Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Рис 3.23. Принципиальная схема установки для разделения неоно-гелиевой смеси с использованием эффект» дросселирования (К— компрессор;. В — вакуум-насос).
Разделение неоно-гелиевой смеси с использованием эффекта Джоуля — Томсон а. Представляется возможным произвести разделение неоно-гелиевой смеси, используя эффект Джоуля — Томсона для сжижения-неона. Принципиальная схема установки приведена на рис. 3.23.
Неоно-гелиевая смесь, очищенная от азота, сжимается до давления 50—60 ат и поступает в разделительный аппарат, где охлаждается обратными газовыми потоками в предварительном теплообменнике 1, затем азотом, кипящим под вакуумом, в ванне 2 и обратными потоками в основном теплообменнике 3, где
186
температура смеси снижается до 31—32° К; при этом конденсируется неон, в котором частично растворяется гелий. Конденсат отделяется в сборнике 4, пройдя через полностью открытый вентиль 5, не изменяющий давления сжатой смеси- Несконден-сировавшийся газ представляет собой фракцию, богатую гелием; она выводится через теплообменники 3 и / под высоким давлением, а затем через вентиль 6 удаляется из установки.
Конденсат из сборника 4 через дроссельный вентиль 7 переводится в сборник 8, где давление близко к атмосферному; при этом происходит выделение растворенного гелия и частичное испарение неона, связанное со снижением давления над жидкостью: образующаяся газообразная фракция богата неоном, и ее целесообразно присоединить к исходной смеси во избежание потерь неона. Жидкий неон из сборника 8 через вентиль 9 направляется в теплообменники 3 и /, где испаряется, нагревается до нормальной температуры и выводится в качестве продукта.
При пуске установки для предварительного ее охлаждения до рабочей температуры целесообразно сжимать исходную смесь до максимального давления (например, 200 ат); в это время дроссельный вентиль 7 закрыт, а дросселирование смеси производится через вентиль 5, поэтому сборник 4 может быть рассчитан на рабочее давление (50—60 ат), а не на максимальное (200 ат). После накопления жидкого неона сначала в сборнике 4, а затем и в сборнике 8 (с помощью вентиля 7) давление снижается до рабочего, полностью открывается вентиль 5, а уровень жидкого неона в сборнике 4 регулируется вентилем 7.
Нами выполнен расчет установки, функционирующей по описанной схеме, в предположении, что исходная смесь содержит 75% N6 и 25% Не; разность температур на теплом конце теплообменника 3 (см. рис. 3.23) принята равной 5° К, холо-допотери в окружающую среду для части установки, расположенной ниже ванны жидкого азота 2, — 1 ккал/м3 смеси (учитывая экранирование поверхностью с температурой жидкого азота); температура смеси после охлаждения жидким азотом принималась 70° К-
В расчете использованы опытные данные, характеризующие эффект Джоуля — Томсона для смеси 74,1% Ке и 25,9% Не [65], и данные о фазовом равновесии в системе Не—N6 [66]. Установлено, что для компенсации холодонотерь исходная неоно-гелиевая смесь должна сжиматься до давления 55 ат; температура сжатой смеси на выходе из основного теплообменника найдена равной 32° К; при этом конденсируй ется 0,806 моль на 1 моль исходной смеси и в конденсате (сборник 4) содержится около 8,5% растворенного гелия. Несконденсировавшийся газ состоит из 93,6% Не и 6,4% При дросселировании в сборник 8 конденсата из него выде-
187
ляется практически весь растворенный гелий и испаряется1 около 8% Ne; образующаяся газообразная фракция (количество ее оценивается в 0,128 моль на 1 моль исходной смеси) содержит около 50% Ne и может быть присоединена к исход-' ной смеси, засасываемой компрессором- Количество продукционного неона, который выводится из сборника 8 в жидком виде и направляется в теплообменники, составляет 0,678 моль на 1 моль исходной смеси. С учетом богатой неоном фракции,, которая возвращается в цикл, степень извлечения неона достигает 0,98, т. е. не отличается от степени извлечения, свойственной установке с водородным или неоновым холодильным циклом. В то же время исключение холодильного цикла существенно упрощает технологическую схему, состав оборудования и обслуживание установки.
В. Е. Кейлин и Г. А. Концевов [67] экспериментально подтвердили возможность разделения неоно-гелиевой смеси таким способом. Для разделения был использован ожижитель неона, в который под давлением 150 ат подавалась смесь 75%Ne к 25% Не; несконденсировавшийся газ, выходящий из ожижителя, возвращался в газгольдер н вновь засасывался компрессором, сжимался и направлялся в ожижитель. При такой системе содержание неона в поступающей на разделение смеси постепенно уменьшалось по мере сжижения и удаления продукционного неона; соответственно уменьшалась и скорость сжижения неона; практически остаточный газ закачивался в баллоны при содержании в нем 40—45% Ne; при этом степень извлечения неона достигала 0,75. Авторы работы [67] сообщают, что за 3 ч им удавалось подвергнуть разделению 18 м3 смеси без забивки теплообменников ожижителя азотом.
Технические условия на неон. По ТУ МХП 4195—54 неоно-гелиевая смесь, являющаяся промежуточным продуктом, подлежащим дальнейшей очистке, должна содержать неона и гелия в сумме не менее 20% по объему, кислорода не более 1%, остальное — азот. Не допускается присутствие капельной влаги. Поставляется в стальных баллонах гидравлической емкостью 40 л с мембранными вентилями под давлением 150 ат. Баллоны окрашиваются в светло-коричневый цвет с надписью белыми буквами «Неоно-гелиевая смесь».
