Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее' время в отечественной и зарубежной криогенной технике проявляется повышенный интерес к неону. К традиционным областям промышленного потребления неона, таким как светотехника. газовые лазеры, устройства для получения глубокого вакуума, добавилось новое направление - использование неона как хладагента. Теоретический анализ рефрижераторных газовых циклов с турбодетандерами. проведенный в МГТУ им. Баумана, показал, что неон наиболее перспективное- рабочее тело для криогенных установок, работающих в диапазоне температур 24+43К. Перспектива внедрения криорезисторных и сверхпроводящих линий электропередачи делает актуальным вопрос о разработке эффективных, методов промышленного получения неона для его использования в качестве хладагента в мощных криогенных установках.,
.. Единственным источником получения неон*а является атмос
ферный воздух. Возможность' извлечения неона из воздуха связана
с наличием мощных воздухоразделительных установок (ВРУ), в ко
торых разделение осуществляется методом ректификации и нео-
но-гелиевая смесь является побочным продуктом разделения. Вве
дение в состав ВРУ дополнительного оборудования, позволяющего
наряду с азотом..кислородом, аргоном, криптоном и ксеноном по
лучать одновременно неон и гелий.1 повышает рентабельность их
эксплуатации. ~ ' !
С учетом доступности воздуха'как сырья, увеличения мощности воздухоразделительных установок, роста промышленного потребления неона и гелия одним из направлений исследований по совершенствованию ВРУ ' к- повышению их конкурентноспособности является совершенствование технологии переработки неоко-гелие-вой смеси. . '
Цель работы. При промышленном разделении нєоко-гєлиєеой смеси получили распространение две группы^криогенных методов:
конденсационный.' основанный на переводе неона в жидкое или .твердое состояние; -' '
адсорбционный, основанный на преимущественной адсорбции , неона на всех сорбентах при низкой температуре.
. В ходе предварительного . сопоставительного анализа было ' установлено, что, с одной стороны, коэффициент извлечения tr чистота продукционного неона на лучших конденсационных уста-..
новках превосходят аналогичные показатели адсорбционных установок. С друго.й стороны, достоинствами адсорбционных установок являются простота конструкции и условий эксплуатации, более высокая надежность, возможность полной автоматизации процесса и потенциальная возможность одновременного получения неона и гелия. Выполненный в настоящей работе анализ позволил выявить существование значительных резервов в адсорбционной технологии. Поэтому основная цель работа была сформулирована следующим образом: необходимо разработать адсорбционную технологию, позволяющую получать продукционные неон и гелий с коэффициентом извлечения, близким к единице, и получить данные, необходимые для разработки конкретных установок. Задачами исследования являлись:
- разработка математических моделей, численных' алгоритмов
и программ расчета процессов тепломассообмена при адсорбцион
ном разделении неоно-гелиевой смеси;
- сопоставление результатов расчета с известными решениями и экспериментальными данными для различных стадий адсорбционного цикла;
разработка адсорбционного цикла разделения, а также построение алгоритма и программы расчета, учитывающей особенности процесса тепломассообмена на каждой стадии цикла;
'разработка лабораторного стенда и экспериментальное определение изотерм адсорбции неона и гелия на промышленных сорбентах;
расчетно-теоретическое исследование основных стадий и всего адсорбционного цикла .в целом. Определение оптимальных параметров;
разработка принципиальной схемы адсорбционной установки и определение основных параметров ее работы;
внедрение результатов исследований.
Научная новизна работы заключается в следующих ее результатах:
- разработаны физические и математические модели процес
сов тепломассообмена в адсорбционных установках разделения би
нарной газовой смеси, учитывающие нелинейность изотерм адсорб
ции, тепловые эффекты адсорбции, внутридиффузионное сопротив
ление массог.еренссу, изменение рабочего давления в аппарате во
времен-.!;, , ' ; .
h, - . ' ,
разработаны устойчивые алгоритмы решения и программы расчета как отдельных стадий, так й. полного адсорбционного цикла разделения неоно-гелиевой смеси;
спроектирован и изготовлен лабораторный стенд для ис -следования равновесной емкости различных сорбентов объемным методом при криогенных температурах. Экспериментально получены изотермы адсорбции неона и гелия на активированном угле СКТ-4 и силикагеле КСМГ при температуре 77.4 и 90 К;
предложена методика исследований и обработки экспериментальных данных, и определены эффективные коэффициенты мас-сопередачи неона и гелия на активированном угле СКТ-4;
выполнены расчетно-теоретические исследования отдельных -стадий и полного адсорбционного цикла. Установлена возможность эффективного проведения процесса адсорбционного разделения в изотермических условиях при температуре 77,4 К, что позволяет упростить решение технических вопросов по теплоизоляции установки. Показана' возможность исключения из технологического процесса разделения неоно-гелиевой смеси стадий нагрева и охлаждения при регенерации , что позволило перейти на короткий адсорбционный цикл; .
разработаны адсорбционная технология; разделения неоно-гелиевой смеси и принципиальная схема установки для ее реализации, позволяющая получать "неон высокой чистоты" и "гелий марки К" с коэффициентом извлечения по обоим компонентам близким к единице. Определены оптимальные параметры работы установки. ..'-. ' \ *
Практическая ценность и внедрение результатов работы.Результаты работы внедрены на металлургическом заводе "Азов -сталь"(г.Мариуполь) при проектировании, изготовлении и эксплуатации установки адсорбционной очистки неоно-гелиевой смеси.
Автор защищает:
,- математические модели, алгоритмы решения-задач и программы расчета процессов тепломассообмена при разделении бинарной газовой смеси;
результаты экспериментального . определения иоотерм адсорбции неона и гелия ка активированном угле СКТ-4 и силикагеле КСМГ при температуре 77,.4 и "90 К; - .
методику определения эффективных коэффициентов массопе-
редачи неона и гелия, на основе решения задачи динамики сорбции с учетом внутридиффузионного сопротивления массобмену;
результаты расчетно-теоретических исследований процессов тепломассообмена для отдельных стадий и для полного адсорбционного цикла;
результаты расчетных исследований по определению возможности организации эффективного процесса адсорбционного разделения в изотермических условиях при температуре 77,4 К, позволяющих существенно упростить решение вопросов теплоизоляции;
результаты теоретических и расчетно-экспериментальных исследований, направленных на оптимизацию параметров работы адсорбционной.установки разделения неоно-гелиевой смеси.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и сводки основных результатов, списка использованной литературы и двух приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 21 таблицу, 27 рисунков, список использованной, литературы из 138 названий. Приложения на 3 страницах.