Процессы переноса теплоты и массы в криогенных аппаратах нового поколения газоразделительных установок

Жесткие требования рынка и обостренная конкуренция среди мировых производителей криогенного оборудования, на фоне общих энергетических и экологических проблем, определяют современные технические и технологические тенденции в развитии криогеники. За последние 15−20 лет криогенная техника. претерпела существенные изменения, связанные главным образом с появлением и внедрением новых технологий, новых требований к системам, машинам и аппаратам, и расширением областей применения промышленных газов. Целый ряд физических явлений и процессов, исследовавшихся в недалеком прошлом, в настоящее время получил практическое признание. Другим фактором технической эволюции является ужесточающаяся экономическая и, в первую очередь, энергетическая конкуренция со стороны химической и других отраслей промышленности, предлагающих альтернативные способы производства промышленных газов, разделения и очистки газовых смесей, выделения изотопов и т. д. без использования низких температур. Поэтому современный этап развития криогенной техники характеризуется усиленным поиском новых, экономически и энергетически эффективных решений, в том числе и при создании тепло-массообменных аппаратов, а рабочие процессы в аппаратах требуют дополнительных теоретических и экспериментальных исследований и соответствующих обобщений. Это позволяет определить перспективы дальнейшего их развития и совершенствования.

Начиная с 80-х годов XX века в криогенных воздухоразделительных установках (ВРУ) используются конденсаторы-испарители со стекающей пленкой и ректификационные колонные аппараты со структурированной насадкой. Как показывает опыт, их применение позволяет существенно (на 7.9%) снизить энергопотребление ВРУ и как следствие себестоимость азота, кислорода и аргона. Данные аппараты являются аппаратами нового поколения, протекающие в них процессы пока мало изучены, и это существенно сдерживает расширение внедрения новых энергосберегающих технологий в ВРУ отечественного производства. Исследования данных процессов были начаты автором в 1990 году на кафедре «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования .и жизнеобеспечения». Московского Государственного Технического Университета им. Н. Э. Баумана и продолжаются по сегодняшний день. Диссертационная работа обобщает более чем 15-летний теоретический и практический опыт, разнообразные исследования и разработки, выполненные непосредственно автором и под его руководством.

Цель работы заключается в развитии методов и способов интенсификации. процессов тепло и массообмена в аппаратах нового поколения, обобщении результатов аналитических и экспериментальных исследований.

Работа состоит из трех глав, введения и приложений. Конкретные выводы сформулированы в соответствующих разделах работы.

В первой главе подробно рассмотрены процессы кипения и конденсации криогенных жидкостей на развитых вертикальных поверхностях труб промышленных конденсаторов-испарителей нового поколения. С точки зрения практической целесообразности выделены приоритетные задачи настоящего научного исследования:

• изучение зависимости толщины пленки конденсата от геометрической формы поверхности при экстремально низких значениях температурного напора «газ-стенка»;

• определение рациональной геометрии поверхности конденсации по компактности, минимальному значению толщины образующейся;

• пленки конденсата и равномерности ее распределения;

• определение коэффициентов теплоотдачи, для различных типов поверхностей конденсации и режимов работы.

Рассматриваются существующие методы моделирования, расчета и определения рациональной поверхности конденсации различной геометрии. Изложена разработанная математическая модель, позволяющая проводить расчеты толщины пленки конденсата и коэффициента теплоотдачи для практически любого типа оребренной или рифленой поверхности в условиях сопряженного теплообмена в системе «конденсация-кипение». Приведены полученные новые экспериментальные и расчетные данные о локальных и интегральных коэффициентах теплоотдачи (рис.6) в конденсаторах-испарителях при малых температурных напорах 0,2.1,5 К, в широком диапазоне нагрузок по пару и жидкости. Дано описание и обоснование выдвинутых автором предложений по интенсификации процесса конденсации за счет периодического удаления жидкости из канавок профиля трубы «hi-flux».

Вторая глава посвящена исследованию процессов тепло и массопередачи на регулярных насадках колонн дистилляционных установок. На основании анализа и обобщения многолетнего отечественного и зарубежного опыта производства и эксплуатации структурных насадок автором сформулированы подробные технические, технологические и экономические требования, которым они должны соответствовать. В ходе анализа существующей информации установлено, что: регулярные пакетные гофрированные насадки для колонн ВРУ обладают преимуществами в гидродинамических, технологических, массо-габаритных аспектах, и поэтому данная структура предпочтительна для вновь проектируемых насадоквыбор топологии (геометрии канала и структуры всей насадки) носит, в настоящее время, преимущественно интуитивный характер, основанный на полуэмпирических результатах и логических умозаключенияхотсутствие теоретического обоснования выбора топологии и геометрических размеров насадок существенно осложняет создание и проектирование новых насадок для процессов разделения конкретных смесейэффективность насадок (ВЕП и ВЭТТ) определяется экспериментальным путем и для многих видов насадок анализ влияния на нее топологии отсутствуетограничена или отсутствует информация по обоснованию выбора материала насадки для конкретных процессов разделениясоздание новых эффективных насадок возможно только на основе многофакторной оптимизации.

Определены задачи данного раздела научного исследования.

Сформулировать и обосновать общую модель структурной насадки с использованием аппарата геометрической топологии и теории группввиду отсутствия надежной модели тепло-массопереноса в отмеченной структуре, попытаться использовать новый подход математического описания рабочего процесса в виде рассмотрения гамильтоновых систем на конеч.

• номерной топологиина основании разработанной модели ввести новую систематизацию геометрических типов насадочных структурсвязать гидродинамические, теплофизические, технологические требования к насадкам и их фактические параметры с геометрией поверхности и структурой объемапредложить методику формирования структуры и поверхности насадки под конкретную задачуразработать несколько новых видов пакетных насадок на основании сформулированного подходаэкспериментально проверить работоспособность новых насадок и правомерность сделанных заключений и выводов.

Предложена и разработана математическая модель течения фаз и массопереноса в структурных насадках на основании нового представления ее топологической структуры как упорядоченной комбинации элементарных ячеек — полуограниченных секционированных полостей. На основании предложенной топологической модели сформулированы и обоснованы принципы построения поверхности и формирования структуры, вновь разрабатываемых насадок. Обосновано применение минимальных поверхностей, как обеспечивающих предельно возможные скорости тепло, и массообмена при двухфазных течениях. Описана разработанная безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Приведены результаты экспериментальных исследований гидродинамической обстановки и кинетики массообмена на разработанных типах насадок.

В третьей главе приведены результаты исследований процессов десуб-лимации и диффузии в аппаратах обогащения неоно-гелиевой смеси и получения неона высокой чистоты. Выявлены особенности получения чистых и сверхч чистых газов. На основании проведенного анализа сделаны следующие выводы:

• необходим поиск альтернативных способов очистки неоно-гелиевой смеси, так как при существующей технологии значительная часть неона теряется в дефлегматорах, адсорберах и осушителях на этапах ее обогащения;

• актуальными остаются вопросы дальнейшего развития существующих и разработка новых методов разделения, в том числе хемосорбционного и конденсаци-онно-десублимационного, для получения высокочистого неона в больших количествах и снижения его стоимости;

• в настоящий момент, для получения неона чистотой >99,9997% в промышленных масштабах, целесообразно создание гибридных схем на основе конденса-ционно-ректификационного, адсорбционного и диффузионного методов.

Задачи настоящего направления диссертационной работы были сформулированы-как:

Рассмотреть возможность применения диффузионного метода, с использованием кварцевых мембран, для обогащения неоно-гелиевой смеси, с целью снижения потерь неона в традиционном технологическом процессе.

Найти и апробировать способы повышения чистоты неона, вплоть до 99,9999%. Процесс десублимации как способ получения высокочистого неона недостаточно изучен и обоснован для практического применения. Необходимо составить физическую модель процесса десублимации неона на переохлажденной поверхности и попытаться спрогнозировать аналитически ожидаемый эффект разделения.

На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований установлено, что:

• мембранный метод позволяет получать высокообогащённые неоном и гелием потоки, но полное разделение смеси с одновременным получением высокочистых продуктов возможно только в многоступенчатых противо-точных разделительных аппаратах;

• кварцевое стекло, используемое в качестве материала мембраны, позво.

• ляет эффективно разделять неоногелиевую смесь.

В главе дано описание разработанного и исследованного процесса десублима-ции неона из неоногелиевой смеси на охлажденной до 5.12К поверхности. Приведен анализ факторов влияющих на чистоту неона при десублимации и описание предложенной физической модели процесса. Аналитически и экспериментально определены параметры адсорбции гелия на поверхности кристаллов твердого неона от различных факторов. Разработанный на базе предложенного способа осуществления процесса десублимации технологический цикл был реализован в установке промышленного назначения в виде дополнительного блока к ожижителю гелия марки КГУ-150. Научная новизна работы.

1. Получены новые экспериментальные и расчетные данные о локальных и интегральных коэффициентах теплоотдачи в конденсаторах-испарителях пленочного типа при малых температурных напорах 0,2 .1,5 К в широком диапазоне расходов по пару и жидкости (5.25 г/с).

2. Разработан и создан специальный видеозонд и впервые визуально в рабочих условиях проконтролирована гидродинамическая обстановка в зонах конденсации и кипения (внутри и снаружи) трубы пленочного конденсатора-испарителя.

3. Впервые получены спектры экспериментальных значений толщин стекающей пленки конденсата, скорости ее изменения и распределение по высоте в зонах различного температурного напора, при различных расходах, с помощью специально разработанных оригинальных СВЧ датчиков. Получены также спектры, значений паросодержания в потоках кипящего жидкого кислорода и конденсирующегося азота в зависимости от тех же параметров. Предложены методы расчета профиля пленки конденсата в различных элементах (частях) поверхности конденсации. Расчетным пугем исследовано влияние геометрии оребрения на скорость, толщину и распределение пленки жидкости и на процесс теплообмена в целом.

4. Предложена, разработана и развита новая, более точная математическая модель процесса конденсации на оребреиных (и рифленых) вертикальных поверх-.ной-ях различной геометрии, в том числе и типа Грегорига, в условиях отвода теплоты в зону кипения. Обоснованы и экспериментально проверены методы интенсификации теплообмена со стороны конденсации на 15. 18% за счет частичного отвода жидкой пленки с рабочей поверхности и выравнивания её толщины по высоте всего аппарата.

5. Разработана и развита более точная математическая модель течения фаз и массопереноса в щелевом канале плоскопараллельной насадки.

6. Впервые предложена общая топологическая модель структурированной насадки. Обосновано применение теории минимальных поверхностей при проектировании и расчете топологии новых насадок.

7. Предложена и разработана математическая модель течения фаз и массопереноса в структурированных насадках на основании нового представления ее топологической структуры как упорядоченной комбинации элементарных ячеекполуограниченных секционированных полостей. Сформулирован и обоснован новый подход к систематизации насадок на основании топологических свойств образующих их поверхностей.

8. Экспериментально изучена гидродинамическая обстановка и кинетика мас-сообмена на разработанных типах насадок. Получены обобщенные зависимости коэффициентов массоотдачи в паре и жидкости в безразмерной формепотерь давления и критической скорости пара при изменении параметров процесса разделения. Экспериментально подтверждены теоретические положения для разработанной общей топологической модели структурной насадки.

9. Предложена физическая модель процесса десублимации неона при фазовом переходе газ — твердое тело на охлажденной до 5. 12 К поверхности. Получена новая экспериментальная информация по десублимации неона и о диффузии неона и гелия через кварцевое стекло в широком диапазоне параметров процессов.

Практическая ценность работы.

1. Создана экспериментальная установка для исследования процессов кипения и конденсации в трубах промышленных конденсаторов-испарителей ВРУ нового поколения.

2. Разработаны оригинальные, защищенные патентами России, СВЧ системы для измерения толщин пленки конденсата и диагностики промышленных конденсаторов-испарителей. Предложены, разработаны и испытаны различные устройства отвода конденсата с поверхности трубы конденсатора-испарителя. Сформулированы конкретные рекомендации по количеству и частоте размещения этих устройств по высоте трубы.

3. На основании полученной в работе информации сделаны обобщения и даны конкретные рекомендации о предпочтительных диапазонах рабочих параметров конденсаторов-испарителей нового поколения с целью повышения производительности и снижения энергопотребления ВРУ.

4. Разработана новая безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Спроектированы и изготовлены штампы, прессовая и технологическая оснастка для производства единичных поверхностей и формирования пакетов насадки. На созданном оборудовании изготовлены 19 видов насадки различных типов. Обосновано повышение взрывобезопасности воздухоразделительных колонн со структурной насадкой выполненной по новой технологии.

5. На основании предложенной топологической модели сформулированы принципы построения поверхности и формирования структуры, вновь разрабатываемых насадок под конкретную задачу. Установлено влияние гидродинамических, теплофизических и технологических факторов на выбор геометрической формы поверхности насадки. Предложены новые виды структурных насадок с периодическими минимальными поверхностями.

6. Создана экспериментальная установка для исследования процессов низкотемпературной дистилляции и ректификации в насадочных колоннах ВРУ.

7. Расчётным путём для метода мембранного разделения определены режимы получения неона чистотой 99,9997 об. %. Создан экспериментальный стенд для исследования одностадийного и многостадийного процессов мембранного разделения неоно-гелиевой смеси на температурном уровне 292 — 350 К и давлении исходной смеси до 0,8 МПа, с возможностью вакуумирования полости пермеата до 1 Па. Обоснована возможность использования аппаратов с твердой мембраной (кварцевое стекло), как альтернативных традиционным, при обогащении неоно-гелиевой смеси в области малых расходов.

8. Разработан, теоретически обоснован и экспериментально апробирован новый оригинальный метод осуществления процесса десублимации неона, основанный на порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размеров зерен твердого неона, с целью повышения его чистоты. Создана полупромышленная. установка разделения неоногелиевой смеси методом десублимации с производительностью 1 нмЗ/час по неону. На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований процессов теплоотдачи при кипении и конденсации в конденсаторах-испарителях пленочного типа нового поколения при малых температурных напорах.

2. Решение задачи по определению профиля пленки конденсата в различных элементах (частях) поверхности конденсации и результаты анализа влияния геометрии оребрения на скорость, толщину и распределение пленки жидкости и на процесс теплообмена в целом. Результаты исследований распределения пленки жидкости на поверхностях кипения и конденсации, полученные с использованием разработанных СВЧ датчиков и видеозонда.

3. Способы реализации интенсификации теплообмена со стороны конденсации с использованием отвода конденсата с поверхности трубы конденсатора-испарителя.

4. Решения нестационарной гидродинамической задачи течения фаз и массооб-мена для полостей треугольного и круглого профилей структурированных насадок.

5. Методология и новый подход к систематизации насадок. Новые типы структурированных насадок для ректификации воздуха и основные положения разработанной безмасляной технологии формирования их поверхности.

6. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик разработанных типов насадок и кинетики массообмена на них бинарной системы O2-N2 при низкотемпературной ректификации.

7. Результаты экспериментальных исследований диффузии неона и гелия через кварцевое стекло.

8. Обоснование нового метода осуществления процесса десублимации, основанного на периодическом порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размеров зерен твердого неона. Результаты тестирования и работы полупромышленной установки разделения неоногелиевой смеси. Результаты экспериментальных и аналитических исследований десублимации неона на охлажденной до 5. .12 К поверхности.

9. Результаты технико-экономического анализа эффективности мембранного и десублимационного разделения неоногелиевой смеси в сравнении с традиционными способами.

Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях «Cryogenics», (Прага, Чехия, 1998, 2000, 2002, 2004 гг.) — 17-й международной конференции по криогенной технике (ICEC17), (Бёрмаф, Великобритания, 1998 г.) — XIX конгрессе Международного Института Холода IIR (Гаага, Нидерланды, 1995 г.) — XX конгрессе Международного Института Холода IIR (Сидней, Австралия, 1999 г.) — XXI конгрессе Международного Института Холода IIR (Вашингтон, США, 2003 г.) — 12-ом симпозиуме по криогенной технике Американского института химического машиностроения (AIChE), (Атланта, США, 2000 г.) — международном симпозиуме «Образование через науку» (Москва, Россия, 2005 г.), научных семинарах компании PRAXAIR, ШС.(США, 1993, 1996), научных семинарах в Московском Государственном Техническом Университете им. Н. Э. Баумана на кафедре «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» в течение 1990;2005 гг,.

Личный вклад автора. Постановка научных задач экспериментальных и теоретических исследований. Решение основных теоретических, методических и практических вопросов, в том числе построение математических моделей и расчетных алгоритмов, расчет и проектирование установок и экспериментальных стендов, выбор режимов, способов измерений и проведение экспериментов, сбор, анализ и обработка информации. Автор разработал методологию и новый подход к систематизации насадок, рекомендации по интенсификации процессов тепло и массообмена в элементах аппаратов нового поколения. Автору также принадлежат: экспериментальные данные по низкотемпературной конденсации азота и кислорода на оребренных поверхностях типа Григоригаконструкции интенсификаторов поверхности конденсации и способ их размещения на элементах конденсаторов-испарителейконфигурация и структура 19-ти новых видов структурированных насадокэкспериментальные данные по их гидравлическим и массообменным характеристикамновая безмасляная технология формирования поверхности структурных насадок методом холодной штамповки. Предложенные пакетные насадки изготовлены в МГТУ им. Н. Э. Баумана при непосредственном участии автора. Кроме этого, автор лично участвовал в экспериментальных и аналитических исследованиях десублимации неона на переохлажденной поверхности, разработал концепцию и конструкцию полупромышленной установки разделения неоногелиевой смеси. Созванные автором в ходе работы над диссертацией СВЧ датчики контроля толщины жидкой пленки защищены патентами России. Работы, по материалам которых написаны перечисленные ниже разделы, выполнены в соавторстве: раздел 1.3 и параграф 2.3.2.2 с к.т.н. Е. С. Навасардян, раздел 1.4 с д.т.н. Гречко А. Г. и н.с. Емельяновым М. Г., раздел 3.2 с к.т.н. Михайловым А. В., раздел 3.3 с д.т.н. Бондаренко В. Л., параграф 2.6.1 с к.т.н. Козловым А. В. Внедрение. Результаты работы внедрены при создании установок разделения, обогащения и очистки неоногелиевой смеси российско-украинской компанией «Iceblick», а также в учебном процессе кафедры «Холодильной и криогенной. техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Обоснована и доказана целесообразность использования процесса де: сублимации для повышения чистоты неона. Предложена физическая модель процесса десублимации неона при фазовом переходе газ-твердое тело на переохлажденной поверхности.

2. Получена новая экспериментальная информация по десублимации неона на переохлажденной поверхности. Разработан, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден новый оригинальный метод осуществления процесса десублимации, основанный на порционном вводе смеси в камеру вымораживателя и контроле размера зерен твердого неона. Создана полупромышленная установка разделения неоно-гелиевой смеси разработанным методом с производительностью 1 нм /час по неону.

3. Обоснована возможность использования аппаратов с твердой мембраной (кварцевое стекло) как альтернативных традиционным, при обогащении неоно-гелиевой смеси в области малых расходов.

4. Получены новые данные о диффузии неона и гелия через кварцевое стекло в широком диапазоне параметров процесса. Создан экспериментальный стенд для. исследования одностадийного и многостадийного процессов разделения на температурном уровне 292 — 350 К и давлении исходной смеси до 0,8 МПа, с возможностью вакуумирования полости пермеата до 1 Па.

5. Расчётным путём определены режимы получения неона высокой чистоты (99,9997 об. %). Построены диаграммы С — lnWKNe.

OU VNe.

1−0) — 1пГсрРдКые без учёта диффузионного перемешивания и потерь.

OUvNe давления по которым, в первом приближении, можно определить размеры мембранной поверхности для заданной чистоты и расхода продукционного неонового потока.

Выполнен термодинамический и экономический сравнительный анализ эффективности мембранного и десублимационного разделения с традиционными способами.

Сделаны новые обобщения (существовавших и полученных в работе) данных, которые позволяют определить области практического применения разработанных методов.