: 22 дек 2010 , Изучать не разрушая , том 35,
№5
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.
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.
Известно, 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.
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.
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.
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.
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.
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
: 22 дек 2010 , Изучать не разрушая , том 35,
№5 
