Получение неона из неоно-гелиевой смеси на мембране из кварцевого стекла

Мембранный способ разделения газовых смесей известен уже более 150 лет. Начало промышленного использования связано с его применением в газодиффузионных установках по разделению изотопов урана. В настоящее время мембранный метод применяют во многих технологических процессах: при обогащении воздуха кислородом, переработке природного газа, выделении водорода из продувочного газа, создании регулируемой газовой среды при хранении сельскохозяйственной продукции.

Перспективы использования мембранного метода связаны с простотой аппаратурного оформления процесса, возможностью разделения при температуре окружающей среды и полной автоматизации установок. Однако, несмотря на свои преимущества, мембранный метод даже в тех областях, в которых в настоящее время находит применение, конкурирует с альтернативными методами лишь в ограниченном диапазоне производительности установок и чистоты продукционной смеси. Это объясняется высокой стоимостью мембраны в установках большой производительности или при получении высокообогащённого продукционного потока, что связано с недостаточно высокой проницаемостью или селективностью материалов мембраны.

При получении неона из неоно-геяиевой смеси, цена, определяемая затратами при использовании распространённых, наиболее производительных способов разделения (дефлегмация, ожижение, вымораживание), является достаточно высокой, что обусловлено в первую очередь низкими температурами тройной и критической точек неона. Модернизация криогенных способов вряд ли сможет существенно снизить затраты на производство. Поэтому, изучение возможности применения мембранного способа вполне оправдано.

В качестве материала мембраны было выбрано кварцевое стекло, обладающее высокой селективностью по пропусканию гелия по отношению к неону. Промышленное применение технологии разделения газовой смеси на стеклянных мембранах связано с очисткой Не-содержащих смесей и выделением Не из природного и нефтяного газов. В середине 70-х годов были предпринята попытай использовать для разделения кварцевые трубки. Эксплуатация таких установок привела к упрощению технологического процесса выделения гелия.

Исходя из вышеизложенного, были определены основные направления исследования, результаты которого представлены в данной работе: экспериментальное изучение процесса мембранного разделения смеси, аналитическое исследование на основе экспериментальных данных влияния основных параметров процесса на результаты разделения, проведение анализа эффективности применения мембранного способа.

Диссертация состоит из трёх глав.

В первой главе приведено краткое описание физических принципов процесса мембранного разделения газовой смеси. Проведён анализ существующей информации о влиянии химического состава стекла, температуры и давления на процесс проникновения гелия и неона. Рассмотрены варианты конструкций мембранного модуля, а также варианты соединений модулей в мембранной установке, обеспечивающие получение высо-кообогащшных неоном и гелием продукционных потоков. Изложены принципы термодинамической оценки мембранного процесса разделения. На основании проведённого анализа определены цель и задачи представленной работы (см. К 5).

Во второй главе приводится описание экспериментального стенда, конструкция которого позволяет проводить ¦изучение процесса мембранного разделения на различных режимах. Описана конструкция экспериментального мембранного модуля. Предложен алгоритм численного моделирования процесса течения и массообмена в каналах мембранного модуля. Приведён анализ экспериментальных и расчётных результатов.

В третьей главе сопоставлены термодинамические показатели эффективности мембранного и других известных способов разделения. Проанализированы экономические показатели эффективности применения мембранного способа и определена область его применения.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Результаты экспериментального исследования процесса разделения неоно-гелиевой смеси на мембране из кварцевого стекла.

2. Методика численного моделирования работы мембранного модуля.

3. Результаты анализа эффективности применения метода разделения неоно-гелиевой смеси на мембране из кварцевого стекла.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана конструкция экспериментального стенда, позволяющая проводить исследования мембранного процесса разделения на различных режимах.

2. Разработана методика численного моделирования работы мембранного модуля.

3. Получена новая научная информация о характере течения процесса разделения неоно-гелиевой смеси на мембране из кварцевого стекла.

4. Проведён анализ эффективности применения мембранного способа.

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях [55,70]. По материалам работы опубликована статья [16].