Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования

Диссертационная работа:

Савинов, Михаил Юрьевич. Исследование рабочих процессов и разработка современных криогенных технологий в производстве криптона и ксенона : диссертация ... доктора технических наук : 05.04.03 / Савинов Михаил Юрьевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т низкотемператур. и пищевых технологий].- Москва, 2008.- 309 с.: ил. РГБ ОД, 71 09-5/209

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы. Тяжелые инертные газы криптон и ксенон как физические элементы были открыты в конце ХIХ века методами спектрального анализа при фракционированном испарении жидкого воздуха. Атмосферный воздух до настоящего времени является основным источником их промышленного производства, начало которого можно датировать 1938-м годом, когда фирмами Linde, Vereinigten Gluhlampen Elektrizitate и Air Liquide были созданы установки для прямого извлечения криптона и ксенона из воздуха в Венгрии и Франции. Производительность каждой из этих установок не превышала 250 нм3 (Kr+Xe) в год, а удельные затраты электроэнергии составляли около 40000 кВтч/нм3 (Kr+Xe). Последовавшее в дальнейшем развитие техники воздухоразделения привело к преобладанию концепции комплексного разделения воздуха, когда основными продуктами являются О2 и N2, а группа инертных газов производится как дополнительные продукты. Необходимо отметить, что процессы извлечения Kr и Xe из воздуха напрямую связаны с процессами концентрирования углеводородов в жидком О2 и лимитируются условиями взрывобезопасной эксплуатации ВРУ. Тем не менее основные принципы организации технологических процессов получения первичного криптонового концентрата (ПКК) и дальнейшего извлечения Kr-Xe смеси (ККС) оставались практически неизменными и требовали своего развития и оптимизации.

Состав атмосферного воздуха, при его рассмотрении как источника криптона и ксенона, в последние десятилетия претерпевает существенные изменения. Воздух загрязняется не только традиционными примесями (СO2, CO и т.п.), но и специфическими микропримесями синтезированных газов, таких как CF4, C2F6, SF6 и др., которые концентрируются в ПКК и ККС.

В общей номенклатуре технических газов Kr и Xe всегда занимали особое положение ввиду малых объемов их производства и высокой стоимости. Тем не менее они все больше используются как в традиционных областях своего применения (электроламповая, электронная промышленности и пр.), так и в новых наукоемких технологиях, таких как производство плазменных панелей (PDP) и полупроводников, космической технике, ядерной промышленности, строительных технологиях, медицине, что определяет растущий спрос на Kr и Xe и необходимость опережающего роста их производства по отношению к темпам увеличения объемов переработки воздуха. Поэтому актуальной является задача повышения коэффициента извлечения Kr и Xe как на действующих производствах, так и при проектировании новых установок. Помимо этого, актуальной становится проблема получения тяжелых инертных газов на ВРУ, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

Новые сферы потребления предъявляют более высокие требования к качеству газов, что определяет необходимость поиска и исследования новых технологических и схемных решений для получения Kr и Xe высокой (99,999 % об.) и особо высокой (99,99995 % об.) чистоты, что невозможно без проведения комплекса научно-исследовательских работ. Необходимо отметить, что в открытой печати информация по этой проблеме крайне ограничена.

Исследования, проведенные в рамках настоящей диссертационной работы, являются продолжением и развитием работ С.Д.Глухова, Н.Боранбаева, А.В. Шевцова, К.Е.Тчанниковой, А.М.Поминова, проводившихся на кафедре Э-4 «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана с начала 70-х годов под руководством профессоров И.В.Марфениной и А.М.Архарова. Также автор опирался на работы В.И.Файнштейна, А.С.Бронштейна, Л.Б.Лебедева, В.Б.Воротынцева, посвященые вопросам обеспечения взрывобезопасности ВРУ, исследования распределения высококипящих примесей при ректификации воздуха и экспериментального определения задержки криптона в регенераторах ВРУ, и работы Е.И. Борзенко, Л.А. Акулова, С.С. Будневича и других авторов, посвященных вопросам получения О2, N2, Ar особо высокой чистоты методами ректификации.

Целью работы является исследование и развитие традиционных и создание новых промышленных технологий получения криптон-ксенон содержащих смесей на ВРУ; разработка новых универсальных технологий производства криптона и ксенона высокой и особо высокой чистоты из многокомпонентных смесей и создание опытно-промышленных установок.

В соответствии с поставленной целью в работе рассмотрены и решены следующие задачи:

1. Расчетное и экспериментальное исследование распределения Kr и Xe в аппаратах ВРУ низкого давления и выработка рекомендаций по оптимизации конструктивных решений и технологических параметров ВРУ.

2. Исследование процессов тепломассообмена применительно к созданию адсорбционной технологии получения ксеноносодержащих смесей.

3. Разработка высокоэффективной технологии и создание взрывобезопасных установок для переработки первичного криптонового концентрата.

4. Исследование парожидкостного равновесия смесей Kr-CF4, Kr-Xe, Xe-C2F6 в области разбавленных растворов.

5. Исследование процессов массопередачи в насадочных колоннах при концентрировании Kr и Xe из многокомпонентных смесей методами низкотемпературной ректификации.

6. Разработка структуры узлов ректификации установок для производства из многокомпонентных смесей продуктов разделения особо высокой чистоты с максимальными коэффициентами извлечения.

7. Разработка технологии и создание универсальной установки для получения криптона и ксенона особо высокой чистоты из многокомпонентных смесей, содержащих в своем составе тяжелые инертные газы.

Научная новизна работы.

1. Получены новые экспериментальные данные по задержке криптона и ксенона в регенераторах, в газовых и жидкостных адсорберах, в двухслойных адсорберах БКО современных ВРУ низкого давления, предложены меры по снижению потерь целевых компонентов в аппаратах узлов очистки.

2. Получены расчетные значения общих потерь по Kr и Xe для основных типов крупных ВРУ и предложены способы снижения потерь тяжелых инертных газов на стадиях их концентрирования.

3. Получены новые экспериментальные данные о гидравлическом сопротивлении, задержке жидкости, «захлебывании» вертикального противоточного течения Kr–Xe содержащих смесей на спирально-призматических насадках. Получены соотношения для расчета удельного гидравлического сопротивления и величины задержки жидкости.

4. Получены новые данные о величине движущей силы и кинетике процесса массопередачи при разделении разбавленных растворов Хе в Kr, CF4 в Kr, C2F6 в Хе, О2 и N2 в Kr в колоннах со спирально-призматическими насадками и криптона в кислороде в колонне с регулярной насадкой К-600 производства ОАО «Криогенмаш». Показано, что высота теоретической ступени контакта существенно увеличивается в области микроконцентраций компонентов.

5. Впервые получены экспериментальные интегральные характеристики процесса теплообмена в конденсаторах-испарителях с промежуточным хладоносителем при температурных напорах 3550 К в условиях конденсации Kr и кипения хладагента (азота) при давлении, близком к атмосферному.

6. Впервые показана возможность практической реализации методов непрерывной ректификации при разделении смесей Kr-CF4, Xe-C2F6 и экспериментально исследованы характеристики процессов разделения на нерегулярных спирально-призматических насадках. Установлено, что в области разбавленных растворов смесь Xe-C2F6 является азеотропной.

7. 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.

8. Впервые получены экспериментальные данные по фазовому равновесию смеси Kr-CF4, Kr-Xe в области разбавленных растворов.

9. Получены новые экспериментальные данные по адсорбции ксенона (в микроконцентрациях) из O2-Xe смеси при температурах 95140 К. Предложена расчетная зависимость времени защитного действия адсорбционного слоя силикагеля по ксенону от параметров технологического процесса.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Установлены источники потерь криптона и ксенона во всех узлах ВРУ на основе предложенной структурной классификации установок низкого давления. Получены данные о технологически достижимых коэффициентах извлечения тяжелых инертных газов для различных схем ВРУ.

2. Предложена методика расчета процессов концентрирования высококипящих примесей в кислороде применительно к аппаратам универсальной схемы узла получения ПКК. Получены результаты анализа взаимовлияния параметров работы отдельных аппаратов с точки зрения повышения выхода тяжелых инертных газов из ВРУ с обеспечением условий их безопасной эксплуатации при повышенном содержании углеводородов в перерабатываемом воздухе.

3. Доказана возможность получения ксеноносодержащих смесей из блоков разделения воздуха, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

4. Создан стенд для исследования парожидкостного равновесия смесей, в том числе, в области разбавленных растворов компонентов.

5. Создан стенд для исследования динамики адсорбции в изотермических условиях в диапазонах температур 55300 К и давлений 0,1015,0 МПа.

6. Получены новые данные о каталитическом окислении углеводородов в O2-Kr-Xe, Kr-Xe, Xe-N2 смесях в диапазоне изменения концентраций углеводородов от 310-4 до 3,5 % моль. при давлении смесей от 0,15 МПа до 1,2 МПа. Предложены новые схемы организации процессов каталитического окисления.

7. Получены новые экспериментальные данные о величине коэффициента распределения C2F6 в Xe при ректификации в области разбавленного раствора.

8. Разработана технология и создана серия установок Х-0,06 для производства Хе-N2 смеси на ВРУ, в том числе, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

9. Разработана технология и создана серия высокоэффективных промышленных установок «Хром-3» для получения ККС, на 2540 % превосходящая по эффективности аналоги УСК-1М и УСК-0,45.

10. Разработана технология и создана универсальная установка «Хром-5» для получения Kr и Xe особо высокой чистоты (более 99,99995 % мол.) из Kr-Xe, Xe-N2 и иных смесей, содержащих в своем составе тяжелые инертные газы.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований задержки тяжелых инертных газов в аппаратах узлов очистки и аналитических исследований по распределению криптона, ксенона и метана в массообменных аппаратах основных типов ВРУ низкого давления, способы снижения потерь тяжелых инертных газов при их концентрировании в узлах очистки и ректификации.

2. Способ получения ксеноносодержащих смесей на ВРУ, не оснащенных узлами первичного концентрирования криптона.

3. Результаты экспериментальных исследований динамики адсорбции ксенона (в микроконцентрациях) из O2-Xe смеси. Методика расчета зависимости времени защитного действия адсорбционного слоя силикагеля по ксенону от конструктивных и технологических параметров.

4. Результаты экспериментальных исследований гидравлического сопротивления, задержки жидкости, «захлебывания» вертикального противоточного течения Kr–Xe содержащих смесей в спирально-призматических насадках.

5. Результаты экспериментальных исследований величины движущей силы и кинетики процессов массопередачи при разделении разбавленных растворов Xe в Kr, CF4 в Kr, C2F6 в Хе, О2 и N2 в Kr в колоннах со спирально-призматическими насадками и криптона в кислороде в колонне с регулярной насадкой К-600 производства ОАО «Криогенмаш».

6. Результаты экспериментальных исследований интегральных характеристик теплообмена в конденсаторах-испарителях с промежуточным хладоносителем при температурных напорах 3550 К в условиях конденсации Kr и кипения хладагента под давлением, близким к атмосферному.

7. Способ исследования парожидкостного равновесия смесей, в том числе, в области низких концентраций компонентов. Результаты экспериментальных исследований фазового равновесия смесей Kr-CF4, Kr-Xe в области разбавленных растворов. Экспериментальные данные о величине коэффициента распределения C2F6 в Xe при ректификации в области разбавленного раствора.

8. Методология построения узлов ректификации установок для производства из многокомпонентных смесей продуктов разделения особо высокой чистоты с максимальными коэффициентами извлечения, не зависящими от чистоты целевых компонентов. Соотношение для определения количества массообменных аппаратов таких установок.

9. Технологические схемы установок для получения Хе-N2, Kr-Xe смесей, а также для получения криптона и ксенона особо высокой чистоты.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Cryogenics» (Прага, Чехия, 1998, 2000 гг.); 17-й международной конференции по криогенной технике (ICEC17) (Бермаф, Великобритания, 1998 г.); ХIХ конгрессе Международного Института Холода (IIR) (Гаага, Нидерланды, 1995 г.); ХХ конгрессе Международного института холода (IIR) (Сидней, Австралия, 1999 г.); ХХII конгрессе Международного института холода (IIR) (Пекин, Китай, 2007 г.); научных семинарах в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э.Баумана на кафедре «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» в течение 1995-2008 гг.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 56 печатных работ. 16 работ опубликовано в Российских журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 8 работ опубликовано в зарубежных журналах.

Личный вклад автора заключается в постановке научных задач экспериментальных, теоретических и расчетных исследований, решении теоретических, методических и практических вопросов, в том числе разработка расчетных схем и алгоритмов, разработка экспериментальных стендов и установок, выбор режимов и способов измерений, проведение экспериментов, сбор, анализ и обработка информации. Автор развил методы исследования потерь криптона и ксенона в аппаратах ВРУ, разработал технологические схемы установок Х-0,06, «Хром-3» и «Хром-5», а также разработал концепцию компоновки ректификационных узлов установок для разделения многокомпонентных смесей с получением продуктов разделения особо высокой чистоты при максимальных коэффициентах извлечения и получил соотношение для определения количества массообменных аппаратов таких установок. Автору принадлежат экспериментальные данные по динамике сорбции ксенона из смесей; данные по гидравлическим, массообменным характеристикам спирально-призматических насадок и эффективности массообмена в насадочных колоннах при разделении многокомпонентных смесей; данные по фазовому равновесию бинарных смесей в области разбавленных растворов. Разработанные автором новые технические решения защищены патентами России, Украины, Казахстана, Румынии, Китая. Работы, по материалам которых написаны разделы (2.3-2.4, 3.1-3.3, 3.5.1, 4.3-4.4) выполнены с соавторами (д.т.н. А.М.Архаров, д.т.н. В.Л.Бондаренко, к.т.н. В.Е.Позняк, к.т.н. А.С.Бронштейн, к.т.н. В.Б.Воротынцев, к.т.н. М.Ю.Колпаков, к.т.н. В.И.Файнштейн, д.х.н. Е.З.Голосман).

Внедрение. Результаты работы внедрены на пятнадцати металлургических и химических комбинатах России, Украины, Казахстана, Румынии. Созданы 14 установок типа Х-0,06 и 6 установок типа «Хром-3», на которых производится более 20 % мирового производства криптона и ксенона в составе смесей. Создана установка «Хром-5» по получению криптона и ксенона особо высокой чистоты (99,99995 %). Результаты работы используются также в учебном процессе кафедры «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы из 257 наименований, и содержит 283 страницы основного текста, 88 рисунков, 37 таблиц и 26 страниц приложений.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net