Автореферат (1025194), страница 2
Текст из файла (страница 2)
По результатам диссертации опубликованы 4 научныхработы, в том числе 3 статьи в журналах базы индексирования Scopus,рекомендуемых ВАК РФ, 6 тезисов докладов.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложенана 183 страницах текста, содержит 63 рисунков, 35 таблиц и списоклитературы из 119 наименований.3СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведен краткий обзор областей применения 3He,показано, что легкий изотоп гелия в промышленных масштабах получаюттолько лишь как побочный продукт производства сверхтяжелого изотопаводорода – трития.
Приводятся данные о спросе и предложении 3He намировом рынке (Рисунок 1), актуальность покрытия дефицита, намеченыцель и задачи исследования.нм31009080706050403020100ПотребностьПроизводствоРисунок 1. График мирового производства и потребности 3He, тыс. нл в годВ первой главе рассмотрены известные природные источники дляизвлечения 3He. Показано, что при всем многообразии возможныхисточников и потенциальных методов их разработки в настоящее времяреальным и экономически конкурентоспособным, по сравнению сискусственным созданием изотопа при ядерном распаде трития, является еговыделение из природного гелия, получаемого на воздухоразделительныхустановках (ВРУ), а так же из гелия, получаемого при добыче природногогаза.
Существующие паспорта качества товарного 3He диктуют необходимуюминимальную степеньизотопногообогащения,необходимуювпромышленной технологии его получения, и нормы по содержанию трития.Приводится расчет возможного накопления трития при извлечении 3He изприродного гелия, который указывает на возможное минимальноедостижение предельно допустимой концентрации по нормам радиоактивнойбезопасности (НРБ-95) только лишь при коэффициенте извлечения изотоповводорода равного единице во всей технологической цепочке получения гелияиз воздуха.Проведенный анализ отечественных и зарубежных источников по темеисследования показал, что метод сверхтекучей фильтрации для обогащениярастворов с малой концентрацией 3He в 4He может быть использован дляполучения концентрата в качестве первого этапа промышленной технологии.4Этот метод состоит в ожижении гелия, охлаждении его до температурыменее 2,17 К и последующей фильтрации примесей полученного жидкогосверхтекучего гелия.
Во всех рассмотренных публикациях обсуждаетсятолько один принцип работы такого фильтра, основанный на использованиитермомеханического эффекта (ТМЭ), характерного для НеII. Для«возбуждения» потока сверхтекучего НеII через фильтр используют подогревгелия в выходной камере фильтра, то есть, причиной движениясверхтекучего НеII в каналах фильтра является нагрев и повышениетемпературы в выходной камере фильтра, а повышение давления в камерефильтра является следствием этого возникающего движения гелия.Показано, что располагая гелием с содержанием 0,01 % 3Не длядальнейшего обогащения возможно использовать процесс ректификации, приэтом для гелиевых изотопов в среднем при вакууме значение коэффициентаотносительнойлетучестиɑ = 3,2.Отличительнойособенностьюректификации концентрата изотопов гелия с целью получения из негочистого 3Не являются: весьма малые размеры колонны (длина менее 700 мм идиаметр менее 25 мм) и необходимость термостатирования конденсатораколонны при температуре ниже 3,4 К.
Анализ процессов в рассматриваемыхректификационных колоннах показывает, что относительные нагрузки наконденсатор в экспериментальных образцах в среднем составляют0,6 мВт/мм2, относительно площади сечения колонны.В отличие от метода ректификации, метод адсорбции реализуется приболее высокой температуре от 4,3 до 4,5 К, что обеспечивает более низкиеэнергетические затраты на термостатирование разделительной аппаратуры.Результатом исследований низкотемпературной адсорбции является оценкакоэффициента извлечения чистого изотопа 3Не из смесей различного состава,который практически не зависит от состава исходной смеси и составляетоколо 0,7.Рассмотрены также альтернативные методы обогащения 3He, такие кактермодиффузия, разделение на центрифугах и мембранах.
Данные методы всвязи с ограничениями по производительности, малыми коэффициентамиизвлечения и высокими удельными затратами не применимы дляиспользования в промышленной технологии получения 3He из природногогелия.Анализ фильтрации, ректификации и сорбции указывает навозможность их применения в рассматриваемой промышленной технологии,но данные и конкретные рекомендации в источниках отсутствуют.Совместноепоследовательноеиспользованиенизкотемпературныхпроцессов может иметь оптимум и зону рациональных параметров, взависимости от начальной концентрации сырья, необходимого коэффициентаизвлечения и используемых способов термостатирования.На основании проведенного анализа описанных в литературе методовнизкотемпературного разделения смеси гелиевых изотопов, была поставленацель работы, сформулированы задачи исследования, выбраны и обоснованыметоды решения поставленных задач.5Задачи исследования:1.
Разработка методики расчета степени обогащения 3He в процессефильтрационного разделения сверхтекучей и нормальной компонентжидкого гелия с учетом влияния характеристик материала фильтра ипараметров состояния процесса.2. Определение области рациональных значений промежуточнойконцентрации фильтрационной и ректификационной стадий для природногогелия с содержанием 3He от 0,1 до 1,4 ppm на основании предложеннойметодики.3. Разработка методики расчета процесса ректификации изотопов гелияи предложение рациональной схемы его организации в условияхнепрерывной технологии обогащения и сопряжения с процессамифильтрации и сорбции.4. Создание экспериментального стенда для исследования процессанизкотемпературной ректификации смеси гелиевых изотопов в насадочнойколонне, обеспечивающий работу в диапазонах температур от 1,95 до 5,2 К,давлений от 2,7 до 103 кПа, максимальной нагрузки по жидкости 20 мг/секпри флегмовом отношении, равном единице, на температурном уровне 2,0 К,и возможностью термостатирования с точностью ± 30 мК.5.
Разработка методики экспериментального исследования, отбора проби газового анализа изотопного состава, оценки погрешности измерения.6. Экспериментальное исследование процесса разделения в насадочнойколонне и определение удельных энергетических затрат при различныхрежимах работы колонны.7. Определение области рациональных значений промежуточнойконцентрации 3He при ступенчатой ректификации в зависимости оттребуемого обогащения конечного продукта.8. Разработка исходных данных для создания опытно-промышленнойустановки извлечения 3Не из природного гелия.Во второй главе рассмотрены различные типы «энтропийных»фильтров: угольные фильтры, пористые структуры и капилляры. Изложенаметодика расчета степени обогащения 3He в процессе фильтрационногоразделения, применимо к «энтропийному» угольному фильтру диаметром 2мм.
Приводится обобщающая численная зависимость, связывающаявеличины расхода через фильтр, температуры на его «холодном» конце иконцентрации 3He перед фильтром:Q (143(13801 0, 01) (3,222)T)2 ,52X 0,3(T 3,5) 2e XT(1)Исходя из анализа полученной модели, выделена областьрациональных параметров процессов (Рисунок 2).Помимо значения удельных энергетических затрат, важнымпоказателем эффективности всей технологической цепочки являетсякоэффициент извлечения целевого продукта.6Рисунок 2. Область рациональных параметров процесса фильтрации в видетрехмерной модели уравнения 1Показано, что необходимо использовать две ступени фильтрации дляработы при рациональных температурах, получения концентраций свыше0,1 % и коэффициенте извлечения свыше 0,95 (Рисунок 3).
Учитываясмещение λ-линии в сторону более низких температур при увеличениисодержания 3Не, необходимому расходу при 2-х ступенях обогащения, инесовершенство фильтра, рекомендуемый диапазон рациональныхтемператур: от 2,15 до 2,16 К на «теплом» конце фильтра; от 1,90 до 1,95 Кна «холодном» конце фильтра.Рисунок 3. Зависимость коэффициента извлечения от конечнойконцентрации в процессе фильтрации (1 и 2 ступени) при начальнойконцентрации 3He 0,1 ppm7Рациональное предельное значениеконцентрации 3He в процессе обогащениясверхтекучей фильтрацией – 5 %.
Обогащениесвыше 10 % при рациональных температурахневозможно из-за малого расхода черезфильтр и большого значения коэффициентадиффузии 3Не.Представленаметодикарасчетапроцесса ректификации применительно ксмесям изотопов гелия, рассмотрено двавозможных режима – периодический инепрерывный.Выборрежимаработыколонны может быть сделан, исходя изколичествасырья,подлежащегоректификации после процесса сверхтекучегообогащения, и требований к скоростиизвлечения из него целевого компонента –изотопа 3Не.Значения параметров состояния рабочейсреды в колонне могут быть выбраны, преждевсего, исходя из условия обеспечениямаксимальнойэффективностипроцессаректификации – условия значительногорасхождения изобар равновесия (Рисунок 4)смеси гелиевых изотопов.
Этому условиюсоответствует область значений давления вколонне ниже 20 кПа и температуры вконденсаторе ниже 2,8 К.Для расчета энергетических затрат натермостатированиеконденсатораприректификации смеси гелиевых изотоповприняты нижеперечисленные допущения:расчетыпроводятсябезучётатеплопритоков;- давление в колонне неизменно по высотеколонны;- изменение плотности смеси изотопов в кубеи конденсаторе считается при заданныхтемпературах и соответствующем давлении,их изменение в зависимости от концентрациии, как следствие, изменение равновеснойтемпературы, не учитываются;- значения теплоты конденсации изотоповпринимаются при усредненных значенияхпараметров в кубе и конденсаторе.8Рисунок 4.
Изобарыравновесия 4Не-3НеВ балансе учтены энергии входящего питательного потока, двухпродукционных потоков, а так же энергии, затрачиваемой в конденсаторе икубе колонны. Посчитаны различные значения удельной нагрузки наконденсатор с учетом теплоты конденсации двух изотопов в зависимости отначальной и конечной концентрации. При концентрации изотопа 3Не в сырье0,1 % степень обогащения в процессе ректификации составит около 1000. Вэтом случае целесообразно осуществлять ректификацию в 2 этапа из-забольшого соотношения высоты колонны к ее диаметру (более 100).Также, из-за небольшого количества сырья, возможно использованиедвух колонн, работающих в различных режимах. Первая колонна работает внепрерывном режиме, накапливая концентрат для второй стадии обогащения.На втором этапе ректификационного разделения колонна может работать соднократной загрузкой смеси в периодическом режиме, или возможноиспользование первой колонны в непрерывном режиме при короткомвремени рабочей компании.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
