Підвищення ефективності технології очищення неоногелієвої суміші на основі газодинамічних кріогенераторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

УДК 621.57

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ НЕОНОГЕЛІЄВОЇ СУМІШІ НА ОСНОВІ ГАЗОДИНАМІЧНИХ КРІОГЕНЕРАТОРІВ

Одеса - 2011

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Автореферат розісланий «5» лютого 2011 року.

Учений секретар спеціалізованої Вченої ради доктор технічних наук, професор Мілованов В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сфера застосування кріогенних технологій стрімко збільшується, охоплюючи усе більше напрямків життєдіяльності людини. Найважливіша область використання низьких температур - сепарація газових сумішей. З атмосфери у вигляді побічних продуктів отримують інертні гази, серед яких неон та гелій. Ці легкі гази відіграють особливу роль в багатьох галузях сучасної техніки. Постійне зростання споживання продуктів на основі інертних газів диктує необхідність розширення сировинної бази та підвищення економічності виробництва первинного концентрату. Низькотемпературні процеси поділу газових сумішей досить енергоємні. Один з резервів зниження експлуатаційних витрат - використання для одержання холоду перепадів тиску, наявних у кріогенних сепараторах. Перспективним видом розширювального обладнання є хвильові газодинамічні кріогенератори (ХКГ), які поєднують ряд важливих якостей: простоту, надійність, здатність відводити енергію від робочого тіла на суттєво більш високий температурний рівень. Широкому впровадженню ХКГ у технологіях отримання легких інертних газів перешкоджають відносно низька енергетична ефективність та необхідність узгодження характеристик штатного устаткування, до якого додатково вводять ХКГ. Таким чином, удосконалення немашинних процесів охолодження дозволить підвищити ефективність систем отримання неоногелієвої суміші та є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до програми фундаментальних та пошукових досліджень «Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та АПК», згідно із Законом України про пріоритетний напрямок розвитку науки й техніки від 11.07.2001 №2623-III, перспективними напрямками по створенню нової техніки фірми «Айсблік».

Мета та завдання досліджень. Мета роботи полягає в удосконаленні технології очищення неоногелієвої суміші та підвищенні її ефективності за рахунок включення в систему газодинамічних кріогенераторів на температурному рівні 78 К.

Для досягнення мети були поставлені та вирішені наступні основні завдання:

1. Провести аналіз існуючих технологій, які забезпечують процеси отримання неону (гелію) у цілому та додаткового збагачення неоногелієвої суміші в окремих дефлегматорах.

2. Вивчити альтернативні способи зниження енергоспоживання промислових дефлегматорів на основі немашинних охолоджувачів, що використовують хвильові газодинамічні процеси.

3. Розробити схеми інтеграції газодинамічних кріогенераторів в технологію збагачення та очищення неоногелієвої суміші.

4. Створити експериментальну установку для дослідження хвильових кріогенераторів (ХКГ) та визначити оптимальні експлуатаційні умови для реалізації газодинамічних процесів в промислових системах очищення.

5. Оцінити енергетичні переваги, обумовлені включенням ХКГ до складу комплексу дефлегматор - установка очищення неоногелієвої суміші.

Об'єкт дослідження - робочі процеси в системах збагачення та очищення неоногелієвої суміші на основі дефлегматорів.

Предмет дослідження - ступінь охолодження з немашинними генераторами холоду в технології очищення неоногелієвої суміші.

Методи дослідження - комп'ютерне моделювання способів підвищення ефективності технології збагачення та очищення неоногелієвої суміші, лабораторні експерименти по визначенню показників ефективності хвильових кріогенераторів (ХКГ), зіставлення результатів моделювання з результатами експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше отримані наступні нові наукові результати:

1. Вперше розроблені нові схеми технології збагачення та очищення неоногелієвої суміші з використанням немашинних генераторів холоду що працюють завдяки ефекту Гартмана-Шпренгера.

2. Вперше завдяки створеній експериментальній установці досліджено працездатність хвильових газодинамічних кріогенераторів на суміші Ne+He в інтервалі температур 78…300 K.

3. Вперше отримані експериментальні значення ефекту охолодження (?Т) та ККД процесу розширення в ХКГ різного конструктивного виконання на чистих газах (N2, He) та сумішах газів (20%Ne+80%He, 80%He+20%Ne, 76%He+19%Ne+5%N2).

4. Вперше запропоновані варіанти конструкції ХКГ для використання в технології очищення неоногелієвої суміші, які дають змогу знизити затрати енергоносіїв на 7ч8 % та зменшити втрати неону та гелію при регенерації адсорберів на 40ч50%.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується:

1. Коректною постановкою завдання експериментального та теоретичного дослідження.

2. Експериментально отриманим ефектом охолодження за допомогою ХКГ на температурних рівнях 78ч300 К.

3. Перевіркою ефективності включення дослідного зразка ХКГ в діючу установку очищення неоногелієвої суміші.

4. Використанням сучасних дослідних стендів та вимірювального обладнання що відповідає вимогам світових та українських нормативних документів.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено і створено експериментальний зразок кріогенного охолоджувача на основі труби Гартмана-Шпренгера.

2. Сформульовані вимоги до конструкції ХКГ, придатного для використання в установках збагачення та очищення неоногелієвої суміші.

3. Експериментально доведено, що використання ХКГ в низькотемпературних установках дозволять знизити енергоспоживання на 7ч8 %.

4. Результати роботи становлять практичний інтерес для виробників технічних та інертних газів при проектуванні та створенні нових установок збагачення й очищення неоногелієвої суміші. Вони дозволяють підвищити енергетичну ефективність технології збагачення та очищення неоногелієвої суміші.

Особистий внесок здобувача полягає в розв'язанні теоретичних та практичних питань, розрахунках елементів кріогенератора, проектуванні та створенні експериментального стенда, аналізу та узагальненні отриманих даних. Особистий внесок підтверджується науковими публікаціями, у яких приведені головні ідеї та положення теоретичних розробок та експериментальних результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень були представлені й обговорювалися на наступних регіональних та міжнародних конференціях: Науково-технічна аспірантська конференція «Сучасні проблеми низькотемпературної техніки», 24 травня, ОДАХ, Одеса, 2002; 2-я науково-технічна конференція «Сучасні проблеми холодильної техніки та технології». ОДАХ, Одеса 2002.; 21st International Congress of refrigeration, Washington, DC USA. 2003.; 8 International Conference «Cryogenics 2004», Praha, 2004.; II Vt; Международная научно-практическая конференция «Криогенные технологии и оборудование. Перспективы развития.», 16 листопада, Москва, 2005; 4-я Науково-технічна конференція «Сучасні проблеми холодильної техніки й технології». ОДАХ, Одеса, 2005.; 5-я Науково-технічна конференція «Сучасні проблеми холодильної техніки та технології». ОДАХ, Одеса 2006.; 3-я Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХI веке». Санкт-Петербург 2007; 1-я Міжнародна науково-технічна конференція «Холод в енергетиці та на транспорті: сучасні проблеми кондиціювання та рефрижерації.» 2008. Миколаїв; Международная научно-техническая конференция «Криогенная техника и технология на рубеже второго столетия МІХ». 30 октября. Санкт-Петербург 2008; Международная научно-техническая конференция «Промышленные газы» 11 марта, м. Москва, 2009; IV Науково-технічний семінар «Удосконалення малої холодильної техніки та забезпечення її технологічних процесів» 14-15 травня, м. Донецьк, 2009.; Міжнародна науково-технічна конференції «Сучасні проблеми холодильної та криогенної техніки», 18-19 травня 2009 р., ОНАХТ, Одеса, Україна.; 7-а Науково-технічна конференція «Сучасні проблеми холодильної техніки та технології». ОДАХ, Одеса, 2009.; V Науково-технічний семінар «Удосконалення малої холодильної техніки й забезпечення її технологічних процесів» 9-10 вересня, м. Донецьк, 2010.

Публікації. Основний зміст дисертації презентовано в 16 статтях, у тому числі 12 опублікованих у фахових наукових виданнях та збірниках наукових праць міжнародних конференцій, які відповідають вимогам ВАК України. У вигляді тез доповідей у збірниках наукових праць регіональних і міжнародних конференцій опубліковано 15 статей.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаної літератури, з 146 найменувань бібліографічних ресурсів, та додатків. Вона складається з 143 сторінок основного тексту, включаючи 85 рисунків та 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність наукового напрямку дисертації, приведено зв'язок з державними програмами й темами, сформульовані мета та завдання дослідження. Приведено нові наукові результати, особистий внесок здобувача, дані про апробацію результатів роботи.

У першому розділі представлено огляд літературних джерел по даній темі. Розглянуто комплекс технологій, які супроводжують процес отримання неону (гелію). Особлива увага приділена проблемі очищення неоногелієвої суміші. Розглянуті конструктивні класифікації немашинних генераторів холоду , які можуть бути застосовані в даній технології. Викладаються основні гіпотези, які пояснюють фізичну сутність процесів, що відбуваються у ХКГ. Тут же розглядаються результати досліджень ХКГ на базі газодинамічних випромінювачів та резонансних труб. У результаті аналізу наявної інформації сформульовані основні завдання роботи.

Другий розділ присвячений дослідженню комплексу процесів, властивих технології очищення та сепарації неоногелієвої суміші. Загальносвітова тенденція скорочення витрат на енергоносії і збільшення споживання чистого неону та гелію диктує необхідність енергетичного вдосконалювання існуючих систем очищення неоногелієвої суміші. Головним принципом при розв'язанні даного завдання є використання внутрішніх джерел не задіяної енергії. Сучасні установки очищення неоногелієвої суміші мають у своєму розпорядженні потенціал енергії, який може бути спрямований на підвищення їх продуктивності.

Тривалість робочого періоду адсорбера в значній мірі залежить від складу домішок (переважно, N2 та О2). Тим часом, зміст азоту в сировині, залежно від способу первинного збагачення, може мінятися від 5 до 50%. Для забезпечення мінімального змісту домішок в Ne-He суміші, отриманої з різних джерел, перед адсорбером установлюється допоміжний дефлегматор. Умови фазової рівноваги в цьому апараті дозволяють при робочому тиску адсорбційного блоку (1,0 МПа) і температурі 66 К понизити концентрацію домішок до 5%. Більш глибоке очищення суміші на вході сприяло б подовженню робочого періоду адсорбера, що рівносильне економії енергоресурсів установки в цілому. Однак подальше виділення домішок обмежується температурою замерзання азоту в азотній оболонці дефлегматора. Із цієї причини, у багатьох випадках, температуру киплячого холодоагенту вимушено підтримують на рівні 6667К. З урахуванням недорекуперації, температура фазової рівноваги N2-(Ne-He) суміші на виході з дефлегматора не перевищує 6970К. Як випливає з діаграми фазової рівноваги, при Р=1,0МПа концентрація азоту на виході з апарата (перед блоком адсорберів) близька до 5%.

Одним із способів зниження частки домішок є використання внутрішньої енергії потоку при різниці тисків в установці (1,0 МПа) і усмоктувальною лінією компресора (0,1 МПа). За пропозицією автора названий ресурс тиску спрацьовується в немашинному обладнанні для отримання холоду й забезпечення фазової сепарації азоту в додатковому конденсаторі (рис. 1-б). Вибір в якості робочого тіла чистої (99,999%) неоногелієвої суміші знімає обмеження по температурі холодного потоку на виході із ХКГ. У більшості робочих режимів Т10 була нижче температури потрійної крапки N2 (63,15К). Завдяки цій обставині температура фазової рівноваги N2-(Ne-He) суміші впритул наближалася до потрійної точки азоту (стан «7» на рис. 1-б). Принцип роботи вдосконаленої установки (див. рис. 1-б) полягає в наступному: вихідна суміш надходить у теплообмінник (I), охолоджується до необхідної температури й попадає в першу ступінь дефлегматора (II), де відділяється основна маса азоту. Далі збагачена суміш надходить у другу ступінь дефлегматора (III), де за рахунок зниження температури кипіння рідкого азоту відбувається додаткова конденсація азоту із суміші.

а) б)

Рис. 1. Схеми очищення неоногелієвої суміші:

а) класична схема; б) схема з підключенням кріогенератора; I-вхідний теплообмінник; II - перша ступінь дефлегматора; III - друга ступінь дефлегматора; IV- додатковий конденсатор; V - адсорбер; VI- попередній теплообмінник; VII - хвильовий кріогенератор; VIII - вакуумний насос (типу ВВН)

Попереднє зниження температури кипіння рідкого азоту у ванні III забезпечується відкачкою пару N2 водокільцевим вакуум-насосом (VIII). Зниження концентрації азоту в потоці суміші до <5% N2 відбувається в додатковому конденсаторі (V), після якого збагачена до 97…98% суміш подається в адсорбер (IV), де відбувається остаточне видалення азоту. Чиста суміш надходить у теплообмінник (VI), прохолоджується азотом, що кипить при Т=66 К та в немашинний елемент (VII). Холодний потік ХКГ із температурою Т10 направляється в міжтрубний простір додаткового конденсатора (V), а далі в рекуперативний теплообмінник 1 (I).

Розглянуто можливі шляхи підвищення ефективності та продуктивності комплексів виробництва неону та гелію. Проведена оцінка впливу немашинних ступенів на характеристики всієї системи попереднього очищення суміші. Визначено області застосування отриманих результатів при створені нового обладнання. Вивчено вплив геометричних характеристик контуру кріогенного забезпечення на продуктивність низькотемпературних сепараторів сумішей на основі інертних газів. Впровадження в існуючі та проектуємі системи немашинних генераторів холоду приведе до зміни роботи всього комплексу кріогенного забезпечення. Розглянемо основні позитивні та негативні моменти впливу на комплекс очищення для визначення оптимальних режимів роботи ХКГ із більш високою ефективністю.

Результати досліджень узагальнені у вигляді температурно-енергетичних характеристик (рис.2а), які характерні для установки з об'ємною витратою 20 м3/година на вході. Доведено, що для середніх значень S=8% та прийнятної величини недорекуперації TH=T9-TАЗЖ=2К додатковий конденсатор дозволяє вдвічі знизити вміст азоту перед адсорбером (з 5 до 2,5%). У ході дослідження була встановлена залежність втрат продукту від концентрації азоту (2-5%) у вхідній неоногелієвій суміші (рис. 2б). Впровадження немашинного елемента та додаткового конденсатора за запропонованою схемою (див. рис. 1а) дозволить зменшити витрати холодоносія (рідкого азоту). Азот витрачається на охолодження адсорбера й компенсацію теплопритоків у період його роботи. У ході проведених розрахунків вдалося, отримати залежність витрат азоту на одиницю продукції та часу роботи адсорбера від відсоткового вмісту азоту в суміші (рис. 2в, рис. 2г). Досліджена залежність витрат азоту на одиницю продукції від ККД процесу розширення в кріогенераторі та температури азоту у вакуумній ванні дефлегматора (рис.2д). Залежність показує, як ККД процесу розширення в кріогенераторі впливає на енергетичну ефективність процесу адсорбції. При розрахунках було встановлено, що впровадження кріогенератора в систему адсорбційного очищення неоногелієвої суміші дозволяє знизити споживання холодоносія на 8-10%.

Враховуючи специфіку роботи охолоджувачів на суміші в умовах, близьких до температури замерзання одного з компонентів, основна увага в роботі приділена дослідженню апаратів зі статичним збудником коливань у стовпі газу. Такі обладнання більш прості й надійні в порівнянні з кріогенераторами, які мають механічний газорозподіл (рис. 3а).

На наступному етапі роботи основна увага була зосереджена на розробці ХКГ, адаптованого до відносно мало витратних кріогенних систем конденсаційного збагачення неоногелієвих концентратів. Як відомо, в основу роботи газодинамічного хвильового кріогенератора покладено принцип аеродинамічного резонансу та явище термічного енергорозподілу при нелінійних коливаннях газу в заглушеній з одного кінця трубі (ефект Гартмана-Шпренгера, рис. 3). Більшість відомих газодинамічних охолоджувачів, застосовуваних у промисловості, розраховані на витрати в тисячі й десятки тисяч м3 та мають механічний генератор звукових коливань.

Серйозною перешкодою на шляху впровадження промислових зразків кріогенераторів є узгодження їх видаткових характеристик з параметрами існуючих установок. Як випливає з досліджень, зміна умов експлуатації (тиск, температура) диктує необхідність корекції F (площі сопла). Дослідний зразок кріогенератора конструктивно має можливість працювати на різних речовинах і різних витратах. Універсальність конструкції апарата дозволяє регулювати перетин соплового входу для узгодження проточної частини апарата з витратою компресора. Додатковим «каналом впливу» на розміри проточної частини охолоджувача є природа газу (склад суміші). До складу обладнання входять два регулятори. Перший використовується для зміни критичного перетину звукового сопла й узгодження витрати газу із продуктивністю компресора. Другий регулятор призначений для регулювання зазору між соплом і резонансною трубкою. При певних конструктивних доробках даного обладнання на його основі можуть бути створені автоматичні регульовані газодинамічні апарати, які здатні узгодити роботу охолоджувача з параметрами газової суміші на вході в сопло.

а)б)