автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Процессы переноса теплоты и массы в криогенных аппаратах нового поколения газоразделительных установок

на правах рукописи

Архаров Иван Алексеевич

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ И МАССЫ В КРИОГЕННЫХ АППАРАТАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05. 04. 03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2006

0.ОО6А

ъогТ

на правах рукописи

Архаров Иван Алексеевич

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ И МАССЫ В КРИОГЕННЫХ АППАРАТАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

05. 04. 03 — машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана на кафедре Э-4 « Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванов Владислав Иванович

доктор технических наук, профессор Нестеров Сергей Борисович

доктор технических наук, профессор Пеньков Максим Михайлович

Ведущая организация - ОАО «Криогенмаш», г.Балашиха Московской обл.

Защита диссертации состоится " " д_2006 г.

в -/"У час на заседании диссертационного Совета Д.212.234.01 в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий, 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, д.9, СПбГУ-НиПТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан сре£р<Э/7Я 2006г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор * /

Л.С. Тимофеевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Жесткие требования рынка и обостренная конкуренция среди мировых производителей криогенного оборудования, на фоне общих энергетических и экологических проблем, определяют современные технические и технологические тенденции в развитии криогеники. За последние 15 - 20 лет криогенная техника претерпела существенные изменения, связанные главным образом с появлением и внедрением новых технологий, новых требований к системам, машинам и аппаратам, и расширением областей применения промышленных газов. Целый ряд физических явлений и процессов, исследовавшихся в недалеком прошлом, в настоящее время получил практическое признание. Другим фактором технической эволюции является ужесточающаяся экономическая и, в первую очередь, энергетическая конкуренция со стороны химической и других отраслей промышленности, предлагающих альтернативные способы производства промышленных газов, разделения и очистки газовых смесей, выделения изотопов и т.д. без использования низких температур. Поэтому современный этап развития криогенной техники характеризуется усиленным поиском новых, экономически и энергетически эффективных решений, в том числе и при создании тепло-массообменных аппаратов, а рабочие процессы в аппаратах требуют дополнительных теоретических и экспериментальных исследований и соответствующих обобщений. Это позволяет определить перспективы дальнейшего их развития и совершенствования.

Начиная с 80-х годов XX века в криогенных воздухоразделительных установках (ВРУ) используются конденсаторы-испарители со стекающей пленкой и ректификационные колонные аппараты со структурированной насадкой. Как показывает опыт, их применение позволяет существенно (на 7...9%) снизить энергопотребление ВРУ и как следствие себестоимость азота, кислорода и аргона. Данные аппараты являются аппаратами нового поколения, протекающие в них процессы пока мало изучены, и это существенно сдерживает расширение внедрения новых энергосберегающих технологий в ВРУ отечественного производства. Исследования данных процессов были начаты автором в 1990 году на кафедре Э-4 « Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э.Баумана и продолжаются по сегодняшний день. Диссертационная работа обобщает более чем 15-летний теоретический и практический опыт, разнообразные исследования и разработки, выполненные непосредственно автором и под его руководством.

Цель работы заключается в развитии методов и способов интенсификации процессов тепло и массообмена в аппаратах нового поколения, обобщении результатов аналитических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы.

1. Получены новые экспериментальные и расчетные данные о локальных и интегральных коэффициентах теплоотдачи в конденсаторах-испарителях пленочного типа при малых температурных напорах 0,2 ....1,5 К в широком диапазоне расходов по пару и жидкости (5....25 г/с).

2. Разработан и создан специальный видеозонд и впервые визуально в рабочих условиях проконтролирована гидродинамическая обстановка в зонах конденсации и кипения (внутри и снаружи) трубы пленочного конденсатора-испарителя.

3. Впервые получены спектры экспериментальных значений толщин стекающей пленки конденсата, скорости ее изменения и распределение по высоте в зонах различного температурного напора, при различных расходах, с помощью специально разработанных оригинальных СВЧ датчиков. Получены также спектры значений паросодержания в потоках кипящего жидкого кислорода и конденсирующегося азота в зависимости от тех же параметров. Предложены методы расчета профиля пленки конденсата в различных элементах (частях) поверхности конденсации. Расчетным путем исследовано влияние геометрии оребрения на скорость, толщину и распределение пленки жидкости и на процесс теплообмена в целом.

4. Предложена, разработана и развита новая, более точная математическая модель процесса конденсации на оребренных (и рифленых) вертикальных поверхностях различной геометрии, в том числе и типа Грегорига, в условиях отвода теплоты в зону кипения. Обоснованы и экспериментально проверены методы интенсификации теплообмена со стороны конденсации на 15... 18% за счет частичного отвода жидкой пленки с рабочей поверхности и выравнивания её толщины по высоте всего аппарата.

5. Разработана и развита более точная математическая модель течения фаз и массопереноса в щелевом канале плоскопараллельной насадки.

6. Впервые предложена общая топологическая модель структурированной насадки. Обосновано применение теории минимальных поверхностей при проектировании и расчете топологии новых насадок.

7. Предложена и разработана математическая модель течения фаз и массопереноса в структурированных насадках на основании нового представления ее топологической структуры как упорядоченной комбинации элементарных ячеек - полуограниченных секционированных полостей. Сформулирован и обоснован новый подход к систематизации насадок на основании топологических свойств образующих их поверхностей.

8. Экспериментально изучена гидродинамическая обстановка и кинетика массо-обмена на разработанных типах насадок. Получены обобщенные зависимости коэффициентов массоотдачи в паре и жидкости в безразмерной форме; потерь давления и критической скорости пара при изменении параметров процесса разделения.

4

Экспериментально подтверждены теоретические положения для разработанной общей топологической модели структурной насадки.

9. Предложена физическая модель процесса десублимации неона при фазовом переходе газ - твердое тело на охлажденной до 5... 12 К поверхности. Получена новая экспериментальная информация по десублимации неона и о диффузии неона и гелия через кварцевое стекло в широком диапазоне параметров процессов. Практическая ценность работы.

1. Создана экспериментальная установка для исследования процессов кипения и конденсации в трубах промышленных конденсаторов-испарителей ВРУ нового поколения.

2. Разработаны оригинальные, защищенные патентами России, СВЧ системы для измерения толщин пленки конденсата и диагностики промышленных конденсаторов-испарителей. Предложены, разработаны и испытаны различные устройства отвода конденсата с поверхности трубы конденсатора-испарителя. Сформулированы конкретные рекомендации по количеству и частоте размещения этих устройств по высоте трубы.

3. На основании полученной в работе информации сделаны обобщения и даны конкретные рекомендации о предпочтительных диапазонах рабочих параметров конденсаторов-испарителей нового поколения с целью повышения производительности и снижения энергопотребления ВРУ

4. Разработана новая безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Спроектированы и изготовлены штампы, прессовая и технологическая оснастка для производства единичных поверхностей и формирования пакетов насадки. На созданном оборудовании изготовлены 19 видов насадки различных типов. Обосновано повышение взрывобезо-пасности воздухоразделительных колонн со структурной насадкой выполненной по новой технологии.

5. На основании предложенной топологической модели сформулированы принципы построения поверхности и формирования структуры, вновь разрабатываемых насадок под конкретную задачу. Установлено влияние гидродинамических, теп-лофизических и технологических факторов на выбор геометрической формы поверхности насадки. Предложены новые виды структурных насадок с периодическими минимальными поверхностями.

6. Создана экспериментальная установка для исследования процессов низкотемпературной дистилляции и ректификации в насадочных колоннах ВРУ.

7. Расчётным путём для метода мембранного разделения определены режимы получения неона чистотой 99,9997 об. %. Создан экспериментальный стенд для исследования одностадийного и многостадийного процессов мембранного разделения

неоно-гелиевой смеси на температурном уровне 292 - 350 К и давлении исходной смеси до 0,8 МПа, с возможностью вакуумирования полости пермеата до 1 Па. Обоснована возможность использования аппаратов с твердой мембраной (кварцевое стекло), как альтернативных традиционным, при обогащении неоно-гелиевой смеси в области малых расходов.

8. Разработан, теоретически обоснован и экспериментально апробирован новый оригинальный метод осуществления процесса десублимации неона, основанный на порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размеров зерен твердого неона, с целью повышения его чистоты. Создана полупромышленная установка разделения неоногелиевой смеси методом десублимации с производительностью 1 нмЗ/час по неону. На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов теплоотдачи при кипении и конденсации в конденсаторах-испарителях пленочного типа нового поколения при малых температурных напорах.

2. Решение задачи по определению профиля пленки конденсата в различных элементах (частях) поверхности конденсации и результаты анализа влияния геометрии оребрения на скорость, толщину и распределение пленки жидкости и на процесс теплообмена в целом. Результаты исследований распределения пленки жидкости на поверхностях кипения и конденсации, полученные с использованием разработанных СВЧ датчиков и видеозонда.

3. Способы реализации интенсификации теплообмена со стороны конденсации с использованием отвода конденсата с поверхности трубы конденсатора-испарителя.

4. Решения нестационарной гидродинамической задачи течения фаз и массооб-мена для полостей треугольного и круглого профилей структурированных насадок.

5. Методология и новый подход к систематизации насадок. Новые типы структурированных насадок для ректификации воздуха и основные положения разработанной безмасляной технологии формирования их поверхности.

6. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик разработанных типов насадок и кинетики массообмена на них бинарной системы 02^2 при низкотемпературной ректификации.

7. Результаты экспериментальных исследований диффузии неона и гелия через кварцевое стекло.

8. Обоснование нового метода осуществления процесса десублимации, основанного на периодическом порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размеров зерен твердого неона Результаты тестирования и работы полупромышленной установки разделения неоногелиевой смеси. Результаты эксперимен-

тальных и аналитических исследований десублимации неона на охлажденной до 5... 12 К поверхности.

9. Результаты технико-экономического анализа эффективности мембранного и десублимационного разделения неоногелиевой смеси в сравнении с традиционными способами.

Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Cryogenics», (Прага, Чехия, 1998, 2000, 2002, 2004 гг.); 17-й международной конференции по криогенной технике (ICEC17), (Бёрмаф, Великобритания, 1998 г.); XIX конгрессе Международного Института Холода IIR (Гаага, Нидерланды, 1995 г.); XX конгрессе Международного Института Холода IIR (Сидней, Австралия, 1999 г.); XXI конгрессе Международного Института Холода IIR (Вашингтон, США, 2003 г.); 12-ом симпозиуме по криогенной технике Американского института химического машиностроения (AIChE), (Атланта, США, 2000 г.); международном симпозиуме «Образование через науку» (Москва, Россия, 2005 г.), научных семинарах компании PRAXAIR, INC.(CIIIA, 1993, 1996), научных семинарах в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана на кафедре « Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» в течение 1990-2005 гг. Публикации. Общее количество работ опубликованных по теме диссертации - 44, в том числе разделы в 3 учебниках, 20 статей в научных журналах, 3 статьи в сборниках научных трудов, 13 - докладов в трудах международных и российских конференций, 5 патентов.

Личный вклад автора. Постановка научных задач экспериментальных и теоретических исследований. Решение основных теоретических, методических и практических вопросов, в том числе построение математических моделей и расчетных алгоритмов, расчет и проектирование установок и экспериментальных стендов, выбор режимов, способов измерений и проведение экспериментов, сбор, анализ и обработка информации. Автор разработал методологию и новый подход к систематизации насадок, рекомендации по интенсификации процессов тепло и массообмена в элементах аппаратов нового поколения. Автору также принадлежат: экспериментальные данные по низкотемпературной конденсации азота и кислорода на ореб-ренных поверхностях типа Григорига; конструкции интенсификаторов поверхности конденсации и способ их размещения на элементах конденсаторов-испарителей; конфигурация и структура 19-ти новых видов структурированных насадок; экспериментальные данные по их гидравлическим и массообменным характеристикам; новая безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Предложенные пакетные насадки изготовлены в МГТУ им. Н.Э.Баумана при непосредственном участии автора. Кроме этого, автор лично участвовал в экспериментальных и аналитических исследовани-

7

ях десублимации неона на переохлажденной поверхности, разработал концепцию и конструкцию полупромышленной установки разделения неоногелиевой смеси. Созданные автором в ходе работы над диссертацией СВЧ датчики контроля толщины жидкой пленки защищены патентами России. Работы, по материалам которых написаны перечисленные ниже разделы, выполнены в соавторстве: раздел 1.3 и параграф 2.3.2.2 с к.т.н. Е.С.Навасардян, раздел 1.4 с д.т.н. Гречко А.Г. и н.с. Емельяновым М.Г., раздел 3.2 с к.т.н. Михайловым А.В., раздел 3.3 с д.т.н. Бонда-ренко В.Л., параграф 2.6.1 с к.т.н. Козловым А.В.

Внедрение. Результаты работы внедрены при создании установок разделения, обогащения и очистки неоногелиевой смеси российско-украинской компанией «Iceblick», а также в учебном процессе кафедры «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э.Баумана. Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, списка использованной литературы из 185 наименований, и содержит 370 стр. основного текста, в том числе 134 рис., 25 таблиц и 2 приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость рассматриваемого научного направления, сформулирована цель диссертационной работы, дано представление об ее структуре, перечислены основные поставленные и решенные в ней задачи.

В первой главе подробно рассмотрены процессы кипения и конденсации криогенных жидкостей на развитых вертикальных поверхностях труб промышленных конденсаторов-испарителей нового поколения.

В разделе 1.1 проводится анализ особенностей теплопередачи в конденсаторах-испарителях криогенных установок разделения воздуха (ВРУ). Показано, что конденсаторы-испарители с падающей плёнкой (нового типа «down-flow») имеют определенные термодинамические преимущества перед традиционными аппаратами типа «пар-лифт». Основное отличие заключается в том, что и конденсация и кипение происходят в тонких слоях жидких пленок. В отличие от конденсатора-испарителя «пар-лифт», конденсатор-испаритель с падающей пленкой имеет приблизительно постоянные профили температуры, как со стороны кипящей, так и со стороны конденсирующейся среды (рис.1), что обуславливает возможность снижения температурного напора ДТШ.. При значительных размерах теплообменной поверхности температурный напор ДТ„, = AT*""^ —> ДТ°ра11Н. В ходе анализа установлено, что основным термическим сопротивлением, определяющим интенсивность процесса теплопередачи в конденсаторах-испарителях такого типа, является термическое сопротивление жидкой пленки стекающего конденсата. Поэтому, для

8

Рис. 1 Принципиальная схема конденсатора-испарителя с падающей пленкой типа «down-flow» и характерные профили температур: 1 - жидкий кислород 02; 2 - пар азота N2; 3 - конденсат N2; 4 -О-! пар+жидкость

интенсификации теплопередачи необходимы детальные исследования процессов формирования и поведения пленки конденсата на теплообменных поверхностях различной геометрии. Основная задача данной части работы сформулирована так: экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование, и обоснование выбора наиболее эффективных поверхностей конденсации вертикальных труб конденсаторов-испарителей ВРУ типа «down-flow», работающих при малых температурных напорах. С точки зрения практической целесообразности выделены приоритетные задачи настоящего научного исследования:

■ изучение зависимости толщины пленки конденсата от геометрической формы поверхности при экстремально низких значениях температурного напора «газ-стенка»;

■ определение рациональной геометрии поверхности конденсации по компактности, минимальному значению толщины образующейся

пленки конденсата и равномерности ее распределения;

■ определение коэффициентов теплоотдачи, для различных типов поверхностей конденсации и режимов работы.

В разделе 1.2 рассматриваются существующие методы моделирования, расчета и определения рациональной поверхности конденсации различной геометрии. Показано, что большинство расчетных моделей конденсации на гладком ребре сводятся к классической задаче Нуссельта, и непригодны для сложных геометрических поверхностей, так как предполагают постоянство толщины пленки конденсата. Другие расчетные модели основаны на теории рифленой поверхности Грегорига и позволяют проводить оптимизации формы поверхности конденсации как поверхности с максимальным коэффициентом теплоотдачи, рассчитываемым по площади

проекции рифленой поверхности (рис.2). В разделе рассмотрены расчетные модели конденсации Уэбба, Зенера и Лэйви, которые обладают значительными преиму-

а) б)

Рис 2 Пример вертикальной рифленой поверхности конденсации типа Грегорига (а) и ее поперечное сечение(б)

ществами по сравнению с моделью Грегорига и уже имеют практическое применение. Однако, как показал проведенный анализ, существующие модели не позволяют разрабатывать и оптимизировать современные эффективные поверхности конденсации, поскольку не отражают влияние геометрии поверхности на распределение пленки конденсата и, соответственно, на коэффициент теплоотдачи. Это в свою очередь затрудняет расчет и разработку новых аппаратов.

В разделе 1.3 на основании обобщения основных работ, связанных с попытками описания процесса конденсации на оребренной поверхности, изложена разработанная математическая модель, позволяющая проводить расчеты толщины пленки конденсата и коэффициента теплоотдачи для практически любого типа оребренной или рифленой поверхности в условиях сопряженного теплообмена в системе «конденсация-кипение». В предложенной модели поверхность контакта фаз рассматривается как пространственный цилиндр с образующей, в виде функции профиля (рис.3). При этом функция профиля поверхности раздела (рис.4.) описы-

Рис.З. Распределение пленки конденсата на поверхностях с различной геометрической конфигурацией ребер, а) треугольная; б) трапеции-далъная; в) прямоугольная; г) параболическая

у,мм

у.мм

. Ребро

х,мм

а) б)

Рис.4. Распределения пленки конденсата по ребру и аппроксимирующие его профиль полиномы.

а) ребро параболического типа

- дренажная канавка (линия ВС) у = 0,7б42х3 + 0,049¡х2 + 0,150бх + 0,0667 -ребро(линия АВ)у = 1,4109х3 - 5,6813х2 + 7,7498х - 2,593

б) прямоугольное ребро

- дренажная канавка(линия ВС)

у = 733,ЗЗх4 - 243,7х} + 27,056х2 - 0,8733х + 0,0703

- ребро(линия АВ) у = 1,6247х4 + 0,033х} - 7,842¡х2 + 6,8739х - 0,1589

вается двумя сопряженными полиномами, степень и коэффициенты которых определяются для каждой геометрической конфигурации ребра. Подробно описаны принятая физическая модель конденсации и метод определения коэффициентов полиномов. Геометрическая конфигурация ребра задана функциями вида

„ / \ (1-2 л)/(1-я)

/<*>-!•(?] . (о

Для некоторых, наиболее распространенных, профилей конденсации значения параметра п приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Наименование профиля Значение параметра п Уравнение профиля

Прямоугольное ребро 1Л «х) = р/4

Треугольное ребро 0 ВД=р/4 (х/Ь)

Вогнутый параболический 00 ад = р/4 (х/Ь)2

Выпуклый параболический 1/3 Р(х) = р/4 (х/Ь)1"

Течение пленки описывается уравнением

м-

Ж+ 1^1

ч 8Яг Я дЯ )

+ РШ = о

(2)

где иг - ненулевая компонента скорости, Я - абсолютное значение длины радиус вектора г (х,у), направленного из начала координат в точку на поверхности ребра.

Длина вектора R определяется как функция толщины пленки жидкости в дренажной канавке R = ~ + У), здесь d - диаметр дна дренажной канавки; t (х, у) - полиномиальная функция распределения пленки конденсата в дренажной канавке. Коэффициенты этого полинома определяются методом последовательных приближений при выполнении условия

X Z

VKm0 = / f (F(x, у) - fix, yj)dxdz (3)

где F(x,y) - полином, описывающий профиль пленки конденсата; z - вертикальная координата, гх = 0, z2 = Н; х - горизонтальная координата: для ребра X! = 0, х2 = р/4; для дренажной канавки Х] = р/4, х2 = р/2. Решение уравнения (2) имеет вид

U1{R)=PS

d с

z у

V

¿у] 1п(2Я/</) I 2) } 1^1 + 2^/</)} (4)

и позволяет для каждого участка поверхности Аг, определить мгновенный расход конденсата СкоиЛ

ь

С\оМ =и,г{К)\[Р{х,у)-/{х,у)\сЬс (5)

а

Результаты расчетов для ребер прямоугольного и параболического профилей представлены в виде номограмм, которые удобно использовать для определения рациональных размеров теплообменной поверхности. Расчеты поверхности трубчатого конденсатора-испарителя показали (рис.5.), что для каждых конкретных соотношений расходов жидкости и пара при фиксированной тепловой нагрузке существуют два граничных значения длины трубы Н* и Н1™, соответствующие максимальному и минимальному коэффициентам теплопередачи (Кшах,Кшш). Высота Н* характеризуется минимальной толщиной пленки жидкости и соответствует максимальной эффективности поверхности конденсации К = К шах. Высота Н1"11 соответствует предельному состоянию, когда происходит переполнение дренажной канавки конденсатом и наблюдается 10 кратное ухудшение теплообмена К11т = 0,1 К тах, т.е. поверхность перестает работать. Предложено ввести значение критической высоты Н, определяющее границу рациональных значений К в соответствии с условием: при г > Н , К < 0,5 К тах. Модель также позволяет определять значения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи с учетом изменяющихся по высоте толщин пленки конденсата и температур.

Раздел 1.4 посвящен экспериментальному исследованию теплопередачи в трубах конденсаторов-испарителей с различной геометрией поверхности со стороны конденсации. Задачи экспериментального исследования были сформулированы следующим образом:

определить распределение температур на стенке вертикальной трубы в продольном направлении;

непосредственно измерить толщину пленки конденсата на поверхностях определенной геометрии и установить ее зависимость от параметров сопряженных процессов конденсации и испарения;

получить эмпирические зависимости локальных и интегральных коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи от параметров рабочего режима;

определить значения предельных расходов по пару и конденсату. Для испытаний были взяты образцы промышленной трубы «hi-flux» компании PRAXAIR Inc. (USA), которые уже используются в конденсаторах-испарителях крупных ВРУ. Учитывая повышенную сложность низкотемпературного эксперимента, для решения поставленных задач, автором был выполнен большой объем подготовительных, расчетных и проектно-конструкторских работ. Основными этапами являлись:

подробная разработка методики испытаний и измерений, так как в публикациях эта информация отсутствует;

проектирование и изготовление специального экспериментального стенда с возможностью варьирования параметров в широких диапазонах;

13

разработка и создание специальных, принципиально-новых измерительных и регистрирующих средств: СВЧ - датчиков толщины пленки жидкости, емкостных датчиков уровня (авторские разработки, на которые получены два патента России) и видеозонда;

разработка и создание специальной автоматизированной контрольно-измерительной системы сбора и обработки информации (ввиду различия типов регистрируемых сигналов, большого количества параметров и объема полученных данных).

Результаты выполнения каждого этапа отражены в соответствующих параграфах данного раздела.

В разделе 1.5 приводится количественная оценка погрешности эксперимента и предлагаемого расчетного метода. Поскольку при регистрации параметров процесса конденсации использованы специальные авторские средства измерений, был выполнен подробный расчет погрешности измерительного канала. Установлено, что при определении коэффициентов теплоотдачи экспериментальным путем погрешность измерений не превышала 30%.

Раздел 1.6 посвящен анализу и обобщению полученных расчетных и экспериментальных данных. Получены новые экспериментальные и расчетные данные о локальных и интегральных коэффициентах теплоотдачи (рис.6) в конденсаторах-испарителях при малых температурных напорах 0,2.... 1,5 К, в широком диапазоне нагрузок по пару и жидкости (5....25 г/с), и при значениях расходного фактора

0,3 < § = = 2 4,0. Установлено, что существующие методы расчета про-

цесса конденсации малопригодны для поверхностей со сложной геометрией, так как обладают большой погрешностью (более 100%). Сравнение результатов расчета по предложенной модели с экспериментальными данными показывает, что расхождение составляет от 5 до 25%. В целом модель дает несколько завышенные значения коэффициента теплоотдачи, что может быть обусловлено принятыми в ней допущениями. На примере труб «Ы-йих» подробно исследована зависимость коэффициента теплопередачи К от общего температурного напора ДТ (рис.7) при различных расходах по пару и жидкости. Обобщение экспериментальных данных позволило установить вид аналитических аппроксимаций: коэффициент теплоотдачи при конденсации

где А' и В' постоянные числовые коэффициенты. Для постоянных значений фактора расхода получено

(6)

|=1; А'=3500; В'=0,48 | = 0,8; А'=3100; В'=0,4 й = 0,6; А'=3000; В'=0,28

I 6000.00

9 4000 00

!

О 00 О 25 0 50 0.75 1 00 1 25 1.50

Темперпурный напор со стороны конденсации ДТ«*, [К]

Рис. 6. Зависимость коэффициента теплоотдачи со стороны конденсации от соответствующего температурного напора: экспериментальные значения фактора £: »-0,5; Л-0,7; Ф -1,0; - соответствующие аналитические аппроксимации по уравнению (1); + - экспериментальные значения при различных §;

I—расчет по теории Нуссельта; II- расчет по зависимости Кутателадзе, III- расчет по теории Грегорига; I - расчет по предложенной модели.

при больших значениях |, А'= 3500...8000 при В'= ¡<1ет=0,48. В области малых

значений отмечено, что В'—» 0,25.

коэффициент теплопередачи в трубах типа «М-/1их»

\-2

К = /{й,АТ)=Сх(§ + С2)

где С! и С2 числовые константы, зависящие от ДТ (таблица 2)

е\ 45(¿+С2Г2

(7)

Таблица 2

ДТ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.0

С, 30500 25500 22000 17500 15900 15100 14300

С2 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

На основании уравнения (7) построена номограмма К-1 (рис.8). Для определения верхней и нижней рациональных границ применимости труб «Ы-Яих» предложены соответствующие условия:

для верхней ^ ^ Л~21 5 0,01 К для нижней К = 0,5 К^

Проведенный анализ экспериментальных данных позволил установить вид обобщающего уравнения (может рассматриваться как альтернативное эмпирической зависимости (7)), и определить его коэффициенты

. / ~ \o,4i Re„

Nu = 2,15 10 "4 [Ga к Prj • -2-

Re „

Pr,

Pr„

0,25

Nu

где

А P-a 1 L^Vn,-1™)

* 8000 OO ■

:

Расход гаюобразмого к Gw-i ir/cj

К-10000 <"•

О SO 1 OO 1 SO 2 OO

Общий температурный шпор 1T ,|К]

Рис. 7. Зависимость коэффициента теплопередачи от общего температурного напора. (Расход жидкого кислорода: о - 4,0[г/с]; ▲ - 4,5[г/с]; 6,0[г/с]; === соответствующие аналитические аппроксимации; + - экспериментальные значения при различных L02

ООО —>-f

1 00 2 00 3 00 4.00

Рис.8.Номограмма значений коэффициента теплопередачи трубы «Ы-/1их» в зависимости от расходного фактора (по уравнению 7).

Разработанные системы визуализации и измерения толщин пленки

позволили впервые получить спектры экспериментальных значений толщин стекающей пленки конденсата и ее распределение по высоте в

зонах различного температурного напора, при различных значениях фактора расхода, а также установить закономерность и скорость ее изменения (рис.9). На спек-

Рис.9 Спектры значений толщины пленки конденсата(а) (жидкого азота) и испаряющейся жидкости (в)(кислорода) при различных § и АТ. Соответствующие векторные диаграммы (б) и (г) скорости изменения толщины пленки в диапазоне рациональных параметров £ и АТ.

тральные диаграммы нанесены линии постоянных значений толщины пленки, которые позволяют определить скорость изменения этого параметра в зависимости от теплового режима. Скорость изменения толщины пленки жидкости на обеих поверхностях является характеристикой устойчивости режима. Установлено, что эта зависимость имеет нелинейный характер, что дополнительно ограничивает диапазон допустимых значений | и ДТ. Так в области 0,6 <. § ^ 1,2 и 0,8 < ДТ < 1,3 К возможно варьирование этих параметров без риска нарушения режима течения жидкой пленки. Скорость изменения толщины пленки близка к постоянной. В тоже время для областей |>1,3 и ДТ > 1,2 К стабильность существенно ниже и незначительные изменения параметров приводят к резкому сокращению толщин пленок и нарушению гидродинамического и теплового режимов. Впервые также получены спектры значений паросодержания потоков кипящего жидкого кислорода и конденсирующегося азота в зависимости от тех же параметров (рис.10).

В разделе 1.7 дано описание и обоснование выдвинутых автором предложений по интенсификации процесса конденсации за счет периодического удаления жидкости из канавок профиля трубы «Ы-Яих» (рис.11). Изложены результаты экспериментального исследования теплопередающих характеристик трубы конденсатора-испарителя в зависимости от количества точек отбора конденсата. Даны конкретные рекомендации по реализации предложенного метода в промышленных

17

• I и 1 1.2 и и и 2 11

таииф«ту|мм| нам? АТ [К1

0.4 0в 04 1 и и 1.« и О&кяй ттящщптЛ чящ ат. р(|

Рис. 10 Спектры значений паросодержания потоков жидкого кислорода (а) и жидкого азота (б).

0«щ|* смнмямЛ «ш« ДТ 14

Рис.11 Общий вид и характеристики труб с различной поверхностью конденсации. (к,- труба «Ы-/1их» с дисками (Н*=120мм); о - стандартная «Ы-/1их» труба; - труба с игольчатым оребрением; •- труба с гладкой поверхностью).

конденсаторах-испарителях и приведены конструкции экранов отвода конденсата (рис.12). Предварительные эксперименты на опытном образце конденсатора показали, что при установке дисков и экранов металлоемкость изделия возрастает не более чем на 1% (по массе), а тепловая нагрузка аппарата возросла в среднем на 18%. В конце первой главы сформулированы основные результаты и выводы. Таблицы результатов экспериментальных исследований «Ы-Пих» трубы приводятся в ПРИЛОЖЕНА 1.

Вторая глава посвящена исследованию процессов тепло и массопередачи на регулярных насадках колонн дистилляционных установок.

В разделе 2.1 рассматриваются основные виды насадочных колонн ВРУ и существующих насадок. Излагаются преимущества колонн со структурной насадкой перед тарельчатыми и насыпными аппаратами. Приводится предложенная ав-

ВидА

Вид А

б)

в) г)

Рис. 12 Виды экранов отвода конденсата а - гладкий круглый перфорированный или сетчатый экран; б — гофрированный перфорированный экран; в - пластинчатый сотовый экран; г -различные формы отверстий и профили гибки.

тором классификация насадок и характеристики некоторых, промышленно освоенных типов.

В разделе 2.2 на основании анализа и обобщения многолетнего отечественного и зарубежного опыта производства и эксплуатации структурных насадок автором сформулированы подробные технические, технологические и экономические требования, которым они должны соответствовать. В ходе анализа существующей информации установлено, что:

■ регулярные пакетные гофрированные насадки для колонн ВРУ обладают преимуществами в гидродинамических, технологических, массо-габаритных аспектах, и поэтому данная структура предпочтительна для вновь проектируемых насадок;

■ выбор топологии (геометрии канала и структуры всей насадки) носит, в настоящее время, преимущественно интуитивный характер, основанный на полуэмпирических результатах и логических умозаключениях;

■ отсутствие теоретического обоснования выбора топологии и геометрических размеров насадок существенно осложняет создание и проектирование новых насадок для процессов разделения конкретных смесей;

■ эффективность насадок (ВЕП и ВЭТТ) определяется экспериментальным путем и для многих видов насадок анализ влияния на нее топологии отсутствует;

■ ограничена или отсутствует информация по обоснованию выбора материала насадки для конкретных процессов разделения;

■ создание новых эффективных насадок возможно только на основе многофакторной оптимизации.

Определены задачи данного раздела научного исследования.

■ Сформулировать и обосновать общую модель структурной насадки с использованием аппарата геометрической топологии и теории групп;

■ ввиду отсутствия надежной модели тепло-массопереноса в отмеченной структуре, попытаться использовать новый подход математического описания рабочего процесса в виде рассмотрения гамильтоновых систем на конечномерной топологии;

■ на основании разработанной модели ввести новую систематизацию геометрических типов насадочных структур;

■ связать гидродинамические, теплофизические, технологические требования к насадкам и их фактические параметры с геометрией поверхности и структурой объема;

■ предложить методику формирования структуры и поверхности насадки под конкретную задачу;

■ разработать несколько новых видов пакетных насадок на основании сформулированного подхода;

■ экспериментально проверить работоспособность новых насадок и правомерность сделанных заключений и выводов.

В разделе 2.3 рассмотрены современные аспекты моделирования процессов тепло- и массообмена в двухфазной системе на регулярной структурной насадке. Анализируются особенности выбора системы координат для описания рабочего пространства регулярных насадочных структур. Разработана и развита более точная математическая модель течения фаз и массопереноса в щелевом канале плоскопараллельной насадки. Общая система уравнений тепло - и массопереноса записана в виде:

— = -У-р>и или -— = +

<1т 8т

ат 3

ат ат

нш

(10)

ат

здесь и и g - тензоры скорости и вынуждающей силы; р- плотность; Р - давление; Тж, Тп - температуры жидкости и пара; Г]- вязкость;

W - концентрация; т- время; О - коэффициент диффузии; Е- диссипативная энергия трения; X - коэффициент теплопроводности; /?- объемный коэффициент тепло-

вого расширения; <7 - интенсивность внутренних источников теплоты; у/ - интенсивность локальных узлов концентрации компонентов; ср - теплоемкость. Модель учитывает особенности распределенного течения в щелевом канале насадки, связанные с конструктивными параметрами канала, в том числе и наличие центров возмущения (источников и стоков) движения жидкости. Для предложенной расчетной модели щелевого канала, с учетом принятых допущений, система уравнений (10) приведена к виду для жидкой пленки

ди

дх

ж., _

ду

= 0

и*

дих

дх

-+и

диЛ

ж.,

ду

д2их.

: ду'

дЦ2 " ду

~8

ж'* дх ж,у ду * для паровой фазы

ди„

ду2

(И)

и,

и,

и,

_ ди„у

дх ду

эи„,

' дх

дТП дх дРГ,„

+ и„

дип, 3(7Ял

+ (-1)"

+ и

дТг,

п.у

ду

+ и.

д(Г„

= к,

д2Тп

' а 2

ду

+ £>С„

д^п дТп ду ду

дх " ду ду2

Для описания локальных центров возмущения массовых потоков (компонент скорости иг) предложено использовать классические представления об обтекании сферы потенциальным потоком (задача Стокса) и модель потенциального поля Ньютона. Для частного случая (без отбора или притока массы в канал) получены численные решения системы (11).

Предложена и разработана математическая модель течения фаз и массопере-носа в структурных насадках на основании нового представления ее топологической структуры как упорядоченной комбинации элементарных ячеек - полуограниченных секционированных полостей (рис.13). Для полостей треугольного и круглого профилей построены векторные диаграммы скоростей и получены численные решения для полей давления и концентрации (рис.14). Также рассчитаны интегральные (по объему ячейки) коэффициенты массоотдачи в паровой и жидкой фазах. Для ячейки круглого профиля они составили: рп = 3,7 [1/с] и рж = 0,05 [1/с] (при средней толщине пленки жидкости 0,087 мм).

Элементарная ячейка

Ламинарный слой жидкости

Граница раздела фаз

Рис 13 Общий вид рассчитываемой структурной насадки (а), конечно-разностная сетка (б) составленная из кубических вычислительных ячеек; качественная схема течений внутри ячейки (в).

Рис. 14 Поле скоростей и давление пара в ячейке круглого профиля, а) - общий вид; б) - среднее сечение ячейки.

Раздел 2.4 посвящен разработке и проектированию новых структурных насадок на основе анализа гидродинамической обстановки в контактных элементах рабочих ячеек. Впервые предложена общая топологическая модель структурной насадки как стратифицированного многообразия С с особенностями, точками которого являются элементы гладких симплектических многообразий М1п и связные замкнутые множества X. Установлена физическая сущность точек пространства С.

На основании предложенной топологической модели сформулированы и обоснованы принципы построения поверхности и формирования структуры, вновь разрабатываемых насадок. Обосновано применение минимальных поверхностей, как обеспечивающих предельно возможные скорости тепло и массообмена при двухфазных течениях. Для случая двумерных функций и=и(ху)А2—где £2 - область в II2

краевые задачи типа Эйлера-Лагранжа для функционалов вида А(и) = ,

□

выражающих площадь графика функции в области П, могут быть поставлены исходя из условия минимальности А (и). Тогда они имеют решения в виде минималь-

ных изоэнергетических поверхностей. Здесь <&

. Уравнение мини-

мальных поверхностей для функции и=и(х,у) € К имеет вид:

Э^и дх1

1 +

(ди ду

' ЪиУ Ь

д2и дхду

д_и

¿У

1 +

ды дх

\2

= 0

(12)

Сделан вывод, что, используя в качестве функционала гамильтониан, а в качестве функции и=и(х,у) функции тока скорости, концентрации или теплового потока можно построить минимальные поверхности для каждого поля и конкретной задачи, получив семейство минимальных поверхностей. Подробно рассмотрено влияние гидродинамических, теплофизических и технологических факторов на выбор геометрической формы поверхности насадки. Предложены новые виды структурных насадок с периодическими минимальными поверхностями (рис. 15,16). Сформулирован и обоснован новый подход к систематизации насадок на основании топологических свойств образующих их поверхностей (рис.17).

В разделе 2.5 кратко описана разработанная безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Спроектированы и изготовлены штампы, прессовая и технологическая оснастка для производства единичных поверхностей и формирования пакетов насадки. На созданном оборудовании изготовлены 19 видов насадки различных типов. Обосновано повышение взрывобезопасности колонн воздухоразделительных установок со структурной насадкой выполненной по новой технологии.

Раздел 2.6 посвящен анализу результатов экспериментальных исследований гидродинамической обстановки и кинетики массообмена на разработанных типах насадок. Получены обобщенные зависимости коэффициентов массоотдачи обеих фаз в безразмерной форме (выражение 15), потерь давления и критических нагрузок (рис. 18,19) от параметров процесса разделения. Исследовано гидравлическое сопротивление, как сухих, так и орошенных насадок. Получены обобщающие выражения с эмпирическими коэффициентами

Рис. 15. Поверхность Шерка (разновидность параболического гиперболоида) и построенная на ее основе периодическая поверхность. Насадка ячеисто-щелевого mima на базе периодических поверхностей Шерка: (а)-щелевой укладки, (б)-ячеистойукладки.

Д) в) >)

Рис.16. Типы профилей и виды поверхностей, а—круглый гладкий; б—круглый с флаттированием шипами; в—круглый с флаттиро-ванием шипами и перфорацией; г—параболический гладкий; д—треугольный гладкий; е—треугольный с линейным флаттированием; ж—треугольный с линейным флаттированием и перфорацией.

Геометрический тжп воверхвестк л!*

-га-Г^^тт

1-» I—| Шары и сферы [—I

—[ Цилиндра-

Кольца

Трубчатые^—

| Минимальные поверхности |

Катеноид )-

—| Геликоида ]" —[ Плоскость )-

Гиперболический — параболоид

Геометрический

Виды насадок

(| ' | Сегментные,

I Сфероидные р» - -р- - Розетаи Теллера

■*■ —[ Полые сферы ] 1

4 Цилиндрические Кольца Рашига,

1 . ~ Берля, Палля

— —| Трубчатые "*|

Винтовые

Спирально-призматические, Винтовые

( Плоскостные р-

Поверхность Шварца")— Поверхность Энеппера [-

Пакегно-пластинчатые, Плоско-параллельные, Щелевые, Гофрированные

Седловые

Седла, Сегментные

—| Поверхность Шерка Рис 17 Новая систематизация геометрических типов насадочньа структур

АР =ДР

ор сух

1 + Л.± в

( V

Рп

Рж

Уж Пп

АР

г- '-"сух

а Н .

---+ Ь

Показано, что предельные нагрузки насадок соответствуют зависимости

1 е(У)=а- В Х

(13)

(14)

где Х =

хО 25

Рп Рж

\0,125

Рж /ж Гп 8 4

Значения коэффициентов А и В приведены в Таблице 2.

Таблица 2

Насадка № 1 2 3 4 .. .5 . 6 7 8 9

А - 0.307 2.371 1.518 - 1.544 0.557 0.212

В - 4.123 10.028 7.378 - 7.812 4.947 3.646 -

Насадка № 10 и \ Ш 13 14 В Ш 17 Ш т

А 0.176 - - 3.336 2.382 - -0.183 -0.143

В 3.255 - - 13.02 10.416 - 2.535 2.561

Коэффициенты массоотдачи в фазах предложено определять через диффузионные числа Праедтля:

АЧя^-^Рг^^У

Ыидж=в,-Кекж?т!ж

нп

(15)

где ф = ^ , - фактор русла канала насадки, <!' - глубина интенсификаторов, м;

/ 0 'Уо

/] - истинная площадь рифленой поверхности, м2; 8 - толщина пленки жидкости, м;

Тип насадки

дли

• - №3

+ - №4, 5,6 ▲ -№7 о- №8 + -Л» + •№10,11,12 ■ - №14

800 00 1200 00 1600 00 2000 00 в«.

Рис. 18 Зависимость коэффициента трения от числа Яе пара для различных типов насадок (в отсутствии орошения)

Рис. 19. Диаграмма предельных нагрузок структурных насадок (сплошные линии соответствуют выражению (14)).

/о - площадь нерифленой поверхности, м2; Н0 - высота пакета насадки, м; А0, В0, а, к, <7, р, г - числовые константы, значения которых для исследованных насадок приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

1 2 1 4 5 6 7 • 9 10

л. 3 1,6 2Д 1,6 1,12

а 0,87 0,786 0,51 0,91 0,58 0,58 0,55 0,57

Р 0,36 0,485 0,43 0,33 0,41 0,41 0,39 0,46 0,43 0,36

г -0,8 -1,25 -0,55 -0,95 -0,87 -0,53 -0,73 -0,81 -0,61 -0,61

/ 0 0,9 0 0,76 0 1Д5 0

12 13 14 К 16 , Г > 19 РШ»

А. 1,25 0,85 0,18 од 0,006 0,009 0,0067

а 0,71 0,91 0,93 0,95 0,9 0,85 0,7 0,~"

Р 0,44 0,46 0,33 0,36 0,39 0,36 0,41 0,33 С тт

г -0,87 -0,9 -0,97 -0,73 -0,88 -0,35 -0

/ 1,25 0,9 0 0,9 0 0 0

Таблица 4.

1*3 4 9 С ' 1 ' ' а

В, 156 120 95 86

к 0,95 0,9 0,95 0,9

Я 0,53

» 0,8 0,7 0,75 0,9

К Копффнщкиг ----. II , 12 | 13 14 , 15 1С ( 17 18 [ 19

В, 86 226 203 68

к 0,9 0,95 0,85 0,93

9 0,53 0,55 0,7 0,33

0,9 1Д2 1,45 0.6 шшш

В результате сопоставления полученных данных с параметрами существующих насадок установлено, что насадки ячеисто-щелевого типа имеют лучшую разделительную способность по сравнению с плоско-параллельными. Экспериментально подтверждены теоретические положения для разработанной общей топологической модели структурной насадки.

В разделе 2.7 изложены основные результаты и выводы по данному разделу работы.

Глава 3. С развитием и совершенствованием современных технологий, неуклонно возрастают и требования к чистоте промышленных и редких газов. Увеличивается спрос на газ высокой чистоты 99,9999 %. В третьей главе приведены результаты исследований процессов десублимации и диффузии в аппаратах обогащения неоно-гелиевой смеси и получения неона высокой чистоты. В разделе 3.1

27

выполнен анализ существующих методов и процессов разделения неоно-гелиевой смеси. Выявлены особенности получения чистых и сверхчистых газов. На основании проведенного анализа сделаны следующие выводы:

□ необходим поиск альтернативных способов очистки неоно-гелиевой смеси, так как при существующей технологии значительная часть неона теряется в дефлегматорах, адсорберах и осушителях на этапах ее обогащения;

□ актуальными остаются вопросы дальнейшего развития существующих и разработка новых методов разделения, в том числе хемосорбционного и конденсаци-онно-десублимационного, для получения высокочистого неона в больших количествах и снижения его стоимости;

□ в настоящий момент, для получения неона чистотой >99,9997% в промышленных масштабах, целесообразно создание гибридных схем на основе конденса-ционно-ректификационного, адсорбционного и диффузионного методов.

Задачи настоящего направления диссертационной работы были сформулированы как:

■ Рассмотреть возможность применения диффузионного метода, с использованием кварцевых мембран, для обогащения неоно-гелиевой смеси, с целью снижения потерь неона в традиционном технологическом процессе.

■ Найти и апробировать способы повышения чистоты неона, вплоть до 99,9999%. Процесс десублимации как способ получения высокочистого неона недостаточно изучен и обоснован для практического применения. Необходимо составить физическую модель процесса десублимации неона на переохлажденной поверхности и попытаться спрогнозировать аналитически ожидаемый эффект разделения.

В разделе 3.2 подробно исследован процесс диффузии неона и гелия через твердую мембрану (кварцевое стекло). Анализ доминирующих факторов данного процесса показал, что кварцевое стекло имеет наилучшую селективность по пропусканию гелия по отношению к неону (в сравнении с полимерными мембранами и пористым стеклом) (рис.20); давление на проницаемость кварцевого стекла практически не влияет. Сегодня, в силу технологических особенностей, стеклянные мембраны могут быть выполнены либо в виде пластин, либо в виде капиллярных труб. Пропускная способность мембраны, при постоянной температуре и давлении, определяется ее площадью и толщиной. Производительность модуля определяется пропускной способностью мембраны. Так как стенки капилляров (рис.20) по существующей технологии удаётся изготовить более тонкими, чем пластины, то максимальная компактность достигается при использовании капиллярных мембран. Кроме этого, механическая прочность также выше у капилляров, что делает их предпочтительнее при использовании в промышленной конструкции. В качестве материала мембраны экспериментального модуля было выбрано кварцевое стекло

28

Коэффициенты проницаемости 10~17

им м

м с ■ Па

Кварцевое стекло (19°С) ПВТМС (30°С) ПЕТ (50°С) ПЕТ+БЮ 2(50°С)

Не 0,086 1,28 1Д5 1ДЗ

0,000016 0,49 0,17 0,068

Рис.20 Срез капилляра (фото в масштабе 2000:1) и коэффициенты проницаемости оптического кварцевого стекла в сравнении с поливинилтриметилсиланом (ПВТМС) и полиэтилентерефталатом (ПЕТ).

марки ОК (оптический кварц) выпускаемое заводом в г. Гусь-Хрустальный. Приводится описание разработанной конструкции мембранного аппарата для обогащения N6-116 смеси с компактностью 830 м^м3. В ходе экспериментов были определены зависимости состава продукционных потоков неона и гелия от параметров процесса разделения (рис.21), а также приведенного коэффициента массопередачи (рис.22).

в) г)

Рис.21 Изменение состава непроникающего обогащаемого потока (ретант) и давления в дренажном канале в зависимости от: длины(а) и количества капилляров(б), в) расхода подаваемой смеси, г)отношения давления в каналах лк-

Приведенный безразмерный коэффициент массопередачи (комплекс Zg) определялся как:

3? =

1пгсрРдКш

ите <16)

где п- число капилляров; д - толщина мембраны [м]; гср - среднее значение радиуса капилляра[м]; Ра - давление в дренажном канале[Па]; / -длина капилляра [м]; КЫе- коэффициент проницаемости неона в стекле [нм3м/м2-с-Па]; \Jvne- объемный расход обогащаемой смеси (ретант) [нм3/с].

а) б)

Рис.22 Зависимость доли(а) и составаретаита (6) от приведенного коэффициента мае сопередачи Zg.(здесь в - отношение мольного расхода проникающего потока гелия (пе-

нетрат) к мольному расходу смеси.----Су не = 30 %, -Су //е = 24 %;

Ал*=10; »7^=100; ■ л:^ =1000; *кк=25Щ

На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований установлено, что:

мембранный метод позволяет получать высокообогащённые неоном и гелием потоки, но полное разделение смеси с одновременным получением высокочистых продуктов возможно только в многоступенчатых противоточных разделительных аппаратах;

кварцевое стекло, используемое в качестве материала мембраны, позволяет эффективно разделять неоногелиевую смесь. В одностадийном процессе разделения получен обогащенный неоном поток с максимальным содержанием неона 77,8 об. % при исходном содержании 71,8 об. %. Коэффициент извлечения при этом составил 0,86. Дополнительные примеси в смеси ухудшают параметры разделения, и производительность мембраны снижается. Для получения неона 99,9997% необходимо не менее 16 стадий разделения;

преимуществом твердых мембран из кварцевого стекла по сравнению с полимерными является их способность работать при больших

процесс разделения реализуется при относительно малых расходах (приведенная к расходу продукта масса мембранного аппарата составляет ~ 108 кг-с/м3).

Раздел 3.3 посвящен разработке и исследованию процесса десублимации неона из неоногелиевой смеси на охлажденной до 5... 12К поверхности. Приведен анализ факторов влияющих на чистоту неона при десублимации и дано описание предложенной физической модели процесса. Аналитически и экспериментально определены параметры адсорбции гелия на поверхности кристаллов твердого неона от различных факторов (рис.23). Установлено, что:

существует корреляция между размерами зерна и количеством адсорбированного гелия;

количество адсорбированного гелия практически не зависит от давления и температуры в стационарном процессе и определяется структурой слоя;

в случае нестационарного процесса, адсорбция определяется степенью заполнения монослоя, т.е. временем процесса.

Рис.23 Адсорбция Не на твердом Ые в зависимости от температуры и размера зерна (а), а также от структуры осажденного слоя кристаллов (б) при 24К и давлении 0,1 МПа.

Предложено управлять формированием поверхности твердого неона с помощью варьирования давления, так как процесс изменения температуры инерционный. Выявлено, что рабочий процесс десублимации целесообразно проводить при температуре близкой к тройной точке и при переменном давлении (стремящемся к равновесному значению в системе газ-твердое тело), что реально осуществимо на практике при порционном напуске газа в замкнутую полость. Разработанный на базе предложенного способа осуществления процесса десублимации технологический цикл был реализован в установке промышленного назначения в виде дополнительного блока к ожижителю гелия марки ЮГУ-150 (рис 24). Смесь подается строго определенными порциями, с фиксированными интервалами времени, что позволяет получать кристаллы неона фиксированного диаметра и соответствующую чистоту продукта. Варьированием давления смеси, степени разряжения, размера дозы и времени циклов впуска и выпуска был получен твердый неон раз-

В УМЯ ииорцкмиил

1575 имхло»

Рис 24 Принципиальная схема установки десублимационного разделения и циклограмма

технологического процесса. (1 -рампа исходной смеси;2,5- теплообменные аппараты, 3-адсорберы;4-криостат;б-отсечной клапан;7-вымораживатель;8-компрессор;9-ресивер чистого неона; 10-рампа чистого неона;!]-криогенный блок КГУ-150;12-вакуумный насос; 13-клапан-дозатор. личной пористости (от 0,3 до 0,9) и, как следствие, различной чистоты, но не хуже

99,997 %.

В разделе 3.4 приведены результаты анализа полученных данных и оценка погрешностей поставленных экспериментов. Проведено технико-экономическое сравнение рассмотренных способов разделения с традиционными методами (рис.25,26). Анализ показал, что оба предложенных метода могут бьггь вполне конкурентоспособны и рентабельны. Метод десублимации позволяет получить неон

А в с D Е F •• ••

Рис.25. Сравнительные характеристики работы установок, в которых реализованы различные методы разделения: А- цикл с дросселированием, ректификацией и внешним неоновым холодильным циклом В -цикл с дросселированием; С - разделение по схеме Бевилогуа; D - десублимация; Е - адсорбционное разделение; Fl, F2 - мембранное разделение. У/////Л - чистота продукционного Ne об %, ~ удельная работа

ШШШЯ - степень термод совершенства Т],, 1.......1 - коэффт/иент извлечения

---- fye пересчете на С уг/е=99,975%

чистоты >99,999% при высокой степени извлечения. Однако, ведение процесса разделения при температурах ниже 30 К приводит к дополнительным энергозатратам и повышению себестоимости по сравнению с другими методами. Метод мембранного разделения с вакуумированием, для получения чистых продуктов пока

И

н

II

и

и

□ Рыночная цена неона 99,997% 0Ш Гелий 99% ПНеон 75% ЕЭНеон 99%

■ Рыночная цена гелия марки "А* □ Гелий марки "А" (99,995%)

■ Неон 99,9997%

Рис.26. Себестоимость получения неона и гелия (расчетная). является нерентабельным даже при значительных разряжениях (4 Па) полости дренажного канала из-за большой площади мембранной поверхности и, следовательно, связанными с этим капитальными затратами. Однако при получении обогащенных продуктов он имеет неоспоримые преимущества. Применение метода разделения на твердой мембране целесообразно для обогащения «бедных» неоном смесей и ограничено областью малых расходов. В конце данного раздела приведены сформулированные автором рекомендации по практическому использованию предложенных процессов и выводы.

В каждой главе диссертации сделаны конкретные выводы по существу рассмотренных проблем ("см. выше). Общие выводы по работе.

■ Выдвинуты и апробированы новые научные и технические идеи, которые реализованы при:

создании комплекса экспериментальных установок для исследования процессов тепло и масообмена при кипении, конденсации, десублимации и ректификации в элементах промышленных аппаратов нового поколения;

создании полупромышленной установки разработанным методом десублимации с произв*

ртдапгичд цвд^гчупнеипи смеси

РОС. НА

дител^г-

по неону;

'ГЕКА СЛстфбург 1 о» а» „г •

А

разработке и внедрении в мелкосерийное производство технологии формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки без смазки минеральными маслами, обеспечивающей повышение уровня взрывобезо-пасности колонн ВРУ.

■ Получена новая научная информация о параметрах рабочих процессов массо-и теплоотдачи в конденсаторах-испарителях пленочного типа, насадочных устройствах ректификационных колонн, мембранных сепараторах и конденсаторах-десублиматорах в широком диапазоне нагрузок.

■ Сделаны новые обобщения и даны конкретные рекомендации об интенсификации рабочих процессов и предпочтительных диапазонах параметров конденсаторов-испарителей и ректификационных колонн с целью повышения производительности и снижения энергопотребления ВРУ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Архаров И.А., Старостин A.B. Тепломассообмен в насадочных колонных аппаратах // Вестник МГТУ. Машиностроение. -1993. -№3.-С. 16-19.

2. Архаров И.А., Бондаренко B.JI., Шадрина В.Ю. Получение неона высокой чистоты методом десублимации // Вестник МГТУ. Машиностроение. -1995. - №2.-С.19.

3. Архаров И.А., Архаров A.M., Гречко А.Г., Емельянов М.Г., и др. Стенд для исследования теплообменных характеристик труб конденсаторов-испарителей крио-продуктов// Вестник МГТУ. Машиностроение. -1996. - Криогенная и холодильная техника. Криомедицина: Спец. выпуск .-С.6-12.

4. Архаров И.А., Козлов A.B., Дубинин P.E. Экспериментальная установка для исследования тепломассообменных характеристик структурных насадок колонн воздухоразделительных установок // Вестник МГТУ. Машиностроение. -1996. -Криогенная и холодильная техника. Криомедицина: Спец. выпуск .-С.22-27.

5. Архаров И.А., Архаров A.M., Гречко А.Г. Новый СВЧ - датчик для контроля потоков криопродуктов // Вестник МГТУ. Машиностроение. -1998. - Криогенная и холодильная техника. Криомедицина: Спец. выпуск .-С. 120-126.

6. Исследование процесса разделения смеси Ne-He на мембране из кварцевого стекла / A.M. Архаров, И.А. Архаров, Бондаренко B.JL, Михайлов A.B. и др.// Химическое и нефтегазовое машиностроение,- 1999,- №5.- С. 13-15.

7. Криогенные системы: Учебник для студентов вузов по специальностям «Техника и физика низких температур» и «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование»; В 2 т. - М.: Машиностроение, 1999. - Т.2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем / A.M. Архаров, И.А. Архаров, В.П. Беляков и др.; Под общ. ред. A.M. Архарова и А.И. Смородина -720 с.

8. СВЧ резонансные датчики для контроля толщины пленки жидкости / A.M. Архаров, И.А. Архаров, Гречко А.Г.// Химическое и нефтегазовое машиностроение.-1999,-№8,-С. 25-28.

9. Новая техника для получения неона и гелия высокой чистоты с использованием криогенной технологии/ A.M. Архаров, И.А. Архаров, Бондаренко B.JI., и др.// Холодильная техника,- 2000,- №5.- С. 2-5.

10. ВТСП уровнемер криогенной жидкости / И.А. Архаров, Емельянов В.Ю.// Химическое и нефтегазовое машиностроение,- 2000.- №9.- С. 35.

11. Cryogenic Systems Vol.2: Design of Apparatus, plants, systems/ A.M.Arkharov, I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko et al. // - Bauman MSTU Press, 2001. - 639 p.

12. Архаров И.А., Козлов A.B. Гидродинамика колонн со структурными насадками воздухоразделительных установок // Вестник МГТУ. Машиностроение. -2002. -Криогенная и холодильная техника: Спец. выпуск,- С.44- 47.

13. Получение неона из неоно-гелиевой смеси на мембране из кварцевого стекла/ И.А. Архаров, Бондаренко B.JL, Михайлов А.В. // Химическое и нефтегазовое машиностроение,- 2002,- №5,- С. 32-33.

14. Теплотехника: Учебник для втузов; - М.: Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2004. / A.M. Архаров, И.А. Архаров, В.Н. Афанасьев и др.; Под общ. ред. A.M. Архарова и В.Н. Афанасьева -712 с.

15. Поколение новой техники для криогенного производства неона и гелия высокой чистоты / A.M. Архаров, И.А. Архаров, Бондаренко В.Л., и др.// Холодильна техшка i технолопя.- Одесса, 1999,- Вып.62.- С. 88-101.

16. Поколение новой техники для криогенного производства неона и гелия высокой чистоты / И.А. Архаров, Бондаренко В.Л., и др.// Технические газы.- 2001.-№3,- С. 22-28.

17. The designing of new process of high purity neon production by desublimation method/ I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko, Shadrina V.U. et al // Proceedings of 19th International Congress of Refrigeration. -Hague (Netherlands), 1995. - V.3b, -P.1026-1029.

18. Monitoring of fresh water flows in cold climate / I.A.Arkharov, Arkharov A.M., Grechko A.G., Glavatskikh S.B., Zherdev A.A.// Proceedings of International Conference IS CORD'97. - Anchorage (Alaska), 1997.

19. Research-industrial plant for production of high purity neon/ A.M.Arkharov, I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko et al //Cryogenics'98: Proceedings of the Fifth International Conference. - Prague, 1998. - P.68-69.

20. Research-industrial plant for production of high purity neon/ A.M.Arkharov, I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko et al // Proceedings of 17th International Cryogenic Conference. - Bournemouth (UK), 1998. - P.735-737.

21. Research-industrial plant for high purity neon production / A.M.Arkharov, I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko et al // Proceedings of the XX International Congress of Refrigeration.- Sydney (Australia), 1999. - P.186-195.

22. Sensors for liquid film thickness measurement: / A.M.Arkharov, Grechko A.G.,

35

Glavatskikh S.B. I.A.Arkharov// Proceedings of the XX International Congress of Refrigeration." Sydney (Australia), 1999. - VI. (626).

23. Neon-helium mixtures separation by adsorption and freezing / A.M.Arkharov, I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko et a! // Proceedings of the 12th Intersociety Cryogenic Symposium, AIChE 2000 Spring Meeting.- Atlanta (USA), 2000. - P.71-79.

24. High purity helium extraction from the waste flow of pure neon production / I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko, A.V.Kosova et al // Cryogenics 2000: Proceedings of the Sixth International Conference. - Prague (Czech Republic), 2000. - P. 174-176.

25. Neon extraction from neon-helium mixture by membrane method: analytical and experimental results / I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko, A.V.Mikhailov et al // Cryogenics 2000: Proceedings of the Sixth International Conference. - Prague (Czech Republic), 2000,- P.l 17-121.

26. New Ne-He purification plant: theoretical and experimental tests/ I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko, A.V.Kosova et al // Cryogenics 2002: Proceedings of the Seventh International Conference. - Prague (Czech Republic), 2002. - P.99-102.

27. Nonconventional production engineering for isotope 20Ne concentrates obtaining / A.M.Arkharov, I.A.Arkharov, V.L.Bondarenko et al// Cryogenics 2004: Proceedings of the Eight International Conference. - Prague (Czech Republic), 2004. - P.175-183.

28. Новые технологии получения редких газов// И.А. Архаров, Бондаренко В.Л., Савинов М.Ю., Притула В.В.// Международный симпозиум «Образование через науку»: Тезисы. - Москва, 2005.-С.484

29. Малая криогеника для нужд человека// И.А. Архаров// Международный симпозиум «Образование через науку»: Тезисы. - Москва, 2005.-С.486

30. Пат. 2188397 Ru, CI, 7G01, F23/24, Заявка 28.11.2000 Устройство измерения уровня криогенной жидкости / Архаров И.А., Емельянов В.Ю.

31. Пат. 2187078 Ru, С2, 7G01, F23/24; Заявка от 24.10.2000 Устройство измерения уровня криогенной жидкости на базе дискретных монолитных высокотемпературных сверхпроводников / Архаров И А., Емельянов В JO.

32. Пат. 2108567 Ru, G01 N 22/00 Россия Устройство для измерения сплошности потоков криопродуктов / Архаров И.А., Архаров A.M., Гречко А. Г., Емельянов М.Г.// Бюллетень изобретений. - 1998. - № 18

33. Пат. 2180871 Ru, CI 7В01 D63/00, 63/06 Россия Устройство для мембранного многостадийного разделения неоногелиевой смеси / Архаров И.А., Михайлов А.В.// Бюллетень изобретений. - 2001. - № 12

34. Pat. 6212904 US 62/6IS, Bl, F25 jl/00 США Заявка от 10.04.2001 Liquid oxygen production/ Arkharov I.A., Arkharov A.M., Kun L. C.

Подписано к печати 30.11.05 Заказ № 408 объем 2.0 п.л. Тираж 120 Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана

looQl 302/

ВВЕДЕНИЕ. 6.

1. Процессы кипения и конденсации на развитых вертикальных поверхностях. 17

1.1. Анализ особенностей теплопередачи в конденсаторах-испарителях криогенных установок разделения воздуха (ВРУ).

1.2.Существующие методы расчета и определения рациональной поверхности конденсации различной геометрии.

1.2.1. Конденсация на поверхности с гладкими ребрами.

1.2.2. Конденсация на поверхности Грегорига.

1.3.Математическая модель процесса конденсации на наружной ф поверхности трубы с оребренной поверхностью.

1.4.Экспериментальные исследования теплопередачи в трубах конденсаторов-испарителей с различной геометрией поверхности со стороны конденсации.

1.4.1. Описание экспериментальной установки для исследования процессов кипения и конденсации на вертикальной трубе с пористо - ребристыми поверхностями.

1.4.2. Методы и устройства контроля основных параметров процесса.6 В

1.4.3. Методика проведения экспериментов.

1.5.Оценка погрешностей полученных расчетных и экспериментальных данных.

1.6.Анализ и обобщение полученных экспериментальных и расчетных данных.

1.7.Интенсификация теплообмена со стороны конденсации в пря

• мотрубных конденсаторах-испарителях.

Жесткие требования рынка и обостренная конкуренция среди мировых производителей криогенного оборудования, на фоне общих энергетических и экологических проблем, определяют современные технические и технологические тенденции в развитии криогеники. За последние 15-20 лет криогенная техника. претерпела существенные изменения, связанные главным образом с появлением и внедрением новых технологий, новых требований к системам, машинам и аппаратам, и расширением областей применения промышленных газов. Целый ряд физических явлений и процессов, исследовавшихся в недалеком прошлом, в настоящее время получил практическое признание. Другим фактором технической эволюции является ужесточающаяся экономическая и, в первую очередь, энергетическая конкуренция со стороны химической и других отраслей промышленности, предлагающих альтернативные способы производства промышленных газов, разделения и очистки газовых смесей, выделения изотопов и т.д. без использования низких температур. Поэтому современный этап развития криогенной техники характеризуется усиленным поиском новых, экономически и энергетически эффективных решений, в том числе и при создании тепло-массообменных аппаратов, а рабочие процессы в аппаратах требуют дополнительных теоретических и экспериментальных исследований и соответствующих обобщений. Это позволяет определить перспективы дальнейшего их развития и совершенствования.

Начиная с 80-х годов XX века в криогенных воздухоразделительных установках (ВРУ) используются конденсаторы-испарители со стекающей пленкой и ректификационные колонные аппараты со структурированной насадкой. Как показывает опыт, их применение позволяет существенно (на 7.9%) снизить энергопотребление ВРУ и как следствие себестоимость азота, кислорода и аргона. Данные аппараты являются аппаратами нового поколения, протекающие в них процессы пока мало изучены, и это существенно сдерживает расширение внедрения новых энергосберегающих технологий в ВРУ отечественного производства. Исследования данных процессов были начаты автором в 1990 году на кафедре «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования .и жизнеобеспечения». Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э.Баумана и продолжаются по сегодняшний день. Диссертационная работа обобщает более чем 15-летний теоретический и практический опыт, разнообразные исследования и разработки, выполненные непосредственно автором и под его руководством.

Цель работы заключается в развитии методов и способов интенсификации .процессов тепло и массообмена в аппаратах нового поколения, обобщении результатов аналитических и экспериментальных исследований.

Работа состоит из трех глав, введения и приложений. Конкретные выводы сформулированы в соответствующих разделах работы.

В первой главе подробно рассмотрены процессы кипения и конденсации криогенных жидкостей на развитых вертикальных поверхностях труб промышленных конденсаторов-испарителей нового поколения. С точки зрения практической целесообразности выделены приоритетные задачи настоящего научного исследования:

• изучение зависимости толщины пленки конденсата от геометрической формы поверхности при экстремально низких значениях температурного напора «газ-стенка»;

• определение рациональной геометрии поверхности конденсации по компактности, минимальному значению толщины образующейся;

• пленки конденсата и равномерности ее распределения;

• определение коэффициентов теплоотдачи, для различных типов поверхностей конденсации и режимов работы.

Рассматриваются существующие методы моделирования, расчета и определения рациональной поверхности конденсации различной геометрии. Изложена разработанная математическая модель, позволяющая проводить расчеты толщины пленки конденсата и коэффициента теплоотдачи для практически любого типа оребренной или рифленой поверхности в условиях сопряженного теплообмена в системе «конденсация-кипение». Приведены полученные новые экспериментальные и расчетные данные о локальных и интегральных коэффициентах теплоотдачи (рис.6) в конденсаторах-испарителях при малых температурных напорах 0,2.1,5 К, в широком диапазоне нагрузок по пару и жидкости. Дано описание и обоснование выдвинутых автором предложений по интенсификации процесса конденсации за счет периодического удаления жидкости из канавок профиля трубы «hi-flux».

Вторая глава посвящена исследованию процессов тепло и массопередачи на регулярных насадках колонн дистилляционных установок. На основании анализа и обобщения многолетнего отечественного и зарубежного опыта производства и эксплуатации структурных насадок автором сформулированы подробные технические, технологические и экономические требования, которым они должны соответствовать. В ходе анализа существующей информации установлено, что: регулярные пакетные гофрированные насадки для колонн ВРУ обладают преимуществами в гидродинамических, технологических, массо-габаритных аспектах,, и поэтому данная структура предпочтительна для вновь проектируемых насадок; выбор топологии (геометрии канала и структуры всей насадки) носит, в настоящее время, преимущественно интуитивный характер, основанный на полуэмпирических результатах и логических умозаключениях; отсутствие теоретического обоснования выбора топологии и геометрических размеров насадок существенно осложняет создание и проектирование новых насадок для процессов разделения конкретных смесей; эффективность насадок (ВЕП и ВЭТТ) определяется экспериментальным путем и для многих видов насадок анализ влияния на нее топологии отсутствует; ограничена или отсутствует информация по обоснованию выбора материала насадки для конкретных процессов разделения; создание новых эффективных насадок возможно только на основе многофакторной оптимизации.

Определены задачи данного раздела научного исследования.

Сформулировать и обосновать общую модель структурной насадки с использованием аппарата геометрической топологии и теории групп; ввиду отсутствия надежной модели тепло-массопереноса в отмеченной структуре, попытаться использовать новый подход математического описания рабочего процесса в виде рассмотрения гамильтоновых систем на конеч

• номерной топологии; на основании разработанной модели ввести новую систематизацию геометрических типов насадочных структур; связать гидродинамические, теплофизические, технологические требования к насадкам и их фактические параметры с геометрией поверхности и структурой объема; предложить методику формирования структуры и поверхности насадки под конкретную задачу; разработать несколько новых видов пакетных насадок на основании сформулированного подхода; экспериментально проверить работоспособность новых насадок и правомерность сделанных заключений и выводов.

Предложена и разработана математическая модель течения фаз и массопереноса в структурных насадках на основании нового представления ее топологической структуры как упорядоченной комбинации элементарных ячеек - полуограниченных секционированных полостей. На основании предложенной топологической модели сформулированы и обоснованы принципы построения поверхности и формирования структуры, вновь разрабатываемых насадок. Обосновано применение минимальных поверхностей, как обеспечивающих предельно возможные скорости тепло, и массообмена при двухфазных течениях. Описана разработанная безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Приведены результаты экспериментальных исследований гидродинамической обстановки и кинетики массообмена на разработанных типах насадок.

В третьей главе приведены результаты исследований процессов десуб-лимации и диффузии в аппаратах обогащения неоно-гелиевой смеси и получения неона высокой чистоты. Выявлены особенности получения чистых и сверхч чистых газов. На основании проведенного анализа сделаны следующие выводы:

• необходим поиск альтернативных способов очистки неоно-гелиевой смеси, так как при существующей технологии значительная часть неона теряется в дефлегматорах, адсорберах и осушителях на этапах ее обогащения;

• актуальными остаются вопросы дальнейшего развития существующих и разработка новых методов разделения, в том числе хемосорбционного и конденсаци-онно-десублимационного, для получения высокочистого неона в больших количествах и снижения его стоимости;

• в настоящий момент, для получения неона чистотой >99,9997% в промышленных масштабах, целесообразно создание гибридных схем на основе конденса-ционно-ректификационного, адсорбционного и диффузионного методов.

Задачи настоящего направления диссертационной работы были сформулированы-как:

Рассмотреть возможность применения диффузионного метода, с использованием кварцевых мембран, для обогащения неоно-гелиевой смеси, с целью снижения потерь неона в традиционном технологическом процессе.

Найти и апробировать способы повышения чистоты неона, вплоть до 99,9999%. Процесс десублимации как способ получения высокочистого неона недостаточно изучен и обоснован для практического применения. Необходимо составить физическую модель процесса десублимации неона на переохлажденной поверхности и попытаться спрогнозировать аналитически ожидаемый эффект разделения.

На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований установлено, что:

• мембранный метод позволяет получать высокообогащённые неоном и гелием потоки, но полное разделение смеси с одновременным получением высокочистых продуктов возможно только в многоступенчатых противо-точных разделительных аппаратах;

• кварцевое стекло, используемое в качестве материала мембраны, позво

• ляет эффективно разделять неоногелиевую смесь.

В главе дано описание разработанного и исследованного процесса десублима-ции неона из неоногелиевой смеси на охлажденной до 5.12К поверхности. Приведен анализ факторов влияющих на чистоту неона при десублимации и описание предложенной физической модели процесса. Аналитически и экспериментально определены параметры адсорбции гелия на поверхности кристаллов твердого неона от различных факторов. Разработанный на базе предложенного способа осуществления процесса десублимации технологический цикл был реализован в установке промышленного назначения в виде дополнительного блока к ожижителю гелия марки КГУ-150. Научная новизна работы.

1. Получены новые экспериментальные и расчетные данные о локальных и интегральных коэффициентах теплоотдачи в конденсаторах-испарителях пленочного типа при малых температурных напорах 0,2 .1,5 К в широком диапазоне расходов по пару и жидкости (5.25 г/с).

2. Разработан и создан специальный видеозонд и впервые визуально в рабочих условиях проконтролирована гидродинамическая обстановка в зонах конденсации и кипения (внутри и снаружи) трубы пленочного конденсатора-испарителя.

3. Впервые получены спектры экспериментальных значений толщин стекающей пленки конденсата, скорости ее изменения и распределение по высоте в зонах различного температурного напора, при различных расходах, с помощью специально разработанных оригинальных СВЧ датчиков. Получены также спектры, значений паросодержания в потоках кипящего жидкого кислорода и конденсирующегося азота в зависимости от тех же параметров. Предложены методы расчета профиля пленки конденсата в различных элементах (частях) поверхности конденсации. Расчетным пугем исследовано влияние геометрии оребрения на скорость, толщину и распределение пленки жидкости и на процесс теплообмена в целом.

4. Предложена, разработана и развита новая, более точная математическая модель процесса конденсации на оребреиных (и рифленых) вертикальных поверх-.ной-ях различной геометрии, в том числе и типа Грегорига, в условиях отвода теплоты в зону кипения. Обоснованы и экспериментально проверены методы интенсификации теплообмена со стороны конденсации на 15. 18% за счет частичного отвода жидкой пленки с рабочей поверхности и выравнивания её толщины по высоте всего аппарата.

5. Разработана и развита более точная математическая модель течения фаз и массопереноса в щелевом канале плоскопараллельной насадки.

6. Впервые предложена общая топологическая модель структурированной насадки. Обосновано применение теории минимальных поверхностей при проектировании и расчете топологии новых насадок.

7. Предложена и разработана математическая модель течения фаз и массопереноса в структурированных насадках на основании нового представления ее топологической структуры как упорядоченной комбинации элементарных ячеек -полуограниченных секционированных полостей. Сформулирован и обоснован новый подход к систематизации насадок на основании топологических свойств образующих их поверхностей.

8. Экспериментально изучена гидродинамическая обстановка и кинетика мас-сообмена на разработанных типах насадок. Получены обобщенные зависимости коэффициентов массоотдачи в паре и жидкости в безразмерной форме; потерь давления и критической скорости пара при изменении параметров процесса разделения. Экспериментально подтверждены теоретические положения для разработанной общей топологической модели структурной насадки.

9. Предложена физическая модель процесса десублимации неона при фазовом переходе газ - твердое тело на охлажденной до 5. 12 К поверхности. Получена новая экспериментальная информация по десублимации неона и о диффузии неона и гелия через кварцевое стекло в широком диапазоне параметров процессов.

Практическая ценность работы.

1. Создана экспериментальная установка для исследования процессов кипения и конденсации в трубах промышленных конденсаторов-испарителей ВРУ нового поколения.

2. Разработаны оригинальные, защищенные патентами России, СВЧ системы для измерения толщин пленки конденсата и диагностики промышленных конденсаторов-испарителей. Предложены, разработаны и испытаны различные устройства отвода конденсата с поверхности трубы конденсатора-испарителя. Сформулированы конкретные рекомендации по количеству и частоте размещения этих устройств по высоте трубы.

3. На основании полученной в работе информации сделаны обобщения и даны конкретные рекомендации о предпочтительных диапазонах рабочих параметров конденсаторов-испарителей нового поколения с целью повышения производительности и снижения энергопотребления ВРУ

4. Разработана новая безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Спроектированы и изготовлены штампы, прессовая и технологическая оснастка для производства единичных поверхностей и формирования пакетов насадки. На созданном оборудовании изготовлены 19 видов насадки различных типов. Обосновано повышение взрывобезопасности воздухоразделительных колонн со структурной насадкой выполненной по новой технологии.

5. На основании предложенной топологической модели сформулированы принципы построения поверхности и формирования структуры, вновь разрабатываемых насадок под конкретную задачу. Установлено влияние гидродинамических, теплофизических и технологических факторов на выбор геометрической формы поверхности насадки. Предложены новые виды структурных насадок с периодическими минимальными поверхностями.

6. Создана экспериментальная установка для исследования процессов низкотемпературной дистилляции и ректификации в насадочных колоннах ВРУ.

7. Расчётным путём для метода мембранного разделения определены режимы получения неона чистотой 99,9997 об. %. Создан экспериментальный стенд для исследования одностадийного и многостадийного процессов мембранного разделения неоно-гелиевой смеси на температурном уровне 292 - 350 К и давлении исходной смеси до 0,8 МПа, с возможностью вакуумирования полости пермеата до 1 Па. Обоснована возможность использования аппаратов с твердой мембраной (кварцевое стекло), как альтернативных традиционным, при обогащении неоно-гелиевой смеси в области малых расходов.

8. Разработан, теоретически обоснован и экспериментально апробирован новый оригинальный метод осуществления процесса десублимации неона, основанный на порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размеров зерен твердого неона, с целью повышения его чистоты. Создана полупромышленная. установка разделения неоногелиевой смеси методом десублимации с производительностью 1 нмЗ/час по неону. На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов теплоотдачи при кипении и конденсации в конденсаторах-испарителях пленочного типа нового поколения при малых температурных напорах.

2. Решение задачи по определению профиля пленки конденсата в различных элементах (частях) поверхности конденсации и результаты анализа влияния геометрии оребрения на скорость, толщину и распределение пленки жидкости и на процесс теплообмена в целом. Результаты исследований распределения пленки жидкости на поверхностях кипения и конденсации, полученные с использованием разработанных СВЧ датчиков и видеозонда.

3. Способы реализации интенсификации теплообмена со стороны конденсации с использованием отвода конденсата с поверхности трубы конденсатора-испарителя.

4. Решения нестационарной гидродинамической задачи течения фаз и массооб-мена для полостей треугольного и круглого профилей структурированных насадок.

5. Методология и новый подход к систематизации насадок. Новые типы структурированных насадок для ректификации воздуха и основные положения разработанной безмасляной технологии формирования их поверхности.

6. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик разработанных типов насадок и кинетики массообмена на них бинарной системы O2-N2 при низкотемпературной ректификации.

7. Результаты экспериментальных исследований диффузии неона и гелия через кварцевое стекло.

8. Обоснование нового метода осуществления процесса десублимации, основанного на периодическом порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размеров зерен твердого неона. Результаты тестирования и работы полупромышленной установки разделения неоногелиевой смеси. Результаты экспериментальных и аналитических исследований десублимации неона на охлажденной до 5. .12 К поверхности.

9. Результаты технико-экономического анализа эффективности мембранного и десублимационного разделения неоногелиевой смеси в сравнении с традиционными способами.

Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Cryogenics», (Прага, Чехия, 1998, 2000, 2002, 2004 гг.); 17-й международной конференции по криогенной технике (ICEC17), (Бёрмаф, Великобритания, 1998 г.); XIX конгрессе Международного Института Холода IIR (Гаага, Нидерланды, 1995 г.); XX конгрессе Международного Института Холода IIR (Сидней, Австралия, 1999 г.); XXI конгрессе Международного Института Холода IIR (Вашингтон, США, 2003 г.); 12-ом симпозиуме по криогенной технике Американского института химического машиностроения (AIChE), (Атланта, США, 2000 г.); международном симпозиуме «Образование через науку» (Москва, Россия, 2005 г.), научных семинарах компании PRAXAIR, ШС.(США, 1993, 1996), научных семинарах в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана на кафедре « Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» в течение 1990-2005 гг,

Личный вклад автора. Постановка научных задач экспериментальных и теоретических исследований. Решение основных теоретических, методических и практических вопросов, в том числе построение математических моделей и расчетных алгоритмов, расчет и проектирование установок и экспериментальных стендов, выбор режимов, способов измерений и проведение экспериментов, сбор, анализ и обработка информации. Автор разработал методологию и новый подход к систематизации насадок, рекомендации по интенсификации процессов тепло и массообмена в элементах аппаратов нового поколения. Автору также принадлежат: экспериментальные данные по низкотемпературной конденсации азота и кислорода на оребренных поверхностях типа Григорига; конструкции интенсификаторов поверхности конденсации и способ их размещения на элементах конденсаторов-испарителей; конфигурация и структура 19-ти новых видов структурированных насадок; экспериментальные данные по их гидравлическим и массообменным характеристикам; новая безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Предложенные пакетные насадки изготовлены в МГТУ им. Н.Э.Баумана при непосредственном участии автора. Кроме этого, автор лично участвовал в экспериментальных и аналитических исследованиях десублимации неона на переохлажденной поверхности, разработал концепцию и конструкцию полупромышленной установки разделения неоногелиевой смеси. Созванные автором в ходе работы над диссертацией СВЧ датчики контроля толщины жидкой пленки защищены патентами России. Работы, по материалам которых написаны перечисленные ниже разделы, выполнены в соавторстве: раздел 1.3 и параграф 2.3.2.2 с к.т.н. Е.С.Навасардян, раздел 1.4 с д.т.н. Гречко А.Г. и н.с. Емельяновым М.Г., раздел 3.2 с к.т.н. Михайловым А.В., раздел 3.3 с д.т.н. Бондаренко В.Л., параграф 2.6.1 с к.т.н. Козловым А.В. Внедрение. Результаты работы внедрены при создании установок разделения, обогащения и очистки неоногелиевой смеси российско-украинской компанией «Iceblick», а также в учебном процессе кафедры «Холодильной и криогенной .техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обоснована и доказана целесообразность использования процесса де: сублимации для повышения чистоты неона. Предложена физическая модель процесса десублимации неона при фазовом переходе газ-твердое тело на переохлажденной поверхности.

2. Получена новая экспериментальная информация по десублимации неона на переохлажденной поверхности. Разработан, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый оригинальный метод осуществления процесса десублимации, основанный на порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размера зерен твердого неона. Создана полупромышленная установка разделения неоно-гелиевой смеси разработанным методом с производительностью 1 нм /час по неону.

3. Обоснована возможность использования аппаратов с твердой мембраной (кварцевое стекло) как альтернативных традиционным, при обогащении неоно-гелиевой смеси в области малых расходов.

4. Получены новые данные о диффузии неона и гелия через кварцевое стекло в широком диапазоне параметров процесса. Создан экспериментальный стенд для. исследования одностадийного и многостадийного процессов разделения на температурном уровне 292 - 350 К и давлении исходной смеси до 0,8 МПа, с возможностью вакуумирования полости пермеата до 1 Па.

5. Расчётным путём определены режимы получения неона высокой чистоты (99,9997 об. %). Построены диаграммы С - lnWKNe

OU VNe

1-0)- 1пГсрРдКые без учёта диффузионного перемешивания и потерь

OUvNe давления по которым, в первом приближении, можно определить размеры мембранной поверхности для заданной чистоты и расхода продукционного неонового потока.

Выполнен термодинамический и экономический сравнительный анализ эффективности мембранного и десублимационного разделения с традиционными способами.

Сделаны новые обобщения (существовавших и полученных в работе) данных, которые позволяют определить области практического применения разработанных методов.

1. А. с. 1011965 (СССР). Установка разделения воздуха / Густов В. Ф., Орлов В.К., Блазнин Ю.В., Гарин В.А., Марченко Л.Д., Валеев Н.Ф., Куракин А.И. //Б.И. 1983. - N 14; МКИ F 25 J 3/04

2. А. с. 1310011 (СССР). Насадка / Малюсов В.А., Дорошенко А.В. // Б.И. -1985.- №7.

3. А. с. 1388079А1 (СССР). Установка для разделения неоно-гелиевой смеси / Белушкин В. А., Пак Мин Сен.//Б.И. 1988.-№14.

4. А. с. 585728 (СССР) Способ обогащения неоно-гелиевой смеси/ авт. изо-брет. В.П.Алексеев, А.Э.Поберезкин, Н.И.Давыдов, Б.Б.Клейнерман, Л.Н.Цветковская.- Опубл. в БИ 23.03.81, №11

5. А. с. 760751А (СССР). Способ разделения смеси / Белушкин В.А. // Б.И. 1986.-№42.

6. Акулов Л.А. Установки для разделения газовых смесей. Л.: Машиностроение, 1983.-215 с.

7. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования. М.: Химия, 1978. - 277 с.

8. Алексеев В.П. Исследование процессов тепло и массообмена в аппаратах холодильных установок с регулярными насадками. Дисс. доктора, техн. наук. Одесса: Одесский Технологический институт пищевой и холодильной промышленности, 1969. - 339 с.

9. Алексеев В.П., Поберезкин А.Э., Герасимов П.В. Некоторые гидродинамические характеристики ректификационных аппаратов с регулярными гофрированными насадками // Химическая промышленность. -1970. -№8.-С. 615-618.

10. Алексеев В.П., Поберезкин А.Э., Герасимов П.В. Пленочная ректификация воздуха в аппаратах с регулярной гофрированной насадкой // Химическое и нефтяное машиностроение. 1974. -№12. - С. 11 - 14.

11. П.Андреев Б. М., Селиваненко И. А.- Высокочистые вещества.- 1990.- N 1.- С. 122-127

12. Арнольд В.И., Козлов В.В., Нейштадт А.И. Математические аспекты классической и небесной механики. М.: ВИНИТИ. - 1985. - Т.З (Итоги науки. Динамические системы.)

13. Архаров A.M., Бондаренко B.JI. и др. // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. — 1998. Криогенная и холодильная техника: Спец. выпуск. — С. 44-52.

14. Архаров А. М., Бондаренко В. JL, Симоненко Ю. М. Дроссельный цикл на неоно-гелиевой смеси в установке для разделения инертных газов // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1998. - Криогенная и холодильная техника: Спец. выпуск. - С. 53 - 61.

15. Архаров A.M., Бондаренко B.JI. и др. /Поколение новой техники для криогенного производства неона и гелия высокой чистоты/ Холодильная техника и технология, вып.62. 1999 С.88-101.

16. Архаров И.А., Бондаренко В.Д., Шадрина В.Ю. // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1995. - Криогенная и холодильная техника. Технология: Спец. выпуск. - N 2. - С. 16 - 18.

17. Архаров И.А. Термомагнитные свойства рабочих веществ со структурой граната магнитокалорических криогенераторов при температурах от 2 до 20 К: Дисс. канд. техн. наук. Москва, 1990. - 212 с.

18. Архаров И.А., Козлов А.В. Гидродинамика колонн со структурными насадками воздухоразделительных установок // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 2002. - Криогенная и холодильная техника: Спец. выпуск. - С. 44 - 47.

19. Бельцер И.И. Исследование гидродинамики и массопереноса в колоннах с регулярной гофрированной насадкой: Дис. канд. техн. наук. -М., 1981.-205 с.

20. Бессонов О.А., Брайловская В.А., Ру Б. Численное моделирование трехмерного сдвигового течения в полости с движущимися крылышками / Механика жидкости и газа. 1998. - № 3. - С.41- 49.

21. Бондаренко В.Л., Савинов М.Ю. и др. Опыт эксплуатации установки для получения неона высокой чистоты // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. — Криогенная и холодильная техника. Криомедицина: Спец. выпуск. 1996. - С.79 - 83.

22. Бондаренко В.Л. «Создание и исследование волновых криогенераторов и их применение в технологии получения неона высокой чистоты»: Дис. .доктора, техн. наук. М, 2003.

23. Борисович Ю.Г., Близняков Н.М., Израилевич Я.А., Фоменко Т.Н. Введение в топологию. М: Высшая школа. - 1980. - 295 с.

24. Ботвинкин О. Г., Запорожский А. И. Кварцевое стекло. М.: Стройиз-дат, 1965.-259 с.

25. Бронштейн А.С., Васильев В.В. Разделение смесей кислород-аргон-азот в колонне со структурированной насадкой // Труды ОАО «Криоген-маш». -1999. Криогенная техника: Юбилейный выпуск. - С.81-83.

26. Бромли, Хэмфрис, Мюррей Конденсация и испарение на вращающихся дисках с радиальными канавками // Теплопередача. 1966. - №1. - с.87.

27. Вагин Е. В., Бурбо П. 3. // Кислород.-1952.- N 5.- С. 24-28

28. Вязовов В.В. //Журн. техн. физ., 1940., - Т. 10, - С. 1519

29. Вязовов В.В. //Журн. хим. пром., 1940., - Т. 17, - С. 14

30. Вяхирев Д. А., Шушунова А. Ф. Руководство по газовой хроматографии.- М.: Высш. школа, 1987. 335 с.

31. Галлиулин М.Ф., Семенов П.П. // Теор. основы хим. технол., 1968., -Т.2,-С.169

32. Гебхарт Б., Джалурия Й., Махаждан Р., Саммакия Б. Свободноконвек-тивные течения, тепло- и массообмен. М.: Мир, - 1991., Т.2, - 678 С.

33. Гебхарт Б., Джалурия Й., Махаждан Р., Саммакия Б. Свободноконвек-тивные течения, тепло- и массообмен. М.: Мир, - 1991., Т.1, - 528 С.

34. Герасимов П.В. Исследование гидродинамических и массообменных характеристик ректификационных аппаратов пленочного типа: Дис. канд. техн. наук. Одесса, 1975. -148 с.

35. Глухов С.Д., Никифоров Ю. В. // Вестник МГТУ. -1993.- Сер. Машиностроение.-N 3.- С. 95-98.

36. Головко Г.А. Криогенное производство инертных газов. JL: Машиностроение. - 1983 .-416с.

37. Гончаров В.П. Гамильтоново представление уравнений гидродинамики и его использование для описания волновых движений в течениях со сдвигом. // Изв. АН СССР, ФАО, 1984, - Т.2.0, - №2, С. 125 - 135.

38. Гончаров В.П. Исследование волновых взаимодействий в стратифицированных средах в рамках метода гамильтоновского формализма: Дис. канд. ф-м. наук. Москва, МГУ, - 1977. - 157 с.

39. Гончаров В.П., Павлов В.И. Проблемы гидродинамики в гамильтоновом описании. -М.: Изд. МГУ, 1993. - 197 с.

40. Дытнерский Ю. И., Брыков В. П., Каграманов Г. Г. Мембранное разделение газов.- М.: Химия, 1991. 344 с.

41. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники М: Мир. - 1964. - 716 с.

42. Евстафьев А.Г. Ректификационные установки М.: Машгиз, - 1963. - 163 с.

43. Жаворонков Н.М., Малюсов В.А Теоретические основы химической технологии. М.: Химия, - 1967, Т.1, - 562 с.

44. Живайкин Л.Я. // Хим. пром., 1961, - №6

45. Зиберт Г.К., Феоктистова Т.М. Объемные насадки. М.: ООО «ИРЦ Газпром», — 2002.- Обз. информация. Сер. Подготовка и переработка газа и газового конденсата. - 52 с.

46. Зенер, Лэйви Дренажные системы для конденсаторов // Энергетические машины и установки. 1974. - №2. - С. 52.

47. Иомтев М.Б., Дорошенко А.И., Кушнер Л.С., Растворимость твердого неона в сжатом гелии при 9 -14 К // Журнал Физической Химии. -1976. -50.- С. 3000.

48. Иомтев М.Б., Дорошенко А.И., Кушнер Л.С Растворимость твердого неона в газообразном гелии при давлениях до 500 атм. // Журнал Физической Химии. 1980. - 42?. - С. 257 - 259.

49. Иомтев М.Б., Дорошенко А.И., Кушнер Л.С., и др. Растворимость твердого неона в газообразном гелии // Журнал Физической Химии. -1977. -51.-6.-С. 1373 -1376.

50. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена. М: Высшая школа, - 1979. - 495 с.

51. Исследование эффективности работы регулярных насадок при разделении смеси кислород-аргон: Отчет /АО Криогенмаш. Рук. Работы А.С. Бронштейн, инв. № 4065. Балашиха. - 1994. - 31 с.

52. Кадер Т.Л., Олевский В.М., Семкина Н.С. Интенсификация массообмена в пленочной ректификационной колонне // Химия и технология продуктов органического синтеза. Процессы и аппараты. Тр. ГИАП. —1969. -Вып. 1, ч.2.-С.130-137.

53. Кархер Г, Саймон Л., Фудзимото X., Хильдебрандт С., Хоффман Д. Минимальные поверхности/ -М.: ФИЗМАТЛИТ, -2003., 352 с.

54. Кафаров В.В. Основы массопередачи: Учебник для студентов вузов. -М.: Высшая школа, 1979. 439 с.

55. Кейлин В. Е., Концевов Г. А. // Приборы и техника эксперимента.-1967.-N 4.- С. 254-256

56. Козлов А.В. Рабочие характеристики насадочных колонн установок разделения воздуха. М: МГТУ им. Баумана, дисс. канд. техн. наук. -2002. -148 с.

57. Конобеев Б.И., Малюсов В.А., Жаворонков Н.М. // Хим. пром., 1957, -№3

58. Конобеев Б.И., Малюсов В.А., Жаворонков Н.М. // Хим. пром., 1961,-№7

59. Конончук А.А. Исследование регулярных пластинчатых насадок применительно к условиям спиртового производства: Автореф. дис. канд. техн. наук. Киев, 1968. - 27 с.

60. Котельников В.А., Карамышева Т. А., Павлова Г. А. и др. // Сб. "Физико-химические исследования структуры и свойств кварцевого стекла".-М.- 1974.-Вып. 1.- 139 с.

61. Кусый В.Г. Исследование и разработка безнагревной адсорбционной технологии разделения неоно-гелиевой смеси. Дисс. канд. техн. наук.-Балашиха.-1995.-161 с.

62. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика./ М: Физматгиз, 1959, - 352 С.

63. Левченко В.Я. Исследование процесса низкотемпературного адсорбционного разделения неоно-гелиевой смеси. Дисс. канд. техн. наук.-М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана.-1980,-155 с.

64. Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла.- Л.: Наука, 1985.166 с

65. Марценюк А.С., Стабников В.Н. Пленочные тепло и массообменные аппараты в пищевой промышленности М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 160 с.

66. Массон С. Е. Моделирование процесса на одно- и двухмембранном модульном элементе и анализ схем газоразделения на их основе с целью экономической оптимизации.: Дис. . канд. техн. наук.- Москва, 1997.150 с.

67. Машины и аппараты химических производств: Учебник для вузов по специальности «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» / И.И.Поникаров, О.А. Перелыгин, В.П. Доронин, и др. М.: Машиностроение, 1989. -368 с.

68. Михайлов А.В. Получение неона из неоно-гелиевой смеси на мембране из кварцевого стекла : Дисс. канд. техн. наук.- Москва, 2001.- 188 с.

69. Наринский А.Г. Математическое моделирование и экспериментальная проверка методов расчёта процесса мембранного разделения азотно-кислородных смесей.: Дисс. канд. техн. наук.- Москва, 1983.- 188 с.

70. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.- Л.: Энергоатомиздат, 1985.- 248 с.

71. Олевский В.М. Реферат дисс. д.т.н., МХТИ им. Менделеева, 1969, - 35 с.

72. Патанкар С.В. Сперроу Е.М. Конденсация на оребренной поверхности // Теплопередача.- 1979.-Т.101. -№3.-С. 61-67.

73. Патент 1365801 (Великобритания) 1972 г.

74. Патент 1372802 (Великобритания) 1972 г.

75. Патент 15719 (НРБ) 1971 г.

76. Патент 3854913 (США) 1974 г.

77. Патент 3854914 (США) 1974 г.

78. Патент 470181 (Австралия) 1976 г.

79. Патент 470487 (Австралия) 1976 г.

80. Перевезенцев А.Н. и др. Глубокая очистка гелия с применением интерметаллических соединений на основе циркония./

81. Пленочная тепло и массообменная аппаратура / Под ред. В.М. Олевско-го -М.: Химия, 1988. 239 с.

82. Позин М.Е. // Журнал прикладной химии, 1947, - Т.20, - С.205

83. Прянишников В. П. Система кремнезёма.- JL, 1971.- 238 с.

84. Пуртов С.Н. Моделирование неоновых и неоно-гелиевых криогенных установок: Дис.канд. техн. наук.-М, 2002.-176 с.

85. Пярнпуу А.А. Взаимодействие молекул газа с поверхностями М.: Наука-1974.-192 с.

86. Регирер С. А.//ЖТФ.-1960.- т. 30, N 6.- С. 639-643

87. Розен A.M. Теория разделения изотопов в колоннах. М: Атомиздат, 1960,-438 с.

88. Рыбаков В.М. // ЦИАМ, технический отчет №279, 1967.- Р. 68

89. Рыбаков В.М. Исследование конвективного массо- и теплопереноса в массообменных аппаратах с параллельной насадкой // Труды ЦИАМ №626,- 1974.,-Р. 64

90. Рыбаков В.М., Олевский В.М. Свистулев В.М. Герцовский В.А. // Труды ГИАП, 1970.- вып. 4, - Р. 31

91. Селиванова Е.Н./ Новые результаты в теории топологической классификации интегрируемых систем./ М.: Наука, Тр. МИРАН., 1994., -Т.205., - 208 С.

92. Семенов П.А. // ЖТФ, 1948, - Т. 14, - С.427

93. Семенов П.А. // ЖТФ, 1950, - Т.20, - С.980

94. Смагулов Ш.С., Орунханов М.К. Метод фиктивных областей для уравнений Навье- Стокса с неоднородными граничными условиями./ Математическое моделирование.- 2000. -Т.12. № 10. -С.121-127

95. Соловьев А.В. //Дисс. канд. техн. наук.-М: МИХМ., -1964., -164 с.

96. Соловьев А.В., Преображенский Е.И., Семенов П.А. // Хим. Пром., -1966., №8

97. Телетов С.Т. // Докл. АН СССР, 1946.- V. 51, N 3.

98. Тёрстон.У. Трехмерная топология и геометрия. М.: МЦНМО, - 2001., -312 С.

99. Уэбб P.JI. Обобщенный метод расчета и оптимизации рифленых поверхностей конденсации Грегорига // Теплопередача. 1979. - Т. 11.-С. 171-177.

100. Фастовский В.Г. Разделение газовых смесей.- М.- Д.: Гостехиздат.-1947.-359 с.

101. Фастовский В.Г., Берниковский В. В. // Ж прикл. химии.-1938.- Т. 11.-С.1091.

102. Фастовский В.Г., Петровский Ю. В. // Кислород.-1952.-N 2.- С. 41-49

103. Фастовский В. Г., Ровинский А. Е. // Труды ВЭИ.-1958.- Вып. 61.-С.67-98

104. Фастовский В.Г., Ровинский А. Е., Петровский Ю. В. Инертные газы.-М.: Атомиздат.-1972.-352 с.

105. Фоменко А.Т. Наглядная геометрия и топология. Математические образы в реальном мире. М.: Изд. Московского Университета, - 1992., -432 С.

106. Фрадков А.Б. //Журн. техн.физ., 1947, - Т. 17, - С.618

107. Чжань А.М.С., Бенерджи С. Численное моделирование трехмерных ячейковых вихрей в замкнутых полостях с твердыми непроницаемыми стенками / Теплопередача, -1979, Т.101, - №2, - С.52-57

108. Шахманцир В.А. Миграция гелия в кварцевом стекле. // Молодёжная научная конференция, Санкт-Петербург, 2000.- С. 62.

109. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена./ М: Мир, 1988., -544 С.

110. Юферов В.Б., Кобзев П.М., Булатова Р.Ф., Коган B.C.// Исследование механизма сорбции водорода сконденсированными слоями С02 / Журнал Технической Физики.-1968.-Т.38, N2. с. 147-154

111. Юферов В.Б., Кобзев П.М.// Исследование криосорбционной откачки гелия, водорода и дейтерия слоями сконденсированных газов/ ЖТФ,-1969.-Т.39, N1. с.1683-1688

112. Acrivos А. // Chem.Eng. Sci., -1958., -V.9, Р.242

113. Anderson О. L., Stuart D. A. // J. Am. Ceram Soc.- 1954.- V. 37, N 32.- P. 573-582.

114. Beek W.J., Bakker C.A.P // Appl.Sci.Res., 1961., -V.A 10., - P.241

115. Bennet D.L., Dunbobbin B.R./Cryogenic air separation equipment design./ Proc. 3 Int. Conf. Ciyogenics'94, Praha, -1994, p.15-26

116. Bewilogua L. // Cryogenics.-1962.-V. 2.- P. 290-291

117. Bhide B. D., Stern S. A. // J. Membr. Scin.- 1991.- V. 62.- P. 13-35.

118. Bondarenko V.L., Arkharov A.M., Golubev A.A. et al. /Research-industrial plant for production of high purity neon/ Preprint of 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF,Sydney, -1999, pap.n.635

119. Bomio P. Sulzer -Kolonnen fur Absorptions und Desorptionsprozesse // Techn. Robasch. Sulzer.- 1979.- Bd.61,N2.-S.62-68.

120. Boussinesq T.V. // Comptes Rendus, 1891.- V. 113,- P. 9, 49

121. Bravo J.L., Rocha J.A., Fair J.R. Mass transfer in gauze packings // Hydrocarbon Processing -1985. -Nl. -P.45-49.

122. Byers C.H., King C.J. // AIChE J., 1967.,- V. 13,- P. 628

123. Byers C.H., King C.J. // AIChE J., 1967.,- V. 13,- P. 637

124. Chung K.C. A generalized finite-difference method for hest transfer problems of irregular geometries / Numerical Heat Transfer, 1981.- V. 4, N3.,-P. 345-357

125. Del Giudice S., Strada M., Comini G. Three-dimensional laminar flow in ducts // Numerical Heat Transfer, 1981.- V. 4, N 2.,- P. 215-228

126. Dumbangh W. H., Schultz P. Vitreous silica. // Encyclopedia of chemical technology.- New York, 1969.- V. 18.- P. 73-102.

127. Dunn Т., Hetherington G., Jack К. H. // Phys. Chem. Glasses.- 1965.- V. 6, N. l.-P. 16-25.

128. Frenkel J. Kinetic theory of liquids.- Oxford University Press, New York.-1947.-P. 10.

129. Fulford G.D.// Advances in chemical engineering, N.Y. Academic Press, -1964,-V. 5,-P. 24

130. Gladun A. /Joule Thomson effect in neon-helium mixtures/ Cryogenics -1967.-October, - P. 286-288

131. Grunthaner F., Grunthaner P., Vasquer R. et al. // Phys. Rev. Lett.- 1979.-V. 43, N. 22.-P. 1683-1686.

132. Guccione E. // Chemical Engineering.- 1963.- V. 70, N 18.- P. 68-72

133. Hagenbach G. F., Schiffhauer J. H. Advances in Cryogenic Engineering.-New York, Plenum Press.- 1964.- V. 9.- P. 557

134. Hatch T.F. (Jr.), Pigford R.L. // Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 1962., -V.l, - P.209

135. Heck C.K., Barrick P.L. /Liquid-vapor equilibria of the neon-helium system/ Advances in Cryogenics 1967. -V.l2. - P. 714-718

136. Jackson D.P., French J.B. /High energy scattering of inert gases from well-characterized surfaces/ II Theoretical Raref.Gas Dynamic Proc. 6th Int.Symp. -1969, v.II, p.l 119-1134, M: Мир. - 1964. - 716 с.

137. Knorn M. / Vapour-liquid equilibria of the neon-helium system // Cryogenics -1967.- N3 .-V.7. P. 177

138. Konnert J. H., D'Antonio P., Karle J. // J. Non-Crystal Solids.- 1982.- V.53, N. 1-2.-P. 135-141.

139. Lapp J. C., Shelby J. E. // Phys. Chem. Glasses.- 1997.- V. 38, N. 5.- P. 256-259.

140. Lewis W.K. // Mechanical Engineering, 1922, - V.44, - P.445

141. Leyarovski E. I. , Georgiev J.K., Zahariev A.L. // Separation Science and Technology. 1990. -V. 25, N 5.- P. 557-580

142. Leyarovski E. I. // Cryogenics.- 1970.-V. 10, N 1.- P. 48-52

143. Leyarovski E. I., Georgiev J.K., Zahariev A.L.// J.Phys.E: Sci. Instrum. -1987. N20.-P. 1192-1195

144. Lockett M.J., Srinivasan V. Assuring consistent thermal performance of air separation plant main condenser / reboilers // The seventh IIR International Conference Cryogenics , Prague (Czech Republic), 1994. - P. 195-198

145. Mallinson G.D., De Vahl Davis G. Three-dimensional natural convection in a box: a numerical study / J.Fluid Mech., 1977.- V. 83, N 1.,- P. 1-31

146. Meisner W., Steiner K. // Industrie.-1932.-Bd. 39, N 4.- S. 49-68

147. Mercea P. -V., Barton M. //J. Membr. Sci.- 1991, v. 59, P.353-358

148. Meyer B.A., Mitchell J.W., El-Wakil M.M. Теплообмен при свободной конвекции в ячейках с небольшим отношением сторон / Теплопередача, -1979, Т.101, - №4, - С.103-108

149. Mori Y., Hijikata К. Hirasawa S. Optimized performance of condensers with outside condensing surfaces // Heat transfer, 1981.- V. 103. - N 97. -P. 96- 102.

150. Onishi Т., Nagata H., Kinoshita T. / Neon production process based on Pressure Swing Adsorption/ Preprint of 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney, -1999, pap. n. 399

151. Paolino V. J. // Advances in Cryogenic Engineering.-1960.- V. 2.- P. 197202

152. Patent U.K. № 1 253 878 Improvements in and relating to liquid and gas contact apparatus / C.G. Munters -1971.

153. Patent United States № 4436146 Shell and tube heat exchanger / J. Smolarek, N.Y. Blasdell. 1984.

154. Patent United States № 4929399 Structured Column Packing with Liquid Holdup / Michael J. Lockett; Richard A. Victor.- 1990.

155. Peer G. Ph. // Kaltetechnikklimatisierung.-1968.- Bd. 20, N 6.- S. 179-185

156. Richter R. Rensselaer polytechnic Institute, M.S. Thesis. 1958.

157. Robinson R.L. (Jr), Hiza M.J. /Solid-vapor equilibrium-a survey/ Fourth Joint AIChE-CSChE Meeting Proc., Vancouver, B.C., Canada, -1973, p.218-239

158. Rocha A., Escamilla E., Martinez G. Basic design of distillation columns filled metallic structured packings.// Gas separation and purification, 1993, - v.7, -№1, c.57-61.

159. Schiller L.//Phys. Z., 1922,- V.23,-P. 14

160. Schulman H.L., Ulrich C.F., Proulx A.Z., Zimmerman J.O. // AIChE J., -1955.,-V. 1,-P. 251

161. Scurlock R.G. Cryogenic Engineering of High Temperature Superconductors./ Proc. 5 Int. Conf. Cryogenics'98, Praha, p.30-34

162. Shackeltord J. F. // J. Non-Crystal Solids.- 1982.- V.49, N. 1-2.- P. 299-307.

163. Shelby J. E. // In Phys. Non-Cryst. Solids. Aedermannsdorf.-1977.- P. 509.

164. Shelby J. E. // J. Amer. Cer. Soc.-1972.- V. 55, N. 2.- P. 61-64.

165. Shelby J. E. // J. Amer. Cer. Soc.-1973.- V. 56, N. 5.- P. 263.

166. Shelby J. E. // J. Amer. Cer. Soc.-1974.- V. 57, N. 6.- P. 260-263.

167. Shelby J. E. //J. Appl. Phys.-1972.- V. 43, N. 7.- P. 3068-3072.

168. Shelby J. E.//J. Appl. Phys.-1973.- V. 44, N. 10.- P. 4588-4591.

169. Shelby J. E. //J. Appl. Phys.-1973.- V. 44, N. 9.- P. 3880-3888.

170. Shelby J. E.//J. Appl. Phys.-1977.- V. 48, N. 4.- P. 1497-1502.

171. Shelby J. E. // J. Appl. Phys.-1978.- V. 49, N. 5.- P. 2748-2751.

172. Spigel L., Meier W. Correlation of the performance characteristics of the various Mellapack types./ Inst.of Chem. Eng., Symp.ser., 1987, -№104, -p.203-208

173. Srivastava K. P., Roberts G. J. // Phys. Chem. Glasses.- 1970.- V. 11, N. 2.-P.21-24.

174. Urry W. //J. Amer. Chem. Soc.- 1932.- V. 54, N 10.- P. 3887-3901.

175. Van Dormaal J.P., Raithby G.D., Strong A.B. Prediction of natural convection in nonrectangular enclosures using orthogonal curviliner coordinates / Numerical Heat Transfer, -1981.- V. 4, N 1.,- P. 21-38

176. Van Rossum J.J. //J. Chem. Eng. Sci., 1959., - V.l 1, - P.35

177. Van Voorhis C.C. // Phys. Rev.-1924.- V. 23.- P. 557.

178. Vivian J.E., King C.J. // Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 1964., - V.10, -P.221

179. Weedmann J.A.J Rectification of liquid air in a packed column/ Industrial and Engineering Chemistry,.-1947.-V. 39, N 6.- S. 732-747

180. Whitman W.G. // Chem. Met. Eng., 1923, - V.29, - P. 146

181. Yampol'skii Yu.P., Volkov V.V. //J. Membr. Sci.- 1991, v. 64.- P.191-228.

182. Zogg Martin. Stoffaustausch in der Sulzer-Gewebpackung // Chemical Ingenering Technic.- 1973.- Bd. 45,№2. -P.59-79.

183. Zwiderweg F.L., Harmens.// Chemical engineering science, 1958, v.9, N2/3, -p.89-103