автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Исследование и разработка безнагревной адсорбционной технологии разделения неоно-гелиевой смеси

КРИЮГЕИМЬ&ПШ]

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ л „ КРИОГЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Кусын Геннадий Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БЕЗНАГРЕВНОЙ АДСОРБЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОНО-ГЕЛИЕВОИ СМЕСИ

Специальность: 05.04.03 Машины и аппараты

холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Балашиха -1995

Р Г Б ОД

6 / поп

На правах рукописи УМ 536.24:621.593

Работа выполнена в Балашихинском научно-производственном объединении криогенного машиностроения

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Блазнин Ю. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Харитонов В. П.,

кандидат технических наук, доцент Чепура И.В.

Ведущее предприятие - АООТ Гипрокислород.

Защита диссертации состоится ' ______ 1995 г.

в час. _££. мин. на заседании специализированного ученого совета К 169.01.01 Балашихинского научно-производственного объединения криогенного машиностроения по адресу: 143900, г. Бапашиха-7 Московской области, Проспект Ленина, 67, НПО " Криогенмаш ".

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке НПО " Криогенмаш ". Отзывы на автореферат направлять по вышеуказанному адресу. Пропуск для участия в заседании совета необходимо заказать по телефонам 524-05-16, 521-11-84. При себе иметь паспорт.

Автореферат разослан __ 1995 г.

Ученый секретарь А! V !¡\ 1

специализированного совета, / [/{ I'ъМ М^ I кандидат технических наук I И. Ф. Кузьменко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 нео^а является атмосферный воздух. Возможность' извлечения неона из воздуха связана с наличием мощных воздухоразделительных установок (ВРУ), в которых разделение осуществляется методом ректификации и нео-но-гелиевая смесь является побочным продуктом разделения. Введение в состав ВРУ дополнительного оборудования, позволяющего наряду с азотом..кислородом, аргоном, криптоном и ксеноном получать одновременно неон и гелий.1 повышает рентабельность их эксплуатации. ~ '1

С учетом доступности воздуха'как сырья, увеличения мощности воздухоразделительных установок, роста промышленного потребления неона и гелия одним из направлений исследований по совершенствованию ВРУ ' повышению их конкурентноспособности является совершенствование технологии переработки неоно-гелие-вой смеси. . 1

Цель работы. При промышленном разделении неоно-гелиеЕой 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 и' чистота продукционного неона на лучших конденсационных уста-,.

4 . ■ : 3

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 работы 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 адсорбционном разделении неонр-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 процессов тепломассообмена в адсорбционных установках разделения бинарной газовой смеси, учитывающие нелинейность изотерм адсорбции, тепловые эффекты адсорбции, внутридиффузионное сопротивление «ассопереносу, изменение рабочего давления в аппарате во Бремен;;;, ; , .

- 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 цас-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 теплоизолАдаи 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 А" 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:

,- математически модели, алгоритмы решения-задач и прог- ' раммы расчета процессов тепломассообмена при разделении бинарной газовой смеси;

- результаты экспериментального . определения иоотерм адсорбции кеона и гелия на активированном угле СКТ-4 и силикагеле КСМГ прй 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.

Основное содержание работы

, Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы, цель и задачи работы, изложены основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В'первой главе рассмотрено современное состояние промышленных методов получения неона. Извлечение неона на крупных ВРУ сводится к двум основным операциям: отбору и обогащению неоно-гелиевой смеси и разделению неоно-гелиевой смеси-с получением чистого неона. В результате, проведенного анализа было установлено, что основное направление развития промышленных методов получения неона связано как с повышением эффективности извлечения, так и с совершенствованием технологии разделения.

Проведен обзор и сопоставительный анализ различных промышленных технологий разделения неоно-гелиевой смеси, основанных либо на конденсационном, либо на адсорбционном методе разделения. Установлено, что коэффициент извлечения неона и его чистота на современных конденсационных установках выше, чем на адсорбционные:. Однако, сак показал выполненный в работе анализ. существуют значительные резервы для улучшения параметров

с - '

адсорбционных установок:

- повышение эффективности использования адсорбционной емкости сорбента;

- снижение потерь неона;

- совершенствование и оптимизация•параметров ведения процесса;

- организация процесса при температуре жидкого азота и.следовательно, упрощение конструкции установки в части теплоизоляции.

- организация переработки фракций промежуточного состава.

Реализация намеченных направлений совершенствования поз- .

волит приблизить показатели работы адсорбционных установок разделения к показателям конденсационных. Одновременно такие достоинства-адсорбционных установок как простота, более высокая надежность, возможность полной автоматизации процесса и потенциальная.возможность одновременного получения неона и гелия повысят их конкурентоспособность по сравнению с конденсационными установками. Однако для реализации указанных направлений совершенствования требуется проведение целого ряда ис -следований.

В качестве основного метода при проведении исследований был выбран метод математического моделирования. В первой'главе проведен обзор опубликованных физико-математических моделей, описывающих динамику адсорбции. Установлено место математической модели для описания процесса разделения неоно-гэлиевой : смеси в общей классификации моделей, описывающих динамику тепломассообмена в зависимости от механизма массопереноса, изменения объема, температуры й давления. Отмечены особенности поставленной задачи; • низкая температура процесса (температура на различных стадиях адсорбционного цикла может изменяться в диапазоне от 63,3 до 293 К) и сильное влияние неона на адсорбцию гелия на различных сорбентах. Практически все математические модели используют для расчета процессов'тепломассообмена данные по адсорбционному равновесию газов на том или ином сорбенте. Выполненный обзор по адсорбционному равновесию неона и гелия позволил установить, что имеющиеся данные касаются ограниченного числа сорбентов в узком диапазоне изменения парамет-, ров. Для проведения расчетного анализа и оптимизации процесса адсорбционного разделения _ существующих данных недостаточно и требуется проведение дополнительных исследований ПО изучению

равновесия .на промышленных сорбентах.

; Зо второй главе разработана математическая модель пропсов .'тепломассообмена., при разделении неоно-гелиевой смеси, в которой ; учитшшотся. изменения температуры, давление и состав подаваемой'сме^и; Нелинейность изотерм адсорбции; внутридиффу-зионное.сопротивление массообмену; тепловые эффекты, связанные с,адсорбцией (.десорбцией) газов; теплообмен с окружающей средой. При разработке, моделей предполагалось, что отсутствуют продольный , градаент давления в слое и продольная диффузия, а мекду,газом и -частицами сорбента существует локальное терми-.ческое" равновесие... В рамках, одномерной нестационарной задачи процесс разделения;/описывается'моделью неизотермической неравновесной , адсорбции при. по-мощи системы дифференциальных уравне-

ний в частных производных: • ■ • '

с1и/а2+-и8/Юха(РУТ)/б1+(5р/Ут)хЗ(х,+х2)/31-0. ' .. (2.1)

■'^{иу,- с'еа^^ЭсРу» /Т-) /61+ (Бр/Ув) хЗх, /Э1-0. . (2.2)

■ Зх,/б1=};1х(х^-Х1); (2.3)

3х2!/|31=кгх(х!~хг); - (2.4) (3.(иСрГ) >3г+ (еБ/Ю х<Э (Ср Р) /д 1+ (5р/Уга) хЭ (ч (Ср а Т-Н)) /д I+

'ЗрСрзхдТ/^+лаЛх'т-Т^^О. (2.5)

х1=Гд(Р.У,.Т). ' (2.6)

Xгífг(P.У^.J). : 4 ' (2.7)

^У>+Ув-1. ' (2.8)

где ,Ср - теплоемкость газовой смеси; С3- теплоемкость сорбента:'; £рв " теплоемкость смеси в адсорбированной фазе; сЗ - диаметр адсорб.ера;- К1. к? - коэффициенты внутридиффузионной кинетики; К -эффективный коэффициент теплопередачи в окружающую среду:И - теплота адсорбции'; Р - давление адсорбата в газовой фазе; • Я - универсальная газовая' постоянная; Б - площадь поперечного ; сечения- адсорбера; Т - температура адсорбции; Ток-температура окружающей среды: с-- п. - мольная скорость газового потока; мольный объем при стандартных условиях; с - по-

роэность, слоя;1 р..» .насыпная плотнЬстьслоя; У! - мольная доля неона; 1 Хд - адсорбированное количество 1-го компонента; X,?,х2* - соответственно, количества азота и неона в адсорбированной фазе, 'равновесные газбвой. фазе.

1 ..Варьируя начальные и граничные условия, можно вести расчет все.к .стадий, различных технологических схем и моделировать кепрерышгай циклический- процесс.» '

Раэработалиая базовая математическая модель неравновесной

Рис. 1. Принципиальная схема стенда:

. 1 - 40-литровый баллон с газом; 2 - адсорбционная ловушка'; 3 - термостаты; 4 - мерная емкость; 5 -вакуумный насос; 6 - адсорбер; 7 - манометр; 8. 9 - манометры;' 10 вакуумметр.

неизотермической динамики адсорбции бинарной газовой, смеси требует для использования точных, значений параметров, описывающих теплопередачу через стенку адсорбера.' тепловыделения при поглощении и десорбции газов. внУтридиффузи'окное сопротивление массообмену. Определение этих параметров' представляе,гтрудную экспериментальную задачу. Поэтому 'выбор адекватно;Гмодели. удовлетворительно описывающей процесс адсорбционного разделения неоно-гелиевой снеси и. позволяющей, пренебречь второстепенными механизмами тепломассопереноса, являлся первостепенной задачей. . . . ,

На оснозе базовой модели были'разработаны:

- модель изотермической неравновесной.динамики и адсорбции Спнарной газовой смеси с учетом внутрйдйффузонного 1 сопротивления массопереносу, позволяющая пренебречь тепловыми эффектами адсорбции газов;

- модель неи^отермической равновесной динамики адсорбции бирзрной газозой смеси, позволяющая пренебречь внутриднффузи-' оншм сопротивлением массоперенбсу; . ' .." . • '-

- модель изотермической равновесной ' динамики адсорбции . ('.ш'.'.'.ряой" ' газовой о№сц, • позволявшая одновременно пренебречь

тепловыми эффектами адсорбции газов и внутридиффузионным сопротивлением массйпереносу. '

Во всех моделях используются данные по равновесной адсорбционной, емкости. В работе были исследованы адсорбционные свойства активированного угля СКТ-4, сидикагеля КСМГ по неону и гелию при температурах 77,4 и 90 К в диапазоне давлений от 0,1 до 1,2 МПа. Для снятия изотерм адсорбции был разработан и изготовлен лабораторный стенд (рис.1), в котором реализован объемный метод измерения. Использованная контрольно-измерительная аппаратура обеспечивала точность измерения 6+8%.

Для обработки -результатов исследований было применено модифицированное уравнение Ленгмвра:

а=атхвхР/(1+вхР) . где аш=А+В/Т; Ь=С+0/Т. Экспериментальные данные в пределах погрешности измерений описываются. использованной зависимостью. Результаты обработки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты модифицированного, уравнения Лёнгмюра

1 I Система I газ-сорбент' 1 1 «* 1 1 Коэффициенты 1

1 1 • 1 1 1 А ' 1 i 1 1 В - | 1 1 С D |

1 IНеон-СКТ-4 |Гелий-СКТ-4 ■ (Неон-КСМГ |Гелий-ксмт , L....................... ' 1 1 28,86 1 -114,2 1 -328,1 1 -18.0 J 1 1 2, 38x104 | 1 1,.49x10* | .1.3,21х10.4 | 1'2,З7х103 . | I 1 -6,28 -4,88 7,68 -7,50 1 389 . | 88,34 | -742 | 305,7 | 1

Результаты проведенных исследований показали целесообразность применения для разделения неоно-гелиеЕой смеси активированного угля"СКТ-4. Поэтому при .математическом моделировании ■ были использованы свойства указанного сорбента.

Для решения системы уравнений в частных производных применялся численный метод конечных разностей. В качестве шаблона . была выбрана неявная четырехточечнзя схема с "весами",. Все мо-, дели были'реализованы в виде программ расчета на ПК типа IBM :: ?С АГ386 на языке СИ. Для тестирования программ расчета было использовано аналитическое решение задачи равновесной изотер' ¡.маческуй даашш! адсорбции бмнарнсй газовой смеси с линейными

изотермами адсорбции, полученное в настоящей работе методом характеристик. Дополнительно для тестирования программ расчета. описывающих неизотермическую динамику адсорбции, были привлечены экспериментальные данные и результаты расчетов, полученные на основе классической равновесной модели Пана и Бас-маджана применительно к десорбции диоксида углерода из слоя активированного угля продувкой чистым гелием при температуре адсорбции.

Результаты тестирования (рис.2. 3) показали, что предполагаемые математические модели позволяют рассчитывать все стадии адсорбционного цикла, который предполагается исследовать при разработке безнагравной адсорбционной технологии разделения неоно-гелиевой смеси:

- стадия 1 - повышение давления в адсорбере;

- стадия 2 - адсорбция неоно-гелиевой смеси:

- стадия 3 - изотермическая Фракционированная десорбция' при понижении давления. Эти модели могут быть использованы для решения практических задач.

Результаты расчетов по разработанным моделям сопоставлялись с' известными экспериментальными данными по динамике адсорбции неоно-гелиевой смеси на угле СКТ-Д при температуре . 77.4 К и давлении 0.1 МГТа; динамике адсорбции неоно-гелиевой смеси на угле АГ-2 при температур« 63. ЗК и давлении 0.1 1 КПа. Сопоставлялись результаты по тепломассообмену при повышении давления в отвакуунирсванном адсорбере, заполненном активированном углем АГ-2 <Т~53.3К): тепломассообмену при изотерической Фракционированной десорбции неона на угле БАУ и АГ--2. В результате было установлено, что для проведения исследований и расчетов адсорбционных блоков разделения с достаточной для инженерных расчетов точностью" требуется использование изотермической неравновесной модели адсорбции бинарной газовой смеси с учетом внутрИдиффузионной кинетики.

Задача по определению коэффициентов внутридиФФузиокной кинетики была решена следующим образом. При проведении измерений- изотерм адсорбции объемным методом специально . Фиксировалась зависимость изменения давления во времени при соединении мерной емкости с отвакуумкрованкым. охлажденным адсорбером, заполненном активированным углем. Измерения.производилась в изотермических условиях. Используя.зависимость изменения давления во времени, и зная объемы всех элементов лабораторной уотанов-

1.0 --1

4,5

'Л'0.9 =

„-0.М

0.7 т

о.е..

м

тт I г I /*т I I.) I I |-г-т

0.0 0.5 1.0

• 1.0 п

>Г0.5 Н

0.0.

0.0

...........У=гА

~ГТ Г Г1 I "Г1 I I I I--Г7"Г ГГ-]

0.5 1.0

б

?»©. 3. Рьзшти« переходной ици уиеамыхкя (к) я уведхченяя (б) ддяден«*» 1-1 мам.} 2-2 мм.; 1-3 ыах.| 4-4 мм.; 5-5 ыим.; ---- . • акадатячесяо« решении * - расчет.

Рае. 3» ддгорягы* р«в#мад 4&д*чя «•адом»есообы«иА при десорбции»

^ •) прсфял* комцемгргци* • оачеияих адсорбераI 1 - 0,49 и; 2 - 1.1 м;

?»ыа*рд»ур»шв орофядщ 1 - 0,18 ш 2 - 0,49 щ -—,- - расчет и »деаграм*«« (?4}{ - - - рдачв* по мод,«а* < 2.21 } - ( 2.26 )..

ки. определяли объем газа, перешедший в слой сррбента. Динамика процесса массообмена в системе "мерная емкость - гребенка вентилей - адсорбционная капсула"•описывалась моделью изотермической неравновесной адсорбции. Варьированием коэффициента внутридиффузионной кинетики достигалось наилучшее согласование расчетных и экспериментальных данных. В результате обработки было установлено, что при температуре 77,4 К в диапазоне, давлений от 0,1 до 1.2 МПа коэффициенты внутридиффузионной кинетики на угле СКТ-4 для неона и гелия можно считать постоянными и равными соответственно: Рке=0,018 с'1; рНе"0,35 с"1. Полученные коэффициенты диффузии для неона и гелия удовлетворительно согласуются с данными Левченко В. Я., ' полученными для угля СКТ-7Б. Поэтому можно утверждать, что разработанная методика позволяет определять коэффициенты внутридиффузионной кинетики с достаточной для проведения инженерных расчетов точностью.

Таким образом, при выполнении работы, результаты которой изложены в главе 2. установлено, что для описания процессов тепломассообмена при адсорбционном разделении неоно-гелиевой смеси необходимо,применять модель изотермической неравновесной динамики адсорбции. Для ее использования определены все необходимые данные - изотермы адсорбции и коэффициенты внутридиффузионной кинетики.

В третьей главе для достижения поставленной цели - разработки эффективной безнагревной адсорбционной технологии разделения неоно-гелиевой смеси, позволяющей получить продукционные неоА и гелий с коэффициентом извлечения, близким к единице,-проведены расчетные исследования и анализ влияния основных териологических параметров процесса на технико-экономические показатели.

; В основе "классического" адсорбционного процесса разделения неоно-гелиевой смеси, реализованного в установках В.Г.Фас--товского и Е.Т.Леяровского. заложено положение о необходимости полной десорбции неона. При реализация этсго положения на промышленных установках разделения возникает целый ряд трудностей конструктивного и технологического плана, связанных с организацией нагрева и охлаждения слоя сорбента, Анализ современных достижений в, области исследования циклических адсорбционных процессов позволяет сделать вывод о том. что полнота десорбции примеси определяется требованиями к чистоте продукционных га-

J3

зов и приемлемой для реализации процесса величиной адсорбционной емкости сорбента. Поэтому в основу разрабатываемой технологии были заложены следующие положения:

- отказ от стадий нагрева и охлаждения и. следовательно, проведение процесса в изотермических условиях;

- переход на короткий адсорбционный цикл:

- разделение на более высоком температурном уровне (77,4 К) для упрощения конструкции установки:

- оптимизация параметров процесса.

Ныл разработан и подробно исследован адсорбционный цикл, состоящий из следующих стадий:

- набор давления продукционным гелием;

- адсорбция неоно-гелиевой смеси с отбором продукционного гелия:

- адсорбция неоно-гелиевой смеси с отбором продукционного гелия при последовательной работе двух адсорберов;

- сброс давления- с отбором фракций промежуточного состава на повторную переработку;

- сброс давлений и вакуумирование с отбором продукционного гелия. . .

. Исследования проводились в два этапа. Вначале исследовались основные стадии и Формировался адсорбционный цикл. Затем оптимизировались параметры работы установки.

Осноеной стадией. определяющей основные показатели работы установки, является стадия изотермической Фракционированной десорбции при понижении давления, так как на данной стадии идет отбор продукииснно'го неона. Выбор параметров ее проведения влияет на чистоту получаемого продукта, его количество и на-образующийся объем фракций промежуточного состава. Функциональная зависимость изменения давления от-времени при проведении десорбции предстазлена на рис. 4. В соответствии с ной стадия десорбции состоит из двух этапов: этапа.понинения давления от Рпах до Рв,„ со скоростью 8?/3t - const и этапа Баку-умирования при постоянном давленшгРа1п. При проведении исследований изучалось влияние начального давления Рпах, скорости изменения давления dP/iH и продолжительности стадии вакуумиро-ваяия на коэффициент извлечения кеона. Результаты расчетно-теоретических исследований представлены на рис. 5> 6/ Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- понижение-давления з слое сорбента необходимо проводить

как можно быстрее. Бремя лимитируется лишь гидродинамическими условиями, при которых истирание сорбента минимально;

- для достаточно полного извлечения HeoHà продолжительность стадии вакуумирования при постоянном давлении должна быть не менее 3 минут;

- коэффициент извлечения неона уменьшается с ростом рабочего давления Ртах на стадии насыщения. Поэтому с ростом давления Р„ах увеличивается обьем фракций промежуточного.состава, направляемых на повторнув переработку. С другой стороны, увеличивается эффективность использования адсорбционной емкости сорбента. Поэтому при исследовании циклического процесса, в котором учитываются технологические параметры на всех стадиях, а также объем и состав фракций, направляемых на повторную переработку, необходимо определить оптимальное рабочее давление процесса насыщения Рвах;

- применение на стадии адсорбции температуры неона ниже 77,4 К не дает явных преимуществ в технико-экономических показателях процесса. Кроме того, ведение процесса при температуре

<77,4 К приводит к существенному усложнению конструкции адсорбционного узла в части теплоизоляции.

При проведении исследований стадии адсорбции определялись условия, необходимые для получения продукционного гелия. Установлено, что увеличение продолжительности стадии вакуумирования при постоянном давлении Ря1п при десорбции до 4 минут позволяет понизить остаточное содержание неона в слое и обеспечить условия для получения "гелия марки А". Для формирования адсорбционного цикла были получены зависимости времени защитного действия адсорбера от проскоковой концентрации и рас'хода подаваемой неоно-гелиевой смеси.

; Исследование непрерывного циклического процесса проводи-лоЬь на основе трехадсорберной схэмы. Выбор обусловлен следующими обстоятельствами:

- для отработки адсорбционного слоя до полного насыщения используется стадия последовательной рабсти тух адсорберов;

' ' - более 20% смеси направляется на повторнув переработку, чтз увеличивает нагрузку на слой сорбента;

- для обеспечения требуемая полноты д^-сорС/ШР на она и получения продукционного гелия ^обходима мттьиай стадия изотермической фракционированной десорбции фи Елкуум'.фоазнии.

Исследования проводились в диапазоне давлений Рв„ от 0,1

100*^

•2.0

I. с

О 200 I 400 песо Глс. 4. Зашэтюсп «зяекгадо ¿азления ог вре-. .чвяч на :Г5Дкк десор&э« наоно-гелив-вей сиеси. использованная при проводки? расчетов

0,1 МП а 0,5 МПа

1,0 МПо

100

80

60

40

0 200 400

Рис. 5. Зависимость коэффициента извлечения ивэнч от продслхителькости стадии ва-куумирэь&ния и рабочего давления на стадии аасорОщи

90|100*£

во! _ 0,1 ЫГ1в-

60:

0.5 МПа

1,0 МПа

51) -

I

Г800

О <00

в е.тняшш прздолкигельностк СТЛЛНИ пэ-чик^нчя яавявкид (при Факсирозщном врежем вакууинрсраиия) и рабочего аау/енлч на коэЪлаиенг изэлечонил

НР'ИШ

40 п

3.0 -

20 ^

1.0

w.нuV•^ec

/X

\

МПа

Г -Т Т~1

1 о

о о ол

Рис. 7. Зависимость оСьема лврчрайчцшиемоЛ неоно-гелн^оа сцеси и вп»ч>ц> врч

«6НИ ОТ рэ1СЧвГО ДПе.1:*:1';'Я Н£-

разработанной адсорЯциоки^» у;ган;в-ке рзяделения

до 1.0 МПа. Результата математического моделирования представлены на рис. 7. Очевидно, что область'рабочих давлений.от 0.2 до 0.3 МПа оптимальна для организации процесса адсорбционного разделения неоно-гелиевой смеси. Технические характеристики предлагаемой трехадсорберной установки, работающей на температурном уровне 77,4 К, и классической.установки фастовского В.Г.. работающей при температуре 64.К. представлены.в таблице 2. Несмотря на более высокий температурный уровень предлагаемая установка значительно производительней. Полученный результат достигнут за счет полной переработки неоно.-гедиевой смеси, перехода на короткий цикл при проведении всего- процесса в изотермических условиях, эффективного использования адсорбционной емкости сорбента, а также за счет организации процесса при оптимальных рабочих параметрах. Все это свидетельствует о справедливости выводов, полученных в. ходе проведений предварительного анализа, и обоснованности выбршньи направлений совершенствования адсорбционной технологии, разделения.. '

На основе полученных результатов в работе .предложена принципиальная схема установки адсорбционного разделения неоно-гелиевой смеси и циклограмма переключения вентилей; .

В главе 4 рассмотрены возможные области применения ре- • зультатов. работы. Разработанные математические модели учитывают такие механизмы тепломассопереноса. • которые позволяют их использовать для расчетов процессов осушки газов, очистки водорода, получения азота и кислорода из воздуха. . очистки неоно-гелиевой смеси от азота методом безнагревной, адсорбции. Возможности моделей иллюстрируются сопоставлением результатов расчета и экспериментальными данными Рихтера; Сиеманз. зарегистрированными на адсорбционной установке', получения- азота методом безнагревной адсорбции.' Основной движущей силой, процесса тепломассообмена является различие в скоростях массопереноса-азота и кислорода в гранулах сорбента. ', В этом плане проведены расчеты наиболее сложного промышленного процесса разделения бинарной газовой смеси. .; . • ,

СВОДКА ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Построена иерархическая последовательность математических моделей, которая базируется на физических представлениях о процессах тепломассообмена в адсорбционных установках разд?лс-'

ния неоно-гелиезой смеси и учитывает специфику их реализации как для отдельной стадии, так и для всего адсорбционного цик- ' ла.

Разработаны численные алгоритмы и программы расчета циклического адсорбционного процесса разделения неоно-гелиевой смеси. Проведено сравнение результатов расчета с известными решениями и экспериментальными данными для каждой из стадий адсорбционного цикла и показано их удовлетворительное совпаде-• ние. Установлена возможность их использования при исследовании качественных и количественных характеристик работы адсорбционного блока разделения.

Разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследования статики различных сорбентов объемным методом. Проведено экспериментальное исследование равновесной емкости неона и гелия на активированном угле СКГ-4 и силикагеле КСМГ при температуре 77,4 и. 90 К. Получены изотермы адсорбции в диапазоне от 0; i до 1.2 МПа. Установлено, что для проектирования адсорбционных установок целесообразно использовать активированный уголь СКТ-4. ^

' Разработана методика обработки экспериментальных данных и определены эффективные коэффициенты массопередачи неона и гелия на активированном угле СКГ-4.

Разработана математическая модель циклического адсорбционного процесса теапомассообмена при разделении неоно-гелиевой .¿меси адсорбционным методом. Модель явилась основой нового метода численного исследования режимов работы адсорберов с учетом перехода на короткий цикл, работу в изотермических условиях' на более высокомЧемпературном уровне , и с повторной переработкой фракций промежуточного состава. ' - •

На основании теоретических и экспериментальных исследоба- , ний проведен анализ отдельных стадий адсорбционного цикла. Установлена возможность эффективного проведения процесса* в изотермических условиях при температуре 77.4 К'. Это позволяет существенно 'упростить решение технических вопросов теплоизоляции установки.

Установлено, что отказ, от нагрева при десорбции неоно-гелиевой .смеси позволяет повысить коэффициент извлечения неона -на этой стадии,, а также перейти та'более короткий адсорбционный цикл, что 'повышает эффективность использования сорбента. Определена область рабочих давлений, /наиболее оптимальных для

>ргайизацш процесса разделения неоно-гелиевой смеси.

Проведенные исследования позволили разработать адсорбционную технологию и предложить принципиальную схему установки для ее реализации, позволяющие получать кеон чистотой'99.994Ж об. и гелий чистотой 99.99455 об. - Коэффициент извлечения по обоим компонентам смеси близок к. единице. •

Показано, что разработанные модели имеют широкую область применения и могут быть использованы для расчетов установок осушки воздуха, очистки водорода, а также разделения вбздуха методом адсорбции с колебанием давления (PSA).

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях :

1. Исследование адсорбционных свойств силикагеля КСМГ и активированного угля СКТ-4 по неону и гелию //-Криогенная техника (проблемы и перспективы): Сб. науч. трудов / Под ред. канд. техн. наук. В. И. Сухова. Балашиха Моск. обл.: АО "Крио-генмаш", 1994. - С. 92-100. (Соавторы: Блазнии Ю. П.. Лапутина Н. И.). •

2. Низкотемпературное разделение неоно-гелиевой сиеси на основе метода PSA. // Криогенная техника (проблемы и перспективы); Сб. науч. трудов / Под ред. канд. теки. наук. В. И. Сухова,- Балашиха Моск. обл.: АО "Криогеимаш", 1994. - с. 101110. (Соавторы: Блазнин Ю, П., Наумов В. А.).

3. Моделирование процессов телло-и массообмена применительно к термической регенерации адсорбента от примеси // Проблемы криогенной техники: Сб.научн.тр./НПО "Криогенная". -Балашиха, 1988. С. 154-162. (Соавторы: Наумов В.А. .Петухов C.Z.).

4. Расчетное и экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена применительно к адсорбционной осушке зез-духа// Хим. и нефт. машиностроение, - 1990. -ИЗ,- С. 11-13. (Соавторы: Наумов В.А., Максимова Л, В.).

5. Оценка влияния неполноты десорбции влагк на эффективность работы цеолитсвого адсорбера для комплексной очистки воздуха в циклическом процессе // Установки и системы криогенной техники:. Сб.науч. тр./НПС "Криогеямаш'. - Белашха, 1S89. - С.112-12?, (Соавторы: Нзумов Б. А,, Максимова Л. В.,Воротын-цев В, Б,),

6. Исследование работоспособности БКО установки АК-7П при пониженной температуре регенерации цеолита '/ Кркошшнз про-

l'J

цессы и технология: Сб. науч. тр./НПО "Криогенмаш". - Балашиха. 1990. - С. 51-58! (СоавтЬры: Наумов В. А.. Воротынцев В. Б.. Че- ' лышев Т. Л.).

7. А.с. 1607/902.СССР. МКИ: В01053/04. Способ очистки криоагенга и устройство для его осуществления. - за-явл.11.01.1988. (Соавторы: Кирилов И.П.. Духанин Ю. И., Наумов В. А.).

,8. Naumov V. А.. Vorotynthev V. В.. Kusly G. V. Non-Isothermal regeneration of molecular sieve adsorbers In a cyclic process of air purification from moisture and carbon dioxide. -Gas separation and purification. 1994. v. 8, N 3, p. 167-174.