19.Отзыв_официального_оппонента_спр (Исследование процессов низкотемпературного разделения природного гелия с целью извлечения изотопа 3He)

кандидата технических наук Кузьменко Ивана Федоровича на диссертационную работу соискателя Куприянова Максима Юрьевича на тему «Исследование процессов низкотемпературного разделения природного гелия с целью извлечения изотопа Зне», представленную к защите на заседании диссертационного Совета Д 212.141.16 при Московском государственном техническом университете имени Н.З.

Баумана на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.04.03— Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения. Актуальность выполненной диссертационной работы Актуальность диссертации связана с тем, что по решению Правительства РФ начато освоение крупных месторождений природного газа Восточной Сибири и Дальнего Востока, достаточно богатых гелием (более 0,2 %).

Потенциал указанных месторождений по гелию в современном мире считается уникальным, тогда как богатые некогда месторождения Северной Америки уже отработаны и в США, например, гелий официально отнесен к исчезающим ресурсам и приняты соответствующие государственные меры по его сохранности. Во много раз еще более напряженная обстановка по природным запасам ЗНе, концентрация которого в 4Не составляет 0,1 ррах.

Исходя из уникальных свойств изотопов гелия и соображений сохранения их природных ресурсов, при освоении указанных месторождений природного газа ставится задача извлечения гелия и выделения из него ЗНе, которая в таком объеме никогда не решалась. Научная новизна 1.Экспериментальные данные по ректификации смеси ЗНе-4Не на спиральной насадке 1,5х1,5 мм, полученные на колонне высотой 100 мм в режиме полного орошения. 2.На основе теоретического анализа и зкспериментальных исследований показано, что проблема извлечения ЗНе из природного гелия, содержащегося в природном газе или воздухе, решается освоенными методами низкотемпературной сепарации при исходных концентрациях ЗНе 0,1 и 1,4 рргп. Определена область промежуточных концентраций при использовании методов низкотемпературной сепарации.

Структура и содержание работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 190 страниц (133 страницы основного текста), содержит 63 рисунка, 35 таблиц. Список литературы включает 119 источников. Введение Во введении (стр.5-15) приводятся общие сведения о легком изотопе гелия — ЗНе, его свойствах, распространении и применении, а также сформулированы: цель работы, задачи исследования, научная новизна„практическая значимость, личный вклад автора и результаты, выносимые на защиту, краткое содержание по главам.

Обратим внимание, что поставленная цель работы и задачи исследования объединяют достаточно разнородные, но связанные единой целью, процессы низкотемпературного разделения изотопов природного гелия, такие как фильтрация сверхтекучей компоненты смеси, ректификация и сорбция с целью промышленного получения чистого ЗНе. В последующих главах диссертации производится последовательный анализ и изложение подобной концепции. В главе 1 (стр.16-65) скрупулезно рассматриваются все источники получения гелия, их физическая сущность, потенциал применения и специфические особенности. При этом, естественно, наибольшее внимание уделено именно низкотемпературным способам. Сделан весьма подробный обзор отечественных и зарубежных работ, как по целевым направлениям, так и альтернативных. В результате качественного анализа предшествующих исследований автор формулирует концепцию комплексной низкотемпературной промышленной технологии сепарации ЗНе из природного гелия и определяет цель работы, подразделяемой на 8 конкретных задач и исследований, как расчетно-аналитических, так и экспериментальных.

В главе 2 (стр.66-96) приведены результаты расчетно-аналитических исследований и разработки методик расчета процессов фильтрации, ректификации и адсорбции ЗНе из смесей с 4Не. Первая часть главы, касающаяся постановки задачи о фильтрации сверхтекучей компоненты (стр.66-76), базируется в основном на результатах классических экспериментальных работ Института физических проблем АН СССР и ряда других отечественных институтов по исследованиям свойств изотопов гелия и течениям смесей ЗНе-4Не через капиллярные фильтры в области температур сверхтекучести. Проведя достаточно представительный обзор работ отечественных и зарубежных исследователей, автор установил, что процесс фильтрации достаточно хорошо описывается моделью, в которой отражается двойственная природа сверхтекучести Не-П, как смеси сверхтекучей компоненты, не обладающей вязкостью, и нормальной вязкой жидкости.

Основу модели составляет тезис, что в растворах квантовых жидкостей ЗНе-4Не перенос энтропии и тепла осуществляется только частью жидкого гелия Не-И, так называемой нормальной компонентой, в совокупности с которой движутся и примеси ЗНе. Другая часть раствора, так называемая сверхгекучая компонента, движется без трения и в переносе тепла не участвует, При температурах ниже Х-перехода наблюдается движение сверхтекучей компоненты 4Не в сторону капиллярного фильтра, а ЗНе принимает участие в движении нормальной компоненты 4Не. При этом наряду с разностью концентраций возникает разность температур и, соответственно, тепловой поток, который можно условно представить как сумму эффектов диффузии и «чистой» теплопроводности раствора. С использованием этого подхода Померанчук И.Я.

еще в 1949 году предложил уравнение, связывающее перенос тепла и массы в растворах ЗНе-4Не с учетом диффузии при произвольных температурах. Впоследствии метод получил развитие в работах Пешкова В.П. и Зиновьевой К.Н. и ряда других ученых-физиков. В частности, по предложенной методике в ИФП им. П.Л.Капицы были получены зависимости производительности фильтров от концентрации ЗНе в обогащаемой жидкости при различных температурах, сравнение которых с достаточно многочисленными экспериментальными данными подтверждает общую достоверность методики.

Хотя автор в своей работе для расчета процесса сверхтекучей сепарации использует известные подходы и экспериментальные результаты академических институтов, их выбор в качестве расчетной базы обоснования концепции построения промышленных установок для извлечения ЗНе из природного газа на данном этапе следует признать обоснованным. По мнению некоторых специалистов *) «ряд задач о переносе тепла и массы в растворах квантовых жидкостей ЗНе-4Не остался нерешенным до настоящего времени, в том числе об установлении стационарного неравновесного состояния при включении потока тепла». В соответствии с целью диссертации (стр.64) были сформулированы две задачи, касающиеся исследования предварительного обогащения смеси ЗНе-4Не методом фильтрационного разделения на капиллярном устройстве.

По структуре работы можно предполагать, что этой цели должны отвечать разделы 2.1 и 2.2. второй главы. Однако содержание этих разделов лишь отдаленно соответствует их названиям. Так в разделе 2.1. «Выбор энтропийного фильтра» просто перечислены разные типы капиллярных фильтров, практически не рассматриваются их качества и критерии выбора для условий работы в промышленных сепараторах. Раздел 2.2 «Методика расчета степени обогащения ЗНе в процессе фильтрационного разделения» (стр.б7-76) содержит, скорее, примеры расчетов параметров фильтрации для конкретных исходных данных и теплофизических свойств, принимаемых из различных источников, Отметим небрежное оформление раздела: отсутствует четкая система обозначений, трудно понять происхождение и физическое обоснование основной зависимости (2.1) для расчета производительности фильтра, нет четкого определения что такое «рациональные параметры» и «область рациональных параметров».

Нельзя не отметить, что в автореферате среди основных публикаций по теме диссертации отмечена статья с участием автора диссертации (поз.4), содержание которой включает, в том числе, описание установки и результаты экспериментальных исследований процесса фильтрационного обогащения товарного гелия (смеси ЗНе-4Не), полученного из воздуха при извлечении неоно-гелиевой смеси на воздухоразделительных установках.

Исходное содержание ЗНе в смеси составляло 1,4 ррпт. Процесс обогащения был непрерывным и длился около 20 ч. Средняя концентрация ЗНе на выходе установки составила 1275 ррпт, коэффициент обогащения 910. К сожалению, в диссертации и публикации эта часть работы изложена фрагментарно, но есть все основания полагать, что полученные экспериментальные результаты будут использованы в дальнейших работах на кафедре 34, Вторая часть главы 2 диссертации посвящена анализу процесса ректификации (стр.77-92). Автор излагает особенности организации процесса, выбора параметров, вида устройств холодообеспечения, режима работы и упрощающих предпосылок для разработки методики расчета ректификации.

Из принципиальных положений отметим здесь следующие: -автор допускает возможность использования как периодического режима работы колонны, так и непрерывного, или их сочетания; ') Немченко К.Э. Моделирование бездиссипативного переноса тепла и массы в неклассических средах/Проблемы машиностроения, 2011,т.14, И»2, с.61-68 -путем качественного сопоставления рекомендуется для практического использования вариант холодной откачки паров гелия для отвода тепла в конденсаторе; -в методику расчета процесса ректификации введен ряд предпосылок, значительно идеализирующих процесс. Необходимо отметить, что принятые исходные предпосылки относятся к традиционным для подобного направления исследований. Однако данная работа начиналась и развивается на существенно других основаниях, связанных с проблемой освоения крупных месторождений природного газа Сибири и Дальнего Востока, богатых гелием и предназначенных для поставок на экспорт с обязательным извлечением гелия, в том числе и изотопа ЗНе.