Сепарация многокомпонентных газовых смесей

Газовые смеси, компоненты которых различаются по молекулярной или атомной массе, например смесь изо­топов, можно разделить на составляющие, компоненты в соответствии с молекулярной или атомной массой, ес­ли на смесь воздействует центробежная сила, прило­женная к конусообразному вихрк^ с наибольшим диа-

6* 163

Сепарация многокомпонентных газовых смесей

Метром в месте ввода смеси 0,005 м. Этот метод сепара­ции и конструкции для его реализации запатентованы [Пат. 4070171 (США), пат. 1506877 (Англия)]. При рас­смотрении разделения многокомпонентных газовых сме­сей использованы материалы, содержащиеся в этих па­тентах.

При истечении газовой смеси из тангенциальных со­пловых вводов в (рис. 63) в камере 1 создается интен­сивное вихревое движение. Под действием центробеж­ных сил! компоненты смеси с большими молекулярны­ми массами перемещаются к стенке камеры, обогащая периферийный поток, который движется в осевом нап­равлении в сторону меньшего диаметра камеры. При — осевой NOTOKj обогащаясь компонентами с меньшими молекулярными или атомными массами, движется в про­тивоположном направлении. Таким образом, поток, вво­димый в сепаратор газовой смеси, разделяется на два потока, обогащенных тяжелыми и легкими компонента­ми, первый из которых выводится из сепаратора через отверстие а камеры, а второй — через отверстие б.

Камера может быть различной формы: конической, цилиндрической,J конической с начальным цилиндриче­ским участком и др. Важно, чтобы диаметр D отверстия для выхода тяжелых компонентов был меньше диамет­ра Do камеры в сечении ввода смеси. Высокая эффек­тивность сепарации может быть достигнута в кониче­ских камерах, которые могут иметь прямолинейные или криволинейные боковые стороны, а их диаметр может уменьшаться непрерывно или ступенчато. Вообще воз­можно большое разнообразие форм, которое определя­ется конкретными условиями сепарации. Рациональ­ность той или иной формы камеры разделения устанав­ливают экспериментально применительно к заданным условиям работы. ‘

Наибольший диаметр камеры не должен превышать 0,005 м; предпочтительнее Doc0,001 м. Нижнее пре­дельное значение диаметра определяется только техно­логическими возможностями изготовления сепаратора, практически нижнее предельное значение D0=0,0001 м. Длина камеры определяет ее объем и, следовательно, время пребывания в ней газа, которое должно быть до­статочно для достижения заданной эффективности се­парации. Предпочтительное отношение длины к диамет­Ру L=10. Угол раскрытия конуса может изменяться в пределах от 0 до 90°, лучше — от 3 до 30°. Оптимальное отношение! диаметров отверстий для вывода разделен­ных фракций D0 и D к диаметру камеры D0 составляет 0,28—0,77. Разделяемая смесь подается в камеру через сопла, число которых может колебаться от 2 до 6. Ско­рость газа на выходе из сопловых вводов может быть равна или меньше скорости звука, что зависит от рода смеси, формы, числа и расположения сопловых вводов. Значение выходной скорости определяют эксперимен­тально.

Наибольший эффект сепарации достигается при дав­лении исходного газа 666 Па—0,133 МПа и степени рас­ширения е= 1,5…10,0 (предпочтительнее е = 2…6). Про­цесс можно вести при любой температуре. Важно, что­бы1 все разделяемые компоненты находились в сепара­торной камере в газовой фазе. В некоторых случаях це­лесообразно вести процесс при относительно высоких или относительно низких температурах, поэтому диапа­зон рабочих температур, может составлять 223—773 К (лучше 253—573 К).

Эффект сепарации можно повысить, если в разде­ляемую смесь добавить инертный по отношению к сме­си газ с более низкой молекулярной массой. Содержа­ние инертного газа должно превышать 60% общего объема смеси. В качестве инертного выбирают газ с как можно меньшей молекулярной массой (например, водо­род или гелий). Можно использовать также азот, ме­тан, этан, окись углерода, двуокись углерода и воду. При использовании инертного газа процесс может про­исходить при давлении исходной смеси выше 0,133 МПа (практически до 50 МПа). В этом случае верхним пре­делом является давление сжижения1 при рабочей тем-

Таблица З

Параметры выделения двуокиси углерода из воздуха

Е

В

В

Е

Е

В

6

0,663 0,647 0,653 0,653 0,644

0,0542 0,0539 0,0532 0,0524 0,0516

4,1

0,67 0,666 0,669 0,65 0,645

0,0523 0,0514 0,0515 0,0514 0,0487

Пературе. Диапазон изменения степени расширения также может быть расширен до 1,5.

В табл. 3 приведены некоторые данные по эффекту сепарации двуокиси углерода из ее смеси с воздухом при объемном содержании СОг 8,5%. Размеры сепаратора: £>о=0,002 м, Do = 0,00075 м, D=0,001 м. Сепаратор имел три равномерно расположенных сопловых ввода пря­моугольного сечения (0,0006X0,0003 М). Расход смеси 0,5 л/мин, давление 12 кПа. В табл. 4 приведены дан-

Таблица 4 Параметры разделения СО и С02 в среде гелия

‘Не’ %

Е

В

СНе — %

Е

В

(по объему)

(по объему)

0

0,63

0,044

77,3

0,42

0,112

62,8

0,38

0,067

78,9

0,43

0,114

62,5

0,38

0,082

88,3

0,45

0,146

76,1

0,41

0,106

92,9

0,46

0,147

Ные по сепарации смеси; окиси и двуокиси углерода (25% СО и 75% СОг) при Є=5 в присутствии инертно­го газа — гелия. Давление разделяемой смеси рс = = 24 кПа. Размеры сепаратора: £>0 = 0,002 м, Do = 0,001 м, = 0,001 м, а = 5,7°. В табл. 3 и 4: в= (Хг—Хл)/[хлХ Х(1— *т)]—эффект сепарации (Хл, хт — молярная доля выделяемого компонента в легкой и тяжелой фракциях разделяемой/ смеси); £ = МТ/МС— коэффициент распре­деления потока (Мс, Мт — количество разделяемой сме­си и выводимой тяжелой фракции).

64. Схема многоступенчатой сепарации газовой смеси

При разделении смесей, компонен­ты которых близки по молекулярной массе, процесс сепарации проводят в несколько ступеней, выделяя каждый раз тяжелую или легкую фракцию и затем повторяя процесс в следующей ступени сепарации. На рис. 64 приве­дена схема многоступенчатой сепара­ции с выделением тяжелых и легких компонентов, Газовая смесь компрес­сором І подается в базовый сепара­тор 2, где разделяется на тяжелую и легкую фракции. Легкая фракция по­ступает в секцию обогащения легким компонентом, состоящую из компрес­соров 1 и сепараторов За…7а. В каж­дый из сепараторов 4а…6а подается смесь, состоящая из тяжелой фрак­ции, выделяемой в последующем се­параторе, и легкой фракции, получен­ной в предыдущем сепараторе. Легкий компонент выводится из сепаратора 7а, А обогащенная тяжелым компонентом фракция из сепа­ратора За поступает на смешение с исходным газом. Тяжелая фракция из базового сепаратора 2 подается в секцию обогащения тяжелым компонентом, состоящую из компрессоров 1 и сепараторов 36…76. В каждый из сепараторов 46…66 подается смесь тяжелой фракции, выделенной в предыдущем сепараторе, и легкой фрак­ции, полученной в последующем. Тяжелый компонент выводится из сепаратора 76, а обогащенная легким ком­понентом фракция из сепаратора 36 поступает на сме­шение с исходным газом.

Зависимость, показанная на рис. 65, отражает эффект сепарации урана-235 от урана-238 в газообразном гек- сахлориде урана, смешанном с гелием в качестве инерт­ного газа (92% Не и 8%UF6). Сепарация проведена по многоступенчатой схеме (см. рис 64), включающей 200 последовательных ступеней.

Рис.

Сепарация многокомпонентных газовых смесей

При проектировании необходимо учитывать основное отличие рабочего процесса сепаратора от рассмотренно­
го в гл. 1 процесса энергетического разделения. В по­следнем турбулентные пульсации газа — один из основ­ных механизмов процесса разделения. При сепарации турбулентные пульсации являются главной помехой для эффективного протекания процесса. Именно для умень­шения их влияния разделяемые компоненты разбавля­ют газом с малой молекулярной массой. В камере энер­гетического разделения, приосевой поток формируется на нагретом конце камеры из заторможенного перифе­рийного потока. В сепараторе приосевой поток, насы­щенный легким компонентом, формируется на участке камеры, на котором сохраняются высокие значения тан­генциальной составляющей скорости. Длина этого участ­ка зависит от соотношения геометрических размеров и свойств смеси.

Отсутствие данных по выбору оптимальных режим­ных и конструктивных параметров вихревого сепарато­ра в зависимости от свойств разделяемой смеси требу­ет в каждом конкретном случае экспериментальной от­работки конструкции аппарата. В первом приближении для расчета сепаратора можно использовать приведен­ные рекомендации.

Ваш отзыв

Рубрика: Вихревые аппараты

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *