ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 106
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ВведениеИстория открытия:18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур впервые исследовал хромосферу Солнца. Спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода - синей, зелено-голубой и красной - выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Независимо от него английский астроном Норман Локьер обнаружил в спектре неизвестную жёлтую линию с длиной волны 587,56 нм, и обозначил её как D3. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, пришел к мнению, что эта ярко-жёлтая линия не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов и предложил дать новому элементу название "гелий" (от греч. hlioz - "солнце").Нахождение в природе, получение:Гелий занимает второе место по распространённости во Вселенной после водорода - около 23% по массе. Однако на Земле гелий редок, образуясь в результате альфа-распада тяжёлых элементов. Запасы гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере оцениваются в 5·1014 м3. Гелионосные природные газы содержат как правило до 2% гелия по объёму (редко 8-16%). Наибольшая концентрация гелия наблюдается в минералах, содержащих уран, торий и самарий: клевеите, фергюсоните, самарските, гадолините, монаците (монацитовые пески в Индии и Бразилии), торианите. Основной способ сжижения — перекачка тепла до температурного уровня, с которого оно может быть сброшено в следующих друг за другом ступенях (каскадный). На практике это воплощается в ряде холодильных циклов и в разумном выборе хладагента для каждого температурного уровня. Другой способ — расширение потока газа, в результате которого он сжижается, и использование теплообменника и компрессора для перекачки газа на более высокий температурный уровень. Охлаждение газа за счет расширения применяется для выделения из него гелия, водорода и неона, так как эти компоненты имеют очень низкие
критические температуры. Для получения этих газов необходимо конечное расширение (дросселирование на заключительной стадии процесса разделения), позволяющее получить более низкий температурный уровень по сравнению с тем, который достигается при обычном дросселировании или компрессионном охлаждении. Сжиженный природный газ (СПГ) может содержать в своем составе компоненты от метана до бутана включительно, а иногда даже некоторое количество пентанов, но присутствие более тяжелых компонентов, а также сероводорода может вызывать серьезные проблемы в процессе сжижения, так как углеводороды способны затвердевать при температуре минус 160 °С. Поэтому обычно перед сжижением газ очищают от кислых компонентов и отбензинивают. Еще одной причиной увеличения производства сжиженных газов явилось развитие процесса извлечения гелия из природного газа, основанного на переводе всех компонентов природного газа, за исключением гелия, в жидкость. Циклы сжижения водорода и гелия. Специфика сжижения водорода и гелия заключается в том, что эти газы имеют очень низкие температуры конденсации (20,4 и 4,2 К) при атмосферном давлении и очень малую теплоту испарения. В связи с тем что у этих газов температура инверсии ниже температуры окружающей среды, применение предварительного охлаждения в таких установках является необходимым. ЦИКЛЫ СЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ Каскадный цикл сжижения. На рис. 120 показана схема стандартного каскадного цикла сжижения, который широко применяется для разделения газов. В этом цикле для получения необходимой температуры в первой ступени охлаждения и конденсации хладагента второй ступени (обычно этилена) применяется пропан или фреон. В свою очередь, с помощью этилена достигается температура второй ступени охлаждения и конденсируется хладагент третьей ступени
(обычно метан). Метан применяется в качестве хладагента на третьей ступени охлаждения, а также для дополнительного охлаждения продукции перед поступлением ее в хранилища. По существу, каскадный цикл состоит из трех отдельных, но сблокированных последовательно холодильных систем. Они различаются между собой только применяемым хладагентом. Для сжижения гелия данная схема дополняется последующими ступенями с применением в качестве хладагентов азота, водорода и гелия. Разработаны циклы с пятью ступенями предварительного охлаждения, что позволяет приблизиться к идеальному циклу сжижения. Увеличение числа детандеров улучшает характеристику цикла, но усложняет эксплуатацию. Каскадный метод сжижения газов позволяет достичь температуры 63 К (температура кипения жидкого азота в вакууме), в сочетании же с циклом дросселирования можно достичь температуры, близкой к температуре кипения гелия. Каскадный цикл является наиболее экономичным способом сжижения газов, однако отличается сложностью аппаратурного оформления.
В первом цикле обычно рабочим телом служит аммиак или фреон. Во втором цикле сжижается этилен, конденсирующейся под давлением в аммиачном или фреоновом испарителе. Этилен испаряется при 173 К и сжижает сжатый метан, служащий криоагентом третьего цикла. Метан, испаряясь при 112 К, сжижает сжатый азот в четвертом цикле. Испарением азота под вакуумом удается понизить температуру до 63 К. Так как эта температура выше критической
для водорода (33 К), то сжижение водорода простым продолжением каскадного цикла невозможно. Сжатый до давления 15 МПа водород охлаждается до 63 К испаряющимся азотом и обратным потоком водорода, после чего дросселируется с образованием парожидкостной смеси (пятый цикл). Температура 14 К (испарение водорода под вакуумом) выше критической температуры гелия (5 К), поэтому в шестом цикле сжатый до 4 МПа гелий первоначально охлаждается кипящим водородом, обратным потоком гелия, а затем дросселируется, в результате чего частично сжижается. Испаряя гелий под вакуумом, можно получить температуру до 0,5 К Разработан также цикл с последовательным расширением воздуха в двухступенчатом детандере. Такие циклы со ступенчатым расширением воздуха и использованием одного или нескольких детандеров иногда применяются в крупных установках для получения жидкого кислорода, а также в установках для сжижения гелия. [c.76]Метод дросселирования Схема трехступенчатого каскадного цикла сжижения гелия с двумя ваннами предварительного охлаждения и дросселированием сжатого газа приведена на рис. 29, а процессы цикла — на рис. 30. Пройдя последовательное охлаждение в теплообменнике АТ1, ванне жидкого азота АТ2 (температура кипения азота около 80 К), теплообменнике АТЗ, ванне жидкого водорода, кипящего при температуре 14. .. 20 К (в зависимости от давления), теплообменнике АТ5, гелий дросселируется в сборник АК, где частично сжижается. Сжиженный гелий в количестве X кг отводится, а оставшийся пар движется обратно через теплообменники, подогревается и возвра- [c.35]
Процесс сжижения гелия. Процесс в аппарате происходит следующим образом (рис. 3-13). Сначала при помощи электромагнита 19 открывается водяной клапан 18 и тем снижается давление над поршнем, затем откидывается защелка 20, которая освобождает рычаг 21, который под действием пружины 22 приводит в действие шток 23, открывающий впускной клапан. Одновременно при помощи рычага 24 закрывается вьшускпон клапан. Сжатый гелий входит в цилиндр детандера и приводит в движение поршень. Впуск гелия прекращается на расстоянии 7 мм от мертвой точки, при этом кулачок 25 нажимает на ролик рычага 21, поднимает его и тем самым закрывает впускной клапан. Далее происходит адиабатическое расширение газа с отдачей работы водяной струе, протекающей через отверстие 9. Вода используется для охлаждения компрессора. В конце хода происходит включение тока, идущего в электромагнит, при помощи пружины 27 открывается выпускной клапан, защелка 20 откидывается назад и, наконец, закрывается водярой клапан 18. Тогда вода входигг по трубе 17, постепенно заполняет водяной цилиндр, заставляет его опускаться, и охлажденный гелий через трубку 11 уходит в теплообменник аппарата. Круговой цикл закончен. [c.195] Если газ уже находится под достаточно большим давлением, то после охлаждения аммиаком в теплообменниках он подвергается дросселированию. Если же давление газа невелико, то его сжимают с помощью компрессоров, а затем уже после прохождения аммиачного теплообменника производят дросселирование. Холодный метановый газ, подвергшийся дросселированию, охлаждается еще больше, затем он подвергается дальнейшему охлаждению в этиленовом цикле и новому дросселированию. В результате всего процесса получается
критические температуры. Для получения этих газов необходимо конечное расширение (дросселирование на заключительной стадии процесса разделения), позволяющее получить более низкий температурный уровень по сравнению с тем, который достигается при обычном дросселировании или компрессионном охлаждении. Сжиженный природный газ (СПГ) может содержать в своем составе компоненты от метана до бутана включительно, а иногда даже некоторое количество пентанов, но присутствие более тяжелых компонентов, а также сероводорода может вызывать серьезные проблемы в процессе сжижения, так как углеводороды способны затвердевать при температуре минус 160 °С. Поэтому обычно перед сжижением газ очищают от кислых компонентов и отбензинивают. Еще одной причиной увеличения производства сжиженных газов явилось развитие процесса извлечения гелия из природного газа, основанного на переводе всех компонентов природного газа, за исключением гелия, в жидкость. Циклы сжижения водорода и гелия. Специфика сжижения водорода и гелия заключается в том, что эти газы имеют очень низкие температуры конденсации (20,4 и 4,2 К) при атмосферном давлении и очень малую теплоту испарения. В связи с тем что у этих газов температура инверсии ниже температуры окружающей среды, применение предварительного охлаждения в таких установках является необходимым. ЦИКЛЫ СЖИЖЕНИЯ ГЕЛИЯ Каскадный цикл сжижения. На рис. 120 показана схема стандартного каскадного цикла сжижения, который широко применяется для разделения газов. В этом цикле для получения необходимой температуры в первой ступени охлаждения и конденсации хладагента второй ступени (обычно этилена) применяется пропан или фреон. В свою очередь, с помощью этилена достигается температура второй ступени охлаждения и конденсируется хладагент третьей ступени
(обычно метан). Метан применяется в качестве хладагента на третьей ступени охлаждения, а также для дополнительного охлаждения продукции перед поступлением ее в хранилища. По существу, каскадный цикл состоит из трех отдельных, но сблокированных последовательно холодильных систем. Они различаются между собой только применяемым хладагентом. Для сжижения гелия данная схема дополняется последующими ступенями с применением в качестве хладагентов азота, водорода и гелия. Разработаны циклы с пятью ступенями предварительного охлаждения, что позволяет приблизиться к идеальному циклу сжижения. Увеличение числа детандеров улучшает характеристику цикла, но усложняет эксплуатацию. Каскадный метод сжижения газов позволяет достичь температуры 63 К (температура кипения жидкого азота в вакууме), в сочетании же с циклом дросселирования можно достичь температуры, близкой к температуре кипения гелия. Каскадный цикл является наиболее экономичным способом сжижения газов, однако отличается сложностью аппаратурного оформления.
| Рис. 219, Схема сжижения гелия последовательными каскадными циклами. |
 |
для водорода (33 К), то сжижение водорода простым продолжением каскадного цикла невозможно. Сжатый до давления 15 МПа водород охлаждается до 63 К испаряющимся азотом и обратным потоком водорода, после чего дросселируется с образованием парожидкостной смеси (пятый цикл). Температура 14 К (испарение водорода под вакуумом) выше критической температуры гелия (5 К), поэтому в шестом цикле сжатый до 4 МПа гелий первоначально охлаждается кипящим водородом, обратным потоком гелия, а затем дросселируется, в результате чего частично сжижается. Испаряя гелий под вакуумом, можно получить температуру до 0,5 К Разработан также цикл с последовательным расширением воздуха в двухступенчатом детандере. Такие циклы со ступенчатым расширением воздуха и использованием одного или нескольких детандеров иногда применяются в крупных установках для получения жидкого кислорода, а также в установках для сжижения гелия. [c.76]Метод дросселирования Схема трехступенчатого каскадного цикла сжижения гелия с двумя ваннами предварительного охлаждения и дросселированием сжатого газа приведена на рис. 29, а процессы цикла — на рис. 30. Пройдя последовательное охлаждение в теплообменнике АТ1, ванне жидкого азота АТ2 (температура кипения азота около 80 К), теплообменнике АТЗ, ванне жидкого водорода, кипящего при температуре 14. .. 20 К (в зависимости от давления), теплообменнике АТ5, гелий дросселируется в сборник АК, где частично сжижается. Сжиженный гелий в количестве X кг отводится, а оставшийся пар движется обратно через теплообменники, подогревается и возвра- [c.35]
Процесс сжижения гелия. Процесс в аппарате происходит следующим образом (рис. 3-13). Сначала при помощи электромагнита 19 открывается водяной клапан 18 и тем снижается давление над поршнем, затем откидывается защелка 20, которая освобождает рычаг 21, который под действием пружины 22 приводит в действие шток 23, открывающий впускной клапан. Одновременно при помощи рычага 24 закрывается вьшускпон клапан. Сжатый гелий входит в цилиндр детандера и приводит в движение поршень. Впуск гелия прекращается на расстоянии 7 мм от мертвой точки, при этом кулачок 25 нажимает на ролик рычага 21, поднимает его и тем самым закрывает впускной клапан. Далее происходит адиабатическое расширение газа с отдачей работы водяной струе, протекающей через отверстие 9. Вода используется для охлаждения компрессора. В конце хода происходит включение тока, идущего в электромагнит, при помощи пружины 27 открывается выпускной клапан, защелка 20 откидывается назад и, наконец, закрывается водярой клапан 18. Тогда вода входигг по трубе 17, постепенно заполняет водяной цилиндр, заставляет его опускаться, и охлажденный гелий через трубку 11 уходит в теплообменник аппарата. Круговой цикл закончен. [c.195] Если газ уже находится под достаточно большим давлением, то после охлаждения аммиаком в теплообменниках он подвергается дросселированию. Если же давление газа невелико, то его сжимают с помощью компрессоров, а затем уже после прохождения аммиачного теплообменника производят дросселирование. Холодный метановый газ, подвергшийся дросселированию, охлаждается еще больше, затем он подвергается дальнейшему охлаждению в этиленовом цикле и новому дросселированию. В результате всего процесса получается