Получение аргона и других инертных газов

Содержание инертных газов в воздухе мало (см. табл. 1.1). Однако их широко применяют в народном хозяйстве. Поэтому, несмотря на малое содержание в воздухе, их извлечение попутно при получении азота и кислорода экономически целесообразно на крупных воздухоразделительных установках с расходом воздуха свыше 100000 м³/ч. Газы очищают от примесей и используют по назначению.

Все инертные газы одноатомны, их электронные оболочки предельно заполнены и прочны. Они безвредны, лишены запаха, диамагнитны.

В колонне двукратной ректификации эти газы распределены соответственно их температурам кипения (см. рис. 4.1). В газообразном виде остаются неон и гелий, так как их температуры кипения значительно ниже температур кипения кислорода и азота при тех же давлениях. Поэтому они постоянно скапливаются под крышкой конденсатора (см. рис. 4.9).

Рис. 4.9. Схема распределения компонентов воздуха в колонне двукратной ректификации

Криптон и ксенон, температуры кипения, которых выше температуры кипения кислорода, вместе с кубовой жидкостью поступают в верхнюю колонну. Вместе с кислородом они скапливаются в конденсаторе.

Аргон, температура кипения которого находится между азотом и кислородом, распределяется между ними и выводится из аппарата вместе с ними. Близость температур кипения аргона, кислорода и азота затрудняет получение чистого азота и кислорода, а также и выделение самого аргона.

В нижней колонне аргона мало (не более 1,5 % в паре и 2,5 % в жидкости), а в верхней – концентрация аргона переменна по высоте колонны. Схематично она распределяется практически во всех аппаратах так, как показано на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Распределение концентраций аргона, кислорода и азота по высоте верхней части колонны двукратной ректификации воздуха

Поэтому отбор аргонной фракции осуществляют в таком месте, чтобы его концентрация была наибольшей и как можно меньше было азота. На диаграмме видно, что отбор аргонной фракции ведется ниже максимальной его концентрации. Обычно в этой фракции 8 – 12 % аргона, до 0,5 % азота и не более 89,5 % кислорода.

Из полученной фракции получают сырой аргон в специальной аргонной колонне, в которой происходит его обогащение. Подключают ее к колонне двукратной ректификации в соответствии со схемой на рис. 4.11.

Для обеспечения процесса ректификации в межтрубное пространство конденсатора подается часть кубовой жидкости. Предварительно она переохлаждается азотом.

Пары фракции, поднимаясь вверх по колонне 2, обогащаются аргоном. Его бόльшая часть, конденсируясь, стекает флегмой вниз, а часть из-под крышки конденсатора отводится в виде сырого аргона. Флегма обогащенная кислородом, отводится снизу колонны 2 обратно в колонну 1. Пары кубовой жидкости тоже отводятся в колонну 1.

Рис. 4.11. Упрощенная схема подключения аргонной колонны к колонне двукратной ректификации воздуха:

1 – колонна двукратной ректификации; 2 – колонна сырого аргона

Сырой аргон содержит: 80–95 % Ar; 3–10 % N₂; остальное – кислород.

Состав и степень извлечения аргона зависят от типа воздухоразделительного аппарата. Коэффициент извлечения аргона составит для:

- установок высокого давления – 0,7 – 0,9;

- установок двух давлений – 0,5 – 0,55;

- низкого давления – 0,3 – 0,2.

Сырой аргон очищают от кислорода (его может быть до 10 %) либо химическим поглощением кислорода активными металлами, либо каталитическим окислением водорода.

Полученная смесь Ar+N₂ (5 – 10 %) – конечный продукт для электроламповой промышленности. Если нужно получить чистый аргон, то смесь подвергают опять низкотемпературной ректификации.

Существуют промышленные установки типа БРА с производительностью от 60 до 120 м³/ч. Кроме воздуха сырьем для получения аргона могут быть продувочные газы заводов синтетического аммиака.

Неоно-гелиевую смесь отводят из-под крышки конденсатора-испарителя колонны 1 (см. рис. 4.9) непрерывно или периодически. Состав смеси – 5 – 10% (Ne + He) (зависит от скорости отбора), остальное азот.

Азот конденсируют, при этом концентрация смеси доводится до 50 %, а коэффициент извлечения достигает значений 0,5-0,7. Соотношение гелия и неона в смеси 1: 3,4 – как в составе воздуха. При необходимости смесь можно еще обогатить и очистить от азота адсорбцией. Разделяют газы конденсацией или адсорбцией. Получают неон с чистотой 99,9 %.

Гелий пока в промышленных масштабах извлекают из природного газа, где доля гелия гораздо выше, чем в воздухе (около 0,1 %, в некоторых месторождениях больше). Выделять гелий из этого газа экономически выгодно уже при объемной доле гелия в природном газе более 0,05 %.

Добыча гелия из воздуха дороже чем из природного газа в 20 – 30 раз.