для ряда современных технологий в электронике, космической технике, в производстве полупроводниковых материалов требуются вещества особой чистоты.… В криопродуктах технической чистоты, поступающих на ректификационную очистку,… Так как тонкий процесс получения сверхчистых веществ оказывается нарушенным при любых изменениях режимных параметров…

Расчетное число теоретических тарелок

  В колонне I, где происходит отделение высококипящих примесей, среди которых… В колонне II, где кислород в основном очищается от аргона и азота, наблюдается значительная зависимость числа…

Состав продуктов разделения

 

Потоки	Концентрация, моль/моль
аргона	азота	кислорода	метана	криптона
Колонна I
Дистиллят	0,9999052	2,105·10–5	7,368·10–5	7·10–8	–
Кубовый остаток	0,9998013	–	2·10–8	9,868·10–5	1·10–4
Колонна II
Дистиллят	0,9982665	3,9983·10–4	1,33367·10–3	–	–
Кубовый остаток	0,9999962	4,5·10–8	3,755·10–6	–	–

 

В колонне I в отбираемом верхнем продукте (дистилляте, равном 95 % объема разделяемой смеси на входе в колонну), который идет затем на вторичное разделение в колонну II, криптона практически не содержится, а концентрация метана находится на уровне 7·10^–8 моль CH₄/моль. Конечный продукт разделения (кубовый остаток, равный 90 % объема разделяемой смеси), отводимый из колонны II, имеет концентрацию аргона на порядок выше, чем концентрация аргона высокой чистоты, получаемого на промышленных воздухоразделительных установках (ВРУ).

Несколько большее содержание кислорода в полученном аргоне особой чистоты, чем в промышленном аргоне высокой чистоты, объясняется тем, что в исходном составе разделяемой смеси концентрация кислорода была принята на порядок больше, чем лимитируется стандартом на аргон, производимый на ВРУ.

При получении сверхчистого аргона увеличение его концентрации в потоке питания приводит к уменьшению числа теоретических тарелок (рис. 6), причем характер влияния флегмового числа на n такой же, как и при получении сверхчистого кислорода.

 

Рис. 6. Зависимость числа теоретических тарелок

от флегмового числа при очистке аргона:

1 – 0,99; 2 – 0,999; 3 – 0,9999 моль Ar/моль

 

Учитывая то обстоятельство, что из низкокипящих примесей, содержащихся в азоте, инертные газы неон и гелий обычно не являются вредными для тех технологий, где используется азот особой чистоты, а очистка азота от микропримесей водорода может быть осуществлена не только методом низкотемпературной ректификации, в работе проанализирован лишь процесс очистки азота от высококипящих примесей оксида углерода и кислорода. Эта задача может быть решена в одноколонном автономном модуле.

Результаты проведенного анализа очистки азота показаны на рис. 7 в виде зависимости числа теоретических тарелок в ректификационной колонне от чистоты исходного азота и рабочего флегмового числа. При этом для всех рассчитанных режимов чистота продукционного азота составляла 0,9999999 моль N₂ / моль. Давление в ректификационной колонне было принято 150 кПа, а объем отбираемого азота особой чистоты составлял 95 % объема технического азота, поступающего на разделение.

Удельные затраты энергии в автономном модуле прежде всего зависят от параметров циркуляционного контура, свойств рабочих веществ и температурных напоров в конденсаторах колонн I и II. На рис. 8 показана зависимость удельных затрат энергии при использовании во флегмообразующем контуре воздуха или азота от величины флегмового числа в колонне II при различных значениях температурных напоров в нижнем конденсаторе-испарителе этой колонны.

Рис. 7. Зависимость числа теоретических тарелок

от флегмового числа при очистке технического азота

с объемной концентрацией азота:

1 – 97,0 %; 2 – 99,0 %; 3 – 99,5 %

 

Рис. 8. Зависимость удельных затрат энергии

от флегмового числа колонны II,

циркуляционного потока и разности температур:

1 – воздух; 2 – азот

Как показал анализ, увеличение флегмового числа выше 5–6 практически не вызывает существенного уменьшения числа теоретических тарелок независимо от исходной концентрации азота. При меньших значениях флегмового числа значительно возрастает число теоретических тарелок в колонне, которые могут обеспечить требуемую чистоту продукционного азота. Несмотря на то что при малых значениях флегмового числа циркуляционный флегмообразующий поток уменьшается, габаритные размеры ректификационной колонны значительно возрастут. Одновременно с увеличением числа ректификационных тарелок возрастет и гидравлическое сопротивление колонны, что потребует сжатия технического азота, подаваемого на разделение, до более высокого давления.

 

1. Способ получения кислорода высокой чистоты: А.с. 757817 СССР, МКИ F 25 J 3/04.

2. Борзенко Е.И., Будневич С.С. Производство сверхчистых газов криогенными методами. Расчет процесса /Тепломассообменные процессы в системах холодильной техники и свойства рабочих веществ: Межвузовский сб. науч. трудов. – СПб.: СПбТИХП, 1993. – С. 12–20.

3. Borzenko E.I., Akulov L.A. The analysis of account of the rectification process at production of superpure nitrogen in the independent cryogenic module. Cryogenics 2002, Praha, Czech Republic, 2002. – P. 71–79.

4. Будневич С.С., Савченко Ю.А., Шурубцов В.Н. Получение азота особой чистоты низкотемпературной ректификацией// Холодильная техника. – 1992. – № 9–10. – С. 29.

5. Budnevich S.S., Borzenko E.I. Production of superclean gases by cryogenic methods: Process calculation. Cryogenics, 1996, – V. 36. – № 8. – P. 635–638.