Разработка энергосберегающих установок короткоцикловой адсорбции по обогащению воздуха кислородом

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

разработка энергосберегающих установок короткоцикловой адсорбции по обогащению воздуха кислородом

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Акулинин Евгений Игоревич

Тамбов

2010

Диссертация выполнена в Научно-образовательном центре ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" - ОАО "Корпорация "Росхимзащита" "Новые химические технологии" и на кафедре "Технологическое оборудование и прогрессивные технологии".

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Дворецкий Дмитрий Станиславович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Рудобашта Станислав Павлович

доктор технических наук, профессор

Туголуков Евгений Николаевич

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Защита диссертации состоится "___" __________ 2010 г. в "___" часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 в Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.02.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" по адресу: 392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112, корп. "Б", а с авторефератом диссертации дополнительно - на официальном сайте ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет": www.tstu.ru.

Автореферат разослан "___" __________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

Подписано в печать 27.09.2010

Формат 60 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 449

Издательско-полиграфический центр ГОУ ВПО ТГТУ

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Основным способом производства кислорода является разделение воздуха методом глубокого охлаждения с последующей ректификацией в колоннах обычно тарельчатого типа, функционирующих на крупных сталелитейных, химических и других промышленных предприятиях.

Кислород также получают путем выделения из перекисных и надперекисных соединений щелочных и щелочно-земельных металлов, извлечением в электрохимических установках на твердых электролитах. Установки, реализующие данные способы, переводят процесс получения кислорода в разряд опасных, вынуждая пользователя соблюдать множество требований, предъявляемых к обеспечению безопасности.

Наиболее перспективным способом для потребителей относительно небольших количеств кислорода является его выделение из воздуха методом короткоцикловой адсорбции. Установки короткоцикловой адсорбции компактны, они могут изготавливаться в виде отдельных блоков, следствием чего являются удобство их транспортировки, а также низкие затраты и краткосрочность их монтажа на месте эксплуатации. Характерной их особенностью является то, что в зависимости от условий проведения технологического процесса возможно варьирование их производительности с получением продукционного газа разной степени чистоты, что очень важно при создании экономичных бортовых кислороддобывающих установок и портативных медицинских концентраторов кислорода.

В связи с этим разработка энергосберегающих установок обогащения воздуха кислородом на основе технологии короткоцикловой адсорбции является актуальной задачей как в научном, так и практическом плане.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы" (государственный контракт № 02.513.11. 3377 от 26 ноября 2007 г.).

Цель работы

Разработка энергосберегающих установок короткоцикловой адсорбции для бортовых кислороддобывающих систем и портативных медицинских концентраторов кислорода на основе математического моделирования и оптимизации тепло- и массообменных процессов.

Научная новизна

Разработана математическая модель нестационарных тепло- и массообменных процессов короткоцикловой адсорбции, позволяющая рассчитать профили концентрации кислорода и азота в газовой и твердой фазах, температуры адсорбента и газовой фазы по высоте адсорбента в зависимости от времени и изучить влияние конструктивных параметров (высоты слоя адсорбента и диаметра адсорбера) и режимных переменных (длительности цикла, коэффициента обратной промывки) установки короткоцикловой адсорбции на ее производительность и концентрацию производимого кислорода.

Проведены экспериментальные исследования адсорбционных, механических и аэродинамических свойств блочных цеолитовых адсорбентов типа X.

Сформулирована и решена задача оптимального (по критерию приведенных затрат) проектирования установки короткоцикловой адсорбции для медицинского концентратора кислорода.

Практическая ценность

Разработана методика технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом.

На базе разработанной энергосберегающей установки короткоцикловой адсорбции могут быть созданы экономичные бортовые кислороддобывающие установки и медицинские концентраторы кислорода.

Применен блочный цеолитовый адсорбент, полученный способом свободнотекущих пен и обеспечивающий отсутствие механического истирания в циклических процессах адсорбции - десорбции.

Разработаны алгоритм и программа компьютерного моделирования и оптимизации процесса обогащения воздуха кислородом по технологии короткоцикловой адсорбции (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009616584, зарег. 26.11.2009 г.).

Разработана оригинальная конструкция адсорбера для бортовых кислороддобывающих установок и медицинского концентратора кислорода (патент РФ № 96338 от 27.07.10, положительное решение о выдаче патента на изобретение от 05.05.10 по заявке № 2009139534). При проектировании экономичных бортовых кислороддобывающих установок и медицинских концентраторов кислорода с диапазоном производительности до 10-3 и до 0,08Ч10-3 м3/с, соответственно, рекомендуется использовать блочные цеолитовые адсорбенты на основе цеолита LiLSX с dэ ? 0,5Ч10-3 м в адсорберах, для которых выполняется условие: 4 ? H / Dвн ? 6 при реализации напорной схемы с вакуумной десорбцией (kp = Pад / Pдес ? 3).

Экспериментальные данные по исследованию процесса обогащения воздуха кислородом, полученные с использованием гранулированных и блочных цеолитовых адсорбентов типа Х, методика компьютерного моделирования нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом и технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, конструкция адсорбера, алгоритм оптимального проектирования энергосберегающих адсорбционных установок, практические рекомендации по созданию энергосберегающих адсорбционных установок на основе результатов оптимального проектирования приняты к реализации в ОАО "Корпорация "Росхимзащита" при проектировании бортовых кислороддобывающих установок и в ООО "НПП "Спектрконверсия" при разработке гибридной кислороддобывающей установки для медицинских систем лечения ожоговых больных.

Разработанная методика технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции внедрена в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета и используется в лабораторном практикуме "Методологические основы проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов" в рамках учебной дисциплины "Оптимизация машин, агрегатов и производственных систем" при подготовке магистров по программе 150422 - Машины и агрегаты пищевой промышленности.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 Всероссийских и Международных научных конференциях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе три статьи - в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, а также получены положительное решение по заявке на изобретение и патент на полезную модель, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемых источников (124 работы отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Содержание диссертации изложено на 152 страницах машинописного текста, включает 54 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

короткоцикловый адсорбция цеолитовый массообменный

Введение. Сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность, приведена аннотация основных результатов работы, показана их научная новизна и практическая значимость, даны рекомендации по реализации результатов исследований в промышленности и научно-инженерной практике.

Глава 1. Современное состояние процессов и аппаратов короткоцикловой адсорбции. В главе рассмотрены физические основы процесса обогащения воздуха кислородом с использованием синтетических цеолитов типа X, обладающих наибольшим предельным адсорбционным объемом (~0,281 … 0,335 см3/см3) среди синтетических цеолитов и обеспечивающих селективную адсорбцию азота в установках короткоцикловой адсорбции на основе одноадсорберных, двухадсорберных и многоадсорберных схем с выравниванием давлений. Установлено, что при создании экономичных малогабаритных установок наиболее перспективны схемы, длительность стадий адсорбции и десорбции в которых не превышает 3 … 5 с.

Использование цеолитовых блоков вместо гранулированного адсорбента в установке короткоцикловой адсорбции наряду с обеспечением механической прочности способствует развитию более высоких скоростей процессов массопереноса.

Вопросы математического описания тепло- и массообменных процессов адсорбции рассматривались в работах А.К. Акулова, М.М. Дубинина, Н.В. Кельцева, А.В. Лыкова, Т.Г. Плаченова, С.П. Рудобашты, Е.А. Устинова, Ю.И. Шумяцкого, E.M. Kopaygorodsky, D.M. Ruthven и др. В настоящее время предпочтительным считается использование уравнений материального баланса, массопроводности, равновесной зависимости (изотермы), массоотдачи и средней интегральной концентрации, которые в зависимости от условий осуществления процесса могут быть дополнены уравнениями теплового баланса и теплопередачи. Наиболее широко при анализе адсорбции газов на микропористых адсорбентах используются уравнения теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ), развитой академиком М.М. Дубининым, в частности, уравнение Астахова-Дубинина, которое используется для описания условий равновесия на активных углях и цеолитах.

В заключительном параграфе главы сформулированы задачи настоящей работы. Основными из них являются: проведение экспериментальных исследований адсорбционных, механических и аэродинамических свойств гранулированных и блочных цеолитовых адсорбентов типа X; создание экспериментальной установки для изучения влияния режимных переменных (длительности цикла, коэффициента обратной промывки) и конструктивных параметров (высоты слоя адсорбента, диаметра адсорбера) на концентрацию кислорода в газовой фазе на выходе из установки; разработка математического описания нестационарного процесса короткоцикловой адсорбции при обогащении воздуха кислородом в энергосберегающей установке короткоцикловой адсорбции; разработка алгоритма решения уравнений математической модели нестационарного процесса короткоцикловой адсорбции; разработка методики технологического расчета энергосберегающих установок короткоцикловой адсорбции; разработка конструкции адсорбера для блочного адсорбента; постановка и решение задачи оптимального (по критерию приведенных затрат) проектирования установки короткоцикловой адсорбции; выработка практических рекомендаций по проектированию промышленных образцов экономичных бортовых кислороддобывающих установок и медицинских концентраторов кислорода.

Глава 2. Экспериментальное исследование нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом в энергосберегающей установке короткоцикловой адсорбции. Разработана экспериментальная двухадсорберная установка для осуществления процесса обогащения воздуха кислородом и изучения влияния конструктивных параметров и режимных переменных на производительность и концентрацию кислорода на выходе из установки (рис. 1).

Установка работает следующим образом: воздух, подаваемый компрессором, проходит через адсорбер 5а, где осуществляется его обогащение кислородом, после чего выходящий поток направляется в ресивер.

Рис. 1. Экспериментальная двухадсорберная установка:

1 - регулировочный вентиль; 2 - ротаметр; 3 - измеритель расхода многоканальный; 4 - манометр; 5а, 5б - адсорберы; 6 - измеритель влажности газов; 7 - измеритель концентрации кислорода; 8 - кнопка включения; 9 - реле времени

Часть потока дросселируется до пониженного давления и направляется противотоком в адсорбер 5b, где осуществляется регенерация адсорбента. Концентрация кислорода в потоке, направляемом потребителю из ресивера, контролируется с помощью газоанализатора кислорода 7. Величины потоков контролируются с помощью ротаметров 2 и многоканального измерителя расхода 3, влажность - с помощью измерителя влажности газов 12, давления - с помощью манометров 4. Давление входящего потока регулируется вентилем 1, продолжительность цикла - с помощью микропроцессорного реле времени 9, высота слоя адсорбента - с помощью установки крышек адсорбера на заданную глубину.

В качестве адсорбента использовались гранулированный цеолитовый адсорбент с dг = 0,7; 0,5; 0,28 мм и цеолитовые блоки, изготовленные в опытно-промышленных условиях ОАО "Корпорация "Росхимзащита" по технологии свободнотекущих пен на основе цеолитов NaX и LiLSX. Для изготовленных образцов блоков был определен предел прочности на раздавливание, который на порядок превышает рабочее давление ~ 3Ч105 Па в адсорбционной установке. При реализации процесса короткоцикловой адсорбции обогащения кислородом воздуха в продолжительных испытаниях (~5 суток) разрушения блочного адсорбента и образования пыли не наблюдалось.

Методика исследования адсорбционных свойств заключалась в определении изотерм адсорбции-десорбции азота при 20С объемным методом для образцов, прокаленных при 550С в течение 8 часов (рис. 2).

Обработка полученных данных производилась посредством линеаризации изотерм адсорбции в специальных координатах теории объемного заполнения микропор. Описание изотерм осуществлялось одночленным уравнением ТОЗМ (уравнение Дубинина-Радушкевича, которое является частным случаем уравнения Астахова-Дубинина при nт = 2). По линеаризованным изотермам были вычислены значения предельного адсорбционного объема W0, параметра уравнения ТОЗМ Вт, пористости е3, относительного объема вторичных пор е2.

Рис. 2. Изотермы адсорбции азота при 20°С образцами блоков с цеолитом типа X: 1 - Na-форма; 2 - Li-форма

На основе определенной экспериментально величины удельной поверхности фильтрования уф были рассчитаны эквивалентные диаметры каналов пор dэ для образцов блочного адсорбента, которые составили соответственно 0,33; 0,26; 0,20 мм. Максимальное сопротивление потоку блока высотой 0,2 м с dэ = 0,2 мм составило 0,19Ч105 Па, что на 8% ниже по сравнению со слоем шихты той же высоты с dг = 0,28 мм.

Изменения режимных (управляющих) переменных и конструктивных параметров осуществляли в следующих пределах: P [0,5 … 3]Ч105 Па; фц [0,2 … 30] с; и [1 … 2,6]; шпр [0,05 … 0,95]; q [0,02 … 4]; H [0,1 … 0,4] м; Dвн = 0,02; 0,035; 0,05 м.

Анализ рис. 3, а показывает, что увеличение концентрации кислорода при сокращении длительности цикла объясняется уменьшением доли "проскока" потока без адсорбции азота. В установке с производительностью Qисх = 0,167Ч10-3 м3/с и длительностью цикла менее 2 с поток не покидает слой адсорбента, что приводит к резкому падению концентрации кислорода.



а) б)

Рис. 3. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей концентрации кислорода на выходе из установки от:

а - длительности цикла, LiLSX, H = 0,25 м; Vад = 0,25Ч10-3 м3;

Qисх = 0,167Ч10-3 м3/с; и = 2,5; б - коэффициента обратной промывки, LiLSX, H = 0,25 м; Vад = 0,25Ч10-3 м3; 1 - гранулированный адсорбент с размером частиц 0,28 мм; 2 - блочный адсорбент с размером пор 0,20 мм; сплошная кривая - расчет по модели, штриховая - по экспериментальным данным

Рис. 4. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей концентрации кислорода на выходе из установки от высоты слоя адсорбента:

1 - гранулированный адсорбент с размером частиц 0,28 мм; 2 - блочный адсорбент с размером пор 0,20 мм; сплошная кривая - расчет по модели, штриховая - по экспериментальным данным. Qисх = 0,167Ч10-3 м3/с; фц = 5 с; и = 2,5

Также установлено, что использование адсорбента на основе цеолита LiLSX позволяет обеспечить более высокую концентрацию кислорода, чем при использовании цеолита NaX в схеме с вакуумной десорбцией.

Из рисунка 3, б видно, что при увеличении величины обратной промывки концентрация кислорода на выходе из установки увеличивается, одновременно снижается объемная производительность. При этом наблюдается достижение максимально возможной концентрации кислорода при значениях коэффициента обратной промывки в пределах и [2,1 … 2,6].

Из анализа графиков на рис. 3 и 4 следует: 1) нецелесообразно увеличивать высоту слоя адсорбента более 0,25 м из-за незначительного роста концентрации кислорода; 2) с уменьшением размеров гранул и диаметра каналов пор увеличивается концентрация кислорода на выходе из адсорбера.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что производительность установки и концентрация кислорода в наибольшей степени зависят от конструктивных параметров (диаметр адсорбера, высота слоя адсорбента) и режимных (управляющих) переменных (длительность цикла, коэффициент обратной промывки).

Глава 3. Математическое моделирование процесса короткоцикловой адсорбции в энергосберегающей установке. При выводе уравнений математической модели процесса обогащения воздуха кислородом в установке короткоцикловой адсорбции были приняты следующие допущения: 1) величиной адсорбции кислорода пренебрегаем; 2) давление и температура воздуха в адсорбере, температура адсорбента, концентрация азота в газовой и твердой фазах изменяются только в продольном направлении адсорбера; 3) объем адсорбента состоит из элементарных слоев, в которых концентрация азота и температура постоянны; 4) коэффициент продольной диффузии зависит от температуры газового потока; 5) адсорбционное равновесие в адсорбенте подчиняется закономерностям теории объемного заполнения микропор; 6) адсорбционная ветвь изотермы совпадает с десорбционной; 7) свободное сечение внутри слоя адсорбента постоянно; 8) газообразные азот и кислород обладают свойствами идеальных газов.

С учетом сделанных допущений уравнение материального баланса азота в газовой фазе с учетом продольной диффузии получено в виде:

. (1)

Внешняя массоотдача азота из газовой фазы в адсорбент при адсорбции через поверхность контакта описывается уравнением:

. (2)

Уравнение теплового баланса получено в следующем виде:

. (3)

Внешняя теплоотдача от газовой к твердой фазе через поверхность контакта описывается уравнением:

(4)

Уравнения (1) - (4) были дополнены уравнениями, позволяющими рассчитывать изменение скорости газового потока в адсорбере в зависимости от времени, уравнением равновесной зависимости, в качестве которой использовалось уравнение Дубинина-Радушкевича [14]. Коэффициенты, входящие в систему, определялись следующим образом: 0,124Ч10-4 м2/с рассчитывался по методу Фуллера, Шлеттера и Гиддингса [14]; при адсорбции и десорбции определялся по термическому уравнению ТОЗМ; коэффициенты внешней массо- () и теплоотдачи (, ) рассчитывались на основе соответствующих критериальных уравнений.

Уравнения математической модели с граничными и начальными условиями [14] представляют собой замкнутую систему дифференциальных уравнений в частных производных, описывающую нестационарный процесс адсорбции-десорбции при обогащении газовоздушной смеси кислородом в установке короткоцикловой адсорбции.

Полученная краевая задача решалась методом конечных элементов. При численном расчете адсорбент рассматривался как монолитный блок на основе цеолита LiLSX с эквивалентным диаметром каналов 0,2 мм и е2 = 0,394. Значения режимных переменных выбирались следующими: Qисх = 0,167Ч10-3 м3/с; Pад = 1,5Ч105 Па; Pдес = 0,5Ч105 Па; и = 1,4; q = 0,22.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Изменение концентрации кислорода в газовой фазе при адсорбции



Рис. 6. Изменение температуры адсорбента при адсорбции

1 - при ф = 0,2; 2 - при ф = 0,4; 3 - при ф = 0,6; 4 - при ф = 0,8; 5 - при ф = 1,0

По модели рассчитывались распределения по высоте слоя концентрации кислорода в газовой фазе и адсорбенте, температуры газовой фазы и адсорбента в зависимости от времени ф (рис. 5, 6).

Адекватность построенной математической модели проверялась сравнением расчетных и экспериментальных значений концентрации кислорода на выходе из адсорбера установки короткоцикловой адсорбции (сплошные кривые 1, 2 на рис. 3, 4). Максимальное рассогласование в течение всего цикла не превышало 12%.

С использованием разработанного алгоритма и программы ЭВМ были рассчитаны профили концентрации кислорода и азота в газовой и твердой фазах, температуры адсорбента и газовой фазы в зависимости от времени и установлено, что в ходе работы концентрация на выходе из установки повышается до максимального значения = 91,1% при числе циклов адсорбции-десорбции n > 18. При длительной работе установки (n > 100) адсорбент нагревается (до ~45С) и концентрация кислорода снижается до 90%. Установка выходит на устойчивый режим работы, достигается динамическое равновесие, а фронты адсорбции и десорбции приобретают вид стоячих волн. Поскольку в течение цикла адсорбент нагревается незначительно (рис. 6), в практических расчетах могут использоваться только уравнения (1), (2). При n > 100 значения Tg и Ta, входящие в и могут быть определены однократно по уравнениям (3), (4) при .

Глава 4. Проектирование энергосберегающих установок короткоцикловой адсорбции. Задача оптимального по критерию приведенных затрат (ПЗ) проектирования установки короткоцикловой адсорбции формулируется следующим образом: для типа аппаратурного оформления a A адсорбционной установки при заданных значениях производительности Qзад и концентрации кислорода на выходе из установки требуется определить конструктивные параметры (тип b B адсорбента, высоту слоя H адсорбента, диаметр Dвн адсорбера) и режимные переменные (значения давлений Pад, Pдес, длительность цикла фц, коэффициент обратной промывки и), при которых достигается минимум ПЗ на создание установки. Математическая постановка задачи имеет вид:

(5)

при связях в форме уравнений математической модели и ограничениях

Q (a, b, H, Dвн, Pад, Pдес, фц, и) = Qзад;

(a, b, H, Dвн, Pад, Pдес, фц, и) ? ;

M (a, b, H, Dвн, Pад, Pдес, фц, и) ? ;

, , ,

где - максимально допустимые значения коэффициента давления и габаритов адсорберов установки.

Сформулированная задача (5), (6) относится к классу задач нелинейного программирования, для решения которой использовали метод последовательного квадратичного программирования.

Техническое задание на проектирование установки короткоцикловой адсорбции для портативного медицинского концентратора кислорода включало следующие требования: производительность концентратора - Qзад = 0,05Ч10-3 м3/с; концентрация кислорода на выходе из установки - 90%; масса адсорберов M установки, отношение давлений адсорбции-десорбции Pад / Pдес, высота слоя адсорбента H и диаметр адсорбера Dвн не должны превышать максимально допустимых значений -
= 0,6 кг, kp = Pад / Pдес = 3; = 0,4 м; = 0,1 м, соответственно.

В ходе оптимального проектирования (по критерию ПЗ) двухадсорберной адсорбционной установки с вакуумной десорбцией были определены оптимальные значения конструктивных параметров H* = 0,22 м; = 0,035 м, режимных переменных = 1,5Ч105 Па; = 0,5Ч105 Па; и* = 2,5; = 1,6 с; = 2,93Ч10-4 м3/с и технико-экономических показателей портативного медицинского концентратора кислорода: ПЗ* = 45 250 р.; M* = 0,5 кг; N* = 76 Вт. Установлено, что ПЗ в наибольшей степени зависят от величин: и, kp = Pад / Pдес. При увеличении величины kр в два раза
(с 3 до 6) величина ПЗ увеличивается на 30,5%, при аналогичном увеличении и - ПЗ увеличиваются на 23%. Таким образом, уменьшение величи-
ны ПЗ на создание установки в первую очередь связано с уменьшением величин и и kр = Pад / Pдес. Потребляемая мощность N установки определяется в основном потребляемой мощностью компрессора, которая также зависит от величин и, Pад, Pдес. Как следствие, минимизация величины ПЗ будет приводить к снижению потребляемой мощности N установки, обеспечивая таким образом энергосбережение.

Конструктивная разработка аппаратурно-технологического оформления портативного медицинского концентратора кислорода включала разработку конструкции адсорбера, обеспечивающего надежную герметизацию блочного цеолитового адсорбента (патент РФ № 96338 от 27.07.10, положительное решение о выдаче патента на изобретение от 05.05.10 по заявке № 2009139534).

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А - множество вариантов аппаратурного оформления; В - множество типов адсорбентов; - средняя концентрация в адсорбенте в единицах газовой фазы, кг азота/кг кислорода; - концентрация в адсорбенте, кмоль азота/кг адсорбента; - концентрация в адсорбенте, равновесная текущей концентрации в газовой фазе; кмоль азота/кг адсорбента; Bт - параметр уравнения ТОЗМ, 1/град2; с - концентрация в газовой фазе, кг азота/кг кислорода; - концентрация в газовой фазе, % об.; Dвн - внутренний диаметр адсорбера, м; - коэффициент диффузии в газовой фазе, м2/с;
k - количество адсорберов; kp - коэффициент давления; H - высота слоя адсорбента, м; M - масса адсорберов, кг; n - количество циклов; nт - показатель степени в уравнении теории объемного заполнения микропор; N - потребляемая мощность, Вт; P - давление, Па; - тепловой эффект, Дж/моль; Qисх - расход исходной смеси, м3/с; Qзад - заданная производительность, м3/с; q - удельная производительность, м3/м3; Vа - объем адсорбера, м3; W0 - предельный адсорбционный объем, см3/кг; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); - коэффициент внешней массоотдачи, м/c; - относительный объем вторичных пор; - свободный объем (пористость); и - коэффициент обратной промывки; - удельная поверхность адсорбента, м2/м3; фц - длительность цикла, с.

ИНДЕКСЫ

a - адсорбента (в адсорбенте); ад - адсорбции; в - воздуха; вх - входной; г - гранул; вых - на выходе; дес - десорбции; зад - заданной; нар - наружний; окр - в окружающую среду; расч - расчетное; ф - фильтрования;
ц - цикла; э - эквивалентный; g - газовой фазы (в газовой фазе); N2 - азота; O2 - кислорода; * - равновесное значение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В ходе проведенных экспериментальных исследований блочных цеолитовых адсорбентов на основе цеолита NaX со следующими характеристиками W0 = 0,084 см3/кг, Вт = 1,3Ч10-6 1/град2, е3 = 0,702, е2 = 0,394 и на основе цеолита LiLSX: W0 = 0,126 см3/кг, Вт = 1,28Ч10-6 1/град2, е3 = = 0,71, е2 = 0,394 установлено, что при реализации процесса короткоцикловой адсорбции обогащения кислородом воздуха в продолжительных испытаниях (~5 суток) разрушения блочного адсорбента и образования пыли не наблюдалось. Максимальное сопротивление потоку блока высотой H = 0,2 м с dэ = 0,2 мм составило ДP = 0,19Ч105 Па, что на 8% ниже по сравнению со слоем шихты той же высоты с dг = 0,28 мм.

2. С использованием экспериментальной установки короткоцикловой адсорбции производительностью Qзад = 0,05 м3/с определено, что концентрация кислорода на выходе увеличивается в среднем на ~30% при сокращении длительности цикла фц с 20 до 2 с и на ~70% при увеличении высоты слоя адсорбента H с 0,1 до 0,25 м и достигает максимального значения при величине коэффициента обратной промывки равном 2,6.

3. Разработанные алгоритмы и программы компьютерного моделирования процесса обогащения воздуха кислородом по технологии короткоцикловой адсорбции позволили рассчитать профили концентрации кислорода и азота в газовой и твердой фазах, температуры адсорбента и газовой фазы в зависимости от времени, а также определить, что выход установки на устойчивый режим работы осуществляется после 100 циклов адсорбции-десорбции.

4. На базе математической модели тепло- и массообменных процессов при обогащении воздуха кислородом разработана методика и программа технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, с использованием которой были определены конструктивные (высота слоя адсорбента, диаметр адсорбера) и режимные (управляющие) переменные (длительность цикла, коэффициент обратной промывки) установки при обеспечении заданных значений производительности Qзад = 0,05Ч10-3 м3/с и концентрации кислорода 90%.

5. В результате решения задачи оптимального проектирования энергосберегающей установки короткоцикловой адсорбции с производительностью Qзад = 0,05Ч10-3 м3/с и концентрацией кислорода ~ 90% с использованием разработанного алгоритма для двухадсорберной установки с вакуумной десорбцией медицинского концентратора кислорода были определены оптимальные значения конструктивных параметров H* = 0,22 м; = 0,035 м, режимных переменных = 1,5Ч105 Па; = 0,5Ч105 Па; и* = 2,5; = 1,6 с; = 2,93Ч10-4 м3/с и технико-экономических показателей: ПЗ* = 45250 р.; M* = 0,5 кг; N* = 76 Вт.

6. Разработаны оригинальные конструкции адсорберов для бортовых кислороддобывающих установок и медицинского концентратора кислорода, позволяющие обеспечить надежную герметизацию блочного адсорбента в реверсивном потоке.

7. По результатам решения задачи оптимального проектирования выработаны практические рекомендации по созданию бортовых кислороддобывающих установок и медицинских концентраторов кислорода с диапазоном производительности до 10-3 м3/с и 0,08Ч10-3 м3/с, соответственно. Рекомендуется использовать блочные цеолитовые адсорбенты на основе цеолита LiLSX с dэ ? 0,5Ч10-3 м в адсорберах, для которых выполняется условие: 4 ? H / Dвн ? 6 при реализации напорной схемы с вакуумной десорбцией (kp = Pад / Pдес ? 3). При использовании данных рекомендаций технико-экономические показатели аппаратов могут быть повышены по сравнению с существующими мировыми аналогами: масса снижена на 25%, энергопотребление - на 20%.

8. Результаты работы (экспериментальные данные по исследованию процесса обогащения воздуха кислородом, полученные с использованием гранулированных и блочных цеолитовых адсорбентов типа Х, методика компьютерного моделирования нестационарного процесса обогащения воздуха кислородом и технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции, конструкция адсорбера, алгоритм оптимального проектирования энергосберегающих адсорбционных установок, практические рекомендации по созданию энергосберегающих адсорбционных установок на основе результатов оптимального проектирования) приняты к реализации в ОАО "Корпорация "Росхизащита" при проектировании бортовых кислороддобывающих установок и в ООО "НПП "Спектрконверсия" при разработке гибридной кислороддобывающей установки для медицинских систем лечения ожоговых больных.

9. Разработанная методика технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции внедрена в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета и используется в лабораторном практикуме "Методологические основы проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов" в рамках учебной дисциплины "Оптимизация машин, агрегатов и производственных систем" при подготовке магистров по программе 150422 - Машины и агрегаты пищевой промышленности.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Современные тенденции по уменьшению энергозатрат кислороддобывающих установок короткоцикловой безнагревной адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, А.А. Ермаков, С.И. Симаненков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2008. - Т. 14, № 3. - С. 597 - 601.

2. Математическое моделирование процесса обогащения кислородом воздуха в установке короткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, А.А. Ермаков, С.И. Симаненков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2009. - Т. 15, № 2. - С. 341 - 355.

3. Акулинин, Е.И. Разработка и проектирование энергосберегающих установок короткоцикловой адсорбции на основе математического моделирования и оптимизации тепло- и массообменных процессов / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - Тамбов, 2010. - № 4-6 (29). - С. 310 - 317.

4. Акулинин, Е.И. Совершенствование процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции / Е.И. Акулинин // Сб. материалов междунар. науч.-практ. конф. "Прогрессивные технологии развития". - Тамбов, 2005. - С. 288 - 290.

5. Ермаков, А.А. Технологии короткоцикловой адсорбции получения кислорода из воздуха / А.А. Ермаков, Е.И. Акулинин // Труды ТГТУ : сб. статей. - Тамбов, 2006. - Вып. 19. - С. 53 - 57.

6. Исследование технологических режимов в адсорберах для портативных установок короткоцикловой безнагревной адсорбции / С.И. Дворецкий, С.И. Симаненков, А.А. Ермаков, Е.И. Акулинин // Сб. трудов Рос. науч. конф. "Новое поколение систем жизнеобеспечения и защиты человека в чрезвычайных ситуациях техногенного и природного характера". - Тамбов, 2006. - С. 280 - 286.

7. Ермаков, А.А. Исследование влияния технологических параметров на эффективность функционирования портативной кислороддобывающей установки / А.А. Ермаков, Е.И. Акулинин // Труды ТГТУ : сб. статей. - Тамбов, 2007. - Вып. 20. - С. 3 - 6.

8. Акулинин, Е.И. Оценка возможности создания портативного концентратора кислорода на основе технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции / Е.И. Акулинин // Сб. трудов XX Междунар. науч. конф. "Математические методы в технике и технологиях". - Ростов н/Д, 2007. - Т. 10. - С. 55-56.

9. Акулинин, Е.И. Моделирование ультракоротких процессов получения кислорода из воздуха на твердых микропористых адсорбентах / Е.И. Акулинин, А.А. Ермаков // Сб. трудов XXXIV Междунар. науч. конф. "Гагаринские чтения". - М., 2008. - Секция 3. - С. 8-9.

10. Акулинин, Е.И. Исследования в области создания портативных дыхательных аппаратов на основе технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции, основные проблемы и пути их решения / Е.И. Акулинин, А.А. Ермаков // Сб. трудов III Междунар. науч. конф. "Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья". - Белгород, 2008. - С. 162 - 165.

11. Акулинин, Е.И. Математическое моделирование процессов, протекающих в портативных установках короткоцикловой безнагревной адсорбции / Е.И. Акулинин // Успехи в химии и химической технологии : сб. трудов междунар. конф. "МКХТ-2008". - М., 2008. - Т. 22. - С. 75 - 78.

12. Исследование аэродинамических характеристик гранулированных адсорбентов LiLSX и NaX для портативной дыхательной установки короткоцикловой безнагревной адсорбции / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, А.А. Ермаков, С.И. Симаненков // Сб. трудов Всерос. науч. конгресса "Фундаментальная наука - ресурс сохранения здоровья здоровых людей". - Тамбов, 2008. - C. 21 - 23.

13. Исследование динамики циклических адсорбционных процессов в портативной кислороддобывающей установке / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, А.А. Ермаков, С.И. Симаненков // Сб. трудов Всерос. науч. конгресса "Фундаментальная наука - ресурс сохранения здоровья здоровых людей". - Тамбов, 2008. - C. 23 - 25.

14. Акулинин, Е.И. Математическое описание нестационарного процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции с предельно короткими циклами / Е.И. Акулинин // Труды ТГТУ : сб. статей. - Тамбов, 2009. - Вып. 22. - С. 3 - 6.

15. Моделирование нестационарного процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции с предельно короткими циклами / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, А.А. Ермаков // Сб. трудов XXII Междунар. науч. конф. "Математические методы в технике и технологиях". - Псков, 2009. - С. 72 - 74.

16. Моделирование процесса короткоцикловой адсорбции в портативных дыхательных аппаратах / Е.И. Акулинин, Д.С. Дворецкий, С.И. Дворецкий, А.А. Ермаков // Сб. трудов III Междунар. науч. конф. "Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности". - Воронеж, 2009. - Т. 2. - С. 355 - 358.

17. Перспективы развития адсорбентов для установок короткоцикловой адсорбции / Е.И. Акулинин, С.И. Дворецкий, А.А. Ермаков, С.В. Неизвестная, С.И. Симаненков // Сб. трудов Рос. науч. конф. "Стратегия развития научно-производственного комплекса РФ в области разработки и производства систем жизнеобеспечения и защиты человека в условиях химической и биологической опасности". - Тамбов, 2009. - С. 119 - 121.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ РФ. Программа технологического расчета установки короткоцикловой адсорбции / Акулинин Е.И., Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И., Ермаков ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ТГТУ. - № 2009616584 ; заявл. 4.09.09 ; зарег. 26.11.09.

19. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение "Адсорбер" / Акулинин Е.И., Дворецкий Д.С., Ермаков А.А., Путин С.Б., Симаненков С.И., Симаненков Э.И. ; заявитель ОАО "Корпорация "Росхимзащита". - № 2009139534. Получено 05.05.10.

20. Пат. 96338 РФ, МПК В 01 D 53/047 (2006.01). Адсорбер / Акулинин Е.И.; Дворецкий Д.С.; Дворецкий С.И.; Ермаков А.А.; Симаненков С.И. - № 2010108850/22 ; заявл. 09.03.10 ; опубл. 27.07.10, Бюл. № 21. - 7 с.

Размещено на Allbest.ru

...