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 их содержание в воздухе, их извлекают попутно при получении азота и кислорода. Очищают от примесей и используют по назначению.

Гелий получают из гелиеносных газов природных месторождений.

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, т.к. 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. 4.11. Распределение концентраций аргона, кислорода и азота по высоте верхней части колонны двукратной ректификации воздуха

Поэтому отбор аргонной фракции осуществляют в том 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. 4.12.

Рис.4.12. Упрощенная схема подключения аргонной колонны к колонне двукратной ректификации воздуха:

1 – колонна двукратной ректификации; 2 – колонна сырого аргона

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 большая 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.

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

Состав и степень извлечения аргона зависит 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/час. 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 абсорбцией. Разделяют газы конденсацией или абсорбцией. Получают неон с чистотой 99,9%.

Гелий пока в промышленных масштабах извлекают из природного газа, где его около 0,1% (в некоторых месторождениях больше). Добыча гелия из воздуха дороже чем из газа в 20-30 раз.

Литература

1. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов – 2-е изд. М.: Энергоиздат, 1981.

2. Криогенные системы: Учебник для вузов по курсу "Криогенная техника"/ А.М. Архаров, В.П. Беляков, Е.И. Микулин и др. М.: Машиностроение, 1987.

3. Справочник по физико-техническим основам криогеники/ М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович, И.Б. Фрадков; под ред. М.П. Малкова. 3-е изд., перераб. и доп. М.:Энергоатомиздат, 1985.

[1] Карл Линде (1842-1934 гг.) Немецкий физик, профессор высшей технической школы г. Мюнхен. Считается основателем криогенной техники. В 1895 г. построил первую в мире сжижительную установку непрерывного действия для воздуха. В этом же году он ее запатентовал.

Английский физик Р.Хемпсон подал аналогичную заявку на 3 месяца позднее.

[2] Петр Леонидович Капица (1894-1984) выдающийся российский ученый, всемирно известный физик-экспериментатор, академик, дважды Герой Соцтруда, лауреат Государственной и Нобелевской премий, член 28 зарубежных академий, почетный доктор 11 университетов мира. С 1921 по 1934 гг. работал в знаменитой Квендишской лаборатории, где приобрел мировую известность, любовь и уважение самого Резерфорда. Им разработаны и изготовлены уникальные лабораторные приборы, разработан способ получения сверхсильных магнитных полей, открыто явление сверхтекучести.

Он один из основателей Московского физико-технического института. Большой организатор и педагог, яркий пример редкого сочетания крупного ученого и инженера. Основные результаты его деятельности не потеряли актуальности и сегодня.