Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Криогенные технологии получения неона и гелия из атмосферного воздуха - файл 1.doc


Лекции - Криогенные технологии получения неона и гелия из атмосферного воздуха
скачать (1137 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1137kb.23.11.2011 06:47скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования и науки Украины

Одесская государственная академия холода

Институт низкотемпературной техники - Кафедра криогенной техники

КРАТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ


по курсу

«Криогенные технологии получения редких газов»

для специальности 7.09507 «Криогенная техника и технология»

Криогенные технологии получения неона и гелия из атмосферного воздуха



Содержание

Введение 2

1. Источники редких газов 2

2. Общие принципы получения редких газов 3

3. Дополнительные аппараты конденсационной очистки от азота 4

4. Установка окончательной очистки неоно-гелиевой смеси

5. Ректификационная установка для получения неона

6. Адсорбционная установка получения гелия

Приложения
(Одесса-2003)

Введение.

Курс «Криогенные технологии получения редких газов» имеет своей целью дать знания о методах извлечения, очистки и сжижения редких (инертных) газов, присутствующих в воздухе в крайне малых количествах. Выделение названных веществ оправдано только в виде побочных продуктов в крупных воздухоразделительных установках с использованием передовых криогенных технологий.

Применение гелия, неона, криптона и ксенона обеспечило переход к передовым технологиям в специальных отраслях металлургии, электронике, атомной энергетике и космонавтике. Без редких газов немыслимо развитие экспериментальной физики, медицины, телевидения и электроламповой промышленности.
^ 1. ИСТОЧНИКИ РЕДКИХ ГАЗОВ

Содержание редких газов в атмосфере Земли дано в таблице 1, [1]. Из нее следует, что для производства одного кубического метра неона необходимо переработать более 50 тыс. кубических метров воздуха. .

По этой причине источниками редких газов являются преимущественно крупные воздухоразделительные установки.

Таблица 1.

Содержание редких газов в атмосфере Земли

Редкие газы

Гелий

Неон

Аргон

Криптон

Ксенон

Химическая формула

Не

Ne

Ar

Kr

Xe

Плотность при 1атм и 20С

кг/норм.м3

0,1663

0,8385

1,662

3,478

5,490

Содержание

в атмосфере

% (объемные)

0,00052

0,0018

0,93

0,00011

0,000008

% (массовые)

0,00007

0,0013

1,29

0,00033

0,000036



Таблица 2.

Продуктивность некоторых воздухоразделительных установок

по неоно-гелиевому концентрату

Тип установки

КТ-70

КтК-35

КАр-30

КА-5

Расход перерабатываемого воздуха

н.м3

350000

180 000

180 000

31 500

Производительность по Ne-He смеси (в расчете на чистый 100% продукт)

н.м3

3,82

1,5

1,6

0,88

Неон производится только из атмосферного воздуха. При этом гелий выступает в качестве побочного продукта. Основную массу гелия получают из природных газов. В них содержится от 0,3 до 2% гелия. Рассмотрение технологии переработки природного газа в задачу настоящего курса не входит.
2. Общие принципы получения редких газов

Процесс получения любого инертного газа обычно состоит из двух стадий: на первой - выделяют концентрат («сырой газ»); на второй - обогащают (рафинируют) его до получения чистого продукта [2]. Предварительную очистку ведут с помощью процессов фракционной конденсации в местах ее получения. В воздухоразделительных установках гелий и неон не сжижаются, а накапливаются в верхней части нижней колонны. Эту смесь необходимо отводить из аппарата для обеспечения благоприятных условий теплоотдачи в конденсаторе. Обычно концентрация неоно-гелиевой смеси в упомянутом потоке не превышает 10%.



Рис. 1. Технологическая последовательность получения неона и гелия

Основную часть в этом продукте занимает азот. При доставке на значительные расстояния бедной смеси потребуется закачивать и перевозить дополнительное количество баллонов [3]. Для снижения транспортных затрат стараются максимально обогатить смесь в местах производства концентрата. В состав большинства воздухоразделительных установок входят встроенные дефлегматоры, позволяющие обеспечить содержание ценного продукта до 4050% при давлении нижней колонны (Р=0,5МПа) и температуре в верхней части верхней колонны (Т=83К). Такое состояние смеси обозначено точка «А». Получить более богатый концентрат встроенные аппараты не позволяют из-за того, что условия фазового равновесия заданы технологическим режимом ВРУ.
3. Дополнительные Аппараты конденсационной

очистки от азота



Рис. 2. Схема подключения дефлегматора к колонне ВРУ.



Рис. 3. Содержание азота в паровой фазе для смеси Ne-He-N2. Линии снизу вверх

соответствуют температурам 68 K, 72,5 K и 77 K. Соотношение между


Рис. 4. Изотермы фазового равновесия смеси N2–(Ne-Не).

3.1. Теплофизические основы конденсационных методов очистки

Дальнейшее обогащение Ne-Не смеси можно произвести только в отдельном дефлегматоре (рис.2). Это дает возможность, не привязываясь к параметрам в воздухоразделительной установке, задавать более предпочтительные условия дефлегмации. Они достигаются за счет повышения давления выше 0,5МПа (точка «К»), понижения температуры до 78К (точка Т0) или до 68К (точка Т1). Возможны комбинации этих процессов сжатия и охлаждения [3], (точки ТК0 и ТК1). Для достижения параметров равновесия Т0 и ТК0 достаточно охлаждения азотом, кипящим при атмосферном давлении. А для обеспечения точек Т1 и ТК1 необходимо использовать жидкий азот под вакуумом за счет применения специальных насосов для откачки паров N2. Зависимость температуры кипящего азота от давления показана в таблице 3.

Действительная температура фазового равновесия на несколько градусов выше, чем значения ТN2, указанные в таблице. Для уменьшения разности температур между кипящим азотом и обогащаемой смесью следует увеличить поверхность теплообмена или уменьшить тепловую нагрузку на выходную ступень. Последний прием достигается за счет деления аппарата на 23 секции. Поскольку концентрация азота на входе составляет десятки процентов, для конденсации N2 из смеси во входных ступенях поддерживается температура около ТN2 =77,4К. Т.е. для их криогенного обеспечения вакуумирование азота не требуется.

Таблица 3.

Температура насыщения азота в зависимости от давления













Вакуумирование паров азота

Давление

РN2, бар

1,37

1,0

0,67

0,51

0,39

0,29

0,21

0,15

Температура

ТN2, К

80

77,4

74

72

70

68

66

64

На выходе из большинства промышленных дефлегматоров концентрация продукта (Ne+He) составляет 9092%. Дальнейшее обогащение смеси в местах ее производства нерентабельно. Обогащенный концентрат из нескольких источников направляется в централизованные пункты для переработки и разделения.

3.2. Устройство и принцип работы промышленной установки

На рис. 6 показана упрощенная схема установки, действующей на Енакиевском металлургическом заводе. Исходным сырьем является (Ne-He) смесь с содержанием азота около 50%, которая подается из нескольких блоков типа

КтК-35с расходом 68м3/ч. Для закачки очищенной смеси в баллоны служит мембранный компрессор К.

Переохлаждение потока в ступени Ст3 достигается за счет вакуумирования паров кипящего азота до Р4=0,02МПа. Откачку азота ведут с помощью водокольцевого вакуум-насоса ВН.



Рисунок 5 – Упрощенная схема дефлегматора.

Основные аппараты дефлегматора размещаются в кожухе, снабженном перлитной изоляцией. Исходная смесь охлаждается в теплообменниках ТО1 и ТО2. Поток подается в кожухотрубные аппараты Ст1 и Ст2, расположенные в нижней азотной ванне при температуре кипящего азота около 78К. При достижении температуры около 86К (рис.4) наступает конденсация азота (парциальное давление смеси 0,5МПа0,5=0,25МПа). В первой ступени конденсат двигается вместе с потоком вниз. Такие ступени дефлегматоров называются прямоточными. Они способны работать устойчиво (без захлебывания жидкостью), когда из потока выводится основная масса конденсата. Жидкий азот собирается в сборнике. Газообразная смесь устремляется вверх в трубки второй ступени Ст2.



Рис. 6. Изменение температуры и концентрации смеси (Ne-He)-N2

в аппаратах дефлегматора при различных давлениях.

Вторая и первая ступени работают в одинаковых условиях (Т и Р), но нагрузка на Ст2 значительно ниже. Помимо этого, во второй (и третьей) ступени организован противоточный характер движения пара и стекающей в сборник жидкости. За счет этих факторов из потока выделяется дополнительное количество азота и его содержание на выходе из второй ступени снижается до 2627%.

Подобно второй ступени, поток в третьей ступени Ст3 идет вверх, а жидкий азот в противотоке стекает вниз по нескольким десяткам каналов. Наружные поверхности трубок омываются азотом, кипящим при давлении Р4=0,2ата и Т=66К. Конденсат третьей ступени, через вторую ступень, попадает в общий сборник. Далее жидкий азот через автоматический поплавковый клапан КС редуцируется в нижнюю азотную ванну. В нештатных ситуациях, при помощи «холодных» вентилей Д1 и Д2 возможно осуществить эту операцию в ручном режиме. Такая необходимость может возникнуть в случае попадания в клапан твердых примесей либо при потере плавучести поплавка КС, работающего в условиях повышенного давления (РС=0,5МПа). В первом случае, когда клапан не закрылся, пользуются вентилем Д1 (параллельным клапану). Во втором (если он не открывается) - применяют Д2, включенный последовательно.

Уровни жидкости в верхней и нижней азотных ваннах поддерживаются автоматически поплавковыми регуляторами Кв и Кн.

В нормальном рабочем режиме аппарат не нуждается в постоянном обслуживании. Действия оператора сводятся к согласованию расхода исходной смеси и производительности компрессора К.

Отдельные узлы и внешний вид одного из типов промышленных дефлегматоров показаны на рис. 7 и 8. Масса установки - 560кг, высота - 3м.



Рисунок 7– Дефлегматор (перлитная изоляция)



Рисунок 8 – Основные узлы дефлегматора



ЛИТЕРАТУРА


  1. Головко Г.А. Криогенное производство инертных газов. - 2-е изд., перераб и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд. -1983. - 416 с.

  2. Комплекс новой техники для криогенного производства неона и гелия высокой чистоты. Архаров А.М., Бондаренко В.Л., Савинов М.Ю. и др.// Тез.докл.межуд.н-техн.конф. «Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне ХХI века.». - С.-Петерб. - 1998. - С.40-41.

  3. Бондаренко В.Л., Вигуржинская С.Ю. Оптимизация системы предварительной очистки неоно-гелиевой смеси // Холодильная техника и технология. - 1999. Вып. 63. – С. 86 – 91.



Скачать файл (1137 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru