Диссертация (1025195), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Также при одной ступеникоэффициент разделения близок к максимальному - предельный режим дляфильтра. (вставить график)Зададимся следующими параметрами:возможные концентрации продуктов фильтрации:xп1  0,01% ; xп 2  0,1% ; xп3  1% ; xп 4  5% .Максимальныйрассматриваемыйрасходгелия(наоснованиипроизводительности крупного ГПЗ) [45-47]:Нормальный объемный расход гелия-сырья:Gst  8107 м3год(2.5)Массовый расход гелия-сырья:Gm  Gst   st  0,421кгс(2.6)Определяем концентрацию в потоке после фильтра:Концентрация 3He после первой ступени фильтрации:xпр1  x01  xп1  3,210 6(2.7)Концентрация 3He в отбросном потоке первой ступени:xот1 D  xпр1  lef vSK   s 1,95510 12Расход обогащенного потока после первой ступени:(2.8)74Gst1He 3 Gst  x01  xот1 л 2,9105xпр1  хот1часGst  x01   Gst  Gst1He3  x01  Gst1He 3  x пр1(2.9)(2.10)Концентрация 3He после второй ступени фильтрации xп1  0,01%Концентрация 3He в отбросном потоке второй ступени:xот 2 D  xп1   6,18210 11lef vSK   s(2.11)Расход обогащенного потока после второй ступени:Gst 2 He3 Gst1He 3  xпр1  xот 2 xп1  хот 2 9126лчас(2.12)Коэффициенты разделения для двух ступеней фильтрации:A1 xпр1 32(2.13)xп1 32xпр1(2.14)x01A2 Максимально возможный коэффициент разделения Amax  550000Коэффициенты извлечения по ступеням:1 Gst1He3  x пр12 Gst  x01 0,99998Gst 2 He 3  x п1 0,99998Gst1He 3  xпр1(2.15)(2.16)Суммарный расчетный коэффициент извлечения:   1   2  0,99996(2.17)Максимальный расход через один фильтр первой ступени:Q1  199,7нлчас(2.18)Максимальный расход через один фильтр второй ступени:Q2  197, 47нлчас(2.19)75Количество фильтров первой ступени ( n1  1446 ):n1 Gst1He 3 1445,1Q1(2.20)Количество фильтров второй ступени ( n2  47 ):n2 Gst 2 He 3 46,2Q2(2.21)Эквивалентные рабочие сечения для ступеней фильтрации:As1  As n1  4,5103 мм2 d ф1  2As1 76,1мм(2.22)As 2  As n2  147,7 мм 2 d ф 2  2As 2 13,7 мм(2.23)Расчет удельных энергетических затрат метода фильтрации:По данным из научных источников:Qи1  3,6108Дж(обогащение с 10 8 до 210 4 3He/4He), Т=2 К [36];нлQи 2  7,8106Дж(обогащение с 1,410 6 до 0,14 % 3He/4He), Т=1,9 К [10].нлМощность нагревателя при идеальном течении через фильтр [39, 48]:Qид  M  S T(2.24)Полная энтропия HeII при Т=1,9 К S1,9  0,709Дж[42, 112]:г КQф1ид   Gst  Gst1He 3   st  S1,9 TХ  549 Вт(2.25)Qф 2ид   Gst1He3  Gst 2 He3   st  S1,9 TХ  17,4 Вт(2.26)Идеальныетеоретическиеудельныеэнергетическиезатратынатемпературном уровне 1,9 К на нормальный литр 3He (Рисунок 2.7):N ф1ид.

уд N ф 2 ид. уд Qф1идGst1He 3  xпр1Qф 2 идGst 2 He 3  xп1 2,166106 6,848104Джл(2.27)Джл(2.28)76N фид. уд  N ф1ид. уд  N ф 2 ид. уд  2, 234106Джл(2.29)Рисунок 2.7. Зависимость удельных энергетических затрат (Дж/нл 3He) отпромежуточной концентрации (% 3He) фильтрационной и ректификационнойстадий на температурном уровне 1,9 КНеобходимо использовать две ступени фильтрации для работы прирациональных температурах,полученияконцентраций свыше0,1 %коэффициенте извлечения свыше 0,95 (Рисунок 2.8).Рисунок 2.8. Зависимость коэффициента извлечения от конечнойконцентрации в процессе фильтрации (1 и 2 ступени) при начальнойконцентрации 3He 0,1 ppmи772.3.

Аналитическое исследование процесса ректификации смеси 3He-4HeРектификацияректификациейизотоповдругихгелия,инертныхпригазов,принципиальнойимеетрядсхожестисособенностей,обусловленных следующими обстоятельствами:- низким температурнымуровнемэтого процесса – необходимостьютермостатирования конденсатора колонны при температуре от 1,5 до 2,1 К, чтотребует относительно высоких энергетических затрат;- высокой стоимостью товарного 3He, что вызывает необходимость извлеченияэтогоизотопадажеизбедныхотходоврассматриваемогопроцессаректификации;- капитальные затраты на создание промышленной установки ректификациизначительно меньше возможной прибыли от получения продукта за короткийпромежуток времени.В технологии извлечения изотопа 3He из природного гелия ректификациярассматривается как один из этапов последовательного обогащения исходнойсмеси изотопов гелия.

В этом случае ректификации подвергают продуктпредварительного обогащения природного гелия методом сверхтекучейфильтрации – концентрат, в котором содержание изотопа 3He может составлятьот 0,1 % до 5 %.2.3.1. Выбор рациональной схемы организации процесса ректификации всопряжении со смежными процессами экстракции 3HeВозможно два режима работы ректификационной колонны:- периодический режим, применяемый в большинстве известныхлабораторных опытов, описанных ранее, является наиболее простым и легкоосуществимым.

При этом весь объем разделяемой смеси конденсируется в кубеи далее следует однократный процесс ректификации. Основным недостатком вэтом случае является ухудшение чистоты продукта по мере его отбора и78значительное количество остатка изотопа 3He в насадке и в кубе колонны;-нeпрерывныйрежимтребуетналичиясредствизмеренияирегулирования потоков рабочей среды колонны, что значительно усложняетконструкцию установки, методы управления работой установки и снижает еенадежность. Преимуществами режима является минимум потерь целевогопродукта и, соответственно, высокий коэффициент его извлечения.Выбор режима работы колонны может быть сделан исходя из количествасырья, подлежащего ректификации после процесса сверхтекучего обогащения,и требований к скорости извлечения из него целевого компонента – изотопа3He.В связи с малым количеством исходной смеси для эксперимента (~ 10 нл)в данной экспериментальной работе был выбран периодический режим работыколонны.2.3.2.

Выбор рабочих параметров процесса ректификацииЗначения параметров состояния рабочей среды в колонне могут бытьвыбраны, прежде всего, исходя из условия обеспечения максимальнойэффективности процесса ректификации – условия значительного расхожденияизобар равновесия смеси изотопов 4He-3He (Рисунок 2.9). Этому условиюсоответствует область значений давления в колонне до 20 кПа и температуры вконденсаторе до 2,8 К.При дальнейшем снижении этих рабочих параметров, в колонне будетобразовываться сверхтекучая компонента 4He. С другой стороны, невозможнаработа колонны (для получения 3He высокой чистоты) при температуре вышекритической температуры 3He (3,32 К)Предварительный выбор насадки колонны может быть сделан наосновании экспериментальных данных лабораторных работ и результатов иханализа [49, 104].79Рисунок 2.9.

Изобары равновесия 4Не-3НеОсновныеэнергетическиезатратысвязаныснеобходимостьюподдержания температуры жидкого гелия, к которому передается теплотаобразования флегмы в конденсаторе колонны. Случаю низкой концентрации80легкого изотопа в исходном сырье колонны соответствует увеличенноезначение минимального флегмового числа fmin :fmin= y п− y 0 / y 0 − x 0(2.30)где п и 0 ,соответственно, равновесные концентрации 3He в жидкости и газепродукта и начального сырья, направляемого в колонну на разделение.Реальные значения флегмового числа в промышленной колонне могутдостигать 200 и выше, для увеличения чистоты получаемого продукта икоэффициента извлечения.2.3.3.Анализфакторов,влияющихнаэффективностьпроцессаректификацииОсуществление процессов разделения происходит при температурах1,8-2,4 К, что требует качественной системы термостатирования и полученияпромышленного холода на этом температурном уровне.В качестве актуальных и реализуемых вариантов на сегодняшний деньрассматривались три возможных способа получения холода на температурномуровне ниже 4,2 К:- использование магнитного рефрижератора, при этом относительныеэнергетические затраты для получения холода на температурном уровне ~2 Ксоставят 600-700 Вт/Вт [50, 51, 113].

Этот способ кажется наиболееэнергоэффективным,ноонограниченмаксимальнойединичнойпроизводительностью устройства, и в пересчете на максимально возможныйрасход потока жидкого гелия на разделение составит 30 л/час;-откачкапаровгелиятеплымвакуумнымнасосом,приэтомотносительные энергетические затраты для получения холода на температурномуровне~2Ксоставят2800-4500Вт/Вт.Способявляетсянаименееэнергоэффективным, но наиболее легко реализуемым;- откачка паров гелия холодным вакуумным нагнетателем, при этомотносительныеэнергетическиезатратыдляполученияхолодана81температурном уровне ~2 К составят 900-1000 Вт/Вт. В этом способе нетограничений по максимальной нагрузке цикла, а энергозатраты невелики.Использование холодных нагнетателей кажется наиболее перспективным приреализации промышленной технологии разделения гелиевых изотопов.Дляподдержаниянеобходимойтемпературывкриостатедляэксперимента был выбран метод вакуумной откачки паров как наиболее легкореализуемый в лабораторных условиях.

В качестве хладоносителя дляобеспечениятермостатированияконденсатораколоннывозможноиспользование жидкого гелия при температуре ниже лямбда-перехода [52, 53].Расчет площади поверхности конденсатора, погруженного в HeII :FQкk  Tср(2.31)где k - коэффициент теплопередачи, Qк - мощность конденсатора (тепловаянагрузка), Tср - средний температурный напор.Далее рассматривается режим температурных напоров со стороны HeII ковнешней стенке конденсатора, меньших qмакс (ΔТ<<Тs).

Данный режимбеспленочного кипения - режим сопротивления Капицы. q<0,01 Вт/мм2.Для перехода в режим более интенсивнго теплообмена (режим кипенияпри ΔТ<<Тs или режимы пленочного кипения), и превышения значенияотносительной нагрузки q~0,01 Вт/мм2, понадобилась бы, например, колонна сминимальными размерами 20 мм - диаметр и 400 мм - длина. В подобнойколонне возможны нагрузки конденсатора в 10 Вт, при этом его площадьсоставит всего 1000 мм2 и менее, что в случае трубчатого конденсатора труднореализуемо практически.

Также, температурный напор будет значительно вышесреднего (от 0,1 до 0,5 К), для подобного вида низкотемпературных установок.Для меди проводимость Капицы при ~ 1,5 - 2 К и режиме беспленочногокипения, в среднем, по опытным данным из книги Е. В. Аметистова [54]: x  1,5103Втм2 К(2.32)Коэффициент теплоотдачи медь - конденсирующийся 3He, по данным82исследования кафедры «Техника и физика низких температур» фазовыхпереходов в изотопе 3He [55, 56, 114]:Т 0,1  600Втпри ΔТ=0,1К;м2 КТ 0,2  550Втпри ΔТ=0,2К;м2 КТ 0,6  400Втпри ΔТ=0,6К.м2 ККоэффициент теплопроводности [57] для меди при Т=2 К ст  10Вт.мКПримем толщину стенки конденсатора  ст  1мм .Коэффициент теплопередачи:k111 ст Т 0,2 ст  х(2.33)Рассчитаем необходимую площадь конденсатора при разных нагрузках итемпературных напорах, результаты представлены в Таблице 10:Таблица 10.Значение минимальной площади поверхности конденсатора от нагрузки итемпературного напора, 102•мм2Qк, Вт0,0050,010,050,10,515100,051,93,718,737,4187374187237430,111,99,418,79418793618720,20,50,94,79,447944689360,60,20,31,63,1163115631210,10,20,91,991994187ΔТ, КВ расчете площади теплопередающей поверхности приняты следующиепараметры: Т к  1,8...2 К , Qк  1,5Вт, Tср  0,3К .83FQк 129,2102 мм 2k  Tср(2.34)Исходя из данных по лабораторным установкам других авторов,описанных выше, нагрузки на конденсатор составляли 0,002 – 1,6 Вт.Относительные нагрузки на конденсатор в экспериментальных образцах всреднем составляют 0,6 Вт/мм2 (относительно площади сечения колонны).2.3.4.

Характеристики

Список файлов диссертации