Введение к работе
Актуальность проблемы. Возросшие требования к .чистоте жидкого кислорода при использовании его в ракетной технике вызвали необходимость получения кислорода с содержанием диоксида углерода не более О, 2 млн . Такие же требования по чистоте жидкостных потоков после адсорберов предъявляются и к лсздухоразделительным установкам. Таким образом, очистка криогенных жидкостей от диоксида углерода должна обеспечивать задержку как кристаллов, так и растворенной части.
Очистка криогенных жидкостей от растворенных примесей осуществляется адсорбционным способом. Очистка от крупных кристаллов диоксида углерода в криогенной технике проводится методом Фильтрования на тонкостенных керамических и металло-керамических Фильтрах. Работы, выполненные в НПО "Криогенмаш" по определению фазового и дисперсного состава диоксида углерода в товарном жидком кислороде, показали наличие в нем наряду с раствором кристаллической мелкодисперсной Фазы диоксида углерода, составляющей 75... 85Х от обшего количества. Поэтому получить на фильтрах требуемую заказчиком чистоту жидкого кислорода по указанным кристаллам не представляется возможным, так как средний размер пор в этих Фильтрах значительно больше размс-ра кристаллов диоксида углерода. Применение л.пя очистки Фильтров из ПНС или ФНС с размером пор менее 5 мкм нецелесообразно, так как ресурс их работы весьма мал.
Р технике очистки сточных и природных вод для разделения суспензии применяют Фильтрование в слое зернистого материала (керамзит, лавовый шлак и др. ). Широкое использование данного метода обуславливается его высокой производительностью, экономичностью и технологичностью.
В криогенной технике вышеуказанный метод не применялся.
Решить задачу очистки криогенных жидкостей от диоксида углерода (как кристаллов, так и раствора) возможно, если в качестве средств очистки использовать аппараты с зернистой загрузкой-сорбентом, позволяющие совместить в одном технологическом аппарате (Фильтре-адсорбере) два одновременно протекающих процесса: фильтрование кристаллов диоксида углерода из
криогенной- жидкости в слое зернистого материала и сорбцию растворенной части диоксида углерода в зернах сорбента.
Цель работы - исследование и совершенствование процесса тонкой очистки криогенных продуктов от диоксида углерода в аппаратах с зернистой загрузкой-сорбентом. Задачами исследования являлись следующие вопросы:
выбор зернистого материала, обеспечивающего одновременно Фильтрование кристаллов в слое зернистого материала и сорбцию растворенной части диоксидахуглерода в зернах;
изучение динамики фильтрования из жидкого кислорода кристаллов диоксида углерода в слое зернистого материала;
получение данных, необходимых для расчета продолжительности защитного действия Фильтра-адсорбера в отношении кристаллов диоксида углерода до проскоковой концентрации;
определение степени вымываемости осадка кристаллов диоксида углерода, задержанных в слое зернистого материала, для выяснения вопроса о возможности проведения процесса регенерации загрузки от кристаллов потоком чистой жидкости;
проверка экспериментально полученной зависимости для определения времени защитного действия слоя на промышленных аппаратах и внедрение результатов исследований на действующих промышленных воздухоразделительных установках низкого давления и в системах очистки жидкого кислорода.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах :
определен Фазовый и дисперсный состав диоксида углерода в криожидкости и на основе этого выбраны средства очистки -аппараты с зернистой загрузкой, позволяющие совместить в одном технологическом аппарате (фильтре-адсорбере) два одновременно протекающих процесса: Фильтрование кристаллов диоксида углерода из криопродуктов в слое зернистого материала и сорбцию растворенной части диоксида углерода в зернах сорбента;
разработан способ определения объемной доли растворенной части примеси непосредственно в потоке криогенной жидкости и устройство для его реализаций (проточная кювета-криостат, А. С. 3Н4015гі). В совокупности с распространенным хроматогра-фическим методом «анализа это'позволило получать данные не-
посредственно об обшей, растворенной и кристаллической частях принеси в Фильтрате в процессе динанического опыта и исследовать при очистке процессы адсорбции принеси в зерне и Фильтрования кристаллов в слое зернистого материала;
выбран зернистый натериал-сорбент, обеспечивающий требуемую чистоту жидких криопродуктов в отношении диоксида углерода, и получена зависимость для определения продолжительности защитного действия Фильтра-адсорбера по диоксиду углерода;
определена степень вынываености осадка кристаллов диоксида углерода, задержанных в процессе Фильтрования в слое зернистого материала, потоком чистой криожидкости.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Экспериментально получена и подтверждена промышленными испытаниями зависимость для определения продолжительности защитного действия фильтров-адсорберов в отношении кристаллов диоксида углерода.
Разработана программа расчета на ЭВМ промышленных Фильтров-адсорберов с зернистой загрузкой по очистке жидкостных мотокоп от диоксида углерода.
Проведенные экспериментальные исследования позволили:
разработать технологический процесс очистки жидкого воздуха и кислорода от мелкодисперсных кристаллов диоксида углерода в адсорбере, загруженном зернистым материалом-сорбентом, включающий как обязательное условие наличие переохлажденной жидкости на входе и 'выходе из Фильтра-адсорбера;
увеличить рабочую кампанию Фильтра-адсорбера с 10 до 30... 15 суток;
получить требуемый заказчиком жидкий кислород с содержанием в нем диоксида углерода м^нее о,2 млн .
Результаты исследований внедрены:
на криогенных системах хранения и заправки жидкого кислорода ракетно-космического комплекса "Энергия-Буран" (17Г22, 17Г72 и др. ) путем установки жидкостных Фильтров-адсор-бррон, что позволило получить требуемый заказчиком жидкий кислород ^содержанием диоксида углерода не более 0,2 млн ;
на действующих воздухоразделительных установках низкого
давления (КААр-15, КАр-30, КтК-35-3 к др. ) за счет увеличения рабочей кампании Фильтров-адсорберов : Юяо 30...45 суток, что дало возможность уменьшить более чем в 1,5 раза затраты на электроэнергию при регенерации сорбента; -
на вновь проектируемых воздухораэделительных установках низкого давления и в системах хранения и заправки путем оптимального выбора рабочих параметров процесса и размеров аппарата на основе применения методики расчета промышленных Фильтров-адсорберов, алгоритма и программы их расчета на ЭВМ.
Автор зашишает:
результаты экспериментальных исследований по выбору зернистого материала, удовлетворяющего одновременно требованиям сорбции растворенной части диоксида углерода в зернах и Филь-тінжанию кристаллов диоксида углерода в слое зернистого материала;
результаты экспериментальных исследований но динамике Фильтрования кристаллов диоксида углерода в слое выбранного зернистого материала;
экспериментально полученную зависимость для определения продолжительности зашитного действия Фильтра-адсорбера;
результаты по определению степени вымываемое осадка кристаллов диоксида углерода, задержанных в слое зернистого материала в процессе Фильтрования, потоком чистой криожид-кости;
результаты экспериментальных исследований по влиянию растворения кристаллов диоксида углерода, задержанных в слое в процессе Фильтрования, на продолжительность процесса очистки;
результаты сравнения реального времени зашитного действия Фильтра-адсорбера на потоке жидкого воздуха промышленной установки КАр-30 с расчетным врененем зашитного действия.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV Всесоюзной конференции "Криогенная техника-87" (Москва, МГТУ им. Н.Э. .Баумана), на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Балашиха, НПО "Криоген-наш", 1906), на конкурсе научно-исследовательских, опыт-
но-конструкторских и технологических работ (Балашиха, НПО "Криогенмаш", 1989) на научно-технических семинарах Ленинградского технологического института холодильной промышленности (Ленинград. 1990) и Московского государственного технического университета (Москва, 1990).
Публикации, По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 4 авторских свидетельства.
Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, списка использованной литературы и 3 приложений. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, включая 17 таблиц, 24 рисунка и Ч Фотографии, список использованной литературы из 113 наименований. Приложения на 4 страницах.