Казанин Иван Викторович. Экспериментальное исследование избирательной проницаемости полых микросферических частиц и сорбента на их основе по отношению к гелию

brief description

1ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ
ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ
ИМ. С.А. ХРИСТИАНОВИЧА
СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
На правах рукописи
Казанин Иван Викторович
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛЫХ МИКРОСФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И
СОРБЕНТА НА ИХ ОСНОВЕ ПО ОТНОШЕНИЮ К ГЕЛИЮ
01.02.5 - механика жидкости, газа и плазмы
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: к.ф.-м.н., доцент В.Н. Зиновьев
Новосибирск - 2019 год

2
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава I. Литературный обзор способов добычи и выделения гелия из
природного газа 21
1.1 Криогенный способ выделения гелия из природного газа 22
1.2 Обзор некриогенных методов выделения гелия из
природного газа 27
1.3 Мембранные методы разделения газовых смесей 28
1.4 Мембранная технология для получения гелия 34
1.5 Адсорбционные технологии выделения гелия 39
1.6 Получение гелия гидратообразованием 41
1.7 Выводы 41
Глава II. Экспериментальное оборудование и методика проведения
экспериментов 43
2.1 Экспериментальное оборудование 43
2.1.1 Экспериментальный стенд № 1 43
2.1.2 Экспериментальный стенд № 2 44
2.1.3 Экспериментальный стенд № 2б с системой
подготовки рабочего газа 46
2.1.4 Экспериментальный стенд № 2в с системой нагрева
адсорбера 47
2.1.5 Экспериментальный стенд № 3 48
2.2 Дополнительное оборудование
51

3
2.3 Методика проведения эксперимента 51
2.4 Представление экспериментальных результатов 53
2.5 Определение гелиевой проницаемости и коэффициента
гелиевой проницаемости полых микросферических частиц 55
2.6 Определение энергии активации 57
2.7 Выводы к главе 58
Глава III. Экспериментальное исследование проницаемости исходных полых микросферических частиц по отношению к гелию 60
3.1 Полые стеклянные микросферы 60
3.1.1 Микросферы МС-В-1Л 61
3.1.2 Микросферы МС-В-2Л 63
3.1.3 Микросферы МС-ВП и МС-ВП-А9 64
3.1.4 Микросферы кремнеземные 67
3.2 Ценосферы 67
3.2.1 Ценосферы химически модифицированные
(широкая фракция) 68
3.2.2 Ценосферы термически модифицированные (узкая
фракция) 69
3.3 Проверка микросферических частиц на непроницаемость по
отношению к воздуху и метану 70
3.4 Исследование сорбции и десорбции гелия полыми
микросферическими частицами 72
3.4.1 Микросферы МС-В-1Л 72

4
3.4.2 Микросферы МС-В-2Л 74
3.4.3 Микросферы МС-ВП и МС-ВП-А9 74
3.4.4 Кремнеземные микросферы 78
3.4.5 Ценосферы HM-R-5A-0,16 HF 79
3.4.6 Термически обработанные ценосферы узкой
фракции HM-R-5A-0,063+0,05 81
3.5 Сравнение темпов процессов сорбции и десорбции для
различных типов микросферических частиц 83
3.6 Исследование влияния наличия гелия внутри частиц на
процесс сорбции 86
3.7 Моделирование процесса обогащения гелий содержащей
смеси газов 88
3.8 Подобие сорбционных и десорбционных процессов 90
3.9 Влияния температуры сорбента на процессы сорбции и
десорбции гелия 91
3.10 Определение энергии активации для процесса сорбции гелия
микросферами 97
3.11 Выводы к главе 98
Глава IV. Экспериментальное исследование гелиевой проницаемости
композитного сорбента 100
4.1 Композитный сорбент на основе микросфер МС-В-1Л 100
4.2 Композитный сорбент на основе ценосфер НМ^-5А-0,16
102

5
4.3 Непроницаемость композитного сорбента по отношению к
нецелевым компонентам на примере воздуха и метана 103
4.4 Сорбция и десорбция гелия композитным сорбентом
(МС-В-1Л) 104
4.5 Сорбция и десорбция гелия композитным сорбентом
(НМ-Я-5А-0,16 HF) 107
4.6 Гелиевая проницаемость композитного сорбента 109
4.7 Сорбционная емкость композитного сорбента 113
4.8 Влияние сопутствующих газов в гелийсодержащей смеси на
сорбцию и десорбцию гелия композитным сорбентом 115
4.9 Влияние температуры на процессы сорбции и десорбции
гелия композитным сорбентом 117
4.10 Выводы к главе 122
Выводы 124
Список литературы 126
Приложение
134

bibliography

Выводы
Разработан и изготовлен ряд экспериментальных стендов для проведения исследований сорбционных свойств полых микросферических частиц и гранулированных сорбентов на их основе по отношению к различным газам (гелию, воздуху, азоту, метану и т.д.). Характеристики установок позволяют проводить исследования в диапазоне давлений до
2,5 МПа. и температур до 400 °С.
Разработана методика проведения экспериментов по исследованию сорбционных свойств различных типов сорбентов. Предложен метод представления кинетических кривых сорбции/десорбции в нормированном виде, позволяющий проводить корректное сравнение данных по сорбции/десорбции из различных экспериментов. Предложена и апробирована методика определения коэффициента гелиевой проницаемости и энергии активации процесса сорбции для полых микросферических мембран.
В результате проведенных исследований сорбционных свойств различных типов полых микросферических частиц установлено, что: синтетические микросферы МС-В-1Л, МС-В-2Л, МС-ВП 5 гр., МС-ВП-А9 5 гр. и кремнеземные микросферы; ценосферы HM-R-5A-0,16 HF и термически модифицированные ценосферы HM-R-5A-0,63+0,5, - являются непроницаемыми для воздуха, метана и проницаемыми для гелия, обладают высокой селективностью по отношению к этим газам. Микросферы МС-В-1Л, МС-В-2Л, МС-ВП 5 гр., МС-ВП-А9 5 гр. показали самые низкие темпы исследуемых процессов сорбции/десорбции гелия. Более высокую гелиевую проницаемость продемонстрировали ценосферы, темпы процессов поглощения гелия для ценосфер HM-R-5A-0.16 HF выше аналогичных для натрийборсиликатных микросфер примерно в 40 раз, а для термически модифицированных ценосфер HM-R-5A-0.063+0.05 - почти в 70 раз.

125
Наибольший коэффициент гелиевой проницаемости продемонстрировали кремнеземные микросферы ~ в 2000 раз больший, чем для натрийборсиликатных микросфер.
Продемонстрировано подобие сорбционных и десорбционных процессов, темпы которых определяются главным образом перепадом парциального давления вне и внутри полых частиц, при постоянстве других параметров (температуры, материала и размера частиц и т. д.).
Для исследованных полых микрочастиц определены значения удельной гелиевой проницаемости. Для узкой фракции микросфер типа МС- В-1Л и МС-ВП-А9 5 гр., определены значения коэффициентов гелиевой проницаемости. Показано, что в интервале температур 20 - 110 °С, величина коэффициентов гелиевой проницаемости возрастает в 60 раз. На основании этих данных найдена величина энергии активации процесса сорбции этими микросферами.
Созданы и исследованы образцы гранулированного композитного сорбента на основе синтетических микросфер МС-В-1Л и ценосфер HM-R-5A-0,16 HF в качестве наполнителя для извлечения гелия из гелий содержащих смесей (природного газа). Обнаружено, что для композитного сорбента на базе ценосфер HM-R-5A-0,16 HF гелиевая проницаемость уменьшилась в 250 раз по сравнению с ценосферами HM-R-5A-0,16 HF. Для композитного сорбента на основе микросфер МС-В-1Л темпы поглощения гелия, наоборот, увеличились практически на два порядка по сравнению с исходными микросферами, входящими в состав сорбента в качестве наполнителя. Проведены эксперименты по исследованию влияния температуры на процессы сорбции/десорбции гелия композитным сорбентом. Показано, что повышение температуры в интервале 20 - 170 °С приводит к росту гелиевой проницаемости в 20 раз.