Науково-технологічні основи підвищення ефективності кріогенної сепарації рідкісних газів
Вантажиться...
Дата
2010
Автори
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Одес. держ. акад. холоду
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.14 - Холодильна, вакуумна і компресорна техніка, системи кондиціонування.
Дисертація присвячена дослідженню кріогенних процесів розділення багатокомпонентних сумішей з метою створення нових технологій виробництва рідкісних газів: гелію, неону, криптону і ксенону. У роботі проведено аналіз джерел отримання сировинних концентратів. Обгрунтована необхідність збагачення продуктів в місцях видобування. Показаний взаємозв'язок рівня збагачення і техніко-економічних умов сировинного комплексу. Виявлені резерви підвищення продуктивності і економічності виробництв рідкісних газів.
Проведений термодинамічний аналіз кріогенних процесів сепарації і досліджена фазова поведінка газових сумішей на основі рідкісних газів при низьких температурах. Вивчені закономірності роботи безмашинних пристроїв, що поєднують в собі функції охолоджувача і сепаратора. Показані шляхи збільшення енергетичної ефективності газодинамічних апаратів і обґрунтовані способи їх включення до складу установок з наявним перепадом тиску. Запропоновані прийоми узгодження продуктивності охолоджувача з технологічними витратами робочого тіла. Вивчені каскадні схеми на основі безмашинних апаратів і проведені випробування маломасштабних сепараторів при Т= 25...28 К.
Створений комплекс моделей, що описують сукупність процесів періодичної адсорбції. Запропонований критерій ефективності одиночного адсорбера який враховує дійсну поглинаючу здатність шару сорбенту і динаміку роботи адсорбера. Проведена експериментальна перевірка коректності запропонованих моделей і визначені оптимальні геометричні характеристики адсорберів в системах очищення неоногелієвого концентрату при Т=78 К. За допомогою названого критерію ефективності вивчені методи вдосконалення одиночних адсорберів і можливості забезпечення безперервного очищення з використанням мінімального числа апаратів у складі багатокорпусних блоків. Розроблені і впроваджені більш десяти адсорбційних систем для очищення рідкісних і технічних газів.
Вивчені прийоми глибокого збагачення і розділення ізотопних з'єднань неону методом фронтальної хроматографії. Досліджені процеси видобування важких інертних газів (Кг і Хе) в рухомому шарі сорбенту, а також з використанням процесу десублімації в діапазоні температур Т=70...100 К. Запропоновані конструктивні і схемні рішення дослідно-промислових установок.
Проведений енергетичний аналіз і створені засоби кріогенного забезпечення процесів фазової сепарації при Т= 25...78 К, що дозволило розробити, виготовити і ввести в дію п'ять типорозмірів ступінчастих дефлегматорів для збагачення неоногелієвої суміші. Дослідження процесів сепарації ізотопів неону забезпечило отримання в колоні ректифікації при Т=28 К стабільних ізотопів 20Ne і 22Ne з ізотопним співвідношенням 99,95%. Розроблені основи побудови безвідходних технологічних послідовностей для отримання рідкісних газів чистотою > 99,999%.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.14 - Холодильная, вакуумная и компрессорная техника, системы кондиционирования. Диссертация посвящена исследованию криогенных процессов разделения многокомпонентных смесей с целью создания новых технологий извлечения редких газов: гелия, неона, криптона и ксенона. В работе дан анализ источников получения первичных концентратов. Обоснована необходимость обогащения продуктов в местах извлечения. Показана взаимосвязь степени концентрирования и технико-экономических условий сырьевого комплекса Выявлены резервы повышения продуктивности и экономичности производств редких газов. Проведен термодинамический анализ криогенных процессов сепарации и исследовано фазовое поведение газовых смесей на основе редких газов при низких температурах. Изучены закономерности работы безмашинных устройств, сочетающих в себе функции охладителя и сепаратора. Показаны пути увеличения энергетической эффективности газодинамических аппаратов и обоснованы способы их включения в состав установок с «бросовым» перепадом давления. Разработаны технические решения, обеспечивающие согласование производительности охладителя и располагаемого расхода рабочего тела путем создания волновых устройств с изменяемой геометрией проточной части сопла Рассмотрены каскадные схемы на основе безмашинных аппаратов и проведены испытания маломасштабных сепараторов при Т= 25...28 К. Создан комплекс моделей, описывающих совокупность процессов периодической адсорбции. Предложен критерий эффективности одиночного адсорбера, который учитывает действительную поглощающую способность слоя сорбента и динамику работы адсорбера Проведена экспериментальная проверка корректности предложенных моделей и определены оптимальные геометрические характеристики адсорберов в системах очистки неоногелиевого концентрата при Т= 78 К. С помощью названного критерия эффективности изучены методы совершенствования одиночных адсорберов и возможности обеспечения непрерывной очистки с использованием минимального числа аппаратов в составе многокорпусных блоков. Разработаны и внедрены более десятка адсорбционных систем для очистки редких и технических газов. Изучены приемы глубокого обогащения и разделения изотопных соединений неона методом фронтальной хроматографии. Исследованы процессы извлечения тяжелых инертных газов (Кг и Хе) в подвижном слое сорбента и с использованием процесса десублимации в диапазоне температур 70...100 К. Предложены конструктивные и схемные решения опытнопромышленных установок. Проведен энергетический анализ и созданы средства криогенного обеспечения процессов фазовой сепарации при Т=25...78К, что позволило разработать, изготовить и ввести в промышленную эксплуатацию пять типоразмеров ступенчатых дефлегматоров для обогащения неоногелиевой смеси. Исследование процессов сепарации изотопов неона обеспечило получение в ректификационной колонне при Т=28 К стабильных изотопов 20Ne и 22Ne с изотопным соотношением 99,95%. Разработаны основы построения безотходных технологических последовательностей для получения редких газов чистотой > 99,999%.
Thesis for the scientific degree of Doctor of technical sciences on the speciality 05.05.14 - Refrigeration, vacuum and compressor equipment, air conditioning systems. The thesis is dedicated to the research of cryogenic processes of multicomponent mixtures separation with the purpose of creating new technologies for the extraction of rare gases: helium, aeon, krypton and xenon. The work analyses the sources of obtaining the primary concentrates. The necessity of enriching the products in the places of extraction has been justified. The correlation between the concentration degree and the techno-economic conditions of the resource complex has been shown. The reserves for increasing the productivity and profitability of rare gases production have been found. The thermodynamic analysis of cryogenic separation processes has been made and the gas mixtures phase behaviour at low temperatures has been researched. The regularities unmachine devices, combining the functions of the cooler and separator, have been studied. The ways of increasing energy efficiency of gas-dynamic devices have been shown and the means of including them into the devices with wasted pressure difference have been justified. There have been developed the technical solutions providing the agreement of the cooler productivity and the disposable working medium consumption by way of creating wave devices with the alterable geometry of the nozzle flow part. The cascade circuits on the basis of unmachine devices have been considered and the small-scale separators have been tested at T=25...28 K. A complex of models describing the totality of periodical adsorption processes has been created. A criterion for a single adsorber efficiency, that takes into account the actual absorption capacity of the sorbent layer and the dynamics of the adsorber work, has been suggested. The correctness of the offered models has been tested experimentally and the optimum geometrical characteristics of the adsorbers in the neon-helium concentrate purification systems at T=78 K have been defined. With the help of the said efficiency criterion, the methods for single adsorbers improvement and the possibilities of continuous purification with the use of the minimum number of devices as part of the multicasing blocks have been studied. More than ten adsorption systems for the rare and technical gases purification have been developed and introduced. The techniques of deep enrichment and neon isotope compounds separation by the method of frontal chromatography have been studied. The processes of heavy inert gases extraction (Kr and Xe) in the movable sorbent layer and with the usage of the desublimation process at the temperature range 70...100K have been researched. The constructive and circuit designs of experimental-industrial devices have been suggested. The energy analysis has been conducted and the means of cryogenic support of the phase separation processes at T= 25...78 K have been created, which allowed to develop, produce and put into industrial operation five of reflux condensers sizes for neon-helium mixture enrichment. Researching the neon isotopes separation processes allowed obtaining in the rectification column at T=28 K stable isotopes 20Ne and 22Ne with the isotope correlation 99,95%. The fundamentals for building nonwaste technological sequences for rare gases extraction with the purity > 99,999% have been developed.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.14 - Холодильная, вакуумная и компрессорная техника, системы кондиционирования. Диссертация посвящена исследованию криогенных процессов разделения многокомпонентных смесей с целью создания новых технологий извлечения редких газов: гелия, неона, криптона и ксенона. В работе дан анализ источников получения первичных концентратов. Обоснована необходимость обогащения продуктов в местах извлечения. Показана взаимосвязь степени концентрирования и технико-экономических условий сырьевого комплекса Выявлены резервы повышения продуктивности и экономичности производств редких газов. Проведен термодинамический анализ криогенных процессов сепарации и исследовано фазовое поведение газовых смесей на основе редких газов при низких температурах. Изучены закономерности работы безмашинных устройств, сочетающих в себе функции охладителя и сепаратора. Показаны пути увеличения энергетической эффективности газодинамических аппаратов и обоснованы способы их включения в состав установок с «бросовым» перепадом давления. Разработаны технические решения, обеспечивающие согласование производительности охладителя и располагаемого расхода рабочего тела путем создания волновых устройств с изменяемой геометрией проточной части сопла Рассмотрены каскадные схемы на основе безмашинных аппаратов и проведены испытания маломасштабных сепараторов при Т= 25...28 К. Создан комплекс моделей, описывающих совокупность процессов периодической адсорбции. Предложен критерий эффективности одиночного адсорбера, который учитывает действительную поглощающую способность слоя сорбента и динамику работы адсорбера Проведена экспериментальная проверка корректности предложенных моделей и определены оптимальные геометрические характеристики адсорберов в системах очистки неоногелиевого концентрата при Т= 78 К. С помощью названного критерия эффективности изучены методы совершенствования одиночных адсорберов и возможности обеспечения непрерывной очистки с использованием минимального числа аппаратов в составе многокорпусных блоков. Разработаны и внедрены более десятка адсорбционных систем для очистки редких и технических газов. Изучены приемы глубокого обогащения и разделения изотопных соединений неона методом фронтальной хроматографии. Исследованы процессы извлечения тяжелых инертных газов (Кг и Хе) в подвижном слое сорбента и с использованием процесса десублимации в диапазоне температур 70...100 К. Предложены конструктивные и схемные решения опытнопромышленных установок. Проведен энергетический анализ и созданы средства криогенного обеспечения процессов фазовой сепарации при Т=25...78К, что позволило разработать, изготовить и ввести в промышленную эксплуатацию пять типоразмеров ступенчатых дефлегматоров для обогащения неоногелиевой смеси. Исследование процессов сепарации изотопов неона обеспечило получение в ректификационной колонне при Т=28 К стабильных изотопов 20Ne и 22Ne с изотопным соотношением 99,95%. Разработаны основы построения безотходных технологических последовательностей для получения редких газов чистотой > 99,999%.
Thesis for the scientific degree of Doctor of technical sciences on the speciality 05.05.14 - Refrigeration, vacuum and compressor equipment, air conditioning systems. The thesis is dedicated to the research of cryogenic processes of multicomponent mixtures separation with the purpose of creating new technologies for the extraction of rare gases: helium, aeon, krypton and xenon. The work analyses the sources of obtaining the primary concentrates. The necessity of enriching the products in the places of extraction has been justified. The correlation between the concentration degree and the techno-economic conditions of the resource complex has been shown. The reserves for increasing the productivity and profitability of rare gases production have been found. The thermodynamic analysis of cryogenic separation processes has been made and the gas mixtures phase behaviour at low temperatures has been researched. The regularities unmachine devices, combining the functions of the cooler and separator, have been studied. The ways of increasing energy efficiency of gas-dynamic devices have been shown and the means of including them into the devices with wasted pressure difference have been justified. There have been developed the technical solutions providing the agreement of the cooler productivity and the disposable working medium consumption by way of creating wave devices with the alterable geometry of the nozzle flow part. The cascade circuits on the basis of unmachine devices have been considered and the small-scale separators have been tested at T=25...28 K. A complex of models describing the totality of periodical adsorption processes has been created. A criterion for a single adsorber efficiency, that takes into account the actual absorption capacity of the sorbent layer and the dynamics of the adsorber work, has been suggested. The correctness of the offered models has been tested experimentally and the optimum geometrical characteristics of the adsorbers in the neon-helium concentrate purification systems at T=78 K have been defined. With the help of the said efficiency criterion, the methods for single adsorbers improvement and the possibilities of continuous purification with the use of the minimum number of devices as part of the multicasing blocks have been studied. More than ten adsorption systems for the rare and technical gases purification have been developed and introduced. The techniques of deep enrichment and neon isotope compounds separation by the method of frontal chromatography have been studied. The processes of heavy inert gases extraction (Kr and Xe) in the movable sorbent layer and with the usage of the desublimation process at the temperature range 70...100K have been researched. The constructive and circuit designs of experimental-industrial devices have been suggested. The energy analysis has been conducted and the means of cryogenic support of the phase separation processes at T= 25...78 K have been created, which allowed to develop, produce and put into industrial operation five of reflux condensers sizes for neon-helium mixture enrichment. Researching the neon isotopes separation processes allowed obtaining in the rectification column at T=28 K stable isotopes 20Ne and 22Ne with the isotope correlation 99,95%. The fundamentals for building nonwaste technological sequences for rare gases extraction with the purity > 99,999% have been developed.
Опис
Симоненко, Ю. М.
Науково-технологічні основи підвищення ефективності кріогенної сепарації рідкісних газів [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : спец. 05.05.14 "Холодильна, вакуумна і компресорна техніка, системи кондиціювання" / Симоненко Юрій Михайлович ; наук. консультант В. Л. Бондаренко ; Одес. держ. акад. холоду. – Одеса : ОДАХ, 2010. – 40 с. : табл., рис.
Ключові слова
кріогенна сепарація, рідкісні гази, кріогенні процеси, багатокомпонентні суміші, гелій, неон, криптон, ксенон, підвищення ефективності, криогенная сепарация, редкие газы, криогенные процессы, многокомпонентные смеси, гелий, повышение эффективности, cryogenic separation, rare gases, cryogenic processes, multicomponent mixtures, helium, neon, krypton, xenon, increase of efficiency