Исследование рабочих процессов и разработка современных криогенных технологий в производстве криптона и ксенона - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Образование вуз: Военно-воздушная инженерная академия им профессора Н. 1 13.19kb.
Программа по соизучению языка и культуры на основе современных технологий... 1 54.01kb.
Разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий и аппаратурное... 4 500.08kb.
Исследование и разработка моделей и методов эффективной эксплуатации... 1 363.68kb.
Сборник трудов V международной конференции «Исследование, разработка... 1 27.22kb.
Исследование нелинейных волновых процессов в газах и жидкостях 1 75.13kb.
Разработка технологий активации слоистых материалов с целью повышения... 1 71.79kb.
Отчет о работе фгбун музея антропологии и этнографии имени Петра... 5 476.6kb.
Методическая разработка по проведению урока-ролевая игра по дисциплине... 1 138.37kb.
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Исследование социально-экономических... 1 412.42kb.
Исследование рабочих процессов в гидродинамическом трансформаторе... 1 54.67kb.
Рабочая учебная программа по внутренним болезням для специальности... 1 377.7kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Исследование рабочих процессов и разработка современных криогенных технологий в производстве - страница №3/4


КМА = 2 · ( n0 – 1 ) . (20)

При построении схем реальных установок необходимо учитывать ряд дополнительных факторов, в первую очередь физические свойства компонентов разделяемой смеси, возможность возникновения азеотропных систем, соотношение концентраций компонентов, реальные требования к чистоте продуктов разделения, экономически оправданные коэффициенты извлечения продуктов, производительность и режим работы установки, методы обеспечения установки теплом и холодом (внутренняя или внешняя генерация холода) и ряд других факторов. Соотношение (20) хорошо согласуется с накопленным опытом создания схем ВРУ, поэтому можно предположить, что оно имеет не только практическое, но и методологическое значение. Применительно к Kr-Хе содержащим смесям целевыми компонентами являются Kr и Хе, к низкокипящим примесям относятся He, Ne, N2, H2, CO, Ar, O2, CH4, к основным промежуточным примесям относятся CF4, NH3, C2F6, NO и другие, и к высококипящим примесям относятся SF6, N2О, NO2, СО2, H2O, С2H6, С3H8, С2H2 , а также ССl4, CFCl3, CF3Cl, CF2Cl2 и другие возможные примеси.

Проведены исследования эффективности массопереноса и гидравлических характеристик спирально-призматические насадок и регулярной гофрированной насадки К-600, изготовленной в ОАО «Криогенмаш». Определена эффективность насадок размерами 3,4х4,0х0,4 мм и 3,05х2,0х0,2 мм. Показано преимущество второй насадки как в отношении разделительной способности (высота теоретической ступени контакта h на 38 % меньше по сравнению с первой), так и в отношении значения гидравлического сопротивления.

Полученные данные по скорости захлебывания [Wn] с наименьшим отклонением согласуется с расчетом по формуле Г. Уолисса:



м/с , (21)

где pж, pп – плотность, соответственно, жидкости и пара, кг/м3; dэкв = 6/a – эквивалентный диаметр насадки, м; L/G – отношение массовых расходов жидкости и пара; с2 = 0,53 (σ/σH2O)0,5 - корректирующий коэффициент; σ - поверхностное натяжение жидкости, н/м; σH2O = 0,072 н/м - поверхностное натяжение воды; a – удельная площадь поверхности насадки, м23.

Удельное гидравлическое сопротивление ΔР/ΔL насадочных колонн с исследованными насыпными насадками может быть вычислено по формуле:

, (22)

где Wп – скорость паров по свободному сечению пустой колонны, м/с; H – задержка жидкости в насадке, м33; ε – свободный объем насадки, м33; ξ – коэффициент гидравлического сопротивления сухой насадки.

Значения ξ и Н определяли экспериментально. Для насадки 3,05х2,0х0,2 мм :

. (23)

Для насадки 3,4х4,0х0,4 мм :



. (24)

Опытные значения для колонн диаметром 98 мм, 124 мм и 145 мм для обоих видов спирально-призматических насадок (рис. 11) удовлетворительно аппроксимируются зависимостью:



или , (25)

где: - число Рейнольдса для жидкой фазы;



- число Галилея для жидкой фазы; Wж – скорость жидкости по свободному сечению пустой колонны, м/с; μж, μп – абсолютная динамическая вязкость, соответственно, жидкости и пара, н·с/м2.

Максимальное отклонение расчетных значений гидравлического сопротивления по формуле (22) от опытных при давлении 110…500 кПа, Reж =2…20 и Reп = 100…500 не превышает 18 %.


Рис. 11. Опытные данные о задержке жидкости в насадке 3,05х2х0,2 мм:

○ - Ǿ 98 мм , - Ǿ 124 мм


Влияние давления и нагрузки колонн на интенсивность массопередачи изучали при ректификации разбавленной смеси CF4 в криптоне. Скорость пара и массовая скорость флегмы, отнесенные к поперечному сечению полой колонны, изменялись в опытах, соответственно, для колонны с насадкой 3,4х4,0х0,4 мм от 0,017 м/с до 0,94 м/с и от 0,36 кг/м2с до 1,66 кг/м2с при давлениях 220, 300, 500 кПа (абс.); для колонны с насадкой 3,05х2,0х0,2 мм – от 0,025 м/с до 0,178 м/с и от 0,9 кг/м2с до 3,21 кг/м2с при давлениях 150, 220, 300 и 500 кПа (абс).

Вычисленная по формуле Фенске высота h в колонне с насадкой 3,05х2,0х0,2 мм находится в диапазоне 24÷38,5 мм (рис. 12).

Исследована эффективность массопереноса в структурной насадке К-600. Получено изменение концентрации криптона в исчерпывающей части ~ в 1700 раз и в концентрационной части ~ в 560 раз. Средняя высота h для концентрационной части колонны составляет ~ 200 мм, а локальные значения параметра h отличаются от среднего не более чем 10 %. Для исчерпывающей части колонны средняя высота h составляет 230 мм.

Проведены исследования теплообмена в трубчатых конденсаторах-испарителях с промежуточным хладоносителем c величиной температурного напора между средами не менее 37 К, функциями которых является генерирование криптоновой флегмы из многокомпонентных смесей и обеспечение стабильного давления в контактных устройствах колонн. Аппарат состоит из двух теплообменных поверхностей («трубчаток») – верхней и нижней, объединенных полостью промежуточного хладоносителя высокого давления. В верхней «трубчатке» осуществляют теплообмен между промежуточным хладоносителем и хладагентом, в нижней – между криптоном в смеси и промежуточным хладоносителем.

Программа исследования конденсатора-испарителя включала в себя определение условий поддержания стабильного давления с точностью не менее 5 кПа, возможность регулирования теплового потока, получение опытных данных и формулирование методики теплового и гидравлического расчета подобных аппаратов.

Проведены расчетно-экспериментальные исследования теплопередачи в верхней и нижней «трубчатках». При обработке опытных данных использованы:

1. Данные по теплоотдаче (МЭИ и ОАО «Криогенмаш») при кипении азота в условиях атмосферного давления на поверхностях из коррозионно-стойкой стали, аппроксимированные в виде зависимости температурного напора ∆Т от плотности теплового потока qкип :

∆Ткип = 0,232·qкип1/3 . (26)

2. Формула Д.А. Лабунцова по расчету теплоотдачи при конденсации паров азота на вертикальной поверхности:

, (27)

где: - безразмерный параметр;



- поправочный множитель, учитывающий влияние температуры в пленке конденсата;

- соответственно теплопроводность и вязкость пленки конденсата при температуре стенки.

3. Экспериментальные данные ФТИНТа (г. Харьков) о теплоотдаче при однофазной конвекции азота в турбулентной области (Gr·Pr>108) по формуле:

Nu = 0,18·(Gr·Pr)1/3 , (28)

где Gr = g·β·∆T·l32 – число Грасгофа; Pr = Cp·μ/λ – число Прандля; β – температурный коэффициент объемного расширения; ∆Т – температурный напор между стенкой и жидкостью, К; l – высота теплообменной поверхности, м; ν – кинематическая вязкость, м2/с; μ – динамическая вязкость, н·с/м2; Cp – теплоемкость, Дж/кг·К; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·К.

Получено, что для условий работы верхней «трубчатки» кризис кипения жидкого азота не достигается, а отклонение опытных и расчетных данных по теплопередаче не превышает 25 %. Теплообмен в нижней «трубчатке» лимитируется теплоотдачей от стенки к жидкому азоту, что позволяет осуществлять генерирование криптоновой флегмы в условиях стабильного давления из смесей, содержащих до 25 % мол. неконденсируемых примесей. Такой характер теплообмена определяется низкой теплоотдачей к переохлажденному жидкому азоту в условиях свободной конвекции, что было использовано при проектировании узлов флегмообразования для стабилизации давлений в колоннах.

Для последующего расчета колонн необходимы данные о парожидкостном равновесии криптона с ключевыми компонентами (в частности, с ксеноном и CF4). В печати данные по системе Kr-CF4 отсутствовали, а по системе Kr-Xe отсутствуют данные в области разбавленного раствора ксенона в криптоне.

Для получения искомых данных был разработан способ исследования фазового равновесия, усовершенствованный по сравнению с известными в части осуществления криостатирования сосуда равновесия, способа достижения парожидкостного равновесия и определения момента наступления равновесия.

Для исследования системы Kr-CF4 были изготовлены четыре газовые смеси, отличающиеся содержанием CF4: 1 – 3,78±0,04 ppm; 2-58,9 ppm; 3 – 533 ppm и 4 – 0,77±0,03 мол.%. Для каждой из указанных смесей измеряли содержание CF4 в жидкой фазе при давлениях (абс) 150, 220, 300 и 500 кПа в направлении в начале увеличения содержания CF4 в смеси, контактирующей с жидкой фазой, достигшей равновесия с паровой фазой предыдущего состава, а затем при уменьшении в смеси содержания CF4. На рис. 13 приведены опытные данные о зависимости величины коэффициента разделения смеси от давления , причем:



, (29)

где: Y1, X1 – концентрация криптона, соответственно, в паре и жидкости;

Y2, X2 –концентрации CF4, соответственно в паре и жидкости.

Получено, что в разбавленном растворе CF4 в Kr при изменении содержания CF4 более, чем на три порядка, коэффициент разделения не зависит от концентрации CF4 (отклонение измеренных величин α от средних для всех давлений не превышает ± 1,5 %) и зависит только от давления.

Для исследования системы Kr-Xe были приготовлены три газовые смеси, отличающиеся содержанием в них ксенона: 5 – 4,35±0,1ppm; 6 – 53,5±0,5 ppm и 7 – 0,67±0,01 мол.%. Изменение концентрации Хе в рабочей смеси производилось только в направлении его повышения.


α

α

Рис. 13. Влияние давления на коэффициент разделения в разбавленном растворе CF4 в Kr при концентрации CF4 в паре:



 - 1 – 3,8 ppm;  -2 – 60 ppm;  -3 – 500 ppm;  -4 – 8000 ppm.
В исследованном диапазоне давлений и концентраций ксенона в паре получено близкое к линейному уменьшение α при увеличении давления. Опытные значения α в смеси с содержанием ксенона в паре 4,35 и 53,5 ppm совпали, что позволяет считать раствор с равновесным содержанием ксенона в паре, по крайней мере, до 53,5 ppm (соответственно, в жидкости на порядок больше) разбавленным. В системе при Y2 =0,67 мол.% α увеличивается в 1,3÷1,6 раза и в основном совпадает с осредненными значениями, полученными в работе Н. Боранбаева, С.Д. Глухова, А.В. Шевцова при значительно большем разбросе опытных точек в отличие от данных настоящей работы.

Проведены экспериментальные исследования, связанные с разработкой технологии ректификационного разделения Kr-Xe-содержащих смесей и глубокой очистки криптона и ксенона от широкой группы микропримесей. Исследовалась разделительная способность спирально-призматических насадок на рассматриваемых смесях с целью определения конструктивных и технологических параметров установки.

На рис. 14 приведены примеры распределения концентраций компонентов смеси по высоте колонн: «а» – колонны предварительного разделения, «б» - колонны очистки криптоновой фракции от нелетучих примесей, «в» - колонны очистки криптоновой фракции от летучих примесей, «г» - колонны очистки ксеноновой фракции от летучих примесей.

При расчете числа теоретических ступеней контакта в колоннах весь диапазон изменения концентрации компонента в паре разделялся на два участка. В области разбавленных растворов для концентрационной части расчет числа теоретических ступеней контакта для менее летучего компонента выполнялся по формуле:


, (30)






а) б) в) г)

Рис. 14. Распределение компонентов по высоте колонны предварительного разделения:

1 – N2; 2 – O2; 3 – Kr; 4 – CF4; 5 – C2F6; 6 – Xe.

где - флегмовое отношение; – коэффициент разделения в разбавленном растворе; Увх – концентрация менее летучего компонента в паре на входе в рассматриваемый участок колонны, мол.доли; Увых – концентрация менее летучего компонента в паре на выходе из рассматриваемого участка колонны, мол.доли.

В области разбавленных растворов для летучего компонента в исчерпывающей части колонн расчет числа теоретических ступеней контакта выполнялся по формуле:



, (31)

где – флегмовое отношение в исчерпывающей части колонны; - концентрация летучего компонента в паре на входе в рассматриваемое сечение; - концентрация летучего компонента на выходе из рассматриваемого сечения. В области изменяющегося расчет числа теоретических ступеней контакта осуществлялся по методике Пуаншона.

Определено, что высота теоретической ступени контакта h для колонны предварительного разделения в концентрационной части по Хе составляет 95÷570 мм, а в исчерпывающей части по Хе в среднем ~ 260 мм. В колонне очистки криптоновой фракции от нелетучих примесей локальная высота теоретической ступени контакта по CF4 составила 46÷120 мм, а в исчерпывающей части ~51 мм. В колонне очистки криптоновой фракции от летучих примесей локальная высота теоретической ступени контакта по кислороду составляет 237÷864 мм, а по азоту - 1040÷2700 мм. В колонне очистки ксеноновой фракции от летучих примесей средняя оценочная высота теоретической ступени контакта по C2F6 составила 194 мм. В колонне концентрирования криптона средняя высота теоретической ступени контакта в отношении криптона составила ~200 мм, а в исчерпывающей части ~ 230 мм.

По результатам комплекса проведенных исследований была разработана установка «Хром-5» для производства криптона и ксенона особо высокой (99,99995 % мол.) чистоты из различного типа смесей (рис. 15). В принятых выше обозначениях n1 = 2 (Kr и Хе), n0 = 5. Из соотношения (20) определяется максимальное количество колонн:

КМА = 2 · ( 5 – 1 ) = 8

Производительность установки принята 24 ÷ 26 нм3/час по исходной смеси и допускает периодическую работу с объемом единовременной переработки до 20000 нм3 смеси. Углеводороды подвергаются каталитическому окислению в реакторах 5 при температурах до 550 0С до концентраций, исключающих их последующее выпадение в твердом виде при рабочих температурах в кубах и контактных устройствах колонн. Продукты окисления, а также CO2 и H2O в исходной концентрации, удаляются в адсорберах 9 до аналогичных концентраций. Финишная очистка от всех примесей осуществляется методами ректификации в узле 11. Так как объемы высококипящих и промежуточных примесей небольшие, то по технико-экономическим соображениям в схему не включены колонны выделения этих примесей, и установка строится на базе шести колонн.


Рис. 23. Принципиальная технологическая схема установки «ХРОМ–5»

1-разрядная рампа; 2-баллоны; 3-узел физико-химической очистки; 4, 7, 8-теплообменники; 5-реакторы; 6-электронагреватель; 9-адсорберы; 10-фильтр; 11-узел ректификации; 12-колонна предварительного разделения смеси на фракции; 13- колонна очистки криптоновой фракции от нелетучих примесей; 14- продукционная криптоновая колонна; 15- колонна очистки ксеноновой фракции от нелетучих примесей; 15а- продукционная ксеноновая колонна; 16- колонна выделения циркуляционных потоков криптона и ксенона; 17- испаритель; 18, 19, 20- компрессоры; 21, 23, 25- наполнительная рампа; 22, 24, 26- баллоны; 27- газгольдер; 28- узел вакуумирования; 29, 30- вакуумные насосы; 31- баллон с СО2; 32- баллон с Kr; 33- линия; 34- испаритель ксеноновой фракции; 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46- линии; 47- конденсатор-испаритель; 48- замкнутая полость; 49- куб; 50- электронагреватель; 51- змеевик; 52- линия; 53- редуктор; 54- клапан; 55, 56, 57, 58, 59- линии.
В колонне 12 осуществляют разделение смеси на криптоновую и ксеноновую фракции. Флегмой в колонне является конденсат Kr. Ключевым компонентом является, например, ксенон или C2F6. В колонне 13 осуществляют очистку криптона от нелетучих примесей, флегмой является конденсат криптона, ключевым компонентом является, например, CF4. В продукционной криптоновой колонне 14 осуществляют очистку криптона от низкокипящих примесей, флегмой является конденсат криптона, ключевым компонентом является, например, азот. В колонне 15 осуществляют очистку ксеноновой фракции от нелетучих примесей, флегмой является конденсат криптона. В результате процесса ректификации в кубе колоны 15 вместе с частью ксенона концентрируются все нелетучие по отношению к ксенону примеси, в том числе СО2, H2O, углеводороды, N2O, NO2, CFCl3, CF2Cl2, CF3Cl и др.. В продукционной ксеноновой колонне 15а, где флегмой является конденсат криптона, осуществляют очистку ксенона от летучих по отношению к нему примесей. Ключевым компонентом может является, например, С2F6. В колонне 16 осуществляют ректификационное выделение циркулирующих потоков криптона и ксенона, для чего конденсатор переводят в режим получения низкотемпературной флегмы, смесь Kr и Хе с примесями низкокипящих компонентов выводят из куба и подают на вход колонны 12. Ключевым компонентом этой колонны является Kr.

Для установки «Хром-5» разработана система холодообеспечения, позволяющая полностью рекуперировать тепловые потоки и снизить расходы на этот процесс в денежном выражении в 4÷5 раз.

Необходимо отметить, что возможности установки по чистоте целевых продуктов, по-видимому, несколько выше заявленных, и лимитируются возможностями методов газового анализа по сертифицируемым микропримесям.

В каждой главе диссертации сделаны конкретные выводы по существу рассмотренных проблем.



Общие выводы по работе.

1. Рассмотрены и комплексно решены проблемы увеличения объемов производства криптон-ксенон содержащих смесей при переработке воздуха на ВРУ, а также задача получения продукционных криптона и ксенона высокой (99,999 % мол.) и особо высокой чистоты (99,99995 % мол.) путем развития традиционных и создания новых криогенных энергосберегающих технологий.

2. На основании проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований получены новые данные по задержке криптона и ксенона в аппаратах узлов очистки и ректификации ВРУ низкого давления, данные о технологически достижимых коэффициентах извлечения тяжелых инертных газов для основных схем ВРУ, а также предложены способы снижения потерь криптона и ксенона на всех стадиях их концентрирования. Впервые доказана возможность получения ксеноносодержащих смесей на ВРУ, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.
3. Исследованы процессы динамики адсорбции ксенона (в микроконцентрациях) из кислородно-ксеноновой смеси и предложена расчетная зависимость времени защитного действия адсорбционного слоя силикагеля по ксенону от параметров технологического процесса. По результатам проведенных исследований разработана криогенная адсорбционная технология получения ксеноно-азотной смеси, реализованная в серии опытно-промышленных установок Х-0,06.

4. Разработана высокоэффективная криогенная технология переработки первичного криптонового концентрата и создана серия взрывобезопасных опытно-промышленных установок «Хром-3», превосходящих на 25÷40 % по термодинамической эффективности аналоги УСК-1М и УСК-0,45.

5. Предложена структура построения узлов ректификации установок для производства из многокомпонентных смесей продуктов разделения особо высокой чистоты с максимальными коэффициентами извлечения, не зависящими от чистоты целевых компонентов. Получено соотношение для определения количества массообменных аппаратов таких установок.

6. Исследованы различные типы спирально-призматических насадок и регулярная насадка К-600 производства ОАО «Криогенмаш», работающих на смесях, содержащих в своем составе тяжелые инертные газы. Получены новые экспериментальные данные о гидравлическом сопротивлении, задержке жидкости, величине движущей силы и кинетике процессов массопередачи в колоннах с исследованными насадками при разделении разбавленных растворов. Показано, что высота теоретической ступени контакта увеличивается в области микроконцентраций компонентов.

7. Исследованы интегральные характеристики процесса теплообмена в конденсаторах-испарителях с промежуточным хладоносителем при температурных напорах 35÷50 К в условиях конденсации криптона и кипения хладагента (азота) при давлении, близком к атмосферному.

8. Разработан и создан стенд для исследования парожидкостного равновесия смесей, в том числе, в области микроконцентраций компонентов. Получены новые экспериментальные данные по фазовому равновесию смесей Kr-CF4, Kr-Xe в области разбавленных растворов. Установлено, что в области разбавленных растворов смесь Хе-C2F6 является азеотропной, и получены данные о коэффициенте распределения в этой смеси.

9. Разработана технология и создана универсальная установка «Хром-5» для получения криптона и ксенона особо высокой чистоты (99,99995 % мол.) из широкой номенклатуры многокомпонентных смесей, содержащих в своем составе тяжелые инертные газы.

10. На оборудовании, созданном на базе разработанных в рамках настоящей работы новых криогенных технологий, в настоящее время производится более 20 % мирового годового объема криптона и ксенона. Новизна предложенных технических решений подтверждается 30-ю патентами Российской Федерации, Украины, Казахстана, Румынии и Китая.


<< предыдущая страница   следующая страница >>



Случись мне присутствовать при сотворении мира, я бы дал кое-какие советы по части лучшего устройства мироздания. Альфонс Мудрый, король Касти
ещё >>