Воротынцев, Илья Владимирович. Физико-химические основы комплексных процессов разделения и глубокой очистки газов

brief description

Воротынцев, Илья Владимирович. Физико-химические основы комплексных процессов разделения и глубокой очистки газов : диссертация ... доктора технических наук : 02.00.04 / Воротынцев Илья Владимирович; [Место защиты: Нижегор. гос. техн. ун-т им Р.Е. Алексеева].- Нижний Новгород, 2011.- 378 с.: ил. РГБ ОД, 71 12-5/118

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
На правах рукописи
05201251223
ВОРОТЫНЦЕВ ИЛЬЯ ВЛАДИМИРОВИЧ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
КОМПЛЕКСНЫХ ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ
И ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
Специальность 02.00.04 - Физическая химия
(технические науки)
диссертация на соискание ученой степени
доктора технических наук
Нижний Новгород - 2011 
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1 Физико-химические основы разделения газов 11
1.1.1 Дистилляция 11
1.1.2 Кристаллизация 15
1.1.3 Фильтрация 18
1.1.4 Мембранное газоразделение 19
1.2 Мембранные методы разделения и очистки газов 29
1.2.1 Мембранные процессы разделения и глубокой очистки газов 29
1.2.2 Мембранные модули для разделения газов 61
1.2.3 Гибридные мембранные методы разделения 77
1.3 Дистилляционные методы глубокой очистки газов 78
1.4 Кристаллизационные методы разделения и глубокой очистки газов 91
1.5 Выбор и обоснование направления исследований 97
ГЛАВА 2. МЕМБРАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВ,
ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С МАТЕРИАЛОМ МЕМБРАНЫ 99
2.1 Проницаемость аммиака через полимерные газоразделительные
мембраны 99
2.2 Определение сорбционной составляющей в величине проницаемости
аммиака и воды через ацетатцеллюлозную мембрану 109
2.3 Расчет энтальпии сорбции из данных ОГХ и сравнение с
экспериментальными калориметрическими измерениями 141
2.4 ИК-спектрометрические исследования систем аммиак-ацетат целлюлозы
и вода-ацетат целлюлозы 168
ГЛАВА 3. МЕМБРАННЫЕ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЪНЫЕ МОДУЛИ 198
3.1 Мембранный модуль с питающим резервуаром 199
3.2 Однокомпрессорный многосекционный мембранный аппарат 227
ГЛАВА 4. ГИБРИДНЫЕ СХЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ И ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ 244
4.1 Ректификация при повышенном давлении 244
4.2 Абсорбционная первапорация 275
4.3 Низкотемпературная фильтрация 297
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТЫХ ГАЗОВ 310
ВЫВОДЫ 338
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

bibliography

выводы
1. Решена крупная научная проблема - впервые на примере широкого ряда газофазных химических систем, целевые компоненты которых находят широкое применение для опто- и микроэлектроники, сформулированы общие принципы рационального сочетания индивидуальных и гибридных методов разделения и глубокой очистки газов, разработаны физико-химические основы комплексных процессов разделения и глубокой очистки газов, на их основе созданы технологии получения высокочистых веществ, которые реализованы производстве и имеют важное хозяйственное значение для инновационного развития высокотехнологичных секторов экономики.
2. Выявлен механизм трансмембранного переноса вещества, активно взаимодействующего с полимерной матрицей. Показано, что такое взаимодействие носит обратимый характер и обусловлено донорно-акцепторным взаимодействием и водородными связями, которые реализуются при кластерообразовании. Определены термодинамические параметры взаимодействия для систем ацетат целлюлозы - аммиак и ацетат целлюлозы - вода по данным обращенной газовой хроматографии, Фурье ИК-спектроскопии и дифференциальной калориметрии.
3. Впервые разработаны модифицированные методы мембранного
газоразделения: мембранный модуль с питающим резервуаром и
однокомпрессорный многоступенчатый мембранный модуль, которые позволяют повысить эффективность очистки газов в 10-100 раз. Разработаны физико-химические модели разделения газов в созданных модулях.
4. Определено влияние на разделительный эффект различных физико-химических факторов в рамках созданной модели процесса абсорбционной первапорации, учитывающих растворение примесей и их диффузию в абсорбенте. Экспериментально установлено, что при очистке аммиака селективность возрастает в 10-30 раз.
5. Проведен теоретический и экспериментальный анализ влияния температуры на разделительный эффект в процессах дистилляции. На примере оксида диазота установлено, что фактор разделения ректификационной колонны имеет экстремальное значение для каждого примесного компонента, которое определяется различной температурной зависимостью коэффициента разделения, коэффициента диффузии, вязкости и плотности жидкой и паровой фаз.
6. Созданы гибридно-комплексные процессы разделения газовых смесей и глубокой очистки газов, сочетающие несколько физико-химических методов - дистилляцию, кристаллизацию, сорбцию и мембранное разделение, что обеспечивает значительное увеличение разделительного эффекта.
Разработаны комплексные технологические схемы разделения и глубокой очистки газов и газовых смесей, базирующихся на рациональном совмещении индивидуальных и гибридных методов и обеспечивающих реализацию энергоэффективных и безопасных технологий очистки аммиака, тетрафторида углерода, оксида диазота, метана, фосфина, три фторида азота. Технологии очистки оксида диазота и аммиака внедрены в производство. Получены опытные партии продуктов, проведена их аттестация у потребителей в производстве эпитаксиальных структур кремния и нитридов алюминия и галлия для светодиодов