• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
250
Рубрика: Успехи науки
Раздел: Химия
Стеклянные шарики для солнечного газа

Стеклянные шарики для солнечного газа

Самый инертный в мире газ - гелий - в чистом виде обладает уникальными свойствами, благодаря чему он незаменим во многих областях современного высокотехнологичного производства. В настоящее время его выделяют из природного газа криогенным способом, что требует колоссальных затрат энергетических и материальных ресурсов. Предварительное обогащение газовой смеси, содержащей гелий в небольших концентрациях, позволило бы сократить себестоимость его очистки. Для этой цели сибирские ученые предлагают использовать ценосферы - полые стеклянные шарики микронных размеров, являющиеся побочным продуктом сжигания угля на тепловых электростанциях. Оболочка ценосфер избирательно проницаема для гелия, благодаря чему их можно использовать в качестве «концентраторов» этого газа. В настоящее время на основе ценосфер создается пилотная установка для получения чистого гелия на одном из месторождений природного газа

Солнечный газ гелий обладает уникальными свойствами, благодаря которым он применим во многих областях науки и техники. Однако выделение гелия из природного газа требует колоссальных затрат. Сибирские ученые предлагают эффективный способ предварительного обогащения газа с помощью микросферического материала из отходов ТЭЦ. Эта технология позволит значительно снизить себестоимость чистого гелия.

Химический элемент с порядковым номером 2 – гелий – в обычных условиях существует в виде газа, который обладает непревзойденной химической инертностью. Среди всех известных веществ у него самая низкая растворимость в жидкостях, самая высокая теплопроводность и наименьшая температура конденсации. Кроме того, он самый легкий среди негорючих газов. Благодаря этим уникальным свойствам гелий незаменим в технике сверхнизких температур и высоких давлений; он также широко применяется в металлургии, медицине, производстве синтетических материалов и других самых разных областях науки и техники.

Основу ценосфер составляет алюмосиликатная стеклофаза с переменным содержанием оксидов железа, магния и кальция. В стекло вкраплены кристаллические фазы – силикатный минерал муллит и кварц. Тончайшие иглы муллита выполняют роль своеобразной арматуры, повышающей прочностные характеристики стеклянной оболочки. Кварц образует своего рода каналы, по которым сквозь стенку ценосферы просачиваются молекулы легких газов. Оптическая микроскопия. Фото предоставлены А. Г. Аншицем (Институт химии и химической технологии СО РАН, Красноярск)

Наиболее богатые гелием месторождения природного газа находятся в США. Этой стране принадлежит основная доля производства (около 85 % от мирового) и потребления этого газа. Перспективы России в добыче гелия связаны с газовыми месторождениями Восточной Сибири, крупнейшим из которых является Собинское (Республика Эвенкия)

Запасы гелия на Земле огромны. Он содержится в атмосфере, океане, в земной коре. Однако повсюду он находится в смеси с другими газами, а концентрация его невысока. На нашей планете большая часть гелия содержится в ископаемом природном газе, из которого его и добывают. Месторождение газа считается богатым гелием, если его объемная доля превышает 0,5 % (для сравнения, в атмосферном воздухе она в тысячи раз меньше). В настоящее время во всем мире для промышленного выделения гелия из природного газа используют криогенную технологию, основанную на методе низкотемпературной конденсации и последующей ректификации компонентов. Очищенный гелий сжижают и помещают в специальные хранилища или сразу же используют по назначению.

Работы при сверхнизких температурах требуют особых морозоустойчивых материалов и сложной конструкции контрольно-измерительной аппаратуры, поэтому строительство гелиевых заводов весьма дорогостоящее мероприятие. Другой недостаток криогенного способа получения гелия – большие энергетические затраты на охлаждение и сжижение компонентов природного газа.

Актуальность совершенствования основного способа промышленного получения гелия несомненна. В мире постоянно обсуждаются идеи более экономичных технологий, которые не требовали бы низкотемпературных условий производства.

Требуется сортировщик молекул

Одна из наиболее перспективных идей отделения гелия без использования низких температур связана c давним открытием того, что молекулы легких газов способны диффундировать (просачиваться) сквозь кристаллическую решетку различных материалов. Например, водород исключительно легко проникает сквозь пластинки из металла палладия; на основе этого знания реализован способ разделения водородсодержащей газовой смеси в сепараторе с тонкостенными палладиевыми мембранами.

Дорогостоящие прозрачные синтетические микросферы типа МСВ-1Л имеют диаметр 10—90 мкм и среднюю толщину оболочки около 1 мкм. Они могут использоваться при давлении до 45 атм и температуре не выше 650 °C. Фотография предоставлена В. Н. ЗиновьевымИзвестно, что гелий хорошо проникает через кварцевое стекло. Но кварц – минерал очень тугоплавкий, поэтому изготовление тонких кварцевых трубок или пластин – весьма трудоемкая операция, а их хрупкость ставит под сомнение надежность сепарационных агрегатов на такой основе. Поэтому до недавних пор предлагаемые технические решения не могли серьезно конкурировать с криогенной технологией ни по производительности, ни по капитальным затратам.

Возобновление интереса специалистов к «теплым» способам концентрирования гелия связано с результатами научных иследований свойств наполнителей стройматериалов, проводимых в Институте химии и химической технологии СО РАН (Красноярск). Конкретно речь идет о так называемых ценосферах – тонкостенных стеклянных шариках микроскопического размера, являющихся продуктами попутной переработки зольных компонентов угольной пыли.

Изучение фазового состава вещества ценосфер показало наличие в нем кристаллической фазы кварца, следовательно, их стенки проницаемы для гелия. Это навело ученых из Института теоретической и прикладной механики СО РАН (Новосибирск) на мысль о возможном разделении гелийсодержащего газа с помощью этих микрочастиц.

Микросферы – это полые тонкостенные стеклянные частицы диаметром от нескольких микрон до миллиметра. Изготовление синтетических микросфер с заданными свойствами обходится весьма дорого; их используют в производстве высокотехнологичного оборудования. Но существует и более доступная разновидность микросфер – так называемые ценосферы, являющиеся побочным продуктом сжигания угля на тепловых электростанциях.
При сгорании угольной пыли температура достигает 1200—1700 °C. В этих условиях минеральная компонента (зола) расплавляется, образуя мельчайшие капли. Они уносятся газовым потоком, постепенно раздуваясь за счет расширения захваченных газовых включений, и в итоге застывают, сохраняя форму. Размеры получающихся таким образом сферических частиц составляют 5—400 мкм, а толщина их стенки 2—30 мкм.
Низкая плотность (0,3—0,7 г/см3), значительная механическая прочность и термическая стабильность, прекрасные теплоизолирующие свойства, устойчивость к химически агрессивным средам, и наконец, дешевизна – благодаря всем этим качествам порошки из ценосфер широко используются в качестве наполнителя при производстве строительных материалов.
Многообразие свойств ценосфер позволяет находить все новые направления их практического применения. Изучением ценосфер и исследованием создаваемых на их основе новых материалов и технологий занимаются в Институте химии и химической технологии СО РАН (Красноярск)

Чтобы проверить эту гипотезу, в институте исследовали проницаемость различных газов внутрь ценосфер. Результаты хромато­графических опытов свидетельствуют о том, что из компонентов природного газа только гелий способен проникать сквозь оболочку ценосфер.

Оболочка микросфер проницаема не для всех частиц. Одноатомные молекулы гелия имеют самый малый размер (около 0,2 нм) и легко просачиваются сквозь стенку. Диффузия идет интенсивнее при более высоком давлении. Молекулы метана (основного компонента природного газа) почти вдвое «толще»: они не могут проникнуть внутрь. Интенсивность диффузионного потока гелия в первом приближении пропорциональна перепаду парциальных давлений

Следующий уровень исследований – количественные эксперименты. Надо было выяснить, в какой мере температура, состав и давление газа влияют на проницаемость микросфер. Поток гелия рассчитывали по скорости изменения давления снаружи микросфер, а внутреннее давление газа оценивали из баланса вещества.

От эксперимента к технологии

На основе полученной в ходе экспериментов информации изобретатели предложили схему концентрирования гелия в заполненной микросферами колонне. Процесс осуществляется в три этапа: закачка исходной смеси при высоком давлении и абсорбция гелия микросферами, быстрое вакуумирование или продувка колонны с последующей десорбцией гелия из микросфер при низком давлении, выкачивание газа, обогащенного полезным продуктом.

Суть хроматографического анализа – различение веществ по неодинаковой способности их молекул проникать в микрочастицы твердого материала и временно сорбироваться (удерживаться) в них. В эксперименте на вход колонны, заполненной порошком ценосфер, подают короткий импульс исследуемого газа, и с этого момента регистрируется зависимость его концентрации на выходе от времени. Изменение формы и высоты сигнала от гелия с ростом температуры указывает на увеличение проницаемости ценосфер. Для других исследованных газов (азота, метана и др.) такого эффекта не обнаружено

Если для окончательной очистки гелия от примесей потребуется последующая криогенная обработка газа, то ее себестоимость будет уже в разы меньше.

Воплощение предложенной идеи в промышленном масштабе требует инженерных расчетов обогатительной установки. На выход гелия могут влиять не только исходная его концентрация, температура, давление на входе и выходе разделительной колонны, но также ее габариты и расположение, фракция и плотность упаковки микросфер и много других факторов. Необходимо также испытать разные режимы функционирования каскада колонн и определить условия достижения оптимальных параметров процесса.

Рабочий цикл концентратора гелия состоит из трех этапов. Если за один цикл приемлемой концентрации гелия достичь не удастся, обогащенную гелием смесь можно вновь вернуть в разделительную колонну для осуществления повторного цикла с целью дальнейшего концентрирования. Для обеспечения непрерывного процесса обогащения газовой смеси также можно организовать каскад из нескольких колонн, работающих параллельно, со сдвигом по времени. Комбинация этих режимов (последовательного и параллельного) работы колонн позволяет добиться высокого коэффициента обогащения природного газа гелием для последующей эффективной ректификации

Для решения этого вопроса на основе уравнений механики многофазных сред создана математическая модель движения гелийсодержащей смеси в колонне сквозь слой избирательно проницаемых микросфер.

Важный этап – верификация математической модели и ее вычислительных схем. Было проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными на специально созданном в лаборатории испытательном стенде. Оно подтвердило правильность математического описания протекающих физических процессов и позволило уточнить числовые значения их параметров.

Основной элемент испытательного стенда, созданного в Институте прикладной и теоретической механики СО РАН, представляет собой мини-прототип одиночной гелийотделительной колонны. Он предназначен для изучения процесса концентрирования гелия в контролируемых условиях. Это необходимо для определения параметров математической модели, которая используется для оптимизации процесса и проектирования обогатительного оборудования

Первые проведенные численные расчеты рабочего цикла в заполненной ценосферами колонне промышленных размеров продемонстрировали возможность десятикратного обогащения смеси, содержащей изначально 1 % гелия. И столь высокая эффективность – не предел. Нужны дальнейшие теоретические расчеты и экспериментальная апробация.

Вскоре предстоят испытания ценосфер для практического извлечения гелия из природного газа, добываемого в Сибири. На опытном производстве уже конструируют пилотную установку, пригодную к работе в реальных условиях. И, кажется, вот-вот наступит то время, когда гелий из сибирских месторождений станет обогащать нашу страну.

Литература

Долгушев С. В., Фомин В. М. Гелий: его значение в промышленности, современные и перспективные способы производства. Новосибирск, 2003. 23 с. (Препринт ИТПМ СО РАН; 5 – 2003).

Безотходные отходы // НАУКА из первых рук. 2009. № 6 (30). С. 94–95.

Верещагин А. С., Верещагин С. Н., Фомин В. М. Математическое моделирование движения импульса концентрации гелия по колонке, заполненной ценосферами // ПМТФ. 2007. Т. 48, № 3. С. 92–102.

Верещагин С. Н., Куртеева Л. И., Рабчевская А. А. и др. Использование ценосфер летучих зол от сжигания каменных углей для процессов диффузионного разделения газов // Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов: Тр. Всерос. конф. М., 2002.

Верещагин А. С., Зиновьев В. Н., Пак А. Ю. и др. Оценка коэффициента проницаемости стенок микросфер // Вестн. НГУ. Сер. Физика. 2010. Т. 5, вып. 2. С. 8—16.

Долгушев С. В., Фомин В. М. Циклическое обогащение гелием природного газа в колонке со стеклянными микросферами // Вычислительная механика сплошных сред – Computational Continuum Mechanics. 2008. № 4

Работа выполнена в рамках интеграционного проекта СО РАН № 12 и комплексного проекта СО РАН – NSC № 143 при поддержке грантов Президента РФ (МК-4276.2010.1) и администрации Новосибирской области

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments
#
vereshchag@itam.nsc.ru
к.ф.-м.н.
старший научный сотрудник лаборатории № 4 ИТПМ СО РАН, старший преподаватель кафедры аэрофизики и газовой динамики ФФ НГУ

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Новосибирский государственный университет