ver 1 0 ЛЕКЦИЯ Часть 1 ЛЕКТОР д

ver. 1. 0 ЛЕКЦИЯ (Часть 1) ЛЕКТОР: д. т. н. , профессор АРХАРОВ И. А. Гелий. Физические свойства и основные источники сырья для извлечения гелия. Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Области применения гелия. Гелий (от греч. helios) – относится к инертным газам. Без запаха, без цвета, не токсичен. По распространенности, второй элемент во Вселенной, что составляет 23% космической массы. Гелий имеет два стабильных изотопа. 2 He гелий 4, 003 Элемент Массовое число Объемная доля % Температура кипения при (р= 0, 101 МПа), К Теплота парообразования, КДж/ кг К Критические параметры Средняя мировая цена, $/м 3 Не 3 3 0, 000137 3, 191 2870 5500 Не 4 4 99, 999863 4, 224 2, 077 Ркр=0, 1165 Ткр =3, 324 Ркр=0, 2275 Ткр =5, 2014 2, 5… 3 Области применения гелия: 6% 7% 2% 1% 12% - Космические программы - Сварка и защитные среды - Хроматография - Дыхательные смеси и искусственная атмосфера 10% - Криогенная техника и научные исследования - Обнаружение течей 50% 2% 10% - Аэронавтика, дирижаблестроение - Ядерные реакторы (охлаждение) - Прочие Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Гелий. Физические свойства. К 102 П 5 П Ж Ж Не 4 Не 3 1 0 0, 04 Плотность 0, 08 2 0, 12 ρ, [г/см 3] Критическая точка k Мах ρ при ρ Не 3 , [г/см 3] 0, 0413 0, 08231 ρ Не 4 , [г/см 3] 0, 06964 0, 1462 Тλ 50 20 10 5 Не 3 Тλ=2, 172 К η , μПа ·с 100 0, 5 Не 3+Не 4 101 Тλ=2, 172 К 2 2 5 Тλ=2, 172 К К СP[Дж/моль К] T, K 4 2 100 Не 3 5 Не 4 0, 05 Не 3+Не 4 2 10 -1 10 20 50 100 200 500 103 2 · 103 Т, m. К Аномалия теплоемкости grad CP = 100 [Дж/моль К] при Т< 2, 172 К Не 4 2 2 я – производная от параметров состояния и означает переход II рода. 0 1 2 3 Т, K Вблизи Т=Тλ наблюдается аномальное изменение всех физических свойств жидкого гелия без изменения агрегатного состояния. Вывод: λ - переход есть фазовый переход II рода.

Гелий. Физические свойства. Сверхтекучесть. Свертекучесть – способность Не II течь через капилляр (Капица 1937 г. ), характеризующаяся практически полным отсутствием вязкости. Двухкомпонентная теория сверхтекучести Ландау: Жидкий гелий есть смесь двух компонент – первая, обладающая квантами возбуждения (фононами и ротонами) и ведущая себя как обычная жидкость, и вторая, не имеющая таких квантов с S=0 и η=0 ( жидкость как бы при Т=0 К). Энергетический спектр – главная характеристика квантовой системы. 16 При Т=0 K жидкий гелий находится в наинизшем энергетическом состоянии. При Фундаментальное условие существования повышении Т в нем появляются «кванты явления сверхтекучести – наличие спектра с возбуждения» - квазичастицы с прямой, выходящей из начала координат. определенной энергией ε и импульсом р. Фононы где – скорость звука ε , K 12 Ротоны ротоны 8 где ро/h = 1, 93 Å-1 – импульс при котором энергия ротона минимальна и равна Δ/k=8, 6 K; μ=0, 15 m – эффективная масса ротона; фононы 4 ро 0 0, 5 1, 0 1, 5 2, 0 2, 5 3, 0 3, 5 m – масса атома Не 4 -1 р, [Å ] Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Гелий. Физические свойства. Сверхтекучесть. He. II Термомеханический эффект grad T в He. II. T 2 104 T 1 grad. T=2 K/м 103 Сu 101 100 10 -1 He. I Не 4 10 -2 1, 0 2, 0 3, 0 He. II q 102 4, 0 He. II – прекрасный хладагент и широко применяется для охлаждения СП устройств при Т= 1, 7… 1, 9 К. Скачок Капицы – возникновение дополнительного теплового сопротивления на границе твердого тела и Не II. Характеризуется появлением скачка температуры на 30 поверхности. Т, К Cu - Не. II QΔT/F , m. Вт/см 2 К λ [Вт/м К] 105 капилляр d=1 мм Тλ=2, 172 К 106 grad. T=0, 5 K/м 10 3 0 0, 4 0, 6 0, 8 Т, K Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Гелий. Основные источники. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПРИРОДНОГО ГЕЛИЯ (ПРОМЫШЛЕННО ОСВОЕННЫЕ) ПРИРОДНЫЙ ГАЗ ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ ПРОДУВОЧНЫЕ (танковые) ГАЗЫ УСТАНОВОК СИНТЕЗА АММИАКА АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ Дополнительные источники гелия (перспективные) Угольные и рудничные газы Водорастворенные газы Газонасыщенные породы, т. н. коллекторы, включая и трещенные граниты Основным доступным источником гелия является природный газ. Общие мировые запасы природного газа – 210 трлн. м 3; Гелия в нем содержится – 56 млрд. м 3. Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Мировые запасы и тенденции к их снижению МИРОВОЙ РЫНОК ГЕЛИЯ ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ РОСТ СПРОСА – 4, 2% в год (из них США – 3, 9%; Европа – 4, 3%; Азия 2, 5%) США 60% Европа 25% Азия 15% Млн. куб. метров 230 250 100 США г. Канзас Сити 50 0 Исходный состав природного газа из месторождений Состав, Месторождение % Россия г. Оренбург Казахстан г. Амангельды 160 2003 год CH 4 He N 2 + O 2 H 2 CF 6+ Cn. Hm 92, 5 0, 03 6 0, 005 Σ 10 85 0, 4… 0, 67 18 0, 05 <3 64… 65 2 26 0, 05 <1 2010 год Средневзвешенное содержание Не в добываемых газах Не, % 0, 04 0, 02 2000 2010 2020 t, год Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

ver. 1. 0 ЛЕКЦИЯ (Часть 2) ЛЕКТОР: д. т. н. , профессор АРХАРОВ И. А. Гелий. Промышленные градации чистоты. Криогенные технологии получения и очистки гелия. Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Гелий. Промышленные градации чистоты Не 4 О 2 N 2 Сырец ~95% O 2% Марки “Б” ~99, 5% O 1% Высокочистый (ВЧ) Марки“A” ~99, 995 % <5 ppm NO +N O 2 H 2 O Cn. Hm Int. mark $/м 3 20… 40 ррm 10… 20 ррm 0, 1% Crude gas ~ <10 ppm <10 ppm 2. 5 0, 5 <10 ppm <1 ppm <0. 1 ppm 4. 5 4… 5 ~ 60% Технический Ne* СО +С О 2 0, 2… 0, 3 % O 200 ppm Особо чистый ~99, 9999 20… 4 O 1… 3 ppm 6. 0 % 0 (ОЧ) * – содержание неона не нормируется Вид промышленного Технический Не в качестве вспомогательного сертификата на гелий 5. 5 газоносителя на химических производствах. Не марки «Б» в химическом производстве для: • Процессов синтеза пластмасс; • В сталелитейном производстве; • Сварки (дуговая сварка). Не марки «А» в криогенной технике, как хладоноситель в ожижителе, рефрижераторе. • Охлаждение ядерных томографов; • Охлаждение сверхпроводящих магнитов и систем. Особо чистый Не В газовой хроматографии; • Лазерная техника; • Для изготовления микрочипов. Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Основные стадии получения газообразного и жидкого гелия из углеводородных газов. Основные стадии извлечения: • Охлаждение и очистка ПГ от CO 2 и высококипящих 260… 230 К углеводородов (де-пропанизация); о (- 10…- 40 С) • Конденсация низкокипящих компонентов(CH 4); 230… 150 К • Тонкая очистка от примесей (N 2). Получение продукционного гелия. 150… 80 К Жидкий гелий Ожижение Окончательная очистка Установка для получения жидкого азота (- 40…- 120 о. С) (- 120…- 196 о. С) Очистка от водорода Получение сырого гелия Выделение метана Азотный концентрат CH 4<15% Очищенный газ Природный газ Предварительное охлаждение Выделение тяжелых углеводородов Тяжелые углеводороды Дополнительное охлаждение Холодильная машина Отделение конденсата Конденсация части метана Конденсат Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Принципиальная технологическая схема извлечения гелия из углеводородных газов Сырой гелий ВН Природный газ ХМ Азотный концентрат CH 4<15% Основно теплообменник й Сепаратор 2 Сепаратор 1 Предварительный теплообменник Очищенный газ К 1 Установка для получения жидкого азота К 2 Конденсат Тяжелые углеводороды Коэффициент извлечения – отношение произведения объемного расхода целевого компонента (R) на концентрацию (KR) этого компонента в продукционном потоке к произведению объемного расхода (V) сырьевого потока на концентрацию целевого компонента (KV) в нем. Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

УСТАНОВКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА (УПРОЩЕННАЯ СХЕМА) GN 2+He CНе ~ 50% 9 Др3 Др4 4 8 LN 2 Др5 CНе ~ 3% P~0, 5 МПа 1 2 3 Т~120 К 7 Др1 5 6 Т~150 К ПГ P=4, 5 МПа Сне = 0, 03… 1, 7% Др2 P=15 МПа Сне = 99% P=15 МПа Сне = 50% GНе P=0. 7 МПа Сне = 50% GНе GN 2 P=0. 18 МПа P=0. 41 МПа 1, 2 - Регенераторы; 3 – ТОА ПГ; 4 – Колонна; 5 – ТОА гелиевого концентрата; Кафедра «Холодильной и 6 – Азотный ТОА; криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» 7 – Азотный детандер; им. Н. Э. Баумана 8 – Азотный конденсатор; 9 – Дефлегматор. МГТУ

УСТАНОВКА ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ ВЫСОКОАЗОТИСТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА GНе P=15 МПа Сне = 95% 7 CНе ~ 2% Др1 N 2 P~0, 5… 1 МПа T~95. . 100 K ПГ P=0. 7 МПа Сне = 60% 3 2 P=4, 5 МПа 1 GN 2+He Др3 6 GНе 4 5 Др2 P=4, 5 МПа Сне =1… 1, 7% СN 2=80… 85% 1, 2 - Регенераторы; 3 – ТОА ПГ; 4 – Испарительная камера; 5 – Сепаратор низкого Кафедра «Холодильной и криогенной высокого кондиционирования и Дожимающий компрессор. давления; 6 – Сепаратор техники, систем давления; 7 – жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

(получение гелия >99, 9%) P=0, 2 5 МПа Сне = 99, 995% GНе Схема окончательной очистки GN 2 4 GНе P=0, 5 МПа Сне = 60… 90% GO 2 I II P=0, 2 МПа P=0, 5 МПа III LN 2 P=0, 2… 0, 3 МПа T=450 0 C 1 H 2 O GN 2+ H 2 O 1 3 2 2 3 печь 4 Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет– Дозатор. «Энергомашиностроение» – Реактор; – Осушитель; – Блок холодных адсорберов; МГТУ им. Н. Э. Баумана

Схема окончательной очистки (получение гелия >99, 9%) Циклограмма работы адсорберов Т, К 100 III II I 80 х нг т ох Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Основные стадии получения газообразного и жидкого гелия из атмосферного воздуха. Воздухоразделительная установка (ВРУ) Предварительное охлаждение Атмосферный воздух Очистка от СО 2 и Н 2 О N 2, O 2, Ar Разделение воздуха Концентрат Ne+He+N 2+H 2 Азотный концентрат Не ~ 2% Очистка от азота H 2 O Очистка от водорода Гелий газообразный Жидкий гелий Ожижение Окончательная очистка N 2 O 2 Концентрат Ne+He Получение сырого гелия Разделение Ne-He смеси Жидкий и/или газообразный неон Установка разделения Ne-He смеси Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

ver. 1. 0 ЛЕКЦИЯ (Часть 3) ЛЕКТОР: д. т. н. , профессор АРХАРОВ И. А. Гелий. Транспортировка потребителю. Базовое криогенное оборудование. Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Жидкий Гелий (Не) Способы и оборудование для транспортировки Автотранспорт Крупные транспортные сосуды (автоцистерны) Авиатранспорт Малые и средние транспортные сосуды Серия «СН» Специальные транспортные сосуды Серия «СH (S)» Серия «Сi» Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Транспортные автоцистерны (объем танка от 6800 до 20000… 40000 л ж. Не) Детандер 2 Детандер 1 Адсорбер Гелий газ Ж. Гелий ТОА 2 ТОА 1 Гелий техн. газ Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Сосуды малого и среднего объема для транспортировки и хранения: серии «СH» и «Ci» Предохранительные клапана Вакуумн. полость Залив/Слив гелия Дренаж Ж. Гелий Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Сосуды малого и среднего объема для транспортировки и хранения: серии «СH» и «Ci» Характеристика Емкость, л CH-30 CH-60 CH-120 CH-250 CH-500 CH-1000 30 60 120 250 500 1000 540 640 850 1050 1400 1175 1250 1560 1625 1887 2012 Вес (пустой), кг 56 74 99 155 233 387 Вес (полный), кг 60 81 114 186 295 512 7 7 7 2. 8 1. 7 1. 2 0. 8 0. 6 0. 5 Диаметр, мм Высота, мм мах. Давление, psi Скорость испарения (статика), % в день Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Облегченные транспортные сосуды (дьюары) для авиатранспорта CH 250(S) CH 400(S) Вместимость (л) 250 400 Диаметр (мм) 850 1050 Высота (мм) 1520 1550 Вес пустого сосуда (кг) 155 222 Вес заполненного сосуда (кг) 186 272 мax. Давление (psi) 7 7 Скорость испарения (% в день) 1. 25 1. 0 Характеристика Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

Гибкий шланг в комбинации со щупом Вакуумноизолированные наконечники щупов для сосудов различной ёмкости. Заправочный щуп с измерителем уровня Вспомогательное оборудование для заправки и переливания жидкого гелия Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана

ver. 1. 0 КОНЕЦ ЛЕКЦИИ СПАСИБО ЗА ВАШЕ ВНИМАНИЕ! Кафедра «Холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения» Факультет «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана