Рефрижераторні цикли для забезпечення процесів сепарації газових сумішей

Abstract

Мета статті – аналіз та обґрунтування вибору ефективних охолоджуючих систем (в діапазоні температур 30...250 К) для забезпечення процесів сепарації технічних газів, таких як адсорбція, десублімація та низькотемпературна ректифікація. У роботі використано методи термодинамічного аналізу циклів та теоретичного моделювання процесів тепломасообміну. Досліджено схеми парокомпресійних циклів, газових кріогенних машин Стірлінга із зовнішнім циркуляційним контуром, а також дросельних циклів на неоно-гелієвих сумішах. Проведено порівняльний аналіз двох типів холодильних циклів для кріогенних ректифікаційних колон: з ізольованим контуром та поєднаних циклів, де робочим тілом є компонент суміші, що розділяється. Встановлено залежність холодопродуктивності від тиску та температури для неонових циклів. Запропоновано спосіб запобігання замерзанню ксенону в ректифікаційних колонах шляхом введення проміжного компонента-посередника (метану) і алгоритм автоматичного управління його концентрацією за допомогою ПІД-регулятора. Вперше запропоновано методику стабілізації процесу ректифікації бінарних сумішей з різко відмінними температурами кипіння компонентів (на прикладі системи Xe–N2) за рахунок створення контрольованого «шару-посередника», що виключає контакт холодної флегми з продуктом, що кристалізується. Виведено апроксимуючі рівняння для визначення температур фазової рівноваги в інтервалі тисків 10...20 бар. Запропоновані схемні рішення та алгоритми управління дозволяють підвищити енергетичну ефективність установок одержання чистих інертних газів (Ne, Kr, Xe), забезпечити безперервність процесу очищення в десубліматорах та запобігти аварійним ситуаціям, пов’язаним з утворенням крижаних пробок у кріогенному обладнанні.