ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЖАТЫХ ГАЗОВ КУРС ЛЕКЦИЙ

ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СЖАТЫХ ГАЗОВ
КУРС ЛЕКЦИЙ
Сумы
"Издательство СумГУ"
2011
3
Технология использования сжатых газов: курс лекций/
составитель Г.А. Бондаренко.- Сумы: Изд-во СумГУ, 2011.275с.
КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ
4
СОДЕРЖАНИЕ
С.
Предисловие………………………………………………………7
Введение…………………………………………………………...9
Раздел 1 Газы и их применение……………………………….11
Тема 1 Роль и значение газов в развитии человечества…….11
1.1 Газы в природе…………………………………………11
1.2 Практическое использование газов…………………...13
1.3 Основы технологий использования газов……………18
Контрольные вопросы……………………………………..23
Список литературы………………………………………...23
Тема 2 Некоторые сведения из теории газов ………………...24
2.1 Свойства газов и газовых смесей……………………...24
2.2 Идеальные газы………………………………………...29
2.3 Реальные газы…………………………………………..31
2.4 Смеси газов……………………………………………..37
2.5 Свойства газов при высоких параметрах……………..38
Контрольные вопросы……………………………………..48
Список литературы………………………………………...48
Тема 3 Некоторые технически важные свойства газов……….49
3.1 Растворимость газов в жидкостях. Дегазация………..49
3.2 Поглощение газов и паров твердыми телами………..50
3.3 Газовая коррозия……………………………………….54
3.4 Методы защиты от газовой коррозии………………...60
Контрольные вопросы……………………………………..61
Список литературы……………………………………..….61
Раздел 2 Воздух и углеводородные газы……………………...62
Тема 4 Воздух и его применение………………………………..62
4.1 Воздух: состав и свойства……………………………..62
4.2 Значение воздуха в развитии человечества…………..68
4.3 Применение сжатого воздуха в металлургии……..….70
4.4 Пневмотранспорт……………………………………....75
4.5 Эрлифт (воздушный подъемник)……………………...82
4.6 Аэрация сточных вод…………………………………..83
4.7 Применение сжатого воздуха на транспорте…………84
Контрольные вопросы……………………………………...85
Список литературы………………………………………...85
5
Тема 5 Природный газ…………………………………………...86
5.1 Общие сведения………………………………………...86
5.2 Технологии добычи природного газа…………………88
5.3 Подготовка газа………………………………………...90
5.4 Транспортировка газа……………………………….…92
5.5 Оборудование компрессорных станций………………94
5.6 Компрессорные технологии в
нефтегазодобывающей промышленности …………..........97
5.7 Технологии переработки природных газов …………100
5.8 Газоснабжение городов и промышленных
предприятий………………………………………………..102
Контрольные вопросы…………………………………….107
Список литературы…………………………………….….107
Тема 6 Шахтный метан. Технологии добычи
и утилизации………………………………………………….....108
6.1 Особенности шахтного метанообразования…………108
6.2 Технология добычи шахтного метана……………….110
6.3 Технологии утилизации шахтного метана…………..114
Контрольные вопросы…………………………………….120
Список литературы…………………………………..…...120
Тема 7 Искусственные горючие газы…………………………121
7.1 Общие сведения……………………………………….121
7.2 Газификация твердых топлив. Получение
генераторного газа………………………………….…128
7.3 Коксование каменных углей. Коксовый газ………...135
7.4 Нефтезаводские газы……………………………..…..137
7.5 Газификация древесины…………………………...…139
Контрольные вопросы……………………………….…...144
Список литературы…………………………………...…..144
Тема 8 Сжиженные углеводородные газы (СУГ)……………145
8.1 Общие сведения о СУГ……………………………….145
8.2 Свойства СУГ………………………………………....146
8.3 Горение газовоздушной смеси……………………….150
8.4 Получение СУГ……………………………………….150
Контрольные вопросы……………………………….…...160
Список литературы………………………………………..160
6
Раздел 3 Технологии использования
технических газов……………………………………………...161
Тема 9 Получение и применение азота………………………161
9.1 Общие сведения об азоте……………………………..161
9.2 Физические и химические свойства…………………162
9.3 Получение азота из воздуха………………………….162
9.4 Технологические мембранные установки
для получения азота…………………………………..165
9.5 Азотно-мембранные компрессорные станции……....167
9.6 Применения азота……………………………………..169
Контрольные вопросы……………………………………171
Список литературы……..………………………………...171
Тема 10 Кислород и его применение……………………….…….172
10.1 Общие сведения о кислороде…………………….……172
10.2 Свойства кислорода…………………………………172
10.3 Технология получения кислорода………………….174
10.4 Машины для разделительных установок…………..176
10.5 Хранение и транспортирование кислорода……….182
10.6 Применение кислорода………………………….…..184
Контрольные вопросы……………………………………188
Список литературы………………………………..…...…188
Тема 11 Технология производства аммиака………………...189
11.1 Общие сведения об аммиаке…………………….….189
11.2 Физические свойства аммиака……………………...190
11.3 Получение аммиака……………………………….…190
11.4 Особенности конструкции компрессоров…………193
11.5 Хранение аммиака……………………………..……198
11.6 Транспортировка аммиака………………………….200
11.7 Техника безопасности при работе с аммиаком…....201
11.8 Применение аммиака………………………….…….202
Контрольные вопросы……………………………………203
Список литературы………………………………..….…..203
Тема 12 Получение и применение ацетилена…………….....204
12.1 Основные свойства ацетилена……………………...204
12.2 Методы получения ацетилена………………………205
12.3 Хранение и транспортировка ацетилена…………..208
12.4 Особенности конструкции газодувок……………...211
12.5 Применение ацетилена……………………………..214
7
Контрольные вопросы…………………………………...215
Список литературы…………………………………..…..215
Тема 13 Применение этилена в производстве пластмасс ..216
13.1 Физические и химические свойства………………..216
13.2 Получение этилена……………………………….….216
13.3 Применение этилена………………………………...218
13.4 Компрессоры для производства полиэтилена……..220
Контрольные вопросы……………………………………228
Список литературы…………..…………………………...228
Раздел четвертый. Утилизация и очистка
газовых выбросов………………………………………………229
Тема 14 Утилизация промышленных
выбросных газов…………………………………………………229
14.1 Утилизация газов металлургических производств...229
14.2 Утилизация нефтяных газов…………………….…..236
Контрольные вопросы……………………………………240
Список литературы………..……………………………...240
Тема 15 Производство биогазов……………………………….241
15.1 Общие сведения и свойства биогазов………………241
15.2 Историческая справка……………………………….242
15.3 Применение…………………………………………..243
15.4 Сырье для получения………………………………..244
15.5 Технология получения………………………………245
15.6 Биогазовые установки……………………………….246
Контрольные вопросы…………………………………….252
Список литературы……………………………………….252
Тема 16 Очистка промышленных газовых выбросов………253
16.1 Влияние выбросов на состояние атмосферного
воздуха…………………………..…….…………………..253
16.2 Источники загрязнения воздушного
бассейна………………………………………….….….…254
16.3 Виды и характеристики газовых выбросов………..256
16.4 Методы очистки газов……………………………....259
16.5 Организация контроля загрязнения атмосферного
воздуха в районах размещения вредных производств…270
Контрольные вопросы…………………………………..272
Список литературы……………..………………………..272
8
ПРЕДИСЛОВИЕ
Издание настоящего курса лекций по дисциплине
«Технологии использования сжатых газов» продиктовано тем,
что при достаточно большом объеме учебной нагрузки по
предмету (162 часа) он не обеспечен необходимыми учебниками
или учебными пособиями. Это обусловлено спецификой
предмета, заключающейся в том, что поскольку газы широко
применяются в самых различных отраслях народного хозяйства,
сведения об этом содержатся во многих источниках,
относящихся к газовой, химической, нефтехимической
промышленностям,
и
металлургии,
горно-рудной
промышленности, переработке и сжижению газов, производству
биогазов, применению сжатого воздуха и газов в технологии
машиностроения и др. Такое положение крайне осложняет
изучение дисциплины, особенно выполнение самостоятельной
работы.
Настоящий курс лекций подготовлен на основе лекций,
читаемых автором в течение последних пяти лет, для студентов
дневной формы обучения по направлению «Энергетика» для
специальности «Компрессоры, пневмоагрегаты и вакуумная
техника» в Сумском государственном университете.
Курс
лекций
отвечает
учебной
программе,
предусматривающей проведение 50 часов лекционных и 10 часов
лабораторных занятий, а также выполнение расчетной работы.
Целью курса является изучение особенностей технологий
получения и использования технических газов.
Задачами курса являются изучение основных свойств ряда
технически важных газов, технологических схем и процессов их
получения, применения, хранения и транспортировки, а также
технологического оборудования (машин и аппаратов),
применяемого для этих целей.
В соответствии с целью и задачами курса весь изучаемый
материал распределен на четыре раздела.
В первом разделе приводятся сведения о месте и роли
газов в развитиии человечества, направления использования
газов в народном хозяйстве, обзор практически важных газовых
процессов, основы газовых технологий, а также сведения из
физики и термодинамики газов и газовых смесей, технически
важные свойства газов.
9
Второй раздел посвящен использованию естественных
газов (воздух, природные газы), а также горючих газов
(газогенераторные, нефтезаводские, коксовые газы), получению
и применению сжиженных газов.
В третьем разделе рассматриваются технологии
применения технических газов в химической промышленности.
Из всего многообразия таких технологий выбраны технологии,
которые, с одной стороны, наиболее практически важные, а с
другой – дают наибольший обучающий эффект, особенно с
учетом специализации учебной группы.
Курс лекций значительно переработан с учетом последних
достижений и тенденций в этой области техники. Введен новый 4-й
раздел, посвященный очистке и утилизации промышленных газовых
выбросов, производству биогаза. Курс дополнен сведениями о
парниковых газах и Киотском протоколе, о поведении газов при
очень высоких параметрах, о перспективах энергосберегающих
технологий для получения искусственных газов, утилизации газовых
отходов и др.
Автор считает, что методически правильно рассматривать
процессы не только использования газов, но и получения (добычи)
тем более, что в реальных технологических процессах они
неотделимы (добыча, переработка и транспортировка природного
газа, получение аммиака из азотоводородной смеси и т.п.).
Каждый
раздел
включает
несколько
тем одной
направленности. Изучение каждой темы выполняется по единой
методологии: общие сведения о рассматриваемом газе, физические
и химические свойства газа, технологии получения (добычи) и
использования газа, схемы технологических установок, основное
оборудование, хранение и тарнспортировка газа.
Поскольку технологии использования сжатых газов по сути
своей компрессионные технологии, в лекциях сознательно делается
акцент на особенности применения компрессорной техники.
В конце каждой темы приводятся контрольные вопросы и
список необходимой литературы для самостоятельного изучения.
Данный курс лекций предназначен для студентов дневной,
заочной форм обучения и экстернатуры соответствующих
специальностей.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры ТТФ
технику Казбан Елене Викторовне за компьютерный набор
текста и аспиранту Шарапову Сергею Олеговичу за
редактирование иллюстраций, а также студентам гр. ХК-61 за
участие в подготовке текстов лекций.
10
ВВЕДЕНИЕ
Все в окружающей природе состоит из твердых, жидких и
газообразных веществ. Но это не различные вещества, а
различные агрегатные состояния веществ, давно известные
человечеству. Это суть материальные субстанции. Однако
открытия ХХ века показали, что материя может переходить при
определенных условиях в другую субстанцию – в энергию, что
предсказал великий Эйнштейн. Последние годы своей жизни
ученый потратил на разработку единой теории поля, которая по
его представлениям должна быть универсальной, описывающей
материальный и нематериальный мир.
Великими достижениями науки XIX и XX веков созданы
предпосылки для такой теории. Установлена аналогия в
математическом описании различных явлений. Течение жидкостей
и газов, теплообмен, упругость твердых тел, магнитные,
электрические явления описываются аналогичными системами
уравнений математической физики. Отличие лишь в константах.
Современная наука (физика, химия, космогония,
информатика, искусственный интелект) смыкается с теориями
полевых структур и торсионных полей. В последнее десятилетие
трудами выдающихся ученых достигнут прогресс в разработке
общей универсальной теории поля, описывающей поведение
материальных и нематериальных сред и субстанций. Теория
открывает широкие горизонты для изучения возникновения и
развития Вселенной и в частности Земли.
Если бы мы захотели построить иерархическую систему
мира, то по современным воззрениям она бы выглядела так:
Нематериальный уровень
информационный уровень
энергетический уровень
Физический уровень
плазма
газы
жидкости
твердые тела
Отсюда следует, что газы являются одним из
основополагающих элементов мироздания.
Роль газов в формировании Вселенной чрезвычайно высока.
По теориям Канта, Лапласа, развитая современной наукой
Вселенная образовалась из раскаленного газопылевого облака,
которое медленно вращалось в космосе. За счет сил гравитации оно
11
уплотнилось, принимая форму линзы. Вращение увеличивалось,
отрывались кольца, которые охлаждаясь, концентрировались,
образуя твердые и жидкие вещества будущих планет. Так 4500
миллионов лет назад возникла наша Земля.
Атмосфера Земли вначале состояла из водорода и гелия.
Но гравитация их не могла удерживать и постепенно газы
улетучились в космическое пространство.
Наша современная атмосфера вторична – она продукт
жизнедеятельности организмов и вулканической деятельности Земли.
А атмосферный кислород полностью имеет биогенное происхождение.
Он был и остается главным жизнетворным элементом Земли.
Постепенно человек научился различать и выделять и другие
газы, а также использовать их в своей хозяйственной деятельности.
Для этого потребовалось создание специальных технологий и машин
как для получения, так и для полезного использования газов.
Главные свойства газов – их текучесть и сжимаемость, а
также изменение состояния способствовали их широкому
освоению, появлению процесса компримирования (сжатия и
перемещения) газов. Этим предопределено появление класса
машин – компрессоров и на их основе технологий применения
сжатых газов, что и является предметом нашего курса.
Компрессорная техника занимает особое место в современной
жизни человечества. Компрессоры наиболее распространенные
технические устройства в промышленности, энергетике, транспорте
и быту. Технологии получения и использования газов основываются
на компрессорных технологиях.
Примитивные компрессоры были едва ли не первыми
технологическими устройствами на службе человечества.
Сохранились рисунки из Египта, которым 1500 лет, где
изображен процесс выплавки золота с помощью ножных мехов
– прообраз объемного компрессора. Однако применение
компрессоров в том виде, каком мы их знаем, началось лишь с
началом промышленной революции в ХIX веке.
Технологии использования сжатых газов направлены на
создание наиболее экономичных методов и средств массового
получения и переработки технических газов в продукты
потребления в различных отраслях материального производства.
Эти технологии являются важным разделом общей технологии,
разрабатывающей и изучающей совокупность физических и
химических процессов в газах и оптимальные пути их осуществления.
12
Раздел 1
ГАЗЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Тема 1 РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ГАЗОВ В РАЗВИТИИ
ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
1.1 Газы в природе
Газы содержатся в атмосфере, в водах Мирового океана, в
земной коре.
Атмосфера состоит из N2 – 78%, O2– 21%, Ar –0,9%,
остальное: неон, гелий, криптон, ксенон, H2, CO2, NH4, NO2, озон.
Атмосферный воздух – неисчерпаемый и возобновляемый источник
получения N2, O2 и инертных газов, которые извлекаются попутно.
В земной коре газы содержатся в свободном состоянии,
растворенные в воде и нефти и в состоянии сорбированном
породами, особенно ископаемыми углями.
Газы катагенического происхождения – возникают в
результате преобразований естественных органических веществ
в осадочных породах, при их погружении на глубину и
увеличении давления от 100 до 2500 атм и температуры от +20
до +300оС. Это природные газы.
В зависимости от происхождения газы разделяются на:
газы возрождения – возникают при дальнейшем
повышении параметров;
газы вулканические – из глубин Земли;
газы биохимические – при бактериальном разложении
органических веществ – метан, СО2, сероводород и др. Это так
называемые болотные газы, а также искусственно получаемые;
газы радиоактивные – возникают в процессе распада
радиоактивных элементов – гелий.
Три основных группы газов, важные для деятельности
человечества:
- углеводородные горючие (соединения С и Н);
- азотные;
- углекислотные (соединения С и О).
Углеводородные газы находятся в земной коре в виде
сухих скоплений в пластах, а также растворены в нефти
(попутный газ) и особенно в подземных водах, здесь они во
много раз превышают все запасы газовых и нефтяных
месторождений.
13
Из таблицы Менделеева следует, что «чистыми» газами,
то есть газами, состоящими из молекул, образованных атомами
одного элемента, являются водород, кислород, азот, аргон, гелий
и др.*) Понятие «чистый» газ применяется также и к газам, чьи
молекулы образованы соединением атомов различных
элементов, например: метан (NH3), углекислый газ (CO2),
сероводород (H2S) и др.**) Однако в природе не существует
«чистых» газов. Природные газы, как правило, являются смесью
различных газов, паров и примесей (жидких и твердых).
Например, атмосферный воздух есть смесь, состоящая из:
N2+O2+Ar+CO2+Ne+He+пары Н2О+примеси;
природный газ различных месторождений может существенно
отличаться друг от друга, но обычно включает в себя, кроме
метана, также этан, пропан, бутан, пентан, гексан, азот,
двуокись углерода, сероводород, водяные пары.
В практике применяются так называемые технические
газы, содержащие некоторое количество примесей, что в
большинстве случаев технологически допустимо.
Технические газы, получаемые из природных компонентов
путем разделения или синтеза, также не являются строго говоря
чистыми, а содержат, пусть и в малой степени, добавки других
газов. Здесь следует иметь в виду, что получение очень чистых
газов промышленным путем – задача сложная и дорогостоящая.
Вместе с тем в большинстве случаев применения газов такая
чистота и не требуется.
Широкое использование естественных газов (воздуха,
природного газа и продуктов их переработки) имеет
колоссальное значение для развития человечества. Объемы
использования этих газов громадны и растут с каждым годом.
Но если запасы атмосферного воздуха практически
неисчерпаемы, к тому же и возобновляется природным путем,
то запасов природного газа при современных темпах добычи
может хватить на 50-100 лет. Поэтому уже сейчас остро стоит
проблема сокращения потребления природного газа за счет
сберегающих и альтернативных технологий. На Земле имеются
гигантские запасы сероводорода, содержащегося в водах
Мирового океана и в вулканических недрах. Добыча и
использование этого газа – задача ближайшего будущего.
*) В химии такие вещества (в том числе и газы) называются простыми
веществами.**) В химии такие вещества называются сложными веществами.
14
Следует отметить также возможность проявления
неисследованной пока опасности влияния опорожненных
полостей коры Земли на внутренние геологические процессы,
могущие
повлечь
катастрофические
последствия.
За
нерачительное использование земных богатств человечество
может заплатить высокую плату.
1.2 Практическое использование газов
Значение газов в народном хозяйстве трудно переоценить.
Сегодня уже трудно представить жизнь человека без
использования различных газов, даже на бытовом уровне.
Большинство населения использует природный газ для
приготовления пищи, нагрева воды, отопления помещений и т.п.
Газы используются в медицине в лечебных и профилактических
целях: кислород (кислородные подушки, коктейли и др.),
углекислый газ (лечебные ванны), сжиженный азот – для
криохирургии и т.п. Но особо впечатляют масштабы
применения газов в промышленности, где их применение
разнообразно:
- в качестве энергетического топлива (природный газ,
попутный нефтяной газ, газ, получаемый при газификации
твердых топлив, коксовый газ, газ, получаемый при сжигании
бытовых отходов);
- в качестве сырьевого компонента для получения химических
продуктов (пластмасс, удобрений, синтетических волокон,
химических веществ и газов);
- в качестве энергоносителей (сжатый воздух, перегретый пар,
иногда инертные газы);
- в качестве рабочих тел энергетических машин (ПГ, ГТ, ПГТ,
реактивные двигатели) и для выполнения механической работы
(огнестрельное оружие, снаряды);
- теплоносители (например, фреоны в холодильных установках,
диссоциирующие газы в теплоэнергетических установках);
- физические среды для газовых разрядов (лазеры);
- в качестве расходных материалов для выполнения
технологических процессов (кислород-ацетилен для газорезки
15
металлов, нейтральные газы для сварки – аргонодуговая сварка,
кислородное дутье в плавильных печах).
Газы и газовые смеси применяются для систем
жизнеобеспечения подводных и космических аппаратов.
В сельскохозяйственном производстве все большее
распространение получает применение азота в овоще- и
фруктохранилищах, использование биогазов, выделяющихся
при переработке навозных масс.
В различных отраслях техники используется более 30
различных газов и газовых смесей.
Газ как топливо – обычно природные газы и получаемые
искусственно специально (генераторный газ) или как побочный
продукт (коксовый, доменный и др.). Основные потребители:
черная
металлургия
(домны,
мартены),
производство
стройматериалов (цемент, стекло, керамика, керамзит), в
машиностроении (нагреватели, термические печи, газосварка и
резка). В качестве топлива для ТЭС – удельный вес природного
газа составляет около 30%. Перевод котлов на газ повышает их
к.п.д. на 20%, удешевляет обслуживание и автоматизацию,
снижает расход электроэнергии на собственные нужды на
7-20%. Топливо в быту (плитки, АГВ, котлы, конвекторы).
Газ как исходное сырье – в химической промышленности
вырабатываются из газов около 200 видов продукции, в том
числе огромное количество пластмасс, удобрений и т.п.
Газ в качестве энергоносителя – сжатый воздух КС
(стационарные и передвижные, переносные), пар водяной – для
паровых молотов, прессов и др.
Рабочие тела для совершения работы – это газовые смеси
– продукты сгорания топлив в воздухе или других окислителях в
ГТ, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания
(ДВС). Водяной пар – в ПТ. Комбинированные установки ПГТУ
– совместное использование водяного пара и газа.
Теплоносители – очень часто в различных технологических
процессах химической, металлургической промышленности
используется горячий воздух для нагрева продуктов, в сушилках,
в отоплении и кондиционировании. Используются также горячие
продукты горения (дымовые газы) для обогрева изделий и
материалов в печах и сушилках, для подогрева промежуточных
16
теплоносителей (пар, воздух, вода). Для обогрева помещений
используют паровое отопления.
Электрический разряд в газовых средах применяется
широко в электротехнике для выпрямления переменного тока, в
газосветных осветителях (лампах) и неоновых рекламах.
Отдельный класс устройств – газовые лазеры (медицинские,
технологические и военные).
Материалы для промышленности – газовая сварка
(ацетилен-кислород),
химико-термическая
(азотирование,
хромирование сталей) и тепловая обработка в печах (цементация
– насыщение углеродом). Инертные газы – для безопасности
производства и испытаний машин и аппаратов, специальная
сварка – аргон.
В сельском хозяйстве – добавки СО в теплицы, этилена,
азота – в хранилища овощей. Установки энергетические,
биогазовые.
К
сожалению,
производственная
деятельность
человечества, особенно в последнее столетие, обуславливается
не только производством и потреблением различных газов, но и
выбросами недоиспользованных газов, которые как-то
предотвратить не представляется возможным вследствие
сложности и дороговизны технологических процессов. А они,
эти выбросы, представляют большую угрозу для человечества
ввиду не только локальных, но и глобальных негативных
процессов и изменений в среде обитания и в атмосфере.
Главным и грозным проявлением этого есть так называемый
парниковый эффект атмосферы.
Микромодель этого явления – обычный парник,
защищенный прозрачным стеклом или пленкой участок грунта
для выращивания рассады различных культур. Происходит
солнечный обогрев грунта, тепло удерживается стеклом или
пленкой. Возможен также искусственный обогрев –
биотопливом, водяной, электрический.
Парниковый эффект атмосферы – это свойство атмосферы
Земли регулировать лучевой тепловой обмен Земли с космосом.
Атмосфера Земли пропускает коротковолновую солнечную
радиацию, которую поглощает поверхность Земли (рис 1.1).
Поверхность нагревается и в свою очередь излучает длинное
17
волновое излучение, которое в значительной мере поглощается
атмосферой (водяной пар + СО2 ), а 10-20% - излучается в
космос. Благодаря такому механизму средняя температура
земной поверхности остаётся постоянной(+15оС) . Если бы не
было атмосферы, она была бы равна -23оС.
Рисунок 1.1 –Схема лучевого теплообмена Земли
В результате техногенной деятельности человечества
концентрация парниковых газов, особенно СО2, в атмосфере
увеличилась, что приводит к дополнительному подогреву
атмосферы Земли. Сегодня эта величина (2-3оС) уже составляет
значительную угрозу для экосистемы Земли. Главным образом
это проявляется в таянии ледников, наступлении пустынь,
изменении привычных условий обитания живых организмов.
Основные парниковые газы в порядке их воздействия на
тепловой баланс Земли располагаются следующим образом:
 водяной пар;
 углекислый газ;
 метан;
 озон;
 галоуглероды;
 оксиды азота.
Наиболее вредное воздействие на атмосферу оказывают
углекислый газ и метан.
18
Источники поступления СО2 в атмосферу:
– производство энергии (тепла, горячей воды, пара) – 43,6%;
– производственные предприятия – 18,5%;
– автотранспорт – 7,7%;
– другой транспорт – 6,3%;
– жизнеобеспечение – 8%;
– коммерческие услуги – 5,8%.
Источники поступления метана:
- утечки при разработке и эксплуатации месторождений
природного газа, нефти и угля- 16%;
- биогаз от захоронения отходов – 12%;
- скот – 16%;
- рисовые поля – 22%;
- болота – 23% и др.
Количественной характеристикой выбросов парниковых
газов является удельный выброс газов:
выброс в СО2-эквиваленте, кг .
на 1 дол. ВВП
Данные по выбросам некоторых стран в 1 кг экв. СО2/долл:
 Япония – 0,39;
 ЕС – 0,42;
 США – 0,67;
 Россия – 1,58;
 Украина – 2,04.
Как видно, удельные выбросы парниковых газов в
Украине в 3-5 раз выше передовых стран. Это обусловлено тем,
что в Украине (также как и в других постсоветских странах) в
течение нескольких десятилетий не проводилось масштабное
техническое перевооружение производств, не внедрялись
новейшие технологии, альтернативные источники энергии и т.п.
Мировое сообщество, озабоченное стремительным
нарастанием парникового эффекта, предложило ограничить
вредные выбросы газов на основании Киотского протокола.
Механизм действия Киотского протокола состоит в том,
что каждой стране-подписанту устанавливается квота на
вредные выбросы. За превышение квоты – штраф, за
уменьшение выбросов - материальные льготы. Например,
страны (или промышленные компании), не использующие в
19
полной мере установленную квоту, могут продавать “избыток”
другим странам, где квота превышена, используя полученные
средства на модернизацию производств.
Гибкая
процедура
квотирования
предусматривает
постепенное снижение вредных выбросов до безопасного уровня.
1.3 Основы технологий использования газов
1.3.1 Суть технологий использования сжатых газов
Технология в общем понимании – это наука, изучающая
способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в
предметы потребления и средства производства.
Если газы являются сырьем для переработки их в
продукцию или они сами являются продуктами переработки
какого-либо сырья, то говорят о технологических процессах
переработки или получения газов. С другой стороны, газы как
продукт используются различными потребителями для
различных целей. В этом случае говорят о технологиях
использования газов.
Понятие «технология использования сжатых газов» не
следует понимать буквально, т.к. это неизбежно приведет к
узости понимания изучаемого предмета. Непосредственное
использование (синоним – полезное применение) сжатых газов
для производства полезного продукта ограничивается лишь
узким кругом применений, среди которых:
- применение сжатых газов (воздуха) как энергоносителя и
рабочего тела для совершения механической работы:
пневмопривод, пневмоинструмент, пневмоавтоматика;
- применение сжатых газов (прежде всего воздуха) в
различных технических устройствах: автошины, пневмотормоза,
пневмоподъемники,
балластные
цистерны
подводных
аппаратов, понтоны и др.
Однако в гораздо большей степени сжатые газы
применяются в разнообразных технологических процессах
различных производств, где использование сжатых газов
является необходимой и неотъемлемой частью общего процесса,
направленного на получение конечной полезной продукции.
При этом компримируемые (т.е. сжатые и перемещаемые) газы
являются основным материальным потоком вещества, которое
20
затем претерпевает ряд превращений по пути к конечному
продукту. Эти превращения происходят под воздействием
специально организуемых различных факторов (параметров
процессов, реагентов, катализаторов и т.п.).
Используются достаточно много известных элементарных
процессов в газах, которые в определенном наборе и
последовательности реализуются в той или иной технологии.
1.3.2 Процессы технических газов
Технологии применения газов связаны с изменением
параметров
их
состояния
(давления,
температуры),
перемещением газов, а также с разнообразными физическими и
химическими процессами.
Технологии использования сжатых газов основываются на
осуществлении физических и химических процессов с целью
получения полезного продукта. Полезным продуктом может
быть вещество (твердое, жидкое, газообразное), теплота (или
холод).
Основные используемые физические процессы газов:
- сжатие (расширение);
- диффузия (разделение);
- фильтрация;
- осушка (увлажнение);
- сепарация;
- сжижение (газификация);
- растворение в жидких и твердых телах (дегазация);
- кристаллизация;
- ионизация;
- газовые разряды и др.
К химическим процессам относятся:
- химические реакции получения соединений;
- полимеризация;
- окисление (в т.ч. горение);
- газовая коррозия.
Процессы в газах бывают непрерывные и прерывные. В
непрерывных процессах производится непрерывная подача
компонентов и отвод продуктов. Характерным примером может
21
быть крупнотоннажные производства минеральных удобрений.
В прерывных процессах загрузка и выгрузка веществ (для газов
– закачка и отсос) производятся периодически. Это, например,
производства с применением автоклавов.
Во всех этих случаях требуется транспортировка,
перемещение требуемых масс газов. Для реализации же
физических процессов и химических реакций необходимо
создавать требуемые параметры газов, а именно: давление (от
вакуума до очень высоких давлений) и температуры (отводом
или подводом тепла).
Сжатие и перемещение газов – компримирование –
осуществляется компрессорными машинами различного типа.
Можно утверждать, что основа производственных процессов
использующих газы – это компрессорные технологии. Конечно,
кроме компрессорных машин применяются и другие газовые
машины для преобразования энергии газов: газовые турбины,
детандеры, а также устройства струйной техники: эжекторы,
инжекторы и множество других аппаратов.
1.3.3 Общие сведения о технологиях использования газов
Прежде всего технологии с использованием газов
необходимо разделить на два вида:
- технологии добычи (получения) газов;
- технологии использования газов.
Процессы получения газов бывают:
- добыча – извлечение газов из природных источников
(природный газ, атмосфера);
- искусственное получение – синтез как результат
химических реакций.
Технологии применения газов можно представить
следующими основными группами:
- применение технических газов непосредственно
потребителем (природный газ, кислород, азот, аргон, ацетилен
и др.) для технологических нужд заводов и других предприятий
различных отраслей;
- использование газов как компонентов технологических
процессов получения полезных продуктов (удобрений,
пластмасс и т.п.).
22
Технологии добычи (получения) и использования
технических газов требуют специальных технологических
комплексов (завод, линия, цех, установка). Например,
газоперерабатывающий
завод,
воздухоразделительная
установка, цех производства аммиака и т.п.
В свою очередь, эти технологические комплексы
оснащены самым разнообразным оборудованием необходимым
для функционирования: компрессоры, сепараторы, реакторы,
нагреватели, охладители, насосы, другие аппараты.
Процесс получения промежуточного или окончательного
продукта производится по технологической цепочке от подвода
компонентов
сырья,
энергетических
ресурсов
(пар,
электроэнергия, вода) до отвода готового продукта. Комплекс
оборудования
для
получения
продукта
называется
технологической линией. Для получения сложных по
технологии продуктов могут использоваться несколько линий
(цехов), работающих в одном комплексе. Как правило, на таких
линиях и заводах получают не один продукт, а несколько, с
целью как можно более полного использования исходных
компонентов и продуктов реакции.
Технологические процессы химических производств
состоят из двух неразделимых составляющих: химическая
технология и необходимое оборудование.
Химическая технология отвечает на вопросы:
─ какие нужны химические реагенты;
─ какие параметры реализации реакций;
─ какие массовые потоки компонентов;
─ какие необходимы катализаторы и ингибиторы и др.
К оборудованию предъявляются требования: какие
необходимы машины, аппараты и другие технические
устройства для реализации данной химической технологии.
Отсюда следует и необходимость в раздельных службах на
заводах – службы главного технолога и главного механика.
Первая из них отвечает за соблюдением технологического
регламента и выпуска качественной продукции, а вторая – за
нормальное и надежное функционирование технологического
оборудования.
23
1.3.4 Технологические схемы
Последовательное описание и графическое изображение
процессов и соответствующих им машин и аппаратов
называется технологической схемой производства. Схемы
бывают двух типов: открытые и циклические (циркуляционные).
Схемы открытые применяются для производственных
процессов, в которых происходит полное превращение вещества
в полезный продукт за один проход через установку.
Циклическая схема предусматривает выделение продукта из
реакционной смеси, которая затем многократно возвращается в
технологический цикл вплоть до полного превращения в продукт.
Технологические схемы производств с использованием
газов сложны и очень разнообразны. Не существует общих
универсальных технологий, а значит, и схем. Можно выделить
лишь основные составляющие, обязательные для всех
технологических процессов с газами (рис. 1.2).
Приём,
хранение
Подготовка
(очистка)
Химические
реакции,
преобразование
Утилизация
отходов
Очистка
выбросов
Хранение и
перегрузка
продуктов
Рисунок 1.2 – Структурная схема газовых технологий
Схемы составляются на основе выбранного метода (или
способа) производства продукта, в основе которого лежат
физические превращения, химические реакции и механические
процессы, протекающие при определенных условиях.
Графически схемы изображаются упрощенно, без излишней
детализации, с использованием принятых условных обозначений,
буквенных сокращений и надписей, цифровых позиций элементов.
После разработки схемы выполняется ее расчет –
составление материального и энергетического балансов.
Материальный баланс означает, что масса веществ,
поступивших на технологическую операцию – приход, равна
массе всех веществ, получившихся в результате ее – расход:
Gi  Gî ñí  Gï î á  Gï î ò ,
24
где Gi - суммарный расход сырья, кг;
Gî ñí - основной продукт, кг;
Gï î á - побочный продукт (отходы), кг;
Gï î ò - непроизводительные затраты сырья, кг.
Энергетический баланс для химикотехнологических
процессов составляется в виде теплового баланса: приход тепла
в данном цикле производства должен быть равен расходу его в
этом же цикле (с учетом всех потерь).
Контрольные вопросы к теме 1
1 Перечислите основные применения газов в народном хозяйстве.
2 Приведите примеры применения газов в качестве энерго- и
теплоносителя.
3 Приведите примеры применения газов в технологии
машиностроения.
4 Изложите научные гипотезы о возникновении атмосферы и
природных газов.
5 Основные, практически важные группы газов.
6 Перечислите основные, используемые на практике, процессы в
газах. На какие группы делятся процессы?
7 Что такое непрерывные и прерывные технологические
процессы с использованием газов? Приведите примеры.
8 Назовите виды технологий с использованием газов.
9 Назовите способы получения технических газов.
10 Какие две основные группы технологических процессов
применения газов?
11 Что такое технологическая линия и ее компоненты?
12 Какой основной принцип построения технологических схем
химических производств?
Список литературы
1. Общая химическая технология.Т.2. Важнейшие химические
производства/ под редакцией И.П. Мухленова. М.: Высшая
школа,1984.-263с.
2. Основы процессов химической технологии. Л.:Химия,1967.382с.
25
Тема 2 НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ГАЗОВ
В данной главе приводятся сведения из термодинамики
газов наиболее важные для расчетов технологических процессов
с применением газов, рассматриваемых при изучении
настоящего курса.
2.1 Свойства газов и газовых смесей
Газы. Это названия придумано голландским ученым
Гельмонтом.
Газ – это такое агрегатное состояние вещества, в котором
его частицы не связаны или слабо связаны между собой силами
взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь
предоставленный им объем, и принимают его форму.
В отличие от жидких и твердых тел объем газов сильно
зависит от давления и температуры.
Любое вещество можно перевести в газообразное
состояние подбором надлежащей температуры и давления. На
рис. 2.1 область газообразного состояния ограничена кривыми:
I – сублимация (отвердение); II – парообразование.
Рисунок 2.1 – Диаграмма фазовых переходов газов
26
При любом р<ркр существует температура Т, выше
которой вещество становится газообразным. Точка Тр – тройная
точка. На кривой I ниже точки Тр газ находится в равновесии с
твердой фазой вещества (для воды – лед), а на кривой II (между
точками Тр и К) – в равновесии с жидкой фазой (вода – пар). Газ
в этих состояниях называется паром.
Пар – это название газообразного вещества в условиях,
когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или
твердой фазой того же вещества. Однако путем изменения
температуры это равновесие может быть нарушено и тогда
понятие пар теряет прежний смысл. Поэтому критерием в таких
случаях служит критическая температура, т.е температура, выше
которой вещество может находиться только в газообразном
состоянии и никаким сжатием (без понижения температуры)
сконденсировать его невозможно. Таким образом, газообразное
вещество называют паром, если его температура ниже
критической, и газом, если его температура выше критической.
Следует отметить, что газовые законы применимы только к
парам, не находящимся в состоянии насыщения. Для
насыщенных паров справедливы лишь закон Авогадро и закон
Дальтона, которые не связаны с изменением параметров
состояния.
При Т<Ткр газ можно сконденсировать, то есть перевести
газ в жидкое состояние (или твердое). Например, вода замерзает
при 0оС, а до этого (+5, +3, +1, +0,5оС) не замерзает. Также
происходит и сжижение газов. Например, для О2 температура
сжижения равна t=-182,98оС, а его отвердение происходит
при –218,7оС.
При Т>Ткр граница газообразной области условна, так как
при этих температурах фазовые превращения не происходят.
2.1.1 Приведение к нормальным условиям
На практике для выполнения расчетов объемов и
массовых потоков газов в различных устройствах и
технологических линиях широко используют приведение
27
объемов к нормальным условиям. Нормальными условиями для
газов принято считать:
- температуру 0оС (273К);
- давление 760 мм рт. ст. или 101,325 кПа.
Такое
приведение
удобно
и
необходимо
для
сравнительных расчетов объемов газов при изменении
параметров их состояния (давления, температуры). В отличие от
жидкостей объем газа сильно изменяется при изменении
параметров состояния.
Если состояние газа характеризуется параметрами p, V, T,
то для приведения объема к нормальным условиям pн, Тн
используется формула, получаемая из условия равенства массы
(или массового расхода) m=mн
V  Tí  ð
,
Ví 
ðí  Ò
где Vн – объем, приведенный к нормальным условиям;
Тн, рн – нормальные параметры газа;
V – объем, измеренный при действительных параметрах
р и Т.
Пример. Воздушный компрессор сжимает воздух и
транспортирует его к потребителю. Параметры атмосферы:
tн=20оС, ра=1кгс/см2=0,0981 МПа; параметры у потребителя:
tк=40оС, рк=8кгс/см2=0,7848 МПа. Расходомер на всасывании
показывает производительность компрессора 100 м3/мин, а у
потребителя – 10 м3/мин. Требуется определить величину утечек
воздуха в пневмосети между компрессором и потребителем.
Прямое сравнение производительностей 100 и 10 м3/мин не
корректно, так как параметры воздуха существенно различны.
Выполним
приведение
производительностей
к
нормальным условиям на всасывании
100  273  0, 0981
V'
 90, 2 í ì 3 / ì èí
0,1013  293
и у потребителя
28
10  273  0, 7848
 67,5 í ì 3 / ì èí .
0,1013  313
Величина утечки теперь может быть найдена как разность
Vут=Vн’-Vн”=90,2 – 67,5=22,7 нм3/мин.
Иногда удобно приводить производительность к условиям
на всасывании или на нагнетании.
Чаще всего потери газа выражают не в объемных
количествах, а в единицах массового расхода. Для нашего
примера, с учетом зависимостей V  m  и   ð RT , получим
массовый расход на всасывании:
ð V
1  104  100
ma  a a 
 1,943 êã c
R  Ta
29, 27  293  60
и у потребителя
ðK  VK
8  104  10
mK 

 1, 455 êã c .
R  TK
29, 27  313  60
Таким образом, утечка газа составляет
móò  ma  mK  1,943  1, 455  0, 488 êã c
или 25% от расхода воздуха на всасывании. Заметим, что такая
величина потерь воздуха в сети является недопустимой.
V '' 
2.1.2 Концентрация газов
Если мы имеем смесь газов, то количество каждого из
составляющих газов характеризуется его концентрацией.
Концентрация выражается несколькими способами:
- весовым (Св)%; Св =Мi/Σ Мi= Мi/M;
- объемным (Со)%; Co= Vi/V;
- массой газа в единице объема (Св.о) г/м3.
Применяется также концентрация в частях по объему 1:V’,
где V’ – объем смеси, в котором содержится 1 объем данного
газа (например, концентрация углекислоты 1:2000).
Формулы для пересчета концентраций:
10  p
Câ.î 
Co ,
22, 4Vt  po
29
22, 4Vt  po
Câ.î ,
10  p
где μ – молекулярный вес газа;
р – давление газа, мм рт. ст.;
ро – нормальное давление газа (760 мм рт. ст.);
Vt – объем газа при температуре t.
В технике наиболее часто употребляется понятие
объемной концентрации. Состав газовой смеси обычно задается
объемными долями
V
ri  i  100% .
Vi
CÎ 
2.1.3 Масса и объем газа
Масса газа, заключенного в заданном объеме, равна m=ρV,
p
где  
;
zRT
273, 2  p  V
0,01605M  p  V
.
m

760  22, 4  273, 2  t 
273, 2  t
Объем, занимаемый данной массой газа при давлении р и
температуре t равен
760  22, 4  273, 2  t  G 62,36G  273, 2  t 
,
V

273, 2  p
 p
где μ – молекулярная масса газа;
р – давление газа, мм рт. ст.;
t – температура газа, оС;
G – масса газа, г;
V – объем, занимаемый газом, дм3.
На практике иногда пользуются понятием относительной
массы.
Относительная масса газа d по отношению к другому газу
при
одинаковых
давлениях
и
температурах
равны
d  1 : 2  1 : 2 .
30
Относительная масса газа по отношению к воздуху
d=μ/29, по отношению к водороду d=μ/2 и т.д.
В задачах, связанных с изменением состояния в
технологической линии, всегда используют массу, так как она
неизменна (если не учитывать отборов и утечек). Например,
если в технологической линии
производится нагрев,
охлаждение, дросселирование или газ совершает работу,
конденсации, сжимания, закачка в емкость параметры газа
рассчитываются из условия M = const (или m = const) в каждом
состоянии или сечении. В разветвленных схемах выполняют
расчет массовых потоков – основа химической технологии.
2.2 Идеальные газы
Понятие «идеальный газ» широко применяется в теории и
расчетах состояния и движения газов. Для идеального газа
постулируется ряд положений, существенно упрощающих
теоретические выкладки. При этом получаемые результаты для
определенного класса задач и условий достаточно близки к
реальным данным. Важнейшими из таких положений являются
изэнтропность (в приложении к механике газов это означает
отсутствие трения газа о твердые границы, а также внутреннего
трения между струйками и частицами газа) и совершенство газа,
то есть подчинение свойств газа уравнению состояния
идеальных газов в форме уравнения Клайперона – Менделеева
M
pV 
RT ,

где р, V, T – давление, занимаемый объем и температура
газа;
M и μ – масса и молекулярная масса газа;
R – универсальная газовая постоянная.
Чаще это уравнение применяется в виде для 1 кг газа:
рυ=RT,
где υ – относительный объем, м3/кг.
С учетом соотношения υ=1/ρ это уравнение приобретает вид
р=ρRT.
31
Значения газовой постоянной и молекулярного веса для
некоторых газов приведены в таблице2.1.
Таблица 2.1 – Некоторые свойства газов
Газ
R, Дж/(кг∙К)
μ
Воздух
287,10
29
Углекислый газ CO2
188,92
44
Кислород
259,83
32
Азот
296,77
28
Гелий
2077,04
4
Водород
4124,21
2
Метан
518,3
16
Газовая постоянная R является основной характеристикой
газа и крайне важна для практических расчетов. Физический
смысл газовой постоянной – работа расширения одного моля
идеального газа при повышении его температуры на 1оК при
постоянном давлении. В данном примере (рис. 2.2) – работа
перемещения поршня на величину Н при подогреве одного моля
газа на 1оК:
  mgh ,
где m – масса поршня.
Рисунок 2.2 – К определению газовой постоянной
Величина μR называется универсальной
постоянной и для всех газов равна
R   R  8314,9 Дж/кмоль∙К.
32
газовой
Зная молекулярный вес газа, можно легко определить его
газовую постоянную.
Следствием совершенства идеального газа является его
несжимаемость, то есть при постоянной температуре объем,
занимаемый единицей массы газа, при р=υar остается
неизменным. Этим свойством обладают жидкости, поэтому
гидравлика, изучающая поведение и течение жидкостей, есть
частный случай газодинамики, для которого допустимо считать
газ несжимаемым. Строго говоря, при очень высоких давлениях
объем жидкостей несколько уменьшается, но в большинстве
случаев этим пренебрегают из-за малости.
В технических расчетах принимают газ идеальным при
давлениях порядка нескольких атмосфер и практически важных
температурах (-50 до 300оС).
2.3 Реальные газы
2.3.1 Определение параметров состояния реальных
газов
Использование уравнения Клапейрона-Менделеева для
идеального (совершенного газа) даёт хорошие результаты лишь
для давлений, близких к атмосферному. С повышением
давления газа погрешность от использования этого уравнения
возрастает. В этом случае говорят о том, что газ становится
несовершенным.
Реальным газом называется газ, между молекулами
которого имеется силовое взаимодействие. Основным отличием
реального газа от идеального является его сжимаемость, т. е.
зависимость объёма, занимаемого единицей массы газа, от
изменения давления газа (температура полагается неизменной).
Поскольку отношение массы газа к его объёму является
плотностью газа   M / V , то из предыдущего положения
следует, что для реальных газов имеет место зависимость
плотности от давления.
При увеличении давления в реальном газе возрастают
силы межмолекулярного взаимодействия, становится заметным
33
влияние собственного объёма молекул. Для расчётов параметров
состояния таких газов используется уравнение Ван-дер-Ваальса
a 

 p  2    b   RT ,
 

a
где 2  поправка на взаимное притяжение молекул газа

(внутреннее давление); b  поправка на собственный объём
молекул.
Вычисление параметров состояния газа по приведённому
уравнению представляет определённые трудности из-за
необходимости использования ряда коэффициентов. На
практике проще, хотя и менее строго, плотность газа
определяется через коэффициент сжимаемости, вводимый в
уравнение состояния совершенного газа
p  zRT ,
откуда
p
z
.
RT
Величина z представляется в виде обобщенной функции
приведенных параметров
z   Tпр , pпр  .
Здесь Tпр  приведенная температура, т.е. отношение
абсолютной
температуры
к
критической
абсолютной
температуре
Tпр  T Tкр .
Аналогично приведенное давление есть отношение
pпр  p pкр .
Критическими называются параметры газа на линии
перехода газа в жидкое состояние и наоборот. Эти параметры
определяются экспериментально и находятся по справочной
литературе. Они могут быть рассчитаны из уравнения
Ван-дер-Ваальса
34
8a
,
27b
a
pкр 
.
27b 2
Для приближённых расчётов
температуру определять по формуле
Tкр  1,5Tкип ,
Tкр 
можно
критическую
где
температура
кипения
при
Tкип  абсолютная
нормальном давлении.
В критическом состоянии Tпр  1, pпр  1 значение
коэффициента сжимаемости для разных газов колеблется в
пределах от 0, 23 до 0, 29, чаще всего он близок к 0, 27. Для его
определения пользуются универсальной диаграммой (рис.2.3).
Рисунок 2.3 –Зависимость z от критических параметров газа
Отметим, что большинство технических газов могут
приближённо считаться несжимаемыми лишь при малых
абсолютных давлениях  до 1,0 МПа  .
2.3.2 Термодинамические таблицы и диаграммы
На основе огромного фактического материала по
экспериментальному определению свойств газов и смесей для
практически важных технических газов были выполнены
расчёты величин энтальпии и энтропии как функции состояния.
35
Энтальпия – термодинамическая функция, определяемая
как сумма внутренней и объёмной энергий
i  U  p ,
или в дифференциалах di  dU  pd   dp.
Энтальпия является потенциалом, т.е. её изменение
зависит только от начального и конечного состояния и не
зависит от пути.
Энтальпия характеризует состояние термодинамической
системы. Изменение ее есть мера изменения работы в
адиабатических процессах. Это изменение равно количеству
теплоты, которое подводится или отводится от системы при
p  const.
Энтальпия есть функция давления и температуры.
Энтропия является мерой необратимости рассеяния
энергии в термодинамических процессах в системе. Энтропия
также является потенциалом. Она не определима при нулевом
давлении, поэтому в расчётах оперируют не её абсолютным
значением, а изменением
dQ
s  s0  
.
T
Результаты расчётов собраны в справочные таблицы.
Однако на практике более удобно и наглядно пользоваться
составленными по этим справочным данным диаграммами
состояния.
Такие диаграммы охватывают обычно и области жидкой
фазы ниже пограничной кривой фазового перехода. По
диаграммам легче определить изменение состояния газа при
различных превращениях, а также теплоту и работу этих
превращений. Диаграммы дают наглядность в движении
термодинамических процессов, позволяют избежать ошибок и
промахов в определении параметров процессов. Использование
диаграмм даёт возможность проще и быстрее, чем при работе по
формулам, определить необходимую величину. Кроме того,
термодинамические расчёты по формулам не всегда возможны.
36
В практике используются несколько видов диаграмм в
зависимости от задач. Состояние веществ определяют давление
p , температура T и параметр влажности X . Зная эти
параметры, легко определить другие: удельный объём,
энтальпию i, энтропию S , которые обычно отнесены к
1 кг массы газа.
Применяют
следующие
диаграммы:
p   , T  s, i  s, p  i, T  i. На каждой такой диаграмме
остальные четыре параметра представлены линиями постоянных
значений. Например, на диаграмме i  s нанесены линии:
изохоры, изотермы, изобары.
При анализе и расчёте процессов сжатия и расширения
газов наиболее часто применяются диаграммы p   и i  s
(рис. 2.4 и 2.5).
Рисунок 2.4 – Диаграмма p   (пример процесса сжатия):
ОА – объём твёрдой фазы в условиях плавления;
ВС – объём затвердевающей фазы (в равновесии с плавлением);
ВК – объём кипящей жидкости  (в равновесии с паром);
KD – объём пара  ;
K – критическая точка     ;
X  const  линии постоянной влажности
37
Процесс сжатия показан линией 1-2. Отметим, что
действительны лишь состояния 1 и 2, а остальные точки линии
процесса условны.
В этой диаграмме удобно представляется внешняя работа
сжатия L , равная
L
2
 pd ,
1
которая показана заштрихованной площадью под линией
сжатия.
Такая диаграмма удобна для расчётов компрессоров и
детандеров объёмного типа.
На рис. 2.5 представлена диаграмма для водяного пара. На
диаграмме в качестве примера показан процесс в паротурбинной
установке: 0-1 – изобарное нагревание, теплота нагревания
равна разности энтальпий (отрезок АВ); 1-2 – процесс
дросселирования в вентиле при i  const; 2-3 – процесс
расширения в турбине (отрезок ВС – работа расширения).
Рисунок 2.5 – Диаграмма i  s
Эта диаграмма удобна для исследования процессов в
паровых котлах, турбинах и нагревателях, а также в
турбокомпрессорах.
Определение свойств реальных газов возможно также с
применением таблиц Варгафтика М.Б. [3] (для газов),
Вукаловича М.П. [3] (для водяного пара) и др.
38
2.4 Смеси газов
Пусть мы имеем смесь нескольких газов, которые
называются i  ми компонентами. Содержание каждого
V
компонента в смеси характеризуется объемной долей ri  i
Vi
m
или массовой долей gi  i . Если при изменении состояния
mi
газовой смеси компоненты не подвергаются конденсации и не
вступают в химическую реакцию друг с другом, то параметры
смеси  p, , T  связаны между собой уравнением состояния для
идеального или реального газа. Чтобы воспользоваться этим
уравнением, необходимо знать для смеси величину газовой
постоянной R и коэффициента сжимаемости.
Эти величины определяются по правилу аддитивности,
8314
Äæ
т. е. R 
,
ri  i êã  ãðàä
где ri  объёмная доля i -го компонента; i  молекулярная
масса того же компонента и z   yi zi
,
где yi  мольная доля компонента (при атмосферном
давлении yi  ri ); zi  коэффициент сжимаемости компонента.
Из приведенных выше формул следуют очевидные соотношения
r
gR
gi  i i ; ri  i i . В общем случае имеет место связь различных долей
eì
Råì
ò 

ó³  ³ 
 gi
r .
ò ³
i i
Газовые смеси состоят из разных газов, поэтому они
конденсируются при различных температурах и у них нет чётко
выраженного критического состояния (равновесное состояние
«пар-жидкость»). Поэтому значения приведённых параметров
39
pпр и Tпр определяют по псевдокритическим давлению
pп.кр и
температуре Tп.кр , вычисляемым по формулам
Pï .êð   yi Pï .êð i ;
Tï .êð   yi Tï .êð i ,
где с индексом « i » приведены критические давления и
температуры компонентов.
Аналогичным образом определяются теплоёмкость
газовых смесей
C p   yiC pi ,
где C pi  теплоёмкость i -го компонента.
Энтропия газовой смеси равна
s   yi si  sñì ,
где si  энтропия i -го компонента, а ∆Sсм – энтропия
смешения газов, т. к. процесс смешения необратимый, а по
законам термодинамики при этом энтропия увеличивается.
Поэтому энтропия газовой смеси не может быть рассчитана по
правилу аддитивности.
2.5 Свойства газов при высоких параметрах
2.5.1 Общие сведения
Развитие мирового промышленного производства шло по
пути всё более стремительного наращивания темпов выпуска
продукции,
что
требовало
внедрения
всё
более
производительных технологий и оборудования.
В
отраслях
химической
и
нефтехимической
промышленности это означало применение процессов с всё
более высокими параметрами и прежде всего давлением
химических реакций, так как при этом не только повышается
качество продуктов и степень реагирования, но и, что очень
важно, размеры и габариты оборудования. В результате к 60-70
годам ХХ столетия во многих технологических процессах
давление реакций достигло столь значительных величин, что
40
сложность, надежность, стоимость и энергозатраты достигли
пределов рациональности. Себестоимость продукции резко
возросла. Потребление ресурсов стало угрожающим для
дальнейшего существования цивилизации.
Примеры процессов: производства аммиака, производство
полимеров, порошковая металлургия.
2.5.2 Классификация давления технологических
процессов
Несколько слов о терминологии.
Что значит высокое и сверхвысокое, а что такое низкое
или среднее давление газа, разряжение, вакуум? Все эти
определения применяются в технике использования газов.
Четкой градации, конкретных значений границ давления
(числовых) не существует. Тем не менее сложившаяся практика
позволяет сделать такие определения в порядке нарастания давления:
Вакуум – газовая среда, которая состоит из отдельных,
далекоудаленных молекул, не взаимодействующих друг с
другом. Поведение газа в вакуумных приборах зависит от
соотношения между длинной свободного пробега молекул
(расстояние между стенками сосуда) и размером молекулы l и d:
l >> d – высокий вакуум р < 10-1 Па;
l  d – средний р = 100 – 0,1 Па;
l << d – низкий р > 100 Па.
Разряжение – это состояние сплошной газовой среды, в
которой давление ниже атмосферного, т.е. находится между
атмосферой и вакуумом. Соответственно бывает малое и
глубокое разряжение:
1000 Мпа < р < 760 мм вод. ст.
Давление
В экспериментальной физике считалось, что высокое
давление – это когда уже нельзя пользоваться стеклянными
приборами и сосудами (водяными манометрами). В
последующем, применительно к компримированию жидкостей и
газов, стали считать: низкое давление – порядка нескольких
атмосфер, среднее – нескольких десятков атмосфер (до 10 МПа)
41
и высокое – свыше 10 МПа. По мере развития техники,
повышения параметров процессов в химии, металлургии,
спецтехнике появилось понятие сверхвысокое давление. Работы
в области таких давлений были закрытыми, на что были
разработаны регламентирующие документы, согласно которым,
например, в компрессорной технике считалось, что
центробежные компрессоры сверхвысокого давления – с
давлением нагнетания свыше 32,0 МПа, а поршневые
(объёмные) компрессоры – свыше 100 МПа.
На сегодня наивысшим достижением (по давлению) в
области центробежных компрессоров является компрессор на
74 МПа (фактически работал при 64 МПа), фирмы Elliot (США).
Несколько компрессоров на 50 Мпа (фирмы Дрессер Кларк
(США), Нуове Пиньоне (Италия) и ВНИИкомпрессормаш/
СНПО им. М.В. Фрунзе (1985-1986г)).
В области поршневих компрессоров – этиленовые
компрессоры на 50-320 Мпа фирм “Бурхард” (Германия) и
ВНИИкомпрессормаш/СНПО им. М.В. Фрунзе (1975г). Во
ВНИИкомпрессормаше проводились работы по созданию
центробежного компрессора для этилена на 250 Мпа, но работы
не были завершены в связи с развалом СССР и прекращением
финансирования.
На этом развитие компрессорной техники в сторону
увеличения давления прекратилось. В настоящее время акцент
делается на развитие процессов при более низких давлениях,
менее сложных технически и менее дорогих.
2.5.3 Свойства газов при высоких давлениях
В некоторых технологических процессах используются
сжатие газов до очень высоких давлений (порядка нескольких
сотен атмосфер, до 1000 атм  например для сайклинг-процесса
добычи нефти и газового конденсата) и даже сверхвысоких
давлений (до 2500  3000 атм в производствах полиэтилена
высокой плотности).
42
При таких давлениях газы ведут себя как бы не
подчиняясь классическим законам для газов, они даже
приобретают некоторые свойства, характерные для жидкостей:
– плотность газа становится соизмеримой с жидкостями;
– скорость распространения звука как в жидкости (тысячи м/с);
– зависимость изменения вязкости от температуры не
подчиняется закону Сатерленда для газов
  T  273  C

,
0  273  T  C
где C  константа, для воздуха C  122.
Коэффициент адиабаты k распадается на две величины –
1,5
kT (температурный) и kср (объёмный):
kÒ 
cp
,
c
lg Pk Pн
kср 
.
lg н ад k
В качестве иллюстрации в таблице 2.2 приведены
некоторые свойства этилена при высоких и сверхвысоких
давлениях.
Таблица 2.2 - Свойства этилена при различных давлениях.
Газовая постоянная R=296,4 Дж/(кг∙град.),
критические параметры ркр=4,92; Ткр=289,9 оК.
Параметры
P=0,1МПа
t=20oC
25МПа
40о
100о
80МПа
35о
100о
250МПа
35о
100о
Плотность ρ, кг/м3
1,155
392
294
500
445
600
570
Коэффициент
сжимаемости z
0,98
0,675
0,785
1,715
1,595
4,45
3,90
0,75
0,138
0,117
0,226
0,176
0,405
0,356
324
730
835
1080
1130
1790
1750
1,24
1,225
1,192
1,23
1,192
1,23
1,192
Коэффициент
кинетической
вязкости ν·106 , м2/с
Скорость звука а,
м/с
Коэффициент
адиабаты k
43
Все эти факторы очень затрудняют расчёты свойств при
проектировании технических устройств. Поэтому пользовались
или экспериментально полученными диаграммами состояния
газов, что неудобно для автоматизированных расчётов, или
приближёнными методиками [4].
Для высоких давлений рекомендуется пользоваться
уравнением Беатти-Бриджмена
RT 
c 
 b  A  a 
p  2 1  3    B0 1     20 1   .
  T  
      
Значения коэффициентов a, b, c, A0 и B0 находятся по таблицам.
Существуют достаточно точные диаграммы и таблицы
термодинамических свойств для однокомпонентных газов. Но
технические газы – обычно смеси.
Все известные виды уравнений для описания свойств
газовых смесей при р < 20-30МПа далее дают большую
погрешность.
Наиболее продуктивным оказался метод Загорученко. Его
уравнение справедливо до 70 МПа и 500 оК. Это уравнение
состояния, приведенное к универсальному виду, имеет вид
 pV cm  R a V    V  T   V  T 2  ,
где α, β, γ – определяются суммированием по
n- компонентам с использованием ряда экспериментальных
коэффициентов, учитывающих парные взаимодействия между
молекулами различных составляющих газов.
Расчеты свойств и процессов выполняются на ЭВМ.
Одна из надёжных методик принадлежит Леониду
Серовскому, бывшему сотруднику ВНИИкомпрессормаша, и
СумГУ. Методика основана на использовании критических
параметров.
Следует отметить, что для описания процессов при
высоких давлениях используется их приближенное описание
политропой с постоянным показателем n. На самом деле и к, и n
являются функциями состояния. Поэтому расчет иттеративный.
44
Методика Серовского основана на методе т.н. идеальных
кривых
для
газов
и
однопараметрическом
законе
соответственных состояний, обеспечивающих возможность
связать
макроскопические
свойства
вещества
с
их
фундаментальными характеристиками на молекулярном уровне.
Используется молекулярно-кинетическая теория газов в
сочетании с некоторыми империческими обобщениями.
Методика применима для широкого класса газов и газовых
смесей при
Т/Ткр=1,25-25;
ρ/ρкр=1,6-2,
т.е. вполне пригодна для компрессоров, где обычно 200≤Т<700 и
давление до 50Мпа и более.
Интересным
для
практики
является
процесс
дросселирования газа, который происходит в соплах, отверстиях,
в рабочих органах регулирующих клапанов, дроссельных
устройствах.
Дросселирование идеальных газов происходит при
неизменной температуре, т. к. i не зависит от p.
В классической физике и в практике при не очень высоких
давлениях процессы дросселирования реальных газов идут с
понижением температуры (рис. 2.6), т.к. i  const (если не
совершается внешняя работа), например, при прохождении газа
через редукционный вентиль.
Рисунок 2.6 – Процесс дросселирования в i  s диаграмме
45
При больших степенях редуцирования, например с
300 атм до 1 атм, температура сильно падает, происходит даже
обмерзание вентиля и трубы после него. Поэтому иногда
вентили даже обогревают, чтобы не нарушалась работа их
механизмов – подвижность рабочего органа, не происходило
охрупчивание уплотнительных материалов.
При дросселировании изменение температуры с уменьшением
давления можно выразить в дифференциальной форме
 T 
,
j 

 p i  const
при этом может быть j > 0 или j < 0, т.е. процесс
дросселирования может сопровождаться как повышением, так и
понижением температуры. Это называется эффектом ДжоуляТомпсона, который является важной экспериментально
определяемой характеристикой реального газа. Для идеального
газа j  0. Обычно, при умеренных значениях давления, j  0,
т.е. при дросселировании температура понижается. Однако
существуют области параметров газов, где j  0, т. е.
температура при дросселировании повышается. Это имеет место
для газов при высоких и сверхвысоких давлениях.
В некотором состоянии для каждого реального газа
происходит изменение знака j. Этому состоянию соответствует
температура инверсии Tинв . Температура инверсии является
функцией давления (рис.2.7).
Температура инверсии для воздуха очень высока и равна
487 С. Выше этой температуры при дросселировании воздух
нагревается.
Для водорода, наоборот, температура инверсии очень низкая
 73 С  . Если нужно вызвать охлаждение водорода путем
дросселирования, то предварительно его нужно охладить каким-то
другим образом до температуры ниже 73 С и лишь после этого
дросселировать. Дросселирование водорода с начальной
температурой выше 73 С будет сопровождаться его нагревом.
46
Рисунок 2.7 – К определению температуры инверсии
Большинство технических газов имеют отрицательный
дроссель-эффект в области высоких и сверхвысоких давлений,
что должно учитываться при проектировании компрессорных
установок.
Впервые в практике компрессоростроения с этим
явлением столкнулись во ВНИИкомпрессормаше при
разработке этиленовых компрессоров сверхвысокого давления.
Еще одна важная особенность газов при высоких
давлениях – значительное возрастание растворимости газов в
минеральных маслах, используемых для смазки и уплотнения
валов и штоков ЦК и ПК. Это очень существенно, так как масла
разжижаются, уменьшается их плотность, вязкость, срок
службы. Иногда из-за этого приходится применять
дорогостоящие синтетические масла.
Во ВНИИкомпрессормаше были поставлены специальные
опыты по установлению влияния растворимости азота в
минеральном масле ,,Турбинное-22’’.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.8.
47
Рисунок 2.8 – Схема экспериментальной установки для
определения растворимости азота в минеральном масле
Напорную ёмкость 1 через клапан 5 заполняли маслом до
уровня Н, контролируя с помощью стеклянной мерной трубки 3,
которую затем перекрывали клапаном 4. Затем подавали азот из
баллона 5 с высоким давлением. Дальнейшее повышение
давления обеспечивали насосом 6 с расширительной ёмкостью 7.
Суть эксперимента состояла в том, что если газ
растворяется в масле, то плотность масла уменьшается,
уменьшается соответственно и гидростатический напор столба
масла, что фиксируется дифманометром.
Результаты опытов показаны на рис. 2.9.
Рисунок 2.9 –Зависимость гидростатического напора от
давления азота над ним
48
Процесс удаления растворенного газа из масла
осуществляется в специальных аппаратах – дегазаторах, в
которых поддерживается давление равное атмосферному, для
чего масло из полостей высокого давления дросселируется в
ёмкость дегазатора. Специальный нагревательный элемент
подогревает масло, что способствует удалению пузырьков газа
из масла. Пары газа либо выбрасываются в атмосферу, либо
отсасываются в ёмкости.
2.5.4 Газы при высоких температурах
Ионизация газов – преобразование электрически
нейтральных частиц газа в заряженные частицы. Ионизация
газов происходит путем отрыва от атомов или молекул газа
одного или нескольких электронов, а также присоединение
свободных электронов к некоторым нейтральным атомам или
молекулам. В результате возникают положительные и
отрицательные ионы и свободные электроны, вследствие чего
газ становится проводником электрического тона.
Ионизация газов происходит при высокой температуре,
это учитывается и полезно используется в технике, где
температуры газов и газовых смесей достигают порядка от
нескольких тысяч до десятков тысяч градусов Кельвина.
Диссоциация газов – разъединение, распад молекул на
простые молекулы, атомные группы или ионы, под действием
высокой температуры.
Оба указанных явления имеют место при осуществлении
газовых разрядов. В результате получается качественно новый
газ, представляющий собой смесь положительно и отрицательно
заряженных частиц (ионов и электронов) и нейтральных атомов.
Свойства такого газа практически полностью определяются
температурой.
49
Контрольные вопросы к теме 2
1 В чём заключается отличие реальных газов от идеального?
2 Запишите и поясните уравнение состояния для реального газа.
3 Что такое сжимаемость газа и как она учитывается в расчетах?
4 Что такое смесь газов и как определяются свойства смеси?
5 С помощью каких диаграмм производятся расчеты процессов
для машины объемного и динамического сжатия?
6 Приведите классификацию газов по давлению.
7 Какие самые высокие давления и в каких процессах и
технологиях достигнуты?
8 Какие специфические свойства газов при очень высоких
давлениях?
9 Как ведут себя газы при нагреве до очень высоких
температур?
10 Что такое дроссель-эффект Джоуля-Томпсона?
11 Как проявляется растворимость газов в маслах при высоких
давлениях?
12 Как осуществляется дегазация масла?
13 Какие вы знаете методики для расчета газов при высоких
давлениях?
Список литературы
1. Техническая термодинамика/ Кириллин В.А. Сычев В.В.,
Шнейдлин А.Е.–М.: Энергия, 1983. – 416с.
2. Трофимова Г.И. Курс физики/ Трофимова Г.И.–М.: Высш.
школа, 1985. – 432с.
3. Варгафтик М.Б. Справочник по теплотехническим свойствам
газов и жидкостей/ Варгафтик М.Б.–М.: Наука,1972. – 720с.
4.
Игнатенко
В.М.
Анализ
методов
определения
термодинамических свойств многокомпонентных газовых
смесей/ Игнатенко В.М., Калинкевич Н.В.// Компрессорное и
энергетическое машиностроение.- 2006.- №3(5). С.82 –87.
5. Кучеренко Е.М. Свойства газов/ Кучеренко Е.М.- К.: Вища
школа, 1981.- 96с.
6. Вуналович М.П. Термодинамические свойства воды и
водяного пара/ Вуналович М.П. - М.: Машгиз, 1985.-91с.
50
Тема 3 НЕКОТОРЫЕ ТЕХНИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ
СВОЙСТВА ГАЗОВ
3.1 Растворимость газов в жидкостях. Дегазация
Вода и другие жидкости, соприкасающиеся с каким-либо
газом и смесью газов, содержат в растворённом виде некоторое
количество этих газов, зависящее от рода газа, его парциального
давления над поверхностью жидкости, температуры воды.
Количество газа Gг, мг/л, растворённого в единице объёма
жидкости, прямо пропорционально парциальному давлению
газа:
Gã  kã pã , мг/л,
где pã - парциальное давление газа, кг/Па;
k ã - коэффициент пропорциональности, мг/л∙Па.
Парциальное давление растворённого газа рг, Па, равно
разности полного давления над поверхностью жидкости и
суммы парциальных давлений прочих растворённых газов и
пара жидкости:
pã  p  pn   pã .
Отсюда следует, что если при заданных условиях (p, t)
парциальное давление пара жидкости неизменно, то
растворимость газа в жидкости повышается с повышением
полного давления над поверхностью жидкости. В качестве
примеров на рис. 3.1 приведены кривые растворимости в виде
углекислого газа и кислорода.
Для удаления газов, растворенных в жидкостях,
применяют, как правило, термическую деаэрацию, значительно
реже – химическое связывание газов различными реагентами,
(например, кислород связывают стальными стружками).
При нагреве жидкости до температуры кипения
(насыщения) концентрация газа стремится к нулю.
Выделившийся из жидкости газ отводят вовне.
Аппараты, используемые для этих целей, называются
деаэраторами или дегазаторами.
51
а
б
Рисунок 3.1 – Растворимость в виде углекислого газа (а) и
кислорода (б)
3.2 Поглощение газов и паров твёрдыми телами
Опыт показывает, что различные твёрдые тела поглощают
значительное количество газа. Газ может проникать вглубь
твёрдого тела подобно тому, как это происходит при
растворении газа в жидкости. Такое глубинное удержание газа
твёрдыми телами принято называть абсорбцией. Кроме того, газ
может также удерживаться поверхностью твёрдого тела с
образованием плёнки толщиной в один или несколько
молекулярных слоёв. Тогда говорят о явлении адсорбции.
Абсорбция и адсорбция газов или паров редко встречаются в
чистом виде. В большинстве случаев поглощённый газ частично
находится на поверхности, а частично диффундирует в толщу
твёрдого тела. Поэтому, когда трудно установить характер
механизма поглощения газа, употребляют более общий термин
«сорбция», объединяющий оба понятия – адсорбцию и
абсорбцию.
Твёрдые тела, поглощающие газы, иногда называют
сорбентами, или, если это явление разделимо, адсорбентами
(абсорбентами). Поглощаемый же газ или пар называется
сорбатом (адсорбатом или абсорбатом).
52
Обратный процесс удаления газа из сорбента (например,
путём нагревания в вакууме) называется десорбцией.
Механизм поглощения газа при адсорбции может быть
разным, так как в различных системах твёрдое тело – газ
адсорбция обусловлена различными силами. Различают
физическую и химическую адсорбцию.
При физической адсорбции молекулы адсорбента
сохраняют свою индивидуальность, а адсорбционные силы
имеют ту же природу, что и межмолекулярное взаимодействие в
газах, жидкостях и твёрдых телах. Адсорбированные молекулы
газа принимают участие в тепловом (колебательном) движении
атомов твёрдого тела и, следовательно, при достаточно большой
амплитуде этого движения могут испаряться (десорбироваться)
из поверхности твёрдого тела.
Какое количество газа может адсорбироваться на
поверхности твёрдого тела? Опыт показывает, что для данного
твёрдого тела адсорбция зависит от природы газа и его
давления. Количественную связь массы μ адсорбированного газа
от давления р (при постоянной температуре) получают из
экспериментальных кривых – изотерм адсорбции. На рис. 3.2
показан типичный ход кривых адсорбции для двух температур:
Т1 < Т2. На этих изотермах можно выделить три характерные
области: область низких давлений - участок 0 а, область средних
давлений - ab и область высоких давлений - bc. На отрезках
кривых 0 а величина адсорбции пропорциональна давлению газа
, а затем наступает состояние насыщения (участки ab). В этих
условиях
поверхность
твёрдого
тела
покрывается
мономолекулярным слоем, т.е. слоем, толщина которого не
превышает размеров одной молекулы (атома) газа. При
дальнейшем увеличении давления происходит наращивание
первого слоя и адсорбированный газ может образовать плёнку,
состоящую из нескольких молекулярных слоёв.
53
Рисунок 3.2 – Зависимость массы адсорбции от давления газа
Состояния, отмеченные на изотермах адсорбции, из-за
теплового движения атомов твёрдого тела являются
состояниями динамического равновесия, когда некоторые
адсорбированные молекулы постоянно покидают поверхность
тела (десорбируются), а другие приходят из объёма
(адсорбируются). Как видно из рис. 3.2, для повышения
адсорбционной способности твёрдого тела понижают его
температуру, и, наоборот, если необходимо удалить
адсорбированные газы (обезгазить данную поверхность),
нагревают твёрдое тело. Это широко используют для получения
и поддержания низких давлений.
Иногда взаимодействие между газом и твёрдым телом
напоминает химическую реакцию. Тогда говорят о химической
адсорбции. При этом действуют силы химической связи,
которые
отличаются
по
своей
природе
от
сил
межмолекулярного взаимодействия и часто их даже
превосходят. Так, например, на плёнку кислорода,
образовавшуюся на вольфрамовой нити накаливания, водород
практически не оказывает никакого воздействия даже при
температуре 1500°С. Это свидетельствует о том, что
удерживаемый вольфрамовой нитью кислород действует
совершенно не так, как в газообразном состоянии.
Отличие между химической и физической адсорбциями
состоит также в том, что в то время, как эффективность
54
физической адсорбции с понижением температуры возрастает,
химическая адсорбция при недостаточно высоких температурах
совсем не происходит и, наоборот, может очень быстро
усиливаться с температурой. При нагревании тела газ,
связанный механизмом химической адсорбции, из него либо
совсем не удаляется, либо удаляется очень плохо. При этом
химический состав десорбированного газа отличается от
адсорбированного.
Явление химической адсорбции носит также название
«хемосорбции», так как количество тепла, выделяющееся при
этом процессе по порядку величины соответствует тепловым
эффектам химической реакции.
При объёмном поглощении газов твёрдыми телами
(абсорбции) количество поглощенного газа возрастает
пропорционально объёму тела и зависит от его природы.
Абсорбция газа твёрдым телом, исключая хемосорбцию и
физическую адсорбцию, идёт в направлении образования
твёрдого раствора, т.е. проникновения молекул газа внутрь
кристаллической решетки твёрдого тела.
Типичными абсорбентами газов являются металлы. В
зависимости от условий они могут поглощать объёмы газов, в
сотни раз превышающие их собственный объём. Так, например,
титан поглощает до 1800 объёмов водорода при нормальных
условиях (20° С и 760 мм рт. ст.), цирконий – 1500, палладий –
900, тантал – 750. Вследствие того что абсорбированные газы
проникают внутрь металла, через некоторый промежуток
времени газ начнёт проходить сквозь металл. Процесс диффузии
газов через металлы зависит от природы металла и газа,
толщины стенок и связан с давлением газа и температурой
металла следующим уравнением:
a
W 
p e b / T ,
d
где W – количество диффундируемого газа (объёмные
единицы за единицу времени); a и b – константы для данной
пары металл – газ; d – толщина стенок; р – давление у
поверхности металла, в которую входит газ; Т – абсолютная
температура.
55
На рис. 3.3 приведены кривые, иллюстрирующие скорость
диффузии для различных металлов и газов. Следует отметить,
что скорость диффузии водорода через палладий по сравнению с
другими металлами наибольшая.
Рисунок 3.3 – Зависимость скорости диффузии
для различных металлов и газов
3.3 Газовая коррозия
3.3.1 Общие сведения
В технике аппаратура, изготовленная из металлов и
сплавов, часто подвергается воздействию температуры и газов:
кислорода воздуха, водорода, соединений, содержащих серу и
углерод и др. Почти все металлы, приходя в соприкосновение с
окружающей их газообразной или жидкой средой, более или
менее быстро подвергаются разрушению с поверхности.
Всякий процесс химического разрушения металлов под
воздействием окружающей среды называют коррозией.
56
Продукты коррозии могут образовывать на поверхности
металла плотный защитный слой, затормаживающий её
дальнейшее развитие, или же пористый слой, не защищающий
поверхность от дальнейшего разрушающего воздействия среды.
В этом случае процесс коррозии продолжается до полного
разрушения материала или период времени, пока будет
действовать агрессивная среда. При соприкосновении металлов
с газами на поверхности металла образуются соответствующие
соединения: оксиды, сернистые соединения, основные соли
угольной кислоты, которые нередко покрывают поверхность
плотным слоем, защищающим металл от дальнейшего
воздействия тех же газов.
Газовая коррозия – это разновидность химической
коррозии металлов. Она исходит в условиях, исключающих
наличие влаги на поверхности металла и возникновение
электрохимической коррозии. Поэтому в большинстве случаев
считают, что газовая коррозия исходит при повышенной
температуре, когда вода находится в газовой фазе, или при
обычной температуре, но в сухой атмосфере.
В промышленности газовая коррозия встречается часто,
например, коррозия деталей нагревательных печей, коррозия
металлов при термообработке и др. На скорость газовой
коррозии влияют различные факторы, но прежде всего
температура и состав газовой среды. Повышение температуры
заметно ускоряет газовую коррозию. Эта зависимость
приближённо описывается уравнением Аррениуса:
A
B
K e T ,
где К – скорость реакции; А и В – константы; Т – абсолютная
температура, К. Дополнительное влияние оказывают вторичные
реакции, вид и свойства продуктов коррозии и др.
3.3.2 Коррозия в газовой среде при высоких
температурах
Коррозионное разрушение поверхностного слоя металлов
и сплавов при эксплуатации машин и оборудования при
высоких температурах в газовых средах наносит большой
ущерб. Потери металла неизбежны как при холодной
57
пластической обработке, так и при термической обработке.
Газовая коррозия поражает не только поверхность металла, но
может проникнуть и вглубь (например, обезуглероживание,
сульфидная и водородная коррозия).
Устойчивость сталей и сплавов против коррозии в газовых
средах при высоких температурах зависит от следующих
факторов:
- природы металла или состава сплава;
- состава газовой среды;
- температуры, давления и продолжительности нагревания;
- скорости нагревания и охлаждения;
- непрерывности или периодичности режима;
- наличия механических напряжений.
Для предотвращения коррозии сталей и сплавов при
высоких температурах применяются следующие методы:
а) введение в сплавы специальных легирующих элементов
– Cr, Ni, Al, Si;
б) химико-термическая обработка деталей путём
диффузионного насыщения поверхности изделий элементами
Cr, Al, Si, Be;
в) покрытие поверхности изделий другими, более
окалиноустойчивыми материалами – эмалирование путём
порошкового напыления более устойчивыми окисями.
3.3.3 Отдельные виды газовой коррозии
Наиболее часто на практике встречаются следующие виды
газовой коррозии:
1) окисление;
2) коррозия в атмосфере азота;
3) коррозия в атмосфере, содержащей водород;
4) карбонильная коррозия;
5) ванадиевая коррозия;
6) коррозия, вызываемая сернистыми соединениями;
7) коррозия газообразным хлором и хлористым
водородом.
Ниже рассмотрим основные виды коррозии, имеющие
существенное значение для практики.
58
1 Окисление
При взаимодействии кислорода с металлами и сплавами
последние окисляются с переходом через ряд фаз,
определяющих скорость окисления. Эти фазы можно
классифицировать следующим образом (рис. 3.4):
а) образование зародышей кристаллов на границе металлокисел;
б) образование окисной плёнки на границе газ-металл в
результате химической реакции на поверхности;
в) диффузия ионов металла и кислорода через окисную
плёнку;
г) образование промежуточных слоёв в процессе роста
окисной плёнки из-за неравномерной диффузии кислорода и
ионов металла через неё;
д) изменение состава металла в поверхностных слоях
вследствие избирательного окисления и диффузии в слоях
окисной плёнки, причём поверхностный слой металла
обедняется одними легирующими элементами и обогащается
другими.
Металлы при высоких температурах могут окислятся
кислородом, парами воды, оксидом углерода (CO2), оксидом
серы (SO2) и др.
Рисунок 3.4 – Схема развития процесса окисления
металлических поверхностей
Помимо окисления при температуре выше 700°С
кислород,
пары
воды,
оксид
углерода
и
другие
кислородосодержащие вещества могут обезуглероживать сталь
и чугун, ухудшая их механические свойства.
Окисление углерода происходит на поверхности стали: из
прилегающего слоя он диффундирует на поверхность стали и
окисляется. Снижение концентрации углерода в поверхностном
59
слое стали приводит к изменению структуры сплава и ухудшает
механические свойства, особенно предел усталости и предел
прочности при растяжении.
При определённых условиях водяной пар обладает более
сильным окислительным действием, чем воздух или двуокись
углерода.
Газовая коррозия в перегретом паре идёт значительно
быстрее, чем коррозия в воздушной среде при таких же
температурах. Железо и низколегированные стали в перегретом
паре при 500°С окисляются в два раза сильнее, чем в нагретом
воздухе.
2 Коррозия в атмосфере азота
При нагревании в воздушной атмосфере большинство
металлов и сплавов сильно окисляются, тогда как
взаимодействие их с азотом протекает слабо. Исключение
составляют сплавы, содержащие нитридообразующие элементы:
хром, алюминий, титан, бериллий и др. Известно, что
низколегированные хромом и алюминиевые стали при
температуре 500°С образуют нитриды, обладающие высокой
твёрдостью. Процесс образования нитридов на металлической
поверхности называется азотированием и широко применяется
в практике машиностроения.
Установлено, что добавление молибдена, ванадия и титана
также благоприятно влияет на азотирование, а введение никеля
затрудняют его.
При взаимодействии с азотом на поверхности металлов и
сплавов протекает активная адсорбция; при этом скорость
диффузии азота тем выше, чем больше сродство входящих в
состав сплава элементов с азотом. Наибольшим сродством к
азоту обладают титан и алюминий, значительно меньшим –
хром, марганец, молибден, железо и кобальт.
Самым эффективным методом борьбы с газовой
коррозией в атмосфере, содержащей азот, является повышение
содержания никеля в сплаве. В последнее время в качестве
защитных сред при термической обработке никелевых
60
термоустойчивых сплавов используют азот или смесь водорода
с азотом.
3 Коррозия в атмосфере, содержащей водород
Водород – одна из наиболее важных составных частей
промышленных газов: водяного, светильного, генераторного. При
его сжигании образуется водяной пар. Он легко диффундирует в
металлы, изменяет их свойства и способствует протеканию
некоторых реакций на поверхности и в толще металла.
Диффундирующий в металл водород взаимодействует с
окислами, углеродом (или, точнее, с цементитом), серой,
фосфором и рядом других элементов, образуя водяные пары,
метан, сероводород и т.д. Эти продукты, например водяной пар
или метан, приводят к нарушению структуры, понижают
прочность металла, придают ему хрупкость и способствуют его
разрушению. Такие процессы могут протекать в установках для
синтеза аммиака, гидрирования углей при производстве бензина
и в ряде других случаев, когда водород применяется при
повышенной температуре и давлении. Наклёп или укрупнение
зерен металла способствует повышению его хрупкости и
преждевременному
разрушению.
Действие
водорода
сопровождается также обезуглероживанием металла. Влияние
водорода усиливается при температуре выше 350°С и тогда мало
зависит от содержания углерода в сплаве.
Вначале водород адсорбируется на металлической
поверхности в молекулярном состоянии, а затем вследствие
каталитических реакций диссоциирует на атомы. При
температурах до 300°С в молекулярном состоянии водород
практически не проникает в железо или сталь, но в атомарном
состоянии он проникает в сталь даже при низких температурах,
что наблюдается при её травлении в серной или соляной кислоте.
Количество водорода, диффундирующее в сталь, зависит
от температуры травильных растворов. При этом возможно
насыщение стали водородом. Установлено, что введённые в
определённых количествах по отношению к углероду
легирующие элементы (хром, ванадий, титан и др.),
61
обеспечивающие образование карбидов, устраняют вредное
влияние водорода.
Легированные стали в среде водорода ведут себя поразному в зависимости от состава сплава: в одних из них
воздействие водорода вызывает внутрикристаллический
характер разрушения, у других – разрушения по границам зёрен.
Отпуск образцов в вакууме в первом случае полностью
восстанавливает их механические свойства, а во втором случае – нет.
У медных образцов под воздействием водорода
снижаются механические свойства и этот процесс необратим.
Медь следует отнести к неводородостойким металлам.
В табл. 3.1 приведены металлы и сплавы, стойкие к
различным видам газовой коррозии.
Таблица 3.1 – Металлы и сплавы, стойкие к газовой коррозии
Вид коррозии
Окисление
Наводораживание
Металлы, сплавы
Cr, Ni, стали, содержащие Ti и Ni
Стали легированные Cr, V, Ti
Карбонильная коррозия
Сернистая коррозия
Высоколегированные стали Cr,
CrNi, бронзы
Хромистые стали, алюминий
Коррозия хлором и
хлористым водородом
Никель и его сплавы, нержавеющие
стали
3.4 Методы защиты от газовой коррозии
1) Легирование.
Для защиты от газовой коррозии используют главным
образом термостойкие сплавы. Чтобы уменьшить скорость
окисления железа при 900°С в два раза, достаточно его
легировать 3,5% А1, а в четыре раза – примерно 5,5% А1.
2) Другой метод борьбы с газовой коррозией состоит в
использовании защитной атмосферы. Газовая среда не должна
содержать окислителей в контакте со сталью и восстановителей
в контакте с медью. В качестве защитной атмосферы при
термообработке и сварке применяют инертные газы азот и
62
аргон. Разогрев стали осуществляют в атмосфере, содержащей
азот, водород и окись углерода. Сварка алюминиево-магниевых
и титановых деталей должна производиться в атмосфере аргона.
3) Третий метод уменьшения скорости газовой коррозии
заключается в защите поверхности металла специальными
термостойкими
покрытиями:
термодиффузионными
железоалюминиевыми покрытиями (процессы нанесения этих
покрытий известны под названием «алитирование» и
«термохромирование»), металлокерамическими покрытиями,
или керметами, металлоокисными покрытиями, для получения
которых в качестве неметаллических компонентов применяют
тугоплавкие окислы, например Al2O3, MgO, и соединения типа
нитридов и карбидов. Металлическими компонентами служат
металлы группы железа, хром, вольфрам и молибден.
Контрольные вопросы к теме 3
1 Какие два вида взаимодействия газов с твёрдыми телами?
2 Поясните принцип работы абсорберов.
3 Каков механизм удаления газов, растворённых в жидкостях и
от каких параметров он зависит?
4 Поясните, в чём состоит негативное воздействие газов на
смазочные масла?
5 Что такое газовая коррозия металлов и как она проявляется?
6 Перечислите основные виды газовой коррозии металлов.
7 Опишите механизм развития окисления металлов.
8 Перечислите методы борьбы с газовой коррозией.
Список литературы
1. Кучеренко Е.М. Свойства газов/ Е.М. Кучеренко - К.: Вища
школа, 1981.- 96с.
2. Розенфельд Н.Л. Коррозия и защита металлов/ Н.Л.
Розенфельд –М.: Металлургия, 1970.
3. Борьба с коррозией в химической и нефтеперерабатывающей
промышленности/под ред. И.Я. Клинова. –М.: Машиностроение,
1967.
63
Раздел 2
ВОЗДУХ И УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ГАЗЫ
Тема 4 ВОЗДУХ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
4.1 Воздух: состав и свойства
4.1.1 Общие сведения
Воздух наиболее распространенный газ в природе. Воздух
имеет множество применений в промышленности, транспорте,
системах жизнеобеспечения и т.д. Воздух используется при
различных
давлениях:
от
разрежения
(системы
пневмотранспорта) до небольшого избыточного давления
(вентиляция, кондиционирование, дутьё), среднего давления
(пневмосистемы промышленных предприятий) и высокого
давления (химия, двигатели внутреннего сгорания).
Атмосферный воздух – это естественная смесь газов,
составляющая земную атмосферу. Воздух является источником
кислорода,
необходимого
для
существования
живых
организмов. Сжиганием топлив в среде воздуха человечество
получает необходимое для жизни и производственной
деятельности тепло. Воздух – важнейший и неисчерпаемый
источник химического сырья.
Стандартный состав: N – 78%;O – 20,9%;Ar – 0,9%;CO2 –
0,03%. Воздух не только в атмосфере, но и проникает в почву,
составляет от 10 до 30% её объема, растворен в водах Мирового
океана, рек и озер.
В индустриальных зонах, в крупных городах, вблизи
предприятий металлургической и химической промышленности
состав воздуха может включать углекислый газ и другие
газообразные выбросы и примеси.
Очень важной характеристикой воздуха для его
технического применения является влажность, т.е. содержание в
нем паров и капель воды. Атмосферный воздух всегда влажный.
Почему?
64
Влагооборот на Земле – непрерывный процесс перемещения
воды в оболочке Земли, сопровождающийся ее фазовыми
преобразованиями. При этом происходят следующие процессы:
главным образом испарение, перенос водяного пара,
конденсация образования облаков; выпадение осадков,
инфильтрация в грунт, стоки.
Рисунок 4.1 – Влагооборот на Земле
Вода испаряется с поверхности водоемов, почвы,
растительности и поступает в атмосферу в виде пара, где он
путем турбулентной диффузии распространяется вверх, а затем
воздушными течениями разносится в различные места на
планете. Воздух всегда влажный в той или иной мере.
При понижении температуры влажного воздуха водяной
пар конденсируется, переходя в жидкое или твердое состояние,
образуются облака и туманы. Осадки выпадают, круговорот
воды продолжается.
Общее количество воды на Земле постоянно, среднее
влагосодержание атмосферы также постоянно, т.е. осадки равны
испарениям в целом, но по областям по разному, в зависимости
от атмосферных условий. Содержание водяного пара в воздухе в
среднем равно 0,2% по объему, а в тропиках достигает 2,5 %. На
каждый 1 м2 поверхности Земли приходится около 28,5 кг
водяного пара.
Точка росы – температура, до которой должен охладиться
воздух, чтобы достичь состояния насыщения водяным паром
при данном влагосодержании и неизменном давлении. При этом
в объеме воздуха или на предметах, с которыми он
65
соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка
росы – одна из характеристик влажного воздуха.
Если относительная влажность меньше 100 %, то точка
росы всегда ниже фактической температуры воздуха, и тем
ниже, чем меньше относительная влажность.
При насыщении, т.е. когда  =100 %, фактическая
температура совпадает с точкой росы.
Для tатм =15оС:
100 80
60
40
, %
0
tт.р, С
15
11,6 7,3 1,5
Практически всегда воздух в той или иной мере содержит
влагу в виде равномерно распределенных по объему частичек
жидкости различных размеров. Жидкость в газах может быть в
виде капельной влаги, аэрозоли, тумана, паров, крупных
молекул (рис. 4.2).
Рисунок 4.2 – Классификация влагосодержания в газах
в зависимости от размеров частиц жидкости в
Количество влаги, присутствующей в воздухе,
характеризуется следующими величинами:
- влагосодержанием – масса влаги в граммах,
приходящаяся на 1 кг сухого воздуха: d = mв.п/mс.в, г/кг;
- абсолютной влажностью абс – масса водяного пара,
содержащаяся в 1м3 влажного воздуха, г/м3;
относительной
влажностью
 - отношение
действительного количества влаги в воздухе к
максимально возможному при данных параметрах
(давлении, температуре), выраженное в процентах.
66
В каждый момент времени при данной температуре в
воздухе содержится определенное количество влаги. Избыток
влаги выпадает из воздуха в виде росы независимо от величины
давления воздуха. Значения абсолютной влажности
насыщенного атмосферного воздуха абсs для различных
температур приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Абсолютная влажность насыщенного атмосферного
воздуха при  =100% (для определения температуры точки росы)
t,
абс s,
t,
абс s,
t,
абс s,
абс s,
t, 0С
0
0
0
С
г/м3
С
г/м3
С
г/м3
г/м3
-45
0,105
-5
3,479
35
39,0
75
242
-40
0,177
0
4,903
40
51
80
293
-35
0,292
5
7,020
45
65
85
353
-30
0,473
10
9,731
50
83
90
423
-25
0,699
15
13,252
55
104
95
504
-20
1,114
20
17,3
60
130
100
597
-15
1,597
25
23,0
65
161
-10
2,391
30
30,0
70
198
Например, если температура всасываемого воздуха 30°С
при относительной влажности =80%, то абсолютная влажность
воздуха равна
абс = абс s   = 30,0  0,8 = 24 г/м3.
Влагосодержание воздуха определяется с учетом
плотности воздуха:
d = абс/ = 24/1,127 = 21,29 г/кг.
Параметры сжатого влажного воздуха: влагосодержание
и объем, определяют в зависимости от температуры и давления
по психометрическим таблицам, графикам или измеряют
специальными приборами.
При сжатии воздуха происходит уменьшение его объема, и
влагосодержание его повышается. На рис. 4.3 приведены
диаграммы для определения влагосодержания сжатого воздуха в
состоянии насыщения ( =100%) при различных давлениях. Если,
например, винтовой компрессор всасывает атмосферный воздух
при  =80% и сжимает его до 8 кгс/см2 и 80 °С, то
67
влагосодержание насыщенного сжатого воздуха из диаграммы на
рис. 4.3 равно ds = 40 г/кг, а истинное влагосодержание его равно
d = ds   = 40  0,8 = 32 г/кг.
Рисунок 4.3 – Зависимость влагосодержания сжатого воздуха
от температуры и давления при =100%
4.1.2 Физические и химические свойства воздуха
В древности воздух считали индивидуальным веществом –
одним из 4 элементов – стихий (огонь, вода, земля, воздух).
Француз Лавуазье в 1777г. Показал, что в состав воздуха входят
азот и кислород, а в 1984г. англичанин Рэлей обнаружил в нем
аргон.
В XVII веке Галилей, Торричелли, Бойль и Мариотт
изучали свойства воздуха и открыли ряд закономерностей –
уменьшение давления вверх от Земли, связь между давлением и
объемом воздуха.
Долгое время не удавалось сжижать воздух. Лишь после
того, как Менделеев установил понятие критической
температуры и давления, в 1887г. Нальете (Париж) удалось
68
превратить воздух в жидкость. А в 1985г. немец Линде построил
установку для сжижения.
При t=0ºС и p=0,1 МПа (1атм или 760 мм рт. ст.)
плотность воздуха 1,292 г/л.
Критическая температура – 140,7ºС, критическое давление
- 3,72 МПа.
Скорость звука в воздухе около 330 м/с.
Жидкий воздух – голубая жидкость с плотностью
0,96 г/см² (t =-192ºC и р = 0,1 МПа). Свободно испаряется при
температуре t =-190ºC, при этом состав его изменяется, т.к. N2 и
Ar улетучиваются быстрее кислорода. Это свойство
используется для получения чистых О2, N2, Ar.
Атмосферный воздух – смесь газов, не вступающих в
реакцию при обычных условиях. В основном это азот и
кислород. Поэтому все свойства, характерные для кислорода и
азота, присущи и воздуху.
Азот – это газ, близкий по своему воздействию к
нейтральным газам, и не требует применения каких-то
защитных мер или специальных материалов для объектов,
контактирующих с ним. Однако он оказывает неблагоприятное
воздействие на человека, длительно пребывающего в среде с
повышенным содержанием азота.
Кислород, наоборот, активный окислитель. Поэтому
конструкция машин и аппаратов для этого газа должна
учитывать корозийность, особенно влажного воздуха,
возможность возгорания горючих материалов в среде воздуха,
возможность самовоспламенения и взрыва в газовых
коммуникациях при наличии отложений нагара, паров или
капель масла (свыше 100 атм.).
Воздух растворяется в смазочных маслах, способствует их
преждевременному окислению, коксованию, понижению
температуры вспышки.
Воздействие на человека
При понижении давления до 140 мм Нg появляются
признаки кислородного голодания, а при 110 мм Нg – гипоксия,
до 50 – 60мм – уже опасно для жизни.
69
Увеличение парциального давления N2 в воздухе вызывает
наркотические действия.
Высокая концентрация СО2 вызывает асфиксию, а при
14 – 15% его наступает смерть. В жилых помещениях
содержание углекислого газа не должно быть выше 0,1%.
Оптимальная относительная влажность 40 – 60%.
4.2 Значение воздуха в развитии человечества
4.2.1 Развитие технологий применения сжатого воздуха
Ещё 3000 лет назад дутьё воздуха мехами применялось
для выплавки металлов и вентиляции шахт (есть др. египетские
рисунки).
Герон Александрийский ввел понятие «пневматика» использование сжатого воздуха.
В средние века начали применять привод мехов от
водяного колеса.
В средине XVIII века изобретена паровая машина и
сходный с ней поршневой компрессор, создавший давление до
0,2 МПа (2 атм).
В 1741г. Гелье построил примитивный вентилятор с
вращающимися на оси лопатками – воздуходувку.
Затем появились пневмопочта, водолазный костюм,
кессоны.
В начале XIX в. уже могли сжимать воздух до давления
0,5 – 0,6 МПа, и начали передавать его на расстоянии. Началось
широкое применение сжатого воздуха в различных технических
устройствах.
В 1845г. изобретена пневмомашина, а в 1872 г. –
пневмотормоз.
В 1857г. появился пневмоинструмент – бурильный
молоток – для прокладки тоннеля в Альпах.
Вскоре появились первые КС – в Париже N=1470 кВт,
p = 0,6 МПа, протяженностью сети до 48 км – обеспечения для
фабрик и заводов. Позже довели мощность до 18500 кВт – с
паровым приводом.
70
Далее
–
пневмотранспорт,
воздухоразделительные установки и др.
пневмопривод,
4.2.2 Назначение сжатого воздуха
Сегодня ни одно промышленное предприятие не может
обойтись без применения сжатого воздуха, который является
доступным и дешевым источником как сырьевым, так и
энергетическим.
Особенно
широко
сжатый
воздух
используется в промышленности и строительстве. Источниками
сжатого воздуха служат как небольшие мобильные установки,
так и крупные стационарные компрессорные станции,
связанные с потребителями через сеть воздухопроводов, что в
совокупности
образует
систему
воздухоснабжения
промышленного предприятия.
Системы воздухоснабжения предназначены для выработки
сжатого воздуха требуемых параметров и бесперебойного
обеспечения им технологических нужд предприятия.
В зависимости от профиля предприятия, производства
сжатый воздух сегодня используется для:
- осуществления основных технологических процессов
(как компонент химической технологии, например, для
получения кислорода и азота, для дутья в металлургии и т.п.);
- энергетического применения, связанного с использованием
воздуха как окислителя при сжигании различных топлив или как
теплоносителя для нагрева или охлаждения газов и жидкостей;
- как рабочее тело в двигателях ДВС, ГТУ;
- обеспечения работы пневмоинструмента и пневмоприводов,
питания машин литейных и кузнечных производств, строительных
машин и механизмов, выполнения обдувных, пескоструйных,
покрасочных и других работ на производственных предприятиях
различного профиля деятельности;
- обеспечение работы технологических комплексов
и устройств (конвейеров, систем пневмотранспорта, буровых
станков и т.п.);
71
- обеспечения работы пневматических систем, систем
КИП и А и многое другое в технике.
Заметим, что на некоторых производствах, например
на химических комбинатах, сжатый воздух для основных
технологических процессов имеет параметры, отличные от
параметров системы воздухоснабжения, и вырабатывается
специальными компрессорами, входящими в состав
оборудования технологических линий.
В курсе «Компрессорные станции» рассматривается
применение сжатого воздуха в качестве энергоносителя в
различных производствах. Это его применение трудно
переоценить. Но есть и другие применения. Наиболее
значительные из них – использование воздуха в качестве
реагентов в металлургии и химии, а также пневмотранспорте.
4.3 Применение сжатого воздуха в металлургии
Здесь воздух применяется в качестве реагента,
содержащего О2. Главная функция – дутьё, т.е. подача сжатого
воздуха в различные агрегаты – домны, мартены, конверторы.
Это крайне необходимо для горения во всех металлургических
процессах.
Обогащение руды – (1-й процесс) – повышение
содержания железа или другого металла в руде и понижение
вредных примесей. Один из способов обогащения – флотация.
Сжатый воздух продувают через пульпу. При пенной
флотации частицы полезного минерала не смачиваются водой и
поднимаются вместе с пузырьками воздуха, а другие
смачиваются и оседают на дно – это пустая порода (рис. 4.4).
Широко используется для обогащения руд цветных
металлов (% низкий), но и для железа тоже.
72
Рисунок 4.4 – Схема обогащения руды
Агломерация – окомкование мелких и пылевидных руд
методом спекания на агломерационной машине (рис. 4.5).
Кокс начинает гореть, руда разогревается и превращается
в прочную пористую массу – «слипается» – это и есть
агломерат, что позволяет потом в домне осуществить более
эффективный процесс выплавки чугуна.
Рисунок 4.5 – Схема агломерации
73
Доменный процесс (рис. 4.6). Железо в руде находится в
виде окислов. Поэтому нужно освободить железо от связанного
с ним О2 – восстановление.
Рисунок 4.6 – Доменный процесс
Кислород, содержащийся во вдуваемом в печь горячем
воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, образуя СО2. Он
поднимается выше, взаимодействует с коксом, образуя СО, она
отбирает у окислов железа руды кислород и связывает его. А
освободившееся железо взаимодействует с углеродом, образуя
чугун. На 1т чугуна необходимо 2500 – 3500 м3 воздуха, т.е.
V=8000 м3/мин. Чтобы воздух не охлаждал печь, его
предварительно подогревают до 1100 – 1300ºC в кауперах.
Насадку греют, сжигая топливо. Затем подачу топлива
прекращают и прокачивают воздух. Чтобы процесс подачи был
непрерывный, устанавливают несколько кауперов. Заметим, что
в воздухе 4/5 азота, т.е. 80% энергии затрачивается впустую, т.к.
для горения используется только 20% кислорода.
Очевидно, что выгоднее воздух обогащать кислородом. Но
это стало возможным лишь в 30 – 40-х годах XX века с
появлением мощных разделительных установок.
74
Конверторный способ варки стали (бессемеровский).
Расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и
содержащийся в нем О2 соединяется с углеродом, кремнием и
марганцем (рис. 4.7 а). Этот процесс обратный доменному
процессу – окислительный. Таким образом, связывают
ненужные компоненты в окислы и удаляют.
При продувке воздухом углерод быстро выгорает и из чугуна
образуется сталь. А Si и Mn при соединении с О2 выделяют тепло
для поддержки реакции, т.е. конвертор – «печь без топлива»
(Менделеев). Недостатки – насыщение стали азотом – хрупкость
стали, склонность к старению. Оставались и вредные примеси S и P.
Чугун для этого годился не всякий, а только с Si и Mn. Металлолом
в конверторе нельзя переплавлять.
O
2
Слив
б
а
Рисунок 4.7 – Схемы бессемеровского (а) и кислородноконвертерного процессов (б)
Поэтому лучше – мартеновский способ – для переработки
чугуна и лома (рис. 4.8).
Здесь тепло для процесса плавления необходимо подводить
за счет сжигания мазута, коксового газа, калашникового газа.
Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах за счёт тепла,
уходящих из печи продуктов сгорания. Нагреваются насадки.
Аппараты периодического действия. Поэтому их ставят парами и
переключают через 15 – 20 мин. Производительность мартена –
100 т стали в час. Этот способ более прогрессивный.
75
Кислородно-конвертерный процесс – аналогичен
бессемеровскому (рис. 4.7 б). Отличие в том, что кислород
подается не через дно, а сверху и под высоким давлением
(0,9 – 1,4 МПа). Кислород внедряется в сталь, окисляет Si и Mn с
выделением тепла. Температура поднимается до 1400 – 1450ºC.
Затем происходит окисление углерода – он выгорает (до 2%),
температура достигает 1600ºC, поэтому и лом можно добавлять,
тепла хватает. Производительность 400 – 500 т/час.
Рисунок 4.8 – Схема мартеновского способа
Во всех этих процессах необходимы компрессорные станции
с высокопроизводительными осевыми и центробежными
компрессорами, станции разделения воздуха. Некоторые из
компрессорных машин представлены на рис. 4.9 и 4.10.
Рисунок 4.9 – Общий вид агрегата с компрессором типа К3250-41-2
для подачи в доменную печь атмосферного или атмосферного,
обогащенного кислородом воздуха
76
Рисунок 4.10 – Центробежная установка 543 ГЦ1 (ККЗ, Россия),
предназначенная для сжатия кислорода в производстве стали
конверторным способом
4.4 Пневмотранспорт
4.4.1 Общие сведения о пневмотранспорте
Пневмотранспорт – перемещение грузов по трубам с
использованием энергии сжатого воздуха, появился еще в конце
XVIII века, как только были изобретены компрессоры. Вначале
это была пневмопочта (рис. 4.11).
Рисунок 4.11 – Схема пневмопочты : ЦСП- центральный
сортировочный пункт
Так, в Париже уже в середине XIX века существовала
грандиозная разветвленная пневмотранспортная сеть для
77
перемещения
почтовых
отправлений
в
контейнерах,
обслуживаемая компрессорной станцией общей мощностью
более 1000 кВт.
В последствии принцип пневмопочты был распространен
и на перемещение различных грузов как внутризаводской
транспорт, так и между предприятиями, связанными
технологически (например, карьер по добыче минералов,
перерабатывающая
фабрика).
В
настоящее
время
пневмотранспорт применяется для перемещения на большие
расстояния сыпучих веществ и контейнеров с грузами.
4.4.2 Контейнерный транспорт
Контейнерный транспорт – под действием перепада
давления по трубопроводу перемещаются контейнеры (капсулы)
со штучными сыпучими грузами (рис. 4.12). При этом контейнер
выполняет роль подвижного поршня, перемещающегося внутри
герметичного воздухопровода под действием избыточного
давления, создаваемого компрессором. В пункте доставки с
помощью заслонки осуществляется разгерметизация полости
трубы, контейнер останавливается и разгружается, а затем
направляется на погрузку. Трубы обычно пластмассовые
диаметром до 1200 мм.
Рисунок 4.12 – Контейнерный транспорт
В
современном
пневмоконтейнерном
транспорте
компримирование
воздуха
обычно
осуществляется
высокорасходными
турбовоздуходувками.
Грузовые
контейнеры соединяются в пневмопоезда (рис. 4.13).
Если состав массой 65 т движется по горизонтальному
участку трубы диаметром 1220 мм то для преодоления
78
сопротивления требуется создать перепад ∆p=0,01 МПа. При
этом тяговое усилие приблизительно равно
1222
R=S∆p=3,14
0,01=11680 Н.
4
Рисунок 4.13- Пневмопоезд
Установки бывают прерывного (периодического) и
непрерывного действия. Однотрубные (а, б) и двухтрубные (в).
Схемы применяются в зависимости от грузооборота и
технологических особенностей промышленного производства.
Рисунок 4.14 – Схемы пневмопроводов
Все операции загрузки и разгрузки автоматические.
Управление производится с помощью ЭВМ. Большая
перспектива применения контейнерного пневмотранспорта –
мусоропроводы городов.
4.4.3 Пневмотранспортировка зерна и сыпучих
материалов
Пневмотранспорт
более
совершенный
способ
перемещения зерна и муки, чем механический (транспортеры).
Особенно широко применяется на предприятиях по переработке
и хранению зерна:
- для выгрузки зерна из судов, вагонов, складов;
79
для перемещения отходов от места их получения
(элеватор, мельница, крупозавод) до места их
переработки и хранения;
- как внутри- так и межцеховой транспорт.
Преимущества пневмотранспорта по сравнению с
механическим способом: механизация труда, улучшение
санитарно-гигиенических
условий
труда,
повышается
производительность в 3 – 4 раза, ускоряется разгрузка, возможна
работа при любой погоде, улучшается качество зерна
(подсушка), повышается безопасность труда, отсутствует
загрязнение продукта маслами.
Недостаток – повышенное потребление электроэнергии
(в 4 – 6 раз и более). Поэтому применяется только для разгрузки
судов и ж/д вагонов, стоимость простоя которых высока.
Широко применяется как внутрицеховой транспорт на
элеваторах и мукомольных заводах – меньше пыли, менее
взрывоопасно, более компактно.
Перемещение сыпучих материалов осуществляется с
помощью воздушного потока, создаваемого воздушной
машиной, нагнетания или всасывания. Частицы материала
(цемент, уголь и др.) размером до 50 мм, песка, зерна, муки,
стружки, опилок находятся в потоке во взвешенном состоянии.
Производительность таких установок пневмотранспорта до
300 т/час, дальность – 2 км, а высота подъема до 100 м.
Основное достоинство – работа без пыли, недостаток –
повышенный расход электроэнергии.
Примеры: перемещение сыпучих материалов между
цехами, разгрузка бункеров, погрузка судов, вагонов, удаление
отходов, пыли.
Другой способ – насыщение перемещаемого продукта
сжатым воздухом, в результате материал становится текучим и
перемещается по жёлобу с небольшим уклоном (4 – 5º). Это так
называемые аэрожёлобы. Расход энергии при этом
незначителен.
Движение по транспортной трубе материало-воздушной
смеси имеет свои существенные особенности. Прежде всего
-
80
поток следует рассматривать как двухфазный. Характеристикой
потока является расходная концентрация
Q ðàñõî ä ì àò åðèàëà
 
.
V
ðàñõî ä ãàçà
В первый момент работы установки труба заполняется
сыпучим материалом, образуется “пыж”, для перемещения
которого требуется большой перепад давления. Затем, при
достижении
некоторой
критической
скорости
“пыж”
разжижается газом, перепад давления резко падает и сыпучая
смесь начинает двигаться по трубе в расчетном режиме
(рис. 4.15 а). Это явление называется эффектом псевдоожижения. В
разжиженной среде твердые частички взвешены в газовой среде, за
счет чего связное трение между ними резко уменьшается.
а
б
Рисунок 4.15 – Схема пневмотранспорта сыпучих веществ (а)
и зависимость требуемого напора от скорости потока (б)
Структура течения смеси в трубе неоднородна
Возможные режимы поданы на рис. 4.16.
Рисунок 4.16 - Схемы режимов течения сыпучих веществ:
а - с пузырьками газа (в вертикальных трубах);
б - неоднородный поток (в горизонтальной трубе);
в - материал движется в виде отдельных частиц;
г - транспорт в виде поршней (наиболее производительный)
81
Пневмотранспортные установки классифицируют:
- по способу действия: всасывающие, нагнетательные;
- по установке: стационарные, передвижные, плавучие;
- по напору: низкого, среднего (500 мм вод. ст.;
500-1500 мм рт. ст. - вентиляторные) и высокого давления
(1500 мм вод.ст. - компрессорные).
Схемы пневмотранспортных установок (ПТУ) приведены на
рисунках 4.17 и 4.18.
Рисунок 4.17 – Схема всасывающей ПТУ
Всасывающие
ПТУ
имеют
небольшую
производительность. Несмотря на пылеотделители и фильтры в
воздуходувку попадают частицы пыли, что приводит к
повышенному зносу робочих колес.
Рисунок 4.18 – Схема нагнетательного ПТУ
82
Нагнетательные
установки
имеют
большую
производительность и дальность транспортировки, т.к. давление
высокое.
Нагнетательные ПТУ экономичнее всасывающих. Через
компрессор или вентилятор проходит чистый воздух.
Оборудование ПТУ
Для всасывающих ПТУ важным элементом является
пневмоприемник, который собственно и всасывает зерно в
трубопровод (рис. 4.19).
Рисунок 4.19 – Схемы пневмоприемников: «сопло» (а),
горизонтальный (б) и эжекторного типа (в)
Важный элемент нагнетательного ПТУ – шлюзовой затвор
– служит для предотвращения «обратного» эффекта – попадания
сжатого воздуха в бункер (рис. 4.20).
Материалопроводы – это обычно стальные трубы,
соединенные гибкими вставками (рукавами) для перемещения
его в нужное место. Обычно их подвешивают на тросах к
стрелам кранов и регулируют по выносу и высоте (глубине)
установки. Для дутья применяют вентиляторы разной
напорности, одно- и многоступенчатые воздуходувки.
83
Рисунок 4.20 – Шлюзовой затвор
4.5 Эрлифт (воздушный подъемник)
Для транспортировки жидких веществ применяется т.н.
«эрлифт». Суть его в следующем. Два сосуда (емкости)
установлены на разной высоте. Необходимо перекачивать
жидкость из сосуда А в сосуд Б. В низ подъемной части трубы
вдувается струя воздуха. Образующаяся жидкостно-воздушная
смесь имеет плотность меньшую, чем у жидкости см ж. Эта
разность и обеспечивает перекачку жидкости на высоту Н.
Должна быть обеспечена минимальная глубина вдувания
воздуха, при которой тяга равна нулю:
 см
.
 ж   см
Чтобы появилась тяга, надо чтобы hhmin.
Иными словами должно быть  æ  h   ñì  H  h  .
hmin  H 
С помощью эрлифтов осуществляется понижение уровня
грунтовых вод в подземных выработках угольных шахт, подъем
воды из артезианских глубоких колодцев и т.п. (рис. 4.21).
84
Рисунок 4.21 – Схема эрлифта
4.6 Аэрация сточных вод
Аэрация – насыщение воздухом сточных вод в установках
биологической очистки. Эти установки предназначены для
удаления из воды растворенных органических веществ. Для
этого используется биохимические процессы, осуществляемые
комплексом микроорганизмов, адаптированных к данным
условиям.
Основной процесс при переработке микроорганизмами
органических соединений, растворенных в сточной воде,
является окисление их. Поэтому в воде должно содержаться
необходимое
количество
кислорода.
Это
достигается
принудительным вдуванием воздуха в воду (рис. 4.22).
В
качестве
дутьевых
машин
применяются
многоступенчатые центробежные воздуходувки или крупные
водокольцевые
компрессоры,
которые
не
загрязняют
дополнительно воздух смазочными маслами.
85
Рисунок 4.22 – Биофильтр для очистки сточных вод:
1-водораспределительное устройство;
2-загрузка; 3-гидравлический затвор
4.7 Применение сжатого воздуха на транспорте
Разнообразное применение получил сжатый воздух и в
других областях техники, особенно на транспорте. Вот лишь
часть устройств, использующих сжатый воздух:
- летальные аппараты легче воздуха;
- суда на воздушной подушке;
- пневмошины подвижного состава;
- пневмотормоза;
- подводные лодки и др.
Использование сжатого воздуха в воде и под водой:
- надувные плавсредства;
- пантоны;
- кессоны;
- подводные дыхательные аппараты и др.
Широко
применяется
сжатый
воздух
для
пневмоиспытаний сосудов, устройств, трубопроводов, в
технологических процессах машиностроения (пескоструйная и
дробеструйная обработка изделий, покраска поверхностей) и во
многих других случаях.
86
Контрольные вопросы к теме 4
1 Состав воздуха, его основные свойства.
2 Что означает влажность воздуха, от чего она зависит и какими
величинами измеряется?
3 Что такое «точка росы» и как она применяется на практике?
4 Сделайте классификацию влагосодержания.
5 Что означает понятие «технически чистый воздух» и чем
регламентируется его состав?
6 Перечислите основные применения сжатого воздуха.
7 Для чего и как применяется сжатый воздух в металлургической
промышленности и укажите основное оборудование для этих целей.
8 Что такое пневмотранспорт? Перечислите применения его и
основные схемы.
9 В чем особенности пневмотранспорта сыпучих сред?
10 Приведите схему и опишите основное оборудование
пневмотранспортных установок для перемещения сыпучих веществ.
11 Опишите устройство и принцип действия эрлифта.
12 Опишите устройство и принцип действия систем аэрации
сточных вод.
13 Перечислите применения сжатого воздуха для транспортных
установок.
Список литературы
1. Левин В.И. Профессии сжатого воздуха и вакуума/В.И. Левин
–М.,1989.
2. Карабин А.И. Сжатый воздух. –М.: Машиностроение,1964.
3. Воскобойников В.Б. Общая металлургия/ В.Б. Воскобойников
и др.–М.: Металлургия, 1985. – 480с.
4. Вайсман М.Р. Вентиляционные пневмотранспортные
установки/ М.Р. Вайсман И.Я. Грубиян – М.: Колос,1969. – 256с.
5. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих
материалов в химической промышленности/ Г.М.Островский. –
Л.: Химия, 1984.– 104с.
87
Тема 5 ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
5.1 Общие сведения
Природные горючие газы – газообразные углеводороды,
образующиеся в земной коре. Природные газы состоят в
основном из смеси метана, этана, пропана, бутана, иногда
содержат примеси СО, N2, SH4, легкокипящих жидкостей,
пентана, гексана и др.
Природные газы встречаются в виде газонефтяных
месторождений
и
газоконденсатных
месторождений.
Соответственно добыча и подготовка газа имеет свои отличия.
В газонефтяных месторождениях газ находится либо в
свободном состоянии, либо полностью или частично растворен
в нефти. В газоконденсатных месторождениях газ обогащен
жидкими, низкокипящими углеводородами. Поэтому в пласте
содержится одновременно и газ, и конденсат.
Состав природных газов различных месторождений
отличаются друг от друга, иногда и значительно. Например,
изменение молекулярного веса газа одного бассейна –
Западносибирского лежит в пределах от 15 до 22 единиц.
Состав газа Диканьского промысла: метан – 88,35%, этан –
5,26%, пропан – 2,29%, изобутан – 0,19%, бутан – 0,33%, пентан
– 0,09%, гексан – 0,05%, азот – 1,96%, СО2 – 1,48%. Плотность
газа 0,782 кг/м3. Теплотворная способность 8470 ккал/м3.
Залегает природный газ обычно на глубине не более 1,5 км
и содержит в основном метан. С увеличением глубины до 3 км
содержание гомологов (этан, пропан, бутан) растет. В
газоконденсатных месторождениях содержание гомологов
метана значительно выше, чем метана.
Количество добываемого газа (дебет) зависит от
газоносности и газопроницаемости горных пород данного
месторождения.
Газоносность – количество газа, содержащегося в единице
массы или объема горных пород в природных условиях.
Газопроницаемость – свойство твердых пород пропускать
газ при существующей разнице давлений.
88
Попутный нефтяной газ – это углеводородный газ,
сопутствующий нефти и выделяющийся из нее при сепарации.
Количество содержащегося в нефти газа характеризуется
êî ëè÷åñò âî ãàçà, ì 3
газовым фактором – отношением
.
êî ëè÷åñò âî äî áû ò î é í åô ò è , ò
В отличии от природного газа попутные газы содержат
значительное количество гомологов, кроме того, в нем
содержатся пары воды, азот, сероводород, т.е он как бы
«грязнее» природного газа и требует более тщательной очистки
и обработки перед применением.
Мировые запасы газа континентальные, на шельфе и
мелководных морях составляют 1015 м3, что эквивалентно 1012 т
нефти.
В Украине разведаны и разрабатываются три
месторождения газа: Прикарпатская впадина, Донецко –
Днепропетровская впадина и Азово – Черноморский шельф.
Интенсивная разведка нефти и газа началась в Украине
лишь в конце 30-х годов прошлого века. Сначала газ был найден
в районе нефтяных промыслов в Прикарпатье. Уже в начале
50-х ХХ в. годов вступил в эксплуатацию первый в Украине
газопровод Дашава – Киев.
В конце 50-х годов ХХ в. началась эксплуатация
крупнейшего в Европе Шебелинского месторождения. В силу
свойств газа и геологических условий коэффициент извлечения
газа не превосходил 25-30%. Затем был разведан ряд
месторождений Полтавско – Ахтырского региона. Здесь
оказались запасы и нефти, и газа, и газового конденсата.
Перспективы этого месторождения считаются хорошими.
Разведана лишь часть района впадины.
В последние десятилетия проводятся работы по бурению
скважин и добычи нефти и газа на континентальном шельфе
Черного моря от Румынии до России. Запасы газа здесь
оцениваются в 1 ò ðëí ì 3 . Пока добыто лишь около 3%.
На сегодня добыча газа в Украине составляет около
18 млрд м 3 / год (в 1995г. – 40 млрд м 3 / год ), это равно около
89
¼ потребности Украины в газе (около 80 млрд м 3 / год ).
Заметим, что природный газ составляет 45% от всех
энергоносителей, потребляемых в Украине. Транзит газа через
Украину равен около 120 млрд м 3 / год , общая емкость
подземных хранилищ природного газа составляет 35 млрд м 3 .
5.2 Технологии добычи природного газа
5.2.1 Разработка газовых месторождений
Весь «жизненный цикл» природного газа – от места
добычи до места потребления – связан с применением
компрессорных технологий – сжатия и перемещения, поэтому
мы рассмотрим вкратце весь этот цикл.
Добыча – это извлечение газа из недр земли, его сбор и
подготовка к транспортированию. Особенность добычи
природных газов – необходимость герметизации его на всем
сложном пути, иначе возможны пожары, взрывы, жертвы.
В начале газодобычи скважины были не глубокие и из них
извлекалось только часть свободного газа, что составляло 10 –
20% от общего дебета. Газ выходил под собственным
естественным давлением.
В 30-е годы ХХ в. освоили глубокое бурение 1,5 – 3 км.
Открыли новый тип залежей – газоконденсатные. Но при их
разработке было загублено много месторождений: газ взяли, но
с падением давления происходит парафинизация скважин и
безвозвратно потеряны остатки газа и конденсата.
Обычно эксплуатация месторождения происходит в три
этапа: бурят скважины и 2-3 года производят опытно –
промышленную
эксплуатацию,
определяют
по
производительности, скорости падения давления в пласте
мощность месторождения. Затем промышленная эксплуатация в
три периода: нарастающей, постоянной, падающей добычи
10-15 лет. Когда давление в пласте понижается до 50 и менее
атмосфер, вводится дожимная компрессорная станция.
Эксплуатация
промысла
считается
экономически
нецелесообразной при падении пластового давления ниже15-20
атм. Обычно за полный цикл извлекается 80-90% запасов газа.
90
Схема газового промысла представлена на рис. 5.1. Газ,
поступающий из скважины, дросселируется на вентилях до
необходимого давления. Газовые скважины объединяются в
кусты. От каждого куста газ отправляется на газосборочный
пункт, где происходит очистка и осушка газа. Затем через
головную компрессорную станцию газ направляется в
магистральный газопровод.
При длительной эксплуатации месторождения дебет газа
уменьшается как из-за падения давления вследствие отбора газа,
так и из-за купирования газоносных каналов.
б
а
Рисунок 5.1 – Схема кустового газового промысла (а)
и скважина (б)
Применяются различные способы интенсификации
добычи газа: в забой вводят соляную кислоту – в известняке
поры и каналы увеличиваются, в твердых грунтах торпедируют
взрывом для образования трещин.
5.2.2 Разработка газоконденсатных месторождений
Разработка
газоконденсатных
месторождений
осуществляется тремя способами:
1) как чисто газовые – наименее эффективно;
2) закачкой воды – для вытеснения газа;
3) сайклинг – процесс – наиболее прогрессивный – будет
рассмотрен ниже.
Особенность газоконденсатных месторождений состоит в
том, что при падении пластового давления тяжелые
углеводородные фракции образуют вязкие суспензии, которые
заиливают, закупоривают каналы газоносных пород. Дебет газа
значительно сокращается и достигает уровня, когда дальнейшая
добыча становится экономически нецелесообразной.
91
5.3 Подготовка газа
Так как около 80% всего газа в России и в Украине
добывается из газоконденсатных месторождений, то в газе
присутствует много влаги, конденсата, тяжелых углеводов, а
также механических примесей. Вода, содержащаяся в газе,
образует снеговидное вещество – гидраты углеводородов,
осложняющие добычу и транспортировку (зарастают трубы).
Наличие сероводорода вызывает активную коррозию труб.
Такой газ называют «сырым» и его нельзя пускать в
газотранспортную систему. Необходимо его подготовить, т.е.
очистить от этих компонентов и осушить. Для этого при
обустройстве промысла предусматривают систему для
подготовки газа.
Существуют стандарты на чистоту природного газа, в том
числе на содержание влаги. Для Украины необходимо очищать
(осушать) газ до точки росы 0 – -3оС летом и -5 – -10оС зимой.
Для Сибири и Севера осушка производится до точки росы -30оС.
Для удаления механических примесей используют
различные фильтры и сепараторы.
Удаление влаги производят способом низкотемпературной
сепарации (происходит конденсация и оседание водяных паров).
Охлаждение осуществляют различными способами: глубоким
дросселированием (в 2-4 раза) газа, использованием
холодильных установок, установкой турбодетандера или
твердыми поглотителями. Извлекаются и тяжелые углеводороды
– отбензинивание, удаляют серу с помощью связывающих
веществ. Затем газ подается на осушку на газосборный пункт.
Газ из чисто газовых месторождений подвергают только
очистке от механических примесей и осушке.
Рассмотрим схемы установок низкотемпературной
сепарации газа (рис. 5.2). В начальный период эксплуатации
месторождения давление на выходе из скважины существенно
выше давления в начале газопровода, холод получают за счет
дросселирования газа на блоке вентилей (рис. 5.2 а).
92
а
б
Рисунок 5.2 – Схемы дроссельной (а) и
холодильной (б) сепарации газа:
С – сепаратор; ХА – холодильный агрегат
Таким образом, можно очищать газ в течение первых
10 лет. В дальнейшем в течение 10 – 15 лет необходимо
применять искусственный источник холода, потребляющий
значительное количество энергии (рис. 5.2 б). С 70-х годов
эффективно используются турбодетандерные холодильные
установки (рис. 5.3).
Рисунок 5.3 – Схема турбохолодильной установки:
С – сепараторы; К – компрессор; Т – теплообменник;
ТД – турбодетандер
Конструктивные особенности турбодетандера
Эти машины бывают радиальные и осевые. Первые – для
невысоких расходов газа. В промышленных условиях отдается
предпочтение осевым детандерам. В качестве потребителей
мощности, вырабатываемой детандером, могут использоваться
электрогенераторы, насосы, компрессоры. Для электрогенераторов
93
нужен понижающий редуктор, уплотнение выходного вала
детандера. Кроме того, режим работы детандеров непостоянен,
т.е. частота тока будет не стабильной.
Наилучшее решение – установка в качестве нагрузочного
устройства компрессора, с установкой рабочего колеса на валу
детандера. Выхода вала из корпуса не требуется, герметичность
обеспечивается (рис. 5.4).
Рисунок 5.4 – Конструктивная схема турбодетандера:
РК – радиальный компрессор; ОД – осевой детандер
Таким образом, мощность, вырабатываемая детандером,
идет на частичное сжатие газа после его сепарации. Для
доведения давления газа до требуемого на входе в газопровод
используется дополнительный компрессор.
5.4 Транспортировка газа
Для этого служат магистральные газопроводы, по которым
газ транспортируется на сотни и тысячи километров от места
добычи к пунктам потребления. Это не просто длинная труба,
это сложнейший технический комплекс (рис. 5.5).
Первый газопровод был в Китае из бамбуковых труб еще в
начале новой эры. В Европе в конце ХVIII века применяли
чугунные трубы, а с ХIХ века – стальные для большого давления.
Размах добычи природного газа начался в начале ХХ века
главным образом в США.
В СССР небольшие газопроводы появились еще перед
ВОВ. А после войны началось сооружение крупных
газопроводов Саратов – Москва, Предкарпатье – Киев, затем
94
Дашава – Киев – Москва, Шебелинка – Белгород, Курск – Орел
– Брянск и т.д.
Украина унаследовала от СССР мощную систему
газопроводов, среди которых крупнейший Уренгой – Помары –
Ужгород международный транзит.
Давление в газопроводах 56 и 76 кгс/см2, диаметр труб
720 – 1420 мм.
Рисунок 5.5 – Схема газотранспортной сети
«промысел – потребитель»:
ГКС – головная компрессорная станция; КС – линейные
компрессорные станции; ПХГ – подземные хранилища газа;
ГРС – газораспределительная станция
Сооружение магистральных газопроводов технически
сложная и очень дорогостоящая задача. Например, газопровод
Уренгой-Ужгород имеет протяженность 4450 км, 6 параллельных
магистралей общей протяженностью более 20000 км, уложено
3 млн т труб диаметром 1420 мм. С рабочим давлением 7,6 МПа.
На газопроводе смонтировано 40 компрессорных станций,
19 установок комплексной подготовки газа со станциями
охлаждения газа (для предотвращения разжижения мерзлого
грунта и заболачивания местности) преодолено 560 рек, в т.ч.
Волга, 960 км болот.
Способы прокладки труб:
– подземный (в зоне сезонного промерзания грунта
европейской части);
– надземный, на опорах «змейкой» – на Севере;
– в насыпь – на вечной мерзлоте;
– на опорах, подвесках, мостах;
– по дну водоемов – дюкеры.
95
В конечном пункте магистрального газопровода
расположены газораспределительные станции, на которых
давление понижается до уровня потребителей (рис. 5.6). ГРС –
комплекс сооружений и оборудований для очистки, снижения
давления, одеризации, распределения и
учета газа,
поступающего к потребителям.
Рисунок 5.6 – Схема газораспределительной станции (ГРС):
1 – магистральный газопровод; 2 – узел отключения; 3 – фильтр;
4 – блок дросселирования; 5 – счетчик газа;
6 – предохранительные клапаны; 7 – одоризационная установка;
8 – байпасные линии; 9 – сетевой газопровод
Вблизи крупных городов и промышленных районов
устанавливают подземные хранилища газа. Обычно это
подземные хранилища: выработки шахт или полости после
добычи газа, нефти. Иногда искусственные, например,
полученные подземным атомным взрывом при испытаниях
оружия. Для закачки в ПХГ газа служит компрессорная станция
с агрегатами высокого давления (100 – 200 атм). Закачка газа
осуществляется в период избыточной производительности
газопровода (летом, ночью). Отбор газа производится в зимний
период максимального потребления, а также в периоды
нехватки пиковой потребности в природном газе.
5.5 Оборудование компрессорных станций
Основной машиной газотранспортных систем являются
газоперекачивающие агрегаты (ГПА) – блочные установки,
включающие привод и собственно газовый компрессор
96
(нагнетатель). ГПА работают в различных условиях
эксплуатации.
ГПА на линейных КС работают практически при
постоянном давлении на входе.
ГПА на головных КС работают при изменяющемся
давлении на входе. Это требует периодического оснащения
агрегатов съемными проточными частями (СПЧ).
При интенсивном отборе газа из месторождений
происходит снижение дебета скважин и падение давления газа в
устье скважин. В этом случае для обеспечения параметров
газопровода по давлению и производительности применяют
дожимные компрессорные станции.
Для обеспечения функционирования подземных хранилищ
газа (ПХГ) служат КС ПХГ с ГПА высокого давления
(до 250 кгс/см2). На КС агрегаты устанавливаются параллельно
или последовательно в зависимости от требуемого давления и
производительности.
ГПА
для
КС
магистральных
газопроводов
классифицируются по типу привода (рис. 5.7):
- с газотурбинным приводом;
- с электрическим приводом;
- газомотокомпрессоры.
Имеются КС с поршневыми компрессорами, но в
основном это центробежные нагнетатели. Электродвигатель
наиболее надежен, но проблема с подводом электроэнергии в
отдаленные районы и цены на нее.
На первых компрессорных станциях устанавливались
поршневые компрессоры и свободно-поршневые дизелькомпрессоры (СПДК). После войны начали устанавливать
турбонагнетатели. Первые из них – электроприводные
нагнетатели Н – 270 Хабаровского завода «Энергомаш».
Эти нагнетатели были одноступенчатыми с невысокой
степенью повышения давления (до 1,25) и были
нерегулируемыми.
Наиболее широкое применение получили ГПА с
газотурбинным двигателем.
97
Рисунок 5.7 – Схемы газоперекачивающих агрегатов:
а – с газотурбинным приводом; б – с электродвигателем;
в – газомотокомпрессор;
ОК – осевой компрессор; ГГТ – газогенераторная турбина;
СТ – силовая турбина; Н – нагнетатель; АД – асинхронный электродвигатель;
Р – повышающий редуктор; Д – дизель; К – компрессор
Они бывают:
- со стационарной турбиной (НЗЛ, Россия);
- с авиационным двигателем (ОАО СНПО им. М.В. Фрунзе
г. Сумы);
- с судовым двигателем (Николаев).
НЗЛ (г. Ленинград) начал выпускать газотурбинные
агрегаты мощностью 10000 кВт. Затем наступила эра
использования
авиационных
двигателей.
Первенство
принадлежит УкрНИИгазу (г. Харьков) создавшему первые
агрегаты АГТУ-5000 с автодвигателем. Применение надежных,
эффективных малогабаритных газовых турбин авиационного
типа позволило создать модульно-контейнерную конструкцию
агрегата,
легко
транспортируемого,
монтируемого
и
регулируемого. Большую роль в развитии отрасли сыграли
предприятия Харькова, Сум, Казани. Особенно велик вклад
ОАО СНПО им. М.В. Фрунзе.
98
Первый ГПА с газотурбинным авиационным двигателем
создан в УкрНИИгазе в 1970г. Затем ОАО СНПО им. М.В.
Фрунзе освоил выпуск базовых ГПА Ц – 6,3 и ГПА Ц – 16.
Разработан параметрический ряд ГПА:
- мощность: 1; 2,5; 4; 6,3; 10; 12; 16 МВт;
- отношение давлений: 1,23; 1,37; 1,44; 1,5; 1,55.
Тысячи ГПА успешно эксплуатируются в Украине,
странах ближнего и дальнего зарубежья.
5.6
Компрессорные
технологии
в
газодобывающей промышленности
нефте-
5.6.1 Газлифтная добыча нефти
В настоящее время такой способ добычи нефти является
наиболее распространенным и эффективным. Суть способа
состоит в подъёме капельной жидкости со сжатым газом,
смешанным с ней, что позволяет увеличить добычу вязкой
нефти из буровых скважин с больших глубин (до 2000 м). Газ из
нефтеносных пластов сжимается компрессором, подается в
скважину, где он смешивается с нефтью, образуя
газожидкостную смесь меньшей плотности и вязкости, чем
нефть, которая под давлением поднимается и направляется в
сепаратор (рис. 5.8).
Рисунок 5.8 – Газлифт для эксплуатации нефтяной скважины
99
В сепараторе газ отделяется от нефти. Для реализации
процесса необходима компрессорная станция, предназначенная для
сбора, подготовки и компримирования нефтяного газа до давления
12 Мпа. КС – сложный энерготехнический комплекс, состоящий из
турбокомпрессорного агрегата и ряда систем (рис. 5.9)
Рисунок 5.9 – Схема компрессорной установки для
газлифтной добычи нефти:
С1, С2 – сепараторы газа; КНД, КВД – компрессоры низкого и
высокого давления; АТ1, АТ2 – воздушные газоохладители; УТ1,
УТ2 – утилизационные теплообменники; ДР – регулируемый
дроссель; КР1, КР2, КР3 – вентили для регулирования расхода газа,
КШ1 – запорный вентиль
Компрессорные станции изготовленные на ОАО Сумское
НПО им. М.В. Фрунзе укомплектованы турбокомпрессорным
агрегатом, состоящим из газотурбинного привода мощностью
16 МВт и двухкорпусного многоступенчатого центробежного
компрессора, соединенных через повышающий редуктор.
Корпус низкого давления шестиступенчатый, с горизонтальным
разъёмом; корпус высокого давления шестиступенчатый,
выполненный по «баррельной» схеме. Утилизационные
теплообменники служат для подогрева диэтиленгликоля в
системе осушки газа и антифриза в системе отопления.
100
5.6.2 Сайклинг-процесс
Такой процесс (в переводе с английского – циклический
процесс) применяется при разработке газоконденсатных
месторождений, обычно глубокозалегающих. В подземных
газоносных пластах, находящихся под высоким давлением (от
35,0 до 75,0 Мпа и более), в газе растворен т.н. конденсат смесь жидких углеводородов. Конденсат представляет собой
жидкость бесцветную, желтую или коричневую (в зависимости
от состава). В составе конденсата преобладают тяжелые
углеводороды, иногда с примесями смолисто-асфальтовых
веществ. Количество конденсата, растворенного в газе различно,
в некоторых месторождениях достигает 1200-1500 г/м3. Газовый
конденсат является прекрасным сырьем для получения бензина,
дизельного топлива и др. В Украине промышленные
месторождения имеются в Сумской и Полтавской областях, а
также в Прикарпатье.
Ранее, при разработке газоконденсатных месторождений
обычным способом (как газовых), по мере добычи газа падало
давление в пласте, тяжелые углеводороды конденсировались,
оставаясь в основном в пласте. Конденсат, поднятый вместе с
газом, отделялся от газа и чаще всего сжигался. По мере падения
давления в пласте его отдача по газу уменьшалась из-за
закупорки газоносных устьиц и в определенный момент
эксплуатация скважин прекращалась. При этом в пласте
оставались неиспользованными до 15-25% газа и больше запасы
конденсата. Для увеличения отдачи пласта необходимо
поддерживать в пласте давление, созданное природой. Для этой
цели и применяется сайклинг-процесс, т.е. очищенный газ
компрессорами направляется обратно в пласт под требуемым
давлением.
Схема установки представлена на рис. 5.10.
Применяются высокопроизводительные центробежные
компрессоры, выполненные по схеме «баррель». На второй и
третьей ступенях сжатия рабочие колеса установлены по схеме
«спина к спине» для разгрузки от осевых сил. Концевые
уплотнения валов масляного типа с плавающими кольцами. Для
101
обеспечения требуемого перепада масло-газ использованы
гидравлические регуляторы.
Рисунок 5.10 – Схема установки для сайклинг-процесса:
1 – газопровод; 2 – колонны ГПЗ; 3 – пылеуловитель;
4, 8 – фильтры-сепараторы; 5 – газоперекачивающий агрегат
ГПА-Ц-6,3/100; 6, 9, 12 – газоохладители; 7 – турбокомпрессорный
агрегат ТКА-Ц-16/50;, 10 – блок регенерации; 11 – абсорбер;
13 – маслоотделитель; 14 – манифольд; 15 – газоносный пласт
5.7 Технологии переработки природных газов
Из природного и нефтяного газов можно получать очень
ценные компоненты для различных отраслей народного
хозяйства. Это этан, пропан, бутан, сероводород, гелий и др.
Экономически целесообразно получение этих продуктов
осуществлять в непосредственной близости от газовых и
газоконденсатных месторождений, для чего сооружаются ГПЗ –
газоперерабатывающие заводы.
Использование этана, пропана и бутана для получения
мономеров имеет значительное преимущество над продуктами
нефтепереработки, используемыми для тех же целей. Так, выход
этилена при пиролизе этана составляет 70 %, а при пиролизе
бензина – лишь 27%.
102
Ценным сырьем является сероводород, из которого
получают более половины производимой серы, необходимой для
производства серной кислоты, ядохимикатов и др.
Процессы переработок газов разделяются на две группы:
первичные и вторичные. Первичные процессы – это выделение
из природных газов отдельных компонентов и фракций.
Вторичные процессы глубокой переработки – это переработка
компонентов или фракций.
5.7.1 Абсорбционные процессы переработки газов
Абсорбция – процесс поглощения газов жидкостью, за счет
разности парциальных давлений компонентов в газовой и
жидких фазах. Для эффективного протекания процесса
необходимы противоток газа и абсорбента и образование
большой поверхности соприкосновения фаз. При этом
происходит нагрев адсорбента, а от него тепло передается газу.
Таким способом из газа извлекается тяжелые
углеводороды: этан, пропан. В качестве абсорбента используется
обычно бензин или керосин, а в последние годы – газовый
конденсат. Чем легче абсорбент, тем он более эффективен. С
понижением
температуры
увеличивается
коэффициент
извлечения компонентов из газа.
5.7.2 Низкотемпературный способ
Абсорбционные процессы при обычных температурах
позволяют извлечь до 90% пропана. Необходимость получения
этана потребовало более совершенной технологии – низко
температурной конденсации. При этом достигается более
грубокое извлечение пропана и этана из газа.
В таком процессе температуру необходимо снизить до
минус 80˚С и ниже. С этой целью применяют криогенные
процессы с каскадным холодильным циклом и установки с
турбодетандерами. Если давление газа позволяет, то применяют
дросселирование.
Оборудованием таких установок являются компрессора,
предназначенные для повышения давления газообразного
103
хладоагента. Применяются компрессоры центробежные,
винтовые, а также газомотокомпрессоры.
Большое влияние на технико-экономические показатели
турбодетандерных установок оказывает входное давление газа:
чем оно выше, тем лучше.
В
таких
установках
используют
радиальные
турбодетандер и центробежные компрессоры.
Здесь достигается снижение температуры газа в турбодетандере
до минус 96˚С при расширении газа от 7,55 до 2 МПа.
5.8 Газоснабжение городов и промышленных предприятий
5.8.1 Общие сведения
Газоснабжение – это организационная подача и
распределение газового топлива для нужд народного хозяйства.
Наиболее крупные потребители природного газа – тепловые
электростанции, черная и цветная металлургия, химическая и
цветная промышленность. В коммунальном хозяйстве газ
используется для нужд предприятий коммунального и бытового
обслуживания, для приготовления пищи, для нагрева воды для
бытовых и санитарно-гигиенических целей, для отопления
(котельных), а также для заправки автомобилей.
Централизованное газоснабжение имеет место при
наличии городской газовой сети с разводкой по предприятиям,
жилым домам.
Местное газоснабжение (или децентрализованное) от
местных газогенерирующих установок или цистерн и баллонов,
заполняемых сжатым или сжиженным газом, применяется в
случаях, когда мелкие населенные пункты или другие объекты
удалены от магистральных газопроводов.
Централизованное
газоснабжение
предусматривает
разветвленную систему газопроводов подземной и надземной
прокладки, другие инженерные сооружения, пункты учета
расхода газа.
Газопроводы, прокладываемые в городах и населенных
пунктах, различаются по назначению и давлению в них.
104
По назначению:
1. Уличные – для транспортировки газа по проездам;
2. Ответвления и вводы – для подачи газа от уличных
газопроводов к потребителям;
3. Внутриобъективные – для подачи газа от отключающего
устройства на вводе к потребляющим аппаратам и устройствам.
По давлению:
1. Низкого давления р = 0,02-0,03 кг/см2;
2. Среднего давления р = 0,05-3 кг/см2;
3. Высокого давления р = 3-6 кг/см2.
Чем выше давление, тем больше газа можно перекачать
через трубопровод небольшого сечения, но при этом
повышается опасность (возникновение утечек, свищей,
разрывов труб и аппаратуры). Ниже давление – безопаснее, но
нужны трубы большего сечения.
5.8.2 Схемы распределения газа
Конфигурация схем зависит от размеров населенного
пункта, насыщенности промышленными предприятиями,
местных условий.
Бывают схемы:
трехступенчатая РВ.Д./РС.Д./РН.Д (рис. 5.11);
двухступенчатая РВ.Д./РС.Д. или РС.Д./РН.Д;
одноступенчатые РВ.Д или РС.Д или РН.Д.
Трехступенчатая схема наиболее гибкая и безопасная в
эксплуатации.
Существенной особенностью работы систем газоснабжения
является то, что подача газа равномерна, а потребление
неравномерно,
переменно
из-за
колебания
суточного
потребления, погоды. Поэтому излишки газа в период меньшего
потребления (летом) заканчивают в хранилище, а затем
используют по мере надобности, когда потребление возрастает
(зимой).
Схемы бывают: тупиковые, кольцевые, смешанные.
105
Тупиковая – концы трубопроводов не соединяются между
собой, поэтому у различных потребителей давление может быть
различным. Эта схема для небольших населенных пунктов.
Кольцевая – схема дает более равномерный режим у всех
потребителей, но дороже, так как требует больших труб.
Рисунок 5.11 – Трехступенчатая схема газоснабжения
населенного пункта:
1 – магистральный газопровод; 2 – газопровод низкого
давления; 3 – газопровод среднего давления; 4 – газопровод
высокого давления; ГРС – газораспределительная станция;
ГРП – газораспределительный пункт; ПХГ – хранилище газа.
Газоснабжение промышленных предприятий имеет свою
специфику (рис. 5.12). Газ на территорию предприятия
поступает через главную задвижку ГЗ. Затем, пройдя
расходомерный пункт, распределяется по цехам. Если цех
потребляет газ более низкого давления, то на входе
устанавливают газораспределительный пункт ГРУ.
Рисунок 5.12 – Схема межцехового газопровода среднего
давления
106
- отключающее устройство в колодце;
- сепаратор жидкости;
- расходомерное устройство;
- сброс газа на факел.
5.8.3 Автомобильные газонаполнительные станции
Широкое распространение получило использование
природного газа в качестве моторного топлива, как
альтернативы
бензинам
для
автотранспорта.
Этому
способствовали существенные преимущества газообразного
топлива:
- высокое качество топлива, что соответствует более
мягкой работе двигателей внутреннего сгорания, повышая
ихресурс на 40%;
- более дешевое по сравнению с бензинами;
- в несколько раз снижается вредность выбросов;
- более транспортабельно, учитывая разветвленную сеть
газопроводов в Украине;
- двигатели легко переключаются с бензина на газ и
обратно;
- в 1,4 раза увеличивает срок службы моторного масла.
Для заправки автомобилей сжатым газом служат
автомобильные газонаполнительные заправочные станции
(АГНКС). Основной характеристикой АГНКС является
количество заправок автомобилей в сутки. От этого зависят
размеры станции, тип и производительность компрессорного
оборудования и других аппаратов. Принципиальная схема
АГНКС показана на рис. 5.13.
Сетевой газ, пройдя предварительную очистку в фильтресепараторе, расходомерный узел, при избыточном давлении
0,5-2 кг/см2 поступает на всасывание компрессора, где
сжимается до 230 кг/см2. После влагомаслоудаления и осушки
107
газ закачивается в аккумуляторы, а также поступает к
заправочным колонкам.
Рисунок 5.13 – Блок-схема станции АГНКС:
1 – фильтр-сепаратор; 2 – блок компрессорный;
3 – аккумуляторы газа; 4 – заправочные колонки;
5 – предохранительные клапаны; 6 – свеча; 7 – установка
осушки газа
При небольшом количестве автомобилей заправка
осуществляется из аккумуляторов, которое периодически
подкачиваются компрессором. При большом количестве
автомобилей компрессор работает непрерывно. В часы пик
приходится вводить технологические перерывы для подкачки
аккумуляторов.
108
Контрольные вопросы к теме 5
1 Из каких месторождений добывают природный газ? Каков
состав природных газов?
2 Что такое попутный нефтяной газ? В чем его отличие от
природного газа?
3 Перечислите основные применения природного газа?
4 Приведите схему газового промысла.
5 Что такое подготовка газа?
6 Зачем производится низкотемпературная сепарация газа?
7 Приведите и поясните схему турбохолодильной установки.
8 Транспорт природного газа: основные параметры, элементы
транспортной системы?
9 Нарисуйте и поясните схему газораспределительной станции.
10 Компрессорное оборудование газоперекачивающих станций:
типы компрессоров, преимущества, недостатки.
11 Для чего производится переработка природных газов?
12 Какие основные способы переработки природных газов?
13 Приведите и поясните схему газоснабжения населенного
пункта. Укажите параметры газа.
14 В чем состоят преимущества и недостатки природного газа
как моторного топлива?
15 Приведите схему и поясните работу АГНКС.
Список литературы
1. Ионин А.А. Газоснабжение/ А.А. Ионин. – М.: Стройиздат,
1989.–268с.
2. Газопровод «Уренгой – Ужгород».– М.: Планета,1983.–64с.
3. Федоренко Н.Д. Газоперекачивающие агрегаты/ Н.Д.
Федоренко, А.И. Апанасенко, И.Г.Крившич.
4. Бекиров Т.М. Первичная переработка природных газов/ Т.М.
Бекиров.–М.:Химия,1987.–253с.
109
Тема 6 ШАХТНЫЙ МЕТАН. ТЕХНОЛОГИИ
ДОБЫЧИ И УТИЛИЗАЦИИ
Метан,
содержащийся
в
угольных
шахтах
и
выделяющийся при их разработке, чрезвычайно взрывоопасен.
Поэтому его утилизация имеет важное значение для
обеспечения безопасной эксплуатации шахт. Внимание к этой
проблеме продиктовано также экологическими интересами, т.к.
метан является одним из сильнейших парниковых газов. А что
касается экономических аспектов, то в Украине, которая по
запасам шахтного метана занимает одно из первых мест в мире,
его использование позволит удовлетворить потребности
национальной экономики в энергоресурсах.
6.1 Особенности шахтного метанообразования
Шахтный метан – газ, выделяющийся из угля или
содержащих его пород. Бесцветен, не имеет запаха, с воздухом
образует взрывоопасные смеси. Кроме собственно метана, в его
состав также могут входить углекислый газ, азот, кислород и
другие элементы. Принадлежит к группе парниковых газов
(способствует удержанию тепла в атмосфере) и по своему
влиянию на глобальное потепление в двадцать шесть раз
превосходит углекислый газ. На долю шахтного метана
приходится около 7% всего метана, попадающего в атмосферу.
Ученые до сих пор не пришли к единому мнению по
поводу того, как образовался шахтный метан. Начало научным
дискуссиям еще на заре прошлого века положил Владимир
Вернадский, авторитетно заявивший, что углерод и его
соединения, участвующие в строении каменного угля и других
пород, являются частью глобальной геохимической системы
круговорота в земной коре. Сейчас существуют две наиболее
распространенные версии происхождения метана: первая – модель
формирования метана в процессе образования угольных залежей
под действием температуры, давления и компонентов магмы.
При этом можно выделить четыре типа формирования
метановых залежей: абсорбция (поглощение), адсорбция
(концентрация), растворенный газ и свободный газ. Вторая
термодинамическая гипотеза связана с тем, что молекулярного
110
метана в природе не существует, а есть исходные элементы
(всепроникающий водород и углерод), которые при
определенных условиях трансформируются в молекулы метана.
Такое формирование происходит при высоком давлении с
выделением энергии. Анализируя эти теории, учёные пришли к
выводу, что они обе имеют право на существование.
Используя эти и другие гипотезы, ученым удалось
выдвинуть
два
интересных
предположения.
Так,
в
определенных местах Донбасса на глубинах пяти и больше
километров в тектонических разломах могут находиться
огромные запасы метана, пригодные для промышленного
использования. Кроме того, в больших количествах метан может
выделяться не только из угольных пластов, но и из
околоугольных пород. В некоторых случаях объем газа в
песчанике и угольном пласте может быть одинаковым. Этим
объясняется, почему шахтеры часто сталкиваются с появлением
в шахтах дополнительных объемов газа, которые не сходятся с
ранее проведенными расчетами. Чтобы баланс сошелся,
необходимо либо пересмотреть природу метаноносности угля
(что маловероятно), либо понимать, откуда идет газ.
Законченной теории выбросов газа в шахтные
пространства не существует до сих пор, однако ученые считают,
что непредсказуемые газодинамические явления происходят изза нарушения пластов при подземной выработке. Так, когда лава
уходит, под тяжестью слоев, лежащих выше, пласты
расслабляются, образуются трещины, в которые из
околоугольных пород выделяется газ и потом поступает в
шахты. Объемы выделяемого газа зависят от способа добычи
угля, дальности нахождения от выработки газоносных массивов,
геологических и физических свойств пластов. Один и тот же
пласт в различных местах порой может проявлять совершенно
разную способность отдавать газ. Поэтому сейчас исследователи
пытаются ответить на вопросы, как найти и распознать такие
газоносные участки, каким образом организовать полную
газоотдачу, эффективную дегазацию и вентиляцию, а также как
обеспечить
подготовку
и
дальнейшее
использование
полученного газа.
111
Сущность процесса истечения метана из ископаемого
угля состоит в следующем. Метан в угольном пласте находится
в свободном газообразном виде в системе пор и трещин,
сообщающихся с внешней поверхностью угольного пласта, а
также в виде твёрдого раствора в объёме угольных блоков. В
природном пласте метан находится в равновесном состоянии во
всей массе данного угольного пласта.
При нарушении равновесия системы, например, в
результате проведения выемки угля, локального взрыва,
бурении скважин, начинается высвобождение метана и
истечение его в область пониженных давлений (в выработку, в
лаву). Особенность истечения состоит в наложении двух
процессов: 1) истечение через систему каналов и трещин
(фильтрация); 2) диффузия метана из твёрдого раствора блоков.
Главным процессом является фильтрация – здесь
высвобождается наибольшее количество метана – это так
называемый «быстрый» метан. Напротив, сохранившийся метан
в твёрдом растворе блоков будет ещё очень долго выходить из
пласта. Это «медленный» метан.
Основными параметрами, влияющие на характер
истечения метана из угля, являются: коэффициент фильтрации,
коэффициент диффузии, мощность угольного пласта. В среднем
при добыче 1 т угля выделяется 13 м3 чистого метана.
6.2 Технология добычи шахтного метана
Мировые запасы метана угольных пластов превышают
запасы природного газа и оцениваются в 260 трлн кубометров.
На долю Украины приходится примерно 12 – 25 трлн.
кубометров. Из них около трех-четырех триллионов кубометров
составляют промышленные запасы — это почти в пятьдесят раз
выше нынешнего ежегодного потребления природного газа в
стране. Есть все технологические возможности уже в
ближайшем будущем довести годовую добычу шахтного метана
до трех миллиардов кубометров в год. Только в США ежегодно
добывается сорок миллиардов кубометров шахтного метана. В
основном районе добычи – угольном бассейне Сан-Хуан –
пробурено свыше семнадцати тысяч геологоразведывательных и
112
около семи тысяч эксплуатационных скважин. Из-за различий в
метаноносности отдельных участков 10% этих скважин дают
60% добычи метана. Проекты по извлечению метана также
активно внедряются в Австралии, Китае, Канаде, Польше,
Великобритании, Германии. Крупнейший из украинских
проектов стоимостью 150 млн долларов был реализован в 2003–
2005 годах на шахте им. А.Ф. Засядько, где введена в
эксплуатацию первая очередь когенерационной электростанции,
мощность электрической и тепловой энергии которой составила
36 МВт и 35 МВт соответственно. После запуска второй очереди
общая проектная мощность электростанции превысит 131 МВт,
что сделает ее самой большой в мире станцией, работающей на
шахтном метане. Сейчас шахта полностью обеспечивает себя
электричеством и теплом, на метане работает и автотранспорт, а
ежегодное количество выбросов парниковых газов снизилось на
2,5 млн тонн углекислого газа. Это позволило шахте продать
австрийцам и японцам квоты на выбросы парникового газа на
2,5 млн евро.
Технология добычи шахтного метана сложный процесс,
требующий сооружения подземных систем коммуникаций,
надземных технических устройств. Сложность добычи шахтного
метана из действующих и закрытых шахт Украины связана с
различной газоносностью угольных пластов и околоугольных
пород, устаревшими системами дегазации или их отсутствием.
Система дегазации шахт в Украине значительно отличается от
европейской. У нас ее проектировали на выброс полученного
метана за пределы горной выработки, не учитывая перспектив
использования этого газа в качестве топлива. Поэтому его
большая часть уходит через системы вентиляции, смешиваясь с
воздухом. В системе дегазации до сих пор используются
ржавеющие металлические трубы, а также вакуум-насосные
станции с водокольцевыми насосами, что приводит к попаданию
в извлекаемый газ значительного количества воды. Из-за плохой
герметичности в метан также проникают воздух, а ввиду
отсутствия подземной системы фильтрации — угольная пыль. В
итоге на выходе получают метан, вернее метановую смесь,
которую сложно использовать для выработки электричества. Газ
нужно дополнительно обогащать, очищать, поскольку любое
113
оборудование долго на таком газе работать не сможет. В Европе
применяются пластиковые трубы, вакуум-насосные станции на
основе винтовых машин, эффективные системы очистки метана
от пыли.
В зависимости от применяемых методов откачки
концентрация метана в газовоздушной смеси колеблется в
широких пределах.
Традиционно для удаления метана из атмосферы
действующих подземных выработок они вентилируются
большим объемом чистого воздуха, что позволяет поддерживать
безопасную концентрацию метана (до 2% в подземной
выработке и до 0,75% в стволе шахты).
Помимо этого применяются методы дегазации угольных
пластов до начала их разработки, путем бурения вертикальных
скважин с поверхности, а также горизонтальных и наклонных
подземных скважин (рис. 6.1). Через вертикальные скважины с
поверхности самопроизвольно высвобождается практически
чистый метан (CH4>90%), т.к. в пласте он находится под
высоким давлением.
Через горизонтальные и наклонные подземные скважины,
а также через специальные «газовые горизонты» метан
откачивается вакуум-насосными станциями, которые находятся
на поверхности. В этом случае на выходе водокольцевых
насосов концентрация метана более низкая и составляет 15-55%,
в основном из-за подсоса воздуха от действующих выработок.
Помимо этого метановоздушная смесь, как правило, очень
запылена и имеет практически 100% влажность. На выходе
водокольцевых насосов может присутствовать и капельная
влага. После окончания горных работ, концентрация метана
повышается и стабилизируется.
Шахтный газ из вертикальных дегазационных скважин по
своему химическому составу аналогичен природному газу.
После несложной системы газоподготовки (стабилизация
давления, приведение в допустимый диапазон температуры,
влажности и очистка от пыли) он может сжигаться в
газопоршневых двигателях как и природный газ.
114
Рисунок 6.1 – Схема добычи шахтного метана:
1 – дегазационныя скважина; 2 – защитный колпак;
3 – насосная; 4 – вентиляционные стволы; 5 – угольные пласты;
6 – блок очистки
Шахтный газ, который содержится в потоке
вентиляционного воздуха с очень низкой концентрацией (из
соображений безопасности, концентрация метана не должна
превышать
0,75%),
непосредственно
сжигаться
в
газопоршневых двигателях не может. Тем не менее он также
может быть полезно утилизирован, если будет подаваться в
газопоршневой двигатель вместо воздуха, который необходим
для сжигания основного топлива. При содержании в
вентиляционном воздухе 0,5% метана можно экономить до 9,5%
природного газа, если использовать эту смесь вместо воздуха.
Такая технология использования шахтного метана
наиболее проста в реализации, однако энергетически не очень
эффективна, да и далеко не безупречна с точки зрения экологии.
Гораздо более высокими показателями обладают современные
мощные когенерационные установки для выработки тепла и
электроэнергии с использованием шахтного метана в качестве
топлива.
115
6.3 Технологии утилизации шахтного метана
В настоящее время технологии утилизации метана
развиваются по следующим основным направлениям:
- сжигательные установки;
- выработка тепла (котельные);
- когенерационные энергокомплексы.
Применение той или иной технологии определяется
происхождением шахтного метана, его концентрацией
(табл. 6.1), а также дебетом (выходом метана).
Таблица 6.1
Происхождение
КонцентраПримечания
метана
ция CH4, %
Метан из системы
0,1-0,75%
концентрация метана очень
вентиляции
низкая и нестабильная
действующей шахты
Из
вертикальных
более 85%
концентрация
стабильная,
дегазационных скважин
влажность низкая
поверхностного бурения
Из
подземных
15-60%
концентрация
метана
и
горизонтальных
и
давление газа не стабильные,
наклонных
высокая влажность (100%) издегазационных
за применения водокольцевых
скважин
насосов. Возможны очень
действующих шахт, а
быстрые
флуктуации
также
через
концентрации метана из-за
специальные
выбросов метана из полостей с
«газовые» горизонты
высоким давлением; высокое
содержание кислорода и пыли.
Есть опасность достижения
диапазона
взрывоопасной
концентрации (5-15% CH4 в
смеси с воздухом).
Из
подземных
более 85%
стабильная
концентрация
горизонтальных
и
метана и давление
наклонных
дегазационных
скважин
закрытых
шахт
116
6.3.1 Сжигательные установки
Подъём шахтного метана на поверхность осуществляется с
помощью вакуум-насосов (рис. 6.2). Содержание метана должно
быть не менее 25%.
Рисунок 6.2 – Установка контейнерная утилизационная УКГ-1:
1 – блок компрессорный; 2 – камера сгорания; 3 – блок
распределительного устройства; 4 – выхлопная шахта
Шахтный метан направляется в газоутилизационную
установку, для утилизации его посредством сжигания в
специальной камере при 1000-1200°С с целью предотвращения
выделения метана в атмосферу.
В состав установки входят блок компрессорный и
помещение для камеры сгорания. Используются ротационные
низконапорные компрессоры.
Сжигательная установка применяется как самостоятельно,
так и в составе с теплоэлектростанцией. В этом случае
установка используется для откачки газа из скважины, его
очистку и подготовку к дальнейшему использованию.
6.3.2 Выработка тепла
Очевидно, что тепло, получаемое при сжигании метана,
можно использовать в пределах инфраструктуры предприятия,
например, для обеспечения горячей водой, душевых, бытовых
помещений и др. Принципиальная схема сжигания метана в
котельной приведена на рис. 6.3.
117
Рисунок 6.3 – Принципиальная схема котельной:
1 – котел; 2 – горелка; 3 – воздуходувка; 4 – пламегаситель;
5 – каплеулавливатель; 6 – вакуум-насос; 7 – дымосос
6.3.3 Блочные теплоэлектростанции
В состав теплоэлектростанции входит дизель-генератор,
адаптированный для работы на газообразном топливе.
Эффективнее использовать специальные газопоршневые
двигатели, воздушное дутье для которого обеспечивается
метановой смесью. Установка вырабатывает электроэнергию, а
также тепловую энергию как побочный продукт. Тепловая
энергия получается за счёт горячей воды системы охлаждения
дизель-генератора и может быть полезно использована для
собственных нужд. Коэффициент полезного действия такой
тепловой электростанции составляет 40-43% по выработке
электроэнергии.
6.3.4 Когенерационные энергокомплексы
Повышение эффективности использования шахтного метана
целесообразно путём создания шахтных энергокомплексов,
использующих когенерационные технологии, представляющие собой
ту или иную комбинацию паровых или водогрейных котлов с
паротурбинными,
газотурбинными
или
газопоршневыми
установками, обеспечивающими совместную выработку тепловой и
электрической энергии с высоким к.п.д. за счёт более полного
использования потенциала рабочего тела.
118
Если потребление электроэнергии практически не
зависит от времени года, то потребление тепловой энергии
крайне неравномерно. Поэтому необходимы специальные
схемы. Избыточное тепло в летнее время может быть
использовано для кондиционирования шахтной атмосферы и
для дополнительной выработки электроэнергии.
Для целей кондиционирования целесообразно взамен
обычных
пароконденсационных
холодильных
машин
использовать абсорбционные, которые в качестве приводной
энергии используют не механическую работу, а тепло. К.п.д.
таких установок по выработке электроэнергии достигает 58%.
Ниже рассматривается когенерационная установка на
шахте им. А.Ф. Засядько, которая использует в качестве топлива
шахтный газ. Ее проектная мощность 36,4 МВт электрической и
35 МВт тепловой энергии. В качестве энергогенерирующего
оборудования на первом этапе использованы двенадцать
газопоршневых когенерационных модуля типа JMS 620
производства фирмы GE JED. Используемые агрегаты выгодно
отличаются от своих аналогов более продолжительным сроком
службы и возможностью стабильной работы при использовании
в качестве топлива шахтного метана с большой частотой
колебания концентрации метана в смеси. Рабочие цилиндры
газопоршневого двигателя снабжены форкамерой, наличие
которой позволяет агрегату работать на относительно бедных
топливных смесях.
Тепловая
схема
когенерационной
установки
–
трехступенчатая. Схема предусматривает отпуск теплоносителя
в виде горячей воды с параметрами 110/70°С. На первом этапе
происходит утилизация тепла смазочного масла, газовоздушной
смеси и рубашки двигателя. При этом вода подогревается с 70
до 86°С. Дальнейший подогрев теплоносителя с 86 до 110°С
осуществляется за счет утилизации тепла выхлопных газов.
Принципиальная схема утилизации тепловой энергии
когенерационной установки и ее основные количественные
показатели приведены на рис.6.4.
119
Рисунок 6.4 – Принципиальная схема утилизации тепловой
энергии когенерационного модуля JMS 620,
использованного на шахте им. А.Ф. Засядько
При недостаточной присоединенной тепловой нагрузке
потребителей излишняя теплота удаляется с помощью системы
аварийного охлаждения, при этом поток выхлопных газов
перенаправляется в обход теплообменника при активировании
цепи байпаса выхлопного газа.
Для более компактного расположения установки и
уменьшения длин инженерных коммуникаций была принята
двухэтажная компоновка производственных помещений
станции. Когенерационные модули расположены в четырех
машинных залах, там же расположены: маслохозяйство,
насосная, помещение распредустройства, диспетчерская, другие
вспомогательные и бытовые помещения. Общий внешний вид
когенерационной установки показан на рис.6.5.
Газ из поверхностных скважин после стабилизация
давления поступает на сепаратор. В сепараторе из газа удаляется
капельная влага и твердые примеси размером более 5 мкм. Для
того чтобы обеспечить относительную влажность газа не более
80%, как этого требует когенерационный модуль, при исходной
влажности, достигающей 100%, шахтный газ проходит узел
охлаждения. В указанном узле температура газа понижается с
40-46 до 35°С, а сконденсировавшаяся влага вместе с твердыми
примесями
удаляется
в
фильтрах-сепараторах
с
фторопластовыми пакетами. После этого газ поступает на блоки
нагрева, где его температура повышается с 35 до 40°С, а
относительная
влажность
понижается
до
80%.
Отсепарированная влага подается в бак дегазации для отделения
остатков растворенного газа.
120
Рисунок 6.5 – Общий вид машинного зала с 12 модулями JMS620 GS-S.LC
В качестве теплоносителя используется горячая вода,
подготавливаемая
на
когенерационной
станции,
а
холодоноситель подготавливается на холодильной станции,
состоящей
из
двух
холодильных
машин
общей
холодопроизводительностью 420 кВт и расположенной возле
площадки газоподготовки. Для запальной дозы (форкамеры), а
также для поддержания концентрации метана в топливном газе
не ниже заданного уровня используется природный газ или газ с
поверхностных скважин с содержанием метана до 95%. Следует
обратить внимание на то, что для обеспечения нормальной и
стабильной работы когенерационного модуля требуется форка
мерный газ с концентрацией метана не ниже 25% и в
незначительных объемах, а именно 25 Нм3/ч при расходе
топливного газа в 2830 Нм3/ч. Подмешивание природного газа
или газа с поверхностных скважин предусмотрено только в
случае понижения концентрации метана в шахтном газе ниже
121
25%. За время эксплуатации (с января по сентябрь 2006 г.)
фактических случаев использования природного газа для
повышения концентрации шахтного газа не было.
Когенарционная установка, работающая на шахтном
метане, является не только единственной в Украине, но и
крупнейшей в мире. Её проектная мощность почти в полтора
раза превышает мощность соответствующей установки,
эксплуатируемой в Германии, считавшейся до этого наиболее
крупной установкой в мире.
Контрольные вопросы к теме 6
1 Способы образования метана в природе и его распространение в
атмосфере, на поверхности и в глубинах Земли.
2 Что такое шахтный метан, каковы его свойства, особенности
извлечения?
3 Использование шахтного метана в качестве топлива.
4 Что такое когенерационная установка с использованием
шахтного метана?
5 Какие перспективы дальнейшего использования шахтного
метана?
6 Какие известны технологии по утилизации шахтного метана?
Список литературы
1. Микитенко В.В. Пріоритети та напрямки розвитку паливноенергетичного комплексу України/ В.В.Микитенко//Уголь
Украины. – 2005.– № 8.– С. 29 – 34.
2. Звягильский Е. Л. Перспективы развития дегазации на шахте
им. Засядько/ Е.Л. Звягильский, Б.В. Бокий, О.И.Касимов//
Уголь Украины. – 2003. – №12. – С. 35-39.
3. Звягильский Е.Л. Утилизация шахтного метана – путь
решения проблемы выбросов метана в атмосферу/Е.Л.
Звягильский, Б.В. Бокий// Сборник научных докладов. Ч.1
УкрНИМИ. – 2005. – С. 220-228.
4. Булат А. Ф. Научно-технические основы создания шахтных
когенерационых энергетических комплексов/А.Ф.Булат, И.Ф.
Чимерис. – Киев: Наукова думка, 2006. – 176 с.
122
Тема 7 ИСКУССТВЕННЫЕ ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ
7.1 Общие сведения
7.1.1 Свойства горючих газов
Горючими газами принято называть газы, используемые в
качестве топлива при выработке тепла в различных технических
устройствах. Эти газы применяют как топливо для
энергетических машин (например, около 10% перекачиваемого
газа идет на сжатие в камерах сгорания ГТ агрегатов КС), для
паровых котлов ТЕС и ТЕЦ, котельных, а также для бытовых
нужд (нагрев воды, приготовление пищи, отопление).
В качестве горючих газов используются как природный
газ, так и искусственно получаемые газы.
Основной характеристикой горючих газов является так
называемая низшая теплотворная способность (с учетом
наличия водяных паров и продуктов сгорания) QH, ккал/м3.
Поскольку горючие газы, это смесь углеводородных и других
газов то для горючих газов как для смеси:
QH  QHi  Vi , ккал/м3,
где QHi - низшая теплотворная способность і-й
составляющей в пересчете на 1% компонента;
Vi , % - содержания і-го компонента в смеси в
объемных процентах.
Жаропроизводительность – это температура, достигаемая
при сгорании газового топлива
t
QH
,
V  Cp
где V – удельный объем продуктов сгорания, ккал/кг∙оС.
Например, значения жаропроизводительности для метана –
2043оС, этана - 2097 оС, пропана - 2116 оС.
Из формулы для жаропроизводительности следует, что чем
больше QH , тем больше температура, но это не всегда так,
123
поскольку в знаменателе величина V. Например, для метана
QH = 8555 ккал/м3, а для СО всего – 3020 ккал/кг, Ср для
СО = 1,04 кДж/кгК, Ср для СН4 = 2,164 кДж/кгК. Но
температура будет выше при сгорании СО, так как для этого
газа требуется меньший объем смеси для поддержания горения.
Горючие газы различного происхождения имеют различные
характеристики, поэтому для расчетов используют так
y
называемое условное топливо, имеющее QH = 7000 ккал/м3
(29288 кДж/кг).
Различные газы могут быть охарактеризованы с помощью
теплового эквивалента. Например для метана тепловой
эквивалент равен
Э
QH 8555

 1,22 м3,
y
QH 7000
т.е. 1 м3 метана эквивалентен 1,22 м3 условного топлива.
В зависимости от концентрации газа в окружающей
атмосфере воздуха смесь приобретает те или иные свойства,
крайне важные для правильного использования газа и
эксплуатации газовых приборов.
Для закрытого объема (пространства, помещения)
характерны следующие свойства и их проявления (рис. 7.1):
Рисунок 7.1 – Шкала пределов опасных концентраций
природного газа
124
Температура воспламенения газовой смеси равна от 500 до
600оС, скорость распространения огня равна 0,67 м/сек.
Для своевременного обнаружения присутствия газа в
помещении в газ добавляют специальные ароматизаторы –
одоранты. Обычно применяют этилмеркаптан в соотношении
16 г на 1000 м3 газа. Даже при однопроцентной концентрации
газа его запах уже слышен.
Допускается
подача
неодорированого
газа
для
промышленных установок при условии подачи газа вне
населенного пункта и при условии, что помещения, в которых
установлено газовое оборудование, оснащены сигнализаторами
загазованности.
Положительные свойства газового топлива:
1) высокая калорийность, большой топливный эквивалент;
2) высокая жоропроизводительность;
3) хорошая транспортабельность;
4) процесс горения легко автоматизировать;
5)
чистота
сгорания,
хорошие
условия
для
обслуживающего персонала;
6) повышается КПД и производительность тепловых
установок;
7) хорошая экология;
8) возможность перехода на другие виды топлива.
Недостатки:
1) взрывоопасность в смеси с воздухом;
2) способность отрицательно влиять на живые организмы
(токсичность и удушье).
Особенности горения газов
Горение газов – реакция окисления, т.е. соединение с
кислородом.
Формулы горения для составляющих углеводородных
газов:
- для метана
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О;
- для этана
125
С2Н6 + 3,5О2 = 2СО2 + 3Н2 +О;
- для пропана
С3Н8 + 5О2 = 3СО2 +4Н2О;
- для бутана
С4Н10 + 6,5О2 = 4СО2 +5Н2О и т.д.
Т.к. воздух состоит из 79% N2 и 21% О2 по объему, то на
единицу объема сжигаемого кислорода требуется 100:21=4,79
ед. объема воздуха, при этом с воздухом в зону горения
поступает 79:21=3,76 ед. объема N2.
Более полно реакцию горения метана можно записать в
виде:
СН4 + 2О2 + 2∙3,76 N2 = СО2 +2Н2О + 7,52 N2,
т.е. для сжигания 1 м3 метана требуется 9,52 м3 воздуха и при
этом образуется 2 м3 водяных паров.
Количество необходимого для сжигания газов воздуха
зависит от их теплотворной способности. В среднем на каждые
1000 ккал газа нужно 1,1 м3 воздуха. Наименьшее потребленное
количество воздуха для полного сгорания газа называется
теоретическим расходом воздуха. В действительности воздуха
подается несколько больше:
Lg   LT .
Коэффициент избытка воздуха обычно равен  = 1,05-1,2,
его величина зависит от эффективности топочного устройства.
Нужно стремиться, чтобы  был минимальным, т.к имеет место
эффект охлаждения горения избыточным воздухом.
Воздух для горения бывает первичный – поступает в
горелку смешения с газом, и вторичный – поступает в зону
горения не в смеси, а отдельно.
Сгорание бывает полное и неполное. При полном
сгорании природного газа продуктами сгорания являются СО2,
N2, пары Н2О. Если в продуктах сгорания содержится О2, то
сгорание происходит с избытком воздуха. Продуктами
неполного сгорания могут быть также СО, Н2, СН4, тяжелые
углеводы, сажа.
Потери тепла при сгорании горючих газов:
126
q1 – с уходящими газами;
q2 – вследствие неполноты сгорания.
Коэффициент использования горючего газа:
k  100   q1  q2  % .
КПД тепловой установки:
  100   q1  q2  q3  % ,
где q3 – потери тепла в окружающую среду.
7.1.2 Определение искусственных горючих газов
Газообразные углеводородные соединения, получаемые
искусственным путем, называются искусственными горючими
газами. Сырьем для получения искусственных горючих газов
являются различные топлива природного происхождения
(каменный и бурый угли, торф, горючие сланцы, древесина,
растительные массы, отходы животноводства), жидкие (нефть,
нефтепродукты)
и
газообразные
вещества
(продукты
химических, нефтехимических, металлургических и других
производств).
Следует отметить, что к числу искусственных горючих
газов относят не только газы, полученные преднамеренно, как
конечный продукт, но и горючие газы, получаемые в некоторых
технологических процессах как побочный, попутный продукт. К
первой группе относятся генераторные газы, получаемые
газификацией твердых топлив, биогазы – продукт разложения
биомассы. Ко второй группе относятся коксовый газ,
образующийся при производстве кокса и нефтезаводские газы –
продукт
термического
разложения
нефти,
газы
металлургических производств (доменной, конверторный и др.).
Использование искусственных горючих газов в настоящее
время,
характеризующееся
энергетическим
кризисом,
представляет собой мощную альтернативу потреблению
природных топлив – газа и нефти, объем потребления которых
достиг огромных размеров, приближая реальную угрозу
истощения мировых запасов. Тем более что для производства
искусственных горючих газов применяются энергосберегающие
127
технологии, использующие побочные продукты и отходы
различных производств (химия, нефте- и коксохимия,
металлургия, деревообработка, сельское хозяйство). Сегодня эти
технологии совершенствуются, доводятся до промышленного
использования. Активно ведутся работы по разработке
принципиально новых технологий, таких как, например,
получение моторных топлив из сельскохозяйственных культур –
рапса, сахарного тростника.
Перспективным является изобретение украинскими
учеными способа репродукции метана из продуктов сгорания
природного газа. В специальном реакторе углекислый газ
продуктов
сгорания
природного
газа
с
помощью
сверхсовременных технологий вступают в соединение с
водородом, получаемым из воды, с образованием метана.При
этом происходит репродукция метана почти в том же самом
количестве. Выделяющееся тепло может быть полезно
использовано. Очень важным является полное связывание
углекислого газа, создающего парниковый эффект.
Для промышленного производства искусственных газов
применяется ряд известных технологий. Основные из них
рассмотрены ниже.
Искусственные горючие газы получают термической
переработкой твердых и жидких топлив. Распространенными
способами переработки твердых топлив являются коксование и
газификация, а для жидких нефтепродуктов – крекинг.
Термическая
переработка
топлив
характеризуется
значительными затратами на подготовку топлива и сооружение
специальных установок, большими затратами тепла на
технологический процесс, необходимостью очистки и
переработки получаемых газов. Использование горючих газов
определяется их жаропроизводительностью. В зависимости от
жаропроизводительности искусственные газы можно разбить
на три группы.
В первую группу входят газы с малым содержанием
балласта и жаропроизводительностью выше 2000оС. Эти газы
позволяют создавать высокотемпературные технологические
128
процессы. Вторая группа включает газы, содержащие от 20 до
70% балласта. Их жаропроизводительность находится в
пределах от 1500 до 1800оС. Эти газы целесообразно
использовать в средне- и низкотемпературных процессах.
Третью группу составляют газы, содержащие более 70% балласта,
имеющие жаропроизводительность ниже 1200оС. Эти газы можно
использовать в смеси с другими газами первой и второй групп.
Энергетическая классификация искусственных газов в зависимости
от их жаропроизводительности приведена в табл. 7.1.
Таблица 7.1 – Состав и теплотехнические характеристики
искусственных газов из твердых топлив
Газ
H2
CH4
Состав, % (обьема)
CmHn CO CO2 O2
58
25
Высокой жаропроизводительности
2
7
3
0,2
4
4300
2090
Коксовый
38,6
из сланцев
Генератор- 59,1
ный парокислородный
Генератор48
ный водяной
23,7
5,7
10,9
18,8
0,3
2
4800
2100
9,85
1,02
21,2
1,9
0,3
2,25
3280
2150
38,5
6
0,2
6,4
-
2500
2180
Генератор- 13
ный паровоздушный из
бурого угля
Доменный 2,7
2
Средней жаропроизводительности
0,3
30
5
0,2 50,4 1460
1720
0,3
-
940
1470
1
-
Низкой производительности
8
71
870
1200
Коксовый
из каменных углей
Газ бурых уг- 18
лей подземной газификации
0,5
28
10,5
129
-
N2
58,5
Теплота
сгорания
низшая,
ккал/м3
Жаропроизводительность
(с учетом
влаги
воздуха),оС
7.2
Газификация твердых
генераторного газа
топлив.
Получение
7.2.1 Исторический очерк
Доменные печи для выплавки чугуна представляли
первые виды приборов для получения горючей смеси азота и
окиси углерода, потому что колошниковые газы, из таких печей
выходящие, прежде не собиравшиеся, а прямо на месте
сжигавшиеся, оказались способными питать топку паровых
котлов и воздухонагревательных печей. Особые устройства для
получения горючего газа того же рода, как из доменных печей,
получили практическое применение в середине ХIX столетия,
во Франции и в Германии. Первые усилия были направлены
преимущественно к тому, чтобы при помощи генераторов
пользоваться такими низшими, малопригодными для
заводского дела видами топлива, каковы торф, хвоя, опилки
и т. п. Оказалось, что с ними можно получить генераторный
газ, достоинством не уступающий тому, который образуется
коксом и дровами, и дающий при прямом сжигании
температуры не ниже, а выше доставляемых древесным
топливом. Это уже обратило внимание на генераторный газ. Но
в 70-х годах начали широко применять генераторный газ для
регенеративных печей, в которых теплота продуктов горения
применяется для предварительного нагрева воздуха и
генераторного газа, потому что при таком способе применения
стало экономически выгодно получать при их помощи
повышенные температуры, достаточные для прямой плавки
стали.
7.2.2 Газификация твердых топлив
Газификацией твердого топлива является процесс
превращения его в горючие газы путем окисления органической
части и углерода кислородом и кислородными соединениями
(водяным паром или двуокисью углерода). В результате
газификации получают генераторные газы и твердый остаток –
золу и шлак. Газификация представляет собой универсальный
130
метод превращения любого твердого топлива в газообразное.
Газифицировать можно дерево, бурые угли, каменные угли,
антрацит, горючие сланцы, кокс и др.
Генераторный газ составляет такой вид горючих газов,
который применяется во множестве производств не только
потому, что легко получается из всяких углеродистых сортов
горючих веществ и дает возможность пользоваться всякими
низшими родами топлива (например, торфом, опилками,
каменноугольной мелочью) для получения желаемых во
множестве случаев (например, в стеклоделии и в металлургии)
высоких температур, не достигаемых при простой топке такими
видами топлива, но и потому, что генераторные газы сгорают
вполне, развивая всевозможное тепло, при смешении лишь с
надлежащим количеством воздуха, тогда как всякие виды твердого
топлива для такого сгорания требуют огромного избытка воздуха.
Образование таких генераторных газов происходит в простых
горнах или небольших шахтных (вертикальных, более или менее
цилиндрических) печах, называемых генераторами, которые
можно рассматривать как части обычных печных топок, в которых
горение совершается лишь наполовину. Возможность тех явлений,
которые ведут к образованию генераторного газа, основывается на
способности всяких видов угля и всяких видов углеродистого
топлива образовать в первый момент горения лишь углекислый
газ CO2 и уголь, а вместе с тем образовавшемуся углекислому газу
с накаленным углем свойственно при отсутствии избытка воздуха
образовать горючую окись углерода CO (по уравнению
CO2+C=2CO), которая и составляет горючую составную часть
генераторного газа.
Состав
генераторного
газа
зависит
от
вида
газифицируемого топлива, рода окислителя и условий процесса.
В зависимости от состава дутья получают генераторные газы:
воздушный, паровоздушный, водяной, парокислородный.
Воздушным газом называют газ, получаемый при действии на
топливо кислорода воздуха. Если к воздуху добавляют
некоторое количество водяного пара, получают паровоздушный
пар. При взаимодействии топлива только с водяным паром
131
получают водяной газ, а смеси водяных паров с кислородом –
парокислородный газ.
Применяемые для газификации топлива аппараты
называют газогенераторами. Газификация топлива проводится
в аппаратах непрерывного действия, в которых процесс
построен на принципе противотока – топливо перемещается
сверху вниз, а дутье подается снизу вверх. Газ выводится из
верхней части газогенератора, зола удаляется из нижней части.
Схема конструкции простейшего газогенератора показана на
рис. 7.2. Газогенератор представляет собой цилиндрическую
шахту, футерованную огнеупорным кирпичом 2. Реакционная
зона газогенератора оборудована водяной рубашкой 3 для
получения водяного пара, а нижняя часть имеет
механизированную колосниковую решетку 4 с гидрозатвором
для распределения дутья и удаления шлака. Шахта
газогенератора
1
снабжена
устройствами
для
механизированной подачи топлива.
Твердое топливо в газогенераторе претерпевает
следующие изменения. В верхней зоне происходит его сушка
горячим генераторным газом, в следующей зоне – пиролиз
топлива – коксование, в результате из топлива выделяются
летучие продукты (газ и смола). Образующийся в зоне
пиролиза кокс поступает в зону восстановления, где кокс
реагирует с образующимися в зоне горения углекислым газом и
парами воды. В зоне восстановления получают горючие газы,
оксид углерода, водород и метан, на это расходуют часть кокса.
Далее кокс поступает в зону горения, где вступает в реакцию
горения с кислородом воздуха. В зоне горения при высокой
температуре происходит плавление золы и образование шлака.
Образовавшийся шлак, предварительно охлаждаясь дутьем,
поступает в гидрозатвор механизированной решетки, где
окончательно охлаждается и дробится.
132
Рисунок 7.2 – Газогенератор
Применение повышенного давления при газификации
твердого топлива позволяет получить газ, близкий по составу
косовому газу, при этом в несколько раз возрастает
интенсивность процесса. Повышенное давление позволяет
транспортировать газ на дальние расстояния ( до 300 км). Схема
газогенератора для газификации топлива при повышенном
133
давлении показана на рис. 7.3. Корпус генератора состоит из
двух обечаек – внешней, которая воспринимает давление, и
внутренней, в которой давление выровнено с обеих сторон.
Пространство
между
обечайками
заполнено
водой.
Образующийся водяной пар поступает в пароприемник 1. Таким
образом, стенки цилиндра не подвергаются действию
повышенного давления, которого они не могли бы выдержать
при высокой температуре.
Рисунок 7.3 – Схема генератора для газификации топлива при
повышенном давлении:
1 – пароприемник; 2 и 8 – шлюзы; 3 – внутренний цилиндр;
4 – корпус; 5 – футеровка; 6 – колосниковая решетка;
7 – полый вал
Для защиты от прогорания цилиндр изнутри футеруют.
Дутье подают в генератор снизу через полый вал 7,
генераторный газ отводят сверху. Периодически топливо
загружают и выгружают золу через шлюзы 2 и 8, имеющие по
два затвора. При вращении колосниковой решетки 6 зола
высыпается в зольный шлюз. Газ выходит из генератора с
температурой 250оС, охлаждается, очищается от смолы,
газового бензина, диоксида углерода и сернистых соединений.
134
7.2.3. Подземная газификация углей
В 1888 году Д.И. Менделеев предложил метод
газификации каменного угля непосредственно на месте
залегания, без дорогостоящей добычи, обогащения и
транспортировки, путём неполного сгорания с образованием
горючих газов. В 30-х годах прошлого века в СССР
применительно к угольным шахтам Донбасса проводились
интенсивные научные и практические работы. Большой вклад
внёс член-корреспондент АН СССР, уроженец Сумщины
Коробчинский И.Е. В 1937 году в Горловке на одной из шахт
стала действовать первая в мире промышленная станция
подземной
газификации
угля,
поставляющая
газ
коксохимическому заводу.
Самый экономический бесшахтный метод газификации.
Сначала с поверхности земли к угольному пласту
пробуривают буровые скважины (рис. 7.4). Затем в пласте
создают гидроструйным или механическим способом
реакционные каналы, поджигают пласт электрическими
устройствами, после чего к скважинам нагнетают воздух для
поддержания горения. В реакционных каналах происходит
газификация,
обусловленная
взаимодействием
оксидов
углерода и водяного пара, образовавшихся при сжигании угля,
с углеродом стенок канала (угля). Из земных недр горючие газы
отводят по другим скважинам.
Рисунок 7.4 – Схема подземной газификации угля:
1 – буровые скважины; 2 – реакционные каналы; 3 – газоходы
135
Подземная газификация угля дает возможность освободить
горняков от тяжелого труда под землей, разрабатывать маломощные
пласты, расположенные на значительной глубине. Газифицируют
таким методом не только каменные, но и бурые угли.
Используют полученные горючие газы как топливо для
парогенераторов, газовых двигателей, на газотурбинных
электростанциях. В 1940 г. в Харькове под руководством
профессора политехнического института Маковского В.М. была
создана первая стационарная газотурбинная установка
мощностью 736 кВт (рис. 7.5), которая была испытана на газе
подземной газификации в г. Горловке и показала хорошие
результаты.
Рисунок 7.5 – Газовая турбина В.М. Маковского:
1 – рабочий диск с 2 венцами лопаток; 2 – опорно-упорный
подшипник; 3 – лабиринтовые уплотнения; 4 – второй опорный
подшипник; 5 – муфта сцепления с валом электрогенератора;
А – впуск газа; Б – выпуск отработанного газа
136
7.3 Коксование каменных углей. Коксовый газ
Металлургический кокс и ценные побочные продукты
(каменноугольную смолу и коксовый газ) получают коксованием
каменных углей. Для этого смесь каменных углей (марок:
коксовые, жирные и газовые) нагревают без доступа воздуха до
температуры 1000-1100оС в специальных печах. Схема обогрева
коксовой камеры показана на рис. 7.6.
Рисунок 7.6 – Обогрев коксовой камеры:
1 – обогревательные каналы; 2 – камера коксования;
3 – газовые каналы; 4 – подовый канал для подачи воздуха
Такие камеры располагают батареями и строят из
огнеупорного материала: динаса и шамота. В шамотных печах
максимальная
температура
в
обогреваемых
каналах
о
поддерживается не выше 1250 С, а в динасовых – 1450оС.
Современные печи строят из динаса.
Процесс коксования осуществляется следующим образом.
До 200оС из угольной шихты выделяются влага и
адсорбированные углем газы: двуокись углерода и метан. При
температуре от 200 до 350оС начинают разлагаться вещества,
входящие в состав угля с образованием оксида углерода, воды и
других соединений. При повышении температуры до 600оС
происходит энергичное разложение угля с выделением газов
полукоксования, смолы и образование полукокса.
137
С повышением температуры полукокс превращается в
кокс, выделение смолы, метана и его гомологов уменьшается, а
водорода, бензола и толуола – увеличивается. Состав, свойства и
количество выделяемого косового газа зависит от исходного
угля и технологического режима коксования. Примерное
количество основных продуктов коксования, выделенных из 1 т
угля, приведено в таблице 7.2.
Таблица 7.2 – Количество основных продуктов коксования,
выделенных из 1 т угля
Количество
Продукт коксования
Кокс
Коксовый газ
Каменноугольная смола
кг
750-800
175-140
(350-280 м3)
40-25
% (массы)
75-80
17,5-14
4-2,5
Коксование угля осуществляется в печах внешнего
обогрева с вертикально расположенными камерами коксования.
Отопление коксовых печей производится высоко- и
низкокалорийными
газами
(генераторным,
доменным,
смешанным). По способу использования тепла отходящих газов
коксовые печи регенеративные. Регенераторы располагают под
коксовыми камерами печей. В регенераторах производят нагрев
низкокалорийных газов и воздуха, необходимого для их
сжигания, за счет тепла отходящих дымовых газов.
Коксовые камеры загружают угольной шихтой сверху,
коксовый газ удаляется из верхней части камеры. Из камеры
готовый кокс с помощью специальной машины –
коксовыталкивателя поступает в тушильный вагон, а затем на
сортировку.
Коксовый газ, содержащий летучие компоненты,
поступает на переработку для отделения смолы, аммиака и
бензола. Охлажденный и очищенный коксовый газ из каменных
углей характеризуется высоким содержанием водорода, метана и
оксида углерода. Он легче воздуха, имеет достаточно высокую
138
теплоту сгорания. Особой ценностью коксового газа является
высокое содержание в нем водорода и оксида углерода, что
делает его незаменимым сырьем в производстве синтетического
аммиака, метилового и этилового спиртов. После извлечения
водорода коксовый газ используют для обогрева коксовых и
металлургических печей. Коксовый газ ввиду наличия оксида
углерода ядовит; пределы взрываемости: нижний 6%, верхний
30% (обьема ).
7.4 Нефтезаводские газы
Нефть является жидким топливом. В отличии от других
видов природных топлив сырую нефть не используют в
качестве горючего. Она служит сырьем для получения
высококачественных моторных топлив, газов, масел и
химических продуктов.
Переработкой
нефти
получают
нефтяные
газы,
используемые как энергетическое топливо и как сырье для
получения химических продуктов. Переработка нефти включает
следующие основные процессы: перегонку нефти, термический
крекинг, каталитический крекинг, пиролиз, коксование.
Большинство из названных процессов сопровождаются
выделением нефтяных газов. Нефтезаводские газы имеют
высокую жаропроизводительность и содержат значительное
количество предельных и непредельных углеводородов, поэтому
в первую очередь представляют интерес как сырье для
получения
химических
продуктов
–
полиэтилена,
полипропилена и др. Теплота сгорания нефтезаводских газов
колеблется в широких пределах – от 8000 до 32000 ккал/м3, а
жаропроизводительность – от 2120 до 2190оС. Среднее значение
жаропроизводительности (tмакс) для нефтезаводских газов можно
принимать равным 2130оС, величину СО2 макс – 13,7%.
Перегонкой нефти называют процесс термического
разделения ее на части ( фракции ) без заметного разложения
углеводородов. Перегонка нефти основана на том, что с
увеличением молекулярной массы углеводородов повышаются
139
их температуры кипения. Сырую нефть разделяют на фракции:
бензиновую (выкипающую в пределах 175-200оС), керосиновую
(выкипающую в пределах 200-270оС) и газойлевую
(выкипающую в пределах 270-350оС). После отгонки указанных
фракций в перегонном аппарате остается мазут. При перегонки
нефти получают газ, представляющий часть попутного газа,
растворенного в нефти. Перегонкой сырой нефти получают
примерно 20 – 30% бензина, 30 – 45% лигроина, керосина и
газойля, 25 – 50% нефтяных мазутов, 2 – 6% газов прямой
перегонки.
Термический и каталитический крекинг нефти является
основным методом переработки нефти. Крекинг (расщепление)
– процесс деструктивной переработки нефти с целью
получения главным образом моторных топлив, газов и других
химических продуктов. При крекинге происходит распад
молекул
тяжелых
углеводородов
с
образованием
вышеуказанных продуктов. Сущность крекинга заключается в
нагревании нефти до температуры 350-650оС, в результате чего
высокомолекулярные углеводороды разлагаются, образуя более
легкие углеводороды. Крекинг нефти ускоряется в присутствии
катализаторов и при повышении давления до 70 кг/см2 (7 Мпа).
При крекинге нефти выход бензина увеличивается до 40 – 70%,
а газа до 10 – 20%. Эти газы характеризуются высоким
содержанием непредельных углеводородов и являются ценным
сырьем для получения химических продуктов, сжиженных
углеводородных газов и после переработки могут
использоваться как энергетическое топливо.
Коксование нефтепродуктов. В качестве сырья для
коксования используют мазуты или отбензиненную нефть. Для
этого тяжелые нефтяные фракции нагревают примерно до
700оС, в результате получают 40-75% жидких продуктов, 1012% газа и 12-20% кокса. Как и газы крекинга, газы коксования
богаты непредельными углеводородами и в первую очередь
поступают на переработку, где из них извлекают ценные для
химического синтеза компоненты. Газ после переработки
используют для энергетических целей. Способы термической
140
обработки нефти связаны со значительными затратами тепла.
Для получения тепла на нефтеперерабатывающих заводах
используют нефтяные газы после их переработки и извлечения
ценных компонентов.
7.5 Газификация древесины
Существующие в природе большие ресурсы угля,
древесины,
торфа,
более
полувека
назад
широко
использовались в нашей стране вместо привычных в настоящее
время природного газа, бензина, дизельного топлива. В стране
производились и эксплуатировались сотни тысяч больших и
малых газогенераторов, которые использовались для
производства генераторного газа. Генераторный газ после
очистки от примесей использовался в качестве топлива
автомобильных, тракторных, тепловозных и судовых
двигателей, двигателей газопоршневых теплоэлектроагрегатов
и для крупных промышленных производств.
С открытием больших запасов нефти и газа и началом их
добычи, кажущаяся дешевизна и простота применения
природного газа, бензина, дизельного топлива, мазута
обеспечили условия для забвения процесса газификации и в
целом всего направления.
Запасы нефти и газа оказываются не безграничными,
начинается дефицит газа, рост цен с вытекающими из этого
последствиями.
Одним из путей выхода из существующего положения
является освоение нового способа получения энергии –
газификации твёрдых видов топлив – древесины, торфа, угля,
имеющихся практически повсеместно.
Большие объемы заготовок и переработки леса
сопряжены с получением больших количеств отходов
древесины, которые могут стать практически подготовленным
топливом для газогенераторов. Использование древесных
отходов не только очищает природу от загрязнений, но и
снижает или полностью исключает затраты на покупку
141
электроэнергии предприятиями, посёлками, городами, делают
их независимыми от ненадёжного внешнего энерго- и
газоснабжения.
Дизельные двигатели имеют широкое применения в
производстве
автомобилей,
тракторов,
автономных
электростанций. Перевод широкого ассортимента дизелей на
газовое топливо решает сразу много вопросов и в первую
очередь экономические. Потребители бензина, ДТ, природного
газа могут перейти на местные, гораздо более дешёвые виды
топлива, это развязывает им руки, снижает зависимость от
деятельности энергетических монополий.
Другие решаемые проблемы:
1) Экологические – современные крупные заготовки и
переработка древесины вызывают концентрацию отходов
производства в определенных местах, вызывая негативное
воздействие на почву, почвенные воды, атмосферу.
Использование отходов для производства электрической и
тепловой энергии – крупномасштабное экологическое
мероприятие,
способствующее
выполнению
Киотского
соглашения.
2) Ресурсосбережение. По имеющейся информации количество
отходов, образующихся при глубокой переработки древесины,
достигает 30 – 35%, это означает исключение из топливного
баланса страны многих миллионов тонн топлива. Данная
ситуация аналогична положению в добыче нефти и газа, когда
многие миллиарды углеводородных газов низкого давления
выбрасываются для сжигания на факелах.
3) Социальные. Для производства дополнительно необходимых
двигателей, электрических генераторов, газогенераторов,
энергетических установок различной мощности и их
обслуживания необходимы люди для постоянной работы.
Развития данного направления позволит развивать малые
производства в любых отдалённых от ЛЭП и газопроводов
районах.
142
7.5.1 Энергетические установки на генераторном газе
Предназначены для использования на лесопилках,
деревообрабатывающих заводах, мебельных фабриках и работают
на деревоотходах: щепа, стружки, опилки, обрезки и т.п. Схема
установки представлена на рис. 7.7, а общий вид на рис. 7.8.
Рисунок 7.7 – Принципиальная схема энергетической установки,
работающей на древесных отходах:
1 – рубилка; 2 – сушилка-бункер с ворошителем; 3 – блок радиаторов
охлаждения генераторного газа, смазочного масла и охлаждающей
двигатель жидкости с подачей горячего воздуха в сушилку;
4 – газогенератор; 5 – сепаратор; 6 – фильтр; 7 – газопоршневой
электроагрегат
Рисунок 7.8 – Энергетическая установка компании
«Эконефтегаз» мощностью 30 кВт для работы на древесине
143
Энергетические установки включают в себя узлы и
устройства для выполнения следующих операций:
1 Измельчение древесины. Для придания древесине
однородности древесные отходы подвергаются рубке на
рубильной машине. Получаемая щепа имеет в длину 16-22 мм и
толщину 5 мм. К получаемой щепе допускается добавление до
15% опилок.
2 Сушка щепы производится в бункере с ворошителем
потоком теплого воздуха от вентилятора охлаждения
газопоршневого
двигателя,
радиатора
охлаждения
генераторного газа, в который направляются выхлопные газы
этого же двигателя. Бункер располагается в торце
газопоршневого двигателя со стороны радиатора с целью
максимального использования потенциала потока теплого
воздуха от вентилятора двигателя.
3 Газогенератор представляет собой
вертикальный,
полый цилиндрический или прямоугольного сечения аппарат,
условно разделенный на следующие зоны:
- бункер для загрузки и хранения щепы и подачи её в зону
горения. Периодически в бункер загружается вручную или
механическим образом щепа. В бункере производится сушка
щепы и испарение летучих веществ;
- зона горения, в которую из атмосферы через фурмы
подаётся воздух в дозированном количестве для обеспечения
неполного сгорания древесины и максимального получения
окиси углерода. Вместе с воздухом в зону горения может
подаваться водяной пар, обеспечивающий
образование
водорода, в зоне высокой температуры образуется частично
метан и расщепляются летучие смолы.
Из зоны горения выходят генераторный газ и зола, зола
падает в сборник, из которого она периодически удаляется.
Горячий газ с температурой 300-500оС поступает на
охлаждение.
4 Охлаждение газа производится с целью использования
его тепла, а также конденсации паров воды и смол. Охлаждение
генераторного газа производится в радиаторе с оребренными
144
трубами и обдуваемом вентилятором газопоршневом
двигателе, нагретый воздух обдува труб радиатора
направляется на сушку щепы, а охлажденный до 70-80оС
генераторный газ направляется на сепарацию.
5
Сепарация
газа.
Массообменный
сепаратор
обеспечивает смешение неочищенного газа с размельченной до
микронного уровня дисперсности жидкостью, контакт капель
жидкости с механическими и смолообразными примесями и их
отделение вместе с каплями жидкости в центробежной секции
сепаратора.
6
Адсорбционная
очистка.
При
необходимости
генераторный газ подвергается очистке на твердом носителе.
Твердый носитель или адсорбент имеет большую удельную
поверхность и насыпается в цилиндрический полый аппарат,
который герметично закрывается и подсоединяется к газовому
потоку. Оставшиеся в генераторном газе частицы смолы
прилипают к поверхности адсорбента, очищенный газ
направляется в газовую топливную линию газопоршневого
электроагрегата, а твердый адсорбент по мере потери активности
( забивки смолой ) меняется на свежий.
7 Газопоршневой электроагрегат – газопоршневой
двигатель внутреннего сгорания, сочлененный с электрическим
генератором, вырабатывающим электрический ток.
Очищенный и охлажденный генераторный газ поступает
в качестве топлива в газопоршневые электроагрегаты.
Электроагрегаты изготавливаются с использованием базовых
двигателей, максимально приспособленных к реальным
условиям работы на генераторном газе. Основная масса
газопоршневых двигателей создается с использованием
простых надёжных и хорошо проверенных двигателей
Минского и Ярославского, а также Первомайского (Украина)
моторных заводов.
145
Контрольные вопросы к теме 7
1 Что такое горючие газы и какие они бывают?
2 Какие основные характеристики горючих газов?
3 Поясните физикохимические основы горения газов.
4 Что такое коэффициент избытка воздуха?
5 Какик потери тепла при горении? к.п.д. тепловой установки.
6 Шкала пределов опасных концентраций природного газа.
7 Назовите способы получения искусственных газов.
8 Классификация искусственных газов в зависимости от метода
получения жаропроизводительности.
9 В чем заключается процесс газификации твердых топлив?
10 Начертите схему газогенератора для твердого топлива.
11 В чем заключается метод подземной газификации углей?
12 Способ получения и состав коксового газа.
13 Расскажите о способе получения нефтезаводских газов.
14 Каковы основные свойства и состав нефтезаводских газов?
15 В чем состоят преимущества от применения горючего газа,
полученного газификацией древесины?
16 Опишите принципиальную схему энергетической установки,
работающей на древесных отходах.
Список литературы
1. Гуськов Б.И. Газификация промышленных предприятий/
Б.И.Гуськов и др.– М.: Недра, 1982.
2. Шишаков Н.В. Основы производства горючих газов/ Н.В.
Шишаков. – М.-Л.: Химия, 1998.
3. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа, 4.2.
крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных
газов – М.: химия, 1980. – 328 с.
146
Тема 8 СЖИЖЕННЫЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ГАЗЫ (СУГ)
8.1 Общие сведения о СУГ
Сжиженные углеводородные газы (СУГ) – состоят из
углеводородных соединений, являющихся органическими
веществами, содержащими в своем составе два химических
элемента: углерод и водород.
СУГ – смесь газов, которые при нормальных условиях
(p=1атм; t=0C) являются газами, а при некотором повышении
давления переходят в жидкое состояние. Сжижение газов –
переход вещества из газообразного в жидкое состояние при
охлаждении его до температуры ниже температуры насыщения
при данном давлении. Для газов, имеющих очень низкие
температуры насыщения, применяют криогенные технологии.
Для СУГов эти температуры уместные.
В состав СУГ входят т.н. предельные (насыщенные)
углеводороды - алканы. Их общая химическая формула СН2n+2.
CH4 – метан
С2Н6 – этан
С3Н8 – пропан
С4Н10 – бутан
С5Н12 – пентан
газы
при нормальных
условиях
- жидкость
В последние десятилетия СУГ нашли широкое
применение в качестве горючих газов и моторных топлив в силу
ряда преимуществ:
- СУГ имеют высокую теплоту сгорания и большую
концентрацию тепловой энергии в единице объема;
- СУГ транспортабельны на большие расстояния (в баллонах,
цистернах, судах, по трубам);
- высокоэкономично их использование: по сравнению с
сетевым газом в 3 раза уменьшается металлоемкость и в 2,5 раза
– капиталовложения на создание систем.
147
СУГ применяются как моторные топлива для
автомобильного транспорта. Для этих целей установлены марки
СУГ:
ПБА – пропан-бутан автомобильный;
ПБА – пропан автомобильный.
СУГ применяется также для коммунально-бытовых нужд,
его марки:
ПБТЗ – пропан-бутан технический зимний;
ПБТЛ – пропан-бутан технический летний;
БТ – бутан технический.
СУГ могут быть переведены в газообразное состояние –
регазификация.
8.2 Свойства СУГ
СУГ
в
условиях
транспортировки,
хранения,
регазификации всегда находятся в виде двухфазной системы
жидкость–пар.
Основные свойства пара: высокая плотность, медленная
диффузия, низкая температура воспламенения, способность
образовывать кристаллогидраты, токсичность, содержание
опасных примесей.
8.2.1 Свойства жидкой фазы
Свойства жидкой фазы: способность к сильному
объемному сжатию и расширению, малая относительная
плотность, охлаждающая способность при регазификации.
Плотность составляющих углеводородного газа при
нормальных условиях:
Метан
0,72 кг/м3
Этан
1,36 кг/м3
Для сравнения: плотность
Пропан
2,00 кг/м3
воздуха при н. усл. 1,293кг/м3.
Бутан
2,7 кг/м3
Средняя плотность газовой смеси равна
rñì  (r1n1  r2 n2  rn nn ) 100 ,
где 1, 2, n - плотность компонентов смеси,
1, 2, …n – объемное содержание их в смеси, %.
148
Поскольку паровая фаза сжиженного газа имеет плотность
большую, чем плотность воздуха, то она долго не рассеивается,
а стелется по земле или полу помещения, долго сохраняет
способность воспламенения и взрыва, т.е. плохая диффузия.
Смесь паров СУГ воспламеняется при 510С, т.е. даже от
тлеющей спички. Распространение пламени очень быстрое, при
этом сильно возрастает давление – происходит взрыв.
Все
сжиженные
углеводородные
газы
взаимно
растворяются друг в друге.
В летнее время и в отапливаемых помещениях (t=20-25С)
следует применять смесь из 50 % пропана и 50 % бутана, в этом
случае упругость паров (давление, при котором при данной
температуре пар находится в состоянии насыщения) равна
5 кгс/см2.
В зимнее время t < 0 следует увеличить содержание
пропана, или пользоваться только пропаном, т.к. упругость
паров снижается (для пропана при t = -15 С, p = 3,2 кгс/см2).
8.2.2 Критические параметры
Все газы можно перевести в жидкость, уменьшая их
температуру или повышая давление. Для каждого газа
существует температура, выше которой газ не может быть
превращен в жидкость повышением давления – критическая
температура. Давление, требуемое для сжижения, – критическое
давление. Чем легче газ, тем ниже критическая температура и
выше давление:
Метан: tкр = -82  С, pкр = 45,8 атм;
Бутан: tкр = 153 С, pкр = 35,7 атм.
Плотность пара над жидкостью в критическом состоянии
равна плотности жидкости.
Критические параметры смеси газов лежат между самыми
высокими и низкими значениями для составляющих газов.
8.2.3 Токсичность СУГ
Токсичность СУГ объясняется тем, что, попадая в воздух,
газы вытесняют кислород, это приводит к кислородному
149
голоданию - удушье, головокружение, потеря сознания.
Существуют нормы предельно допустимой концентрации – не
более 300 мг/м3.
Опасные примеси – сероводород в смеси с водой приводит
к коррозии поверхностей металлических сосудов, труб –
расслоение металла. Должно быть не более 5 мг H2S /100 м3.
Сернистые соединения, находящиеся в газе, вызывают
сильную коррозию латунных и алюминиевых деталей. Может
образовываться серная кислота.
8.2.4 Объемное сжатие и расширение СУГ
Принято считать, что жидкости, например вода, не
сжимаемы, т.е. под действием давления их объем не изменяется.
Но это не так даже для воды. А СУГ – особенно! Например,
сжимаемость пропана в 16 раз выше, чем у воды! При
повышении температуры жидкой фазы ее объем сильно
увеличивается. При изменении температуры пропана от -15 
до 25С его объем увеличивается на 11%. Поэтому сосуды надо
рассчитывать на самые тяжелые условия – максимальную
температуру. При 100% загрузке сосуда СУГ произойдет его
разрыв при повышении температуры. Максимально допускается
налив на 85 % емкости.
8.2.5 Охлаждающие свойства СУГ
При максимальном отборе паровой фазы из резервуара
давление паров в нем падает, жидкая фаза начинает кипеть и
переходить в паровую, но на это затрачивается большое
количества тепла парообразования. Откуда оно берется? Это
тепло отбирается от самой жидкой фазы и жидкость в сосуде
охлаждается, от оборудования, от окружающей среды (рис. 8.1).
Баллон, емкость снаружи покрывается “снежной шубой”, грунт
промерзает до -15 – -20С. Причем это происходит и в зимнее и
в летнее время.
Применяемые конструкционные материалы должны быть
хладостойкими (сталь 3 сп, 16 ГС, ковкий чугун).
Дополнительный холод образуется при дросселировании.
150
Попадание жидкой фазы на тело человека вызывает
обморожение, похожее на ожог, с образованием пузырей.
Необходимы соответствующие меры безопасности.
Рисунок 8.1 – Схема теплопритоков в сосуде с СУГ
8.2.6 Кристаллогидраты
СУГ получаемый на заводах, как правило, не содержит
воды и влаги. Но влага попадает при заполнении сосудов,
транспортных цистерн (конденсат, после гидроиспытаний,
соприкосновение с воздухом).
В зимнее время при прохождении газа через дроссельные
регулирующие устройства его температура становится ниже
окружающей. Некоторая часть водяной влаги вместе с парами
СУГ конденсируется на дроссельном органе, создавая плотный
снег или лед. Это – кристаллогидрат – смесь молекул газа и
воды. Это соединение нестабильно и разлагается на газ и воду.
Чтобы это предотвратить, в жидкую фазу вводят метанол
(метиловый спирт) примерно 260 г/т газа. Температура
замерзания спиртоводного раствора значительно ниже
температуры замерзания воды.
8.2.7 Точка росы СУГ
В замкнутом объеме СУГ всегда находится в состоянии
равновесия: сколько испарилось, столько и сконденсировалось.
Но если понизить температуру СУГ (при том же давлении), то
151
начнется конденсация, т.к. паровая фаза окажется
перенасыщенной, капли начнут оседать в сосудах и
газопроводах, что плохо для работы системы. Поэтому нужно
стремиться использовать такие смеси СУГ, чтоб их точка росы
была ниже окружающей температуры:
Пропан
100%-й
ts =-42 С (зима)
Бутан
100%-й
ts = 0 С
(лето).
8.3 Горение газовоздушной смеси
Для горения 1 м3 пропана надо 24,6 м3 воздуха, но
обычно подают даже избыток воздуха, чтоб не было недожога
топлива.
Температура горения газов тем выше, чем тяжелее
компоненты:
Метан
1875 С
Этан
1895 С
Пропан
1925 С
Бутан
1900 С
Скорость распространения пламени 0,4 – 0,8 м/с.
В горелочных устройствах не должно быть отрывов
пламени от огневых отверстий и проскок пламени внутрь
отверстия. Т.е. давление газа должно быть таким, чтобы
скорость истечения газа через отверстие была примерно равна
скорости распространения пламени.
Одорация СУГ. Пары СУГов бесцветны и не имеют
запаха, что затрудняет их обнаружение в случае утечки. Для
придания запаха добавляют одоранты – этилмеркаптан в
количествах 60 – 90 г/т СУГ.
Запах должен ощущаться при концентрации газа в
воздухе помещения от 0,3 – 0,5 %.
8.4 Получение СУГ
Основное сырье для получения СУГ – искусственные
газы и естественные нефтяные газы.
152
Способы получения:
– из попутных нефтяных газов;
– из газового конденсата;
– из нефтезаводских газов.
Попутные нефтяные газы представляют наибольшую
ценность для получения СУГ. Попутные газы образуются при
добыче нефти как побочный продукт.
Рисунок 8.2 – Принципиальная технологическая схема
добычи попутного нефтяного газа:
1 – нефтяная скважина; 2 – сепаратор газа;
3 – установка обезвоживания нефти;
4 – установка подготовки газа; 5 – компрессор попутного газа
При выкачке нефти из пласта давление в нем снижается
по отношению к исходному (пластовому), нарушается фазовое
равновесие и из нефти выделяются углеводородные газы,
которые были в ней растворены. Этот т.н. попутный газ
перекачивается на газоперерабатывающий завод. Из него
получают сухой товарный (метан + этан + часть пропана) газ, а
также сжиженные газы: пропан, бутан и стабильный газовый
бензин (компонент автобензина). Состав газов сильно
колеблется в зависимости от месторождения. А из нефти
дополнительно извлекают оставшийся попутный газ – т.н. газ
нефтестабилизации.
В газоконденсатном месторождении под действием
высокого пластового давления (10 – 60 МПа и более) в газовую
фазу переходят некоторые жидкие компоненты нефти. При
снижении давления до 4–8 МПа из газа в результате
конденсации выпадает т.н. конденсат, содержащий компоненты
153
СУГ, которые затем и отделяют. СУГ получают на
газоперерабатывающих заводах.
Более 50% СУГ получают на нефтеперерабатывающих
заводах в различных процессах (крекинг, пиролиз). Т.н.
нефтезаводские газы направляют на газофракционирующие
установки, где происходит разделение на компоненты.
8.4.1 Хранение СУГ
В больших количествах СУГ хранят в подземных
резервуарах при избыточном давлении до 18 кгс/см. Резервуары
выполняют в виде горизонтальных цилиндрических емкостей с
эллиптическими днищами. Устанавливаются в траншею на
глубине 0,6-0,7 м до верхней образующей (рис. 8.3).
Рисунок 8.3 – Подземный резервуар для хранения СУГ
Конструкция резервуара должна удовлетворять условиям
прочности при максимальной и минимальной (с учетом эффекта
охлаждения) температурах, максимальному давлению и
вакууму, который может образоваться.
Давление испытания сосуда
Р = Рраб+3кгс/см².
Обычно таких резервуаров устанавливается несколько.
Они связываются подземными или надземными трубами по
154
паровой и жидкой фазам для выравнивания давления, т.е.
работают как одно целое, но могут использоваться и раздельно.
Резервуары имеют редукционную головку для обеспечения
технологических процессов слива СУГ из автоцистерны,
снижения давления паров в резервуаре, контроля давления паров
и уровня жидкой фазы, удаления жидкой фазы. Имеются
сбросные клапаны для защиты от превышения давления.
Одна головка может быть установлена на группу
резервуаров.
Все сооружения и коммуникации должны быть не ближе
чем 3-5 м от габаритов резервуаров.
Засыпаются резервуары песком, предварительно защитив
их от коррозии специальными покрытиями.
Для нужд коммунально-бытовых и сельскохозяйственных
объектов широко используются баллоны. Они служат
транспортной тарой и сосудами длительного хранения. Цвет –
красный с белой надписью «Пропан».
Баллоны имеют в верхней части вентиль для обеспечения
режимов наполнения расхода газа.
Баллонные установки оснащаются регуляторами давления
– редукторами. Их назначение – снижение давления газа до
требуемой величины и автоматическое поддержание этого
давления независимо от давления в баллоне.
Баллоны могут устанавливаться индивидуально или как
групповые в шкафах.
Количество рабочих баллонов
N  ngKo QnV  ,
где n – количество потребителей (квартир, приборов и т.п.);
g – номинальная нагрузка потребителя, ккал/час;
Ko – коэффициент одновременности потребления;
Qn – низшая тепловая способность газа, ккал/м3;
V – расчетная производительность одного баллона м3/час.
8.4.2 Транспортировка СУГ
Транспортируют СУГ в цистернах. С точки зрения
нагрузок и прочности предпочтительно транспортировать
155
баллоны
в
вертикальном
положении.
Проверяется
герметичность вентиля обмыливанием. Обычно пустые баллоны
даются, а полные грузят на автотранспортное средство,
специально оборудованное каркасом.
Используются
также
специальные
автомобилибаллоновозы для транспортировки СУГ с числом баллонов 32,
40 и 54. Баллоны укладывают горизонтально на этажерке или
"клетке" в 2 или 3 ряда.
Для транспортировки СУГ на большие расстояния
используют ж/д цистерны. Однако более рентабельным
оказывается применение автоцистерн. Их объем от 4 до 25 м3
рабочее давление 16-18 атм, температура -40°–50°С. Они
оборудованы предохранительным клапаном на случаи пожара и
переполнения.
8.4.3 Перегрузки СУГ (слив-налив)
При сливе сжиженных газов из резервуаров в
трубопроводах образуется двухфазная смесь с различным
соотношением пара и жидкости. Характер истечения СУГ неоднородный , как показано на рис. 8.4. В местах сопротивления
(сужения, колено и т.п.) в потоке наступают кризисные явления,
когда, не смотря на увеличение перепада давления, скорость
потока остается практически постоянной, равной скорости
звука. Происходит запирание течения. Поэтому необходимо
принимать конечное давление меньшим или равным
pê  0,57 ðí ,
где рн – начальное давление в опоражниваемом сосуде.
Сжиженный газ хранится в емкости под давлением,
равным упругости паров. При перемещении СУГ по
трубопроводам рекомендуется принимать давление рmin по
соотношению
pmin  pí àñ  ðä ,
где рнас – давление насыщения паров (упругость паров);
рд – добавка, которая принимается равной;
рд = 1-1,2 МПа – для магистральных трубопроводов;
156
рд = 0,6-0,7 МПа – для недлинных трубопроводов;
рд = 0,12-0,2 МПа для коротких трубопроводов.
Рисунок 8.4 – Структура потока в насадке при истечении СУГ:
1 – гомогенная жидкость; 2 – эмульсия; 3 – пузырьковый режим;
4 – пробковый; 5 – дисперсно-кольцевой режим
Упругость паров СУГ в зависимости от времени года
изменяется в широких пределах: для пропан-бутановой смеси от
0,15-0,4 МПа зимой до 1,7-1,8 МПа летом.
Обычно СУГ транспортируются по трубам над землей при
рабочем давлении до 1,6 МПа.
Для перегрузки СУГ из цистерны (авто или ж/д) в
резервуарные хранилища с последующей погрузкой на
наливные суда сооружают терминалы.
Терминал содержит эстакаду для обеспечения разгрузки
цистерн, резервуарное хранилище, насосно-компрессорные
станции. В зависимости от уровня расположения резервуара по
отношению к поверхности земли (наземное, подземное)
технологическая схема несколько изменяется: самотека уже
будет недостаточно, нужно использовать компрессор или насос.
При использовании насосной схемы сливная и наполняемая
емкости должны быть соединены уравновешивающим
157
трубопроводом по паровой фазе,
сопротивления сливу и наполнению.
чтобы
не
создать
Рисунок 8.5 - Схема терминала для перегрузки
сжиженных газов
Компрессорная схема предполагает отбор пара из
наполняемой емкости, сжатие и подача его в сливную цистерну
для выдавливания жидкой фазы. После опорожнения цистерны
паp из неё откачивается в баллоны. При дальнейшей перекачке
СУГ, например в танкер, необходим насос.
8.4.4 Регазификация сжиженных газов в грунтовых
резервуарных установках
Регазификация - испарение жидких газов и перегрев
полученных насыщенных паров. Для этого необходим
постоянный подвод тепла к жидкой паровой фазам (рис. 8.6).
Рисунок 8.6 – Схема грунтовой резервуарной установки
регазификации СУГ
Естественные испарения происходят за счет притока
тепла от окружающего воздуха или грунта, т.е. даровым теплом,
158
без затраты энергии. На естественное испарение, кроме
температуры влияет компонентный состав СУГ, термические
сопротивления, грунта, стенок сосуда, степень заполнения и
зеркало сосуда и др.
При отборе паровой фазы из резервуара состояние
равновесия нарушается, т.е. давление постепенно снижается,
содержание легких углеводов снижается, тяжелых –
увеличивается. При максимальном отборе пара из резервуара
температура СУГ значительно снижается, так как не хватает
подвода тепла извне. Может вовсе прекратится процесс
испарения, произойдет обмерзание сосуда. Цикличность отбора
паров (день - ночь) поможет решить эту проблему за счет
аккумулирования тепла ночью. Зависимость испарительной
способности СУГ от температуры окружающей среды
приведена на рис. 8.7.
Q, м3/ч
т, час
Рисунок 8.7 – Испарение СУГ в зависимости от
температуры окружающей среды:
1-t = -18оС; 2- t = 0; 3- t = 10оС.
Недостатки естественного испарения:
- нельзя применять СУГ с большим содержанием бутана;
- теплота сгорания паровой фазы нестабильна;
- велики размеры и металлоемкость установок.
Газификацию СУГ производят в специальных установках регазификаторах (рис. 8.8).
159
Рисунок 8.8 – Схема регазификатора с электронагревателем
В регазификаторах с искусственным испарением в
качестве теплоносителей используется горячая вода, пар,
электронагреватели. При изменении отбора газа будет
изменятся давление в сосуде. ЭКМ даст сигнал через реле на
цепь электронагревателя на включение или выключение его.
8.4.5 Подземный газопровод
СУГ транспортируется и накапливается в групповых
резервуарных установках. От резервуаров прокладываются
газопроводы к потребителям, как правило, подземные с
соблюдением уклонов и установкой конденсатосборников
(рис. 8.9). При транспортировке пропан-бутана по трубам
учитывают, что эта смесь имеет гораздо более высокую
температуру конденсации, чем природный газ. Точка росы
пропан-бутановой смеси при содержании бутана от 0 до 100%
изменяется от -42°С до 0°С. Таким образом при охлаждении
труб воздухом или грунтом в конце трубопровода может
начаться конденсация паров, в первую очередь бутана.
Необходимо применять тепловую изоляцию труб или заглублять
их ниже глубины промерзания грунта.
Регазификация
- искусственное
испарение
СУГ
происходит фракционно, то есть сначала испаряются
легкокипящие компоненты(пропан). Увеличивается содержание
160
в резервуарах низкокипящего бутана. При транспортировке
паровой фазы с большим содержанием пентана конденсация не
происходит (нужна низкая температура), а если повышение
содержания бутана, то конденсация может произойти
(t ≈ -0,5°С). В этом случае трубы надо прокладывать в зоне
положительных температур.
Рисунок 8.9 – Схема подземного газопровода
Испытания газопроводов на прочность и плотность.
Сначала производится продувка, устанавливают манометры в
заглушках. Сначала испытывают на прочность в течение одного
часа, затем снижают давление и испытывают на плотность,
проверка обмыливанием.
Режимы испытаний для систем низкого давления:
Подземные трубы 24 час
Ò

ð

300
, Ò, Í ÷àñ
äî
ï
Надземные 30 мин
Dâí
Вводы газоприводов 1 час
рдоп 5 мм вод. ст.
В жилых и общественных рдоп 20 мм вод. ст.
помещениях 5 мин
161
Контрольные вопросы к теме 8
1 Охарактеризуйте сжиженные углеводородные газы (СУГ):
сырье и способы получения, химический состав, основные
применяемые марки СУГ.
2 Основные свойства СУГ в паровой и жидкой фазах.
3 Перечислите вредные воздействия СУГ на человека и
металлы.
4 В чем особенности объемного сжатия и расширения СУГ?
5 Охлаждающие свойства СУГ: как они проявляются?
6 Какие предъявляются требования к точке росы СУГ? Что
такое кристаллогидраты?
7 Способы получения СУГ в нефте- и газопереработке.
8 Какие особенности хранения СУГ? Как их транспортируют?
9 Перегрузка СУГ (слив-налив): какие применяются
технологии?
10 Приведите принципиальную схему терминала для перегрузки
СУГ и объясните принцип работы.
11 Каковы особенности устройства подземного газопровода для
транспортировки СУГ
12 Газонаполнительная станция (ГНС): устройство и принцип
действия.
Список литературы
1. Трушин В.М. Устройство и эксплуатация установок
сжиженного газа/ В.М. Трушин.–Л.: Недра, 1980.–198с.
2. Автомобильные газонаполнительные станции: справочное
пособие. –М.: Недра, 1989.– 128с.
162
Раздел 3
ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОВ
Тема 9 ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТА
9.1 Общие сведения об азоте
Азот – от греческого «безжизненный», бесцветный газ не
имеющий цвета и запаха, атомный вес 14,0.
В 1772 г. азот открыл шотландец Резерфорд. В свободном
состоянии азота в природе нет. А. Лавуазье в 1787г. установил,
что воздух содержит «жизненный» (поддерживающий дыхание
и горение, то есть кислород) и «удушливый» газы. В 1785г.
Г.Кавендиш показал, что азот входит в состав селитры. Позже
выяснили инертность азота в свободном состоянии и важное его
свойство в соединениях с другими элементами, т.е. в связанном
состоянии. Азот – четвёртый по распространенности (после
водорода, гелия и кислорода), элемент солнечной системы.
Азот – один из самых распространенных элементов на
Земле. В основном, сосредоточен в атмосфере. В составе
воздуха он составляет более 78%. Природные соединения азота
– это натриевые селитры, встречающиеся, обычно, в пустынях
(Чили, Средняя Азия). В каменном угле содержится 1- 2,5%
азота.
Азот крайне важен для жизнедеятельности живых
организмов. В живых белках содержится 16 – 17% азота.
Содержащийся в почве азот (в соединениях), извлекается
растениями в процессе роста и создается его дефицит, растения
плохо развиваются. Нужно постоянно пополнять почву азотом вносить азотные удобрения. Производство минеральных
азотных
удобрений
является
исключительно
важной
народнохозяйственной задачей.
163
9.2 Физические и химические свойства
Азот немного легче воздуха (ρ=1,2506 кг/м3 при
нормальных условиях).
Температура плавления -209,86ºС, кипения -195,8 ºС.
Азот сжижается с трудом.
Критические параметры: tкр= -174,1ºС, pкр =34,6 кг/м2.
Плотность жидкого азота ρж=808 кг/м3.
В воде он менее растворим, чем кислород.
Азот вступает в реакцию только с активными металлами
(литий, кальций, магний). С другими элементами – только при
высокой температуре и присутствии катализатора, в том числе с
водородом, образуя NH3 – аммиак.
Азот не оказывает вредного воздействия на окружающую
среду и не токсичен. Но длительное пребывание в загазованном
помещении вредно для человека, а дыхание в среде с
содержанием кислорода менее 19% опасно для жизни.
9.3 Получение азота из воздуха
Основную массу атмосферного воздуха составляет азот
(78,1%), поэтому очевидно, что наиболее рационально получать
азот из воздуха.
В промышленности в настоящее время применяется три
метода получения азота: низкотемпературное разделение,
адсорбционная и мембранная технологии.
Низкотемпературная
(криогенная)
технология
разделения воздуха на составляющие (азот, кислород, аргон и
другие газы) основана на разнице температур кипения (или
сжижения) азота и кислорода при глубоком охлаждении
воздуха.
Сжижение азота и кислорода в промышленных условиях
осуществляется в детандерных установках. Предварительно
сжатый и охлажденный воздух расширяется в детандере
(поршневом или турбодетандере) до температуры -192ºС, при
которой воздух полностью сжижается и становится бесцветной
164
жидкостью. Если теперь жидкий воздух слегка подогреть
(до -183ºС), то из него будет испаряться азот, а кислород
останется в виде жидкости. Этот процесс называется
ректификацией воздуха. Подробный технологический процесс
рассмотрен в разделе, посвященном кислороду. Отметим, что на
этих установках одновременно получают и азот, и кислород,
которые далее могут использоваться для различных целей, в
различных технологических линиях.
Указанные установки высокопроизводительные, но
сложные по устройству, стационарные и энергоемкие.
Применяются в производствах с большим расходом азота,
например получение аммиака.
Адсорбционная технология основана на адсорбции –
поглощении веществ в газообразном или жидком состоянии
поверхностью твёрдых или жидких тел (адсорбентов) чаще
всего твёрдых.
Адсорбер – аппарат для адсорбции, в котором газовая
смесь проходит через слой пористого адсорбента и из неё
извлекаются необходимые вещества. Адсорберы бывают
периодического и непрерывного действия.
Такие аппараты имеют небольшую производительность и
для получения азота в промышленных масштабах не
применяются.
Мембранная технология (применение молекулярных сит).
Принцип производства азота по этой технологии основан на
отделении молекул азота из предварительно очищенного
сжатого воздуха, прокачиваемого через так называемый
мембранный блок (или генератор).
Мембраны
обладают
свойством
селективной
проницаемости – прогрессивный эффективный метод с низким
потреблением энергии.
Суть мембранной технологии состоит в разделении
газовой смеси за счёт разницы парциальных давлений на
внешней и внутренней поверхностях поливолоконной
мембраны. Каждый компонент имеет свою характерную
скорость проникновения, которая зависит от его способности
165
растворяться в мембране и проникать через неё. «Быстрые» газы
(H2, CO2, O2, He и др.) быстро проникают сквозь полимерную
мембрану. «Медленные» газы (CO, N2, CH4 и др.) слабо
проникают через мембрану и отводятся во вне. Смесь газов,
прошедшая через мембрану, называется пермеатом.
Схема азотного генератора приведена на рис 9.1.
Мембранный разделительный блок представляет собой
цилиндрический картридж, внутри которого расположен пучок
трубчатых поливолоконных мембран.
Рисунок 9.1 – Мембранный картридж и мембрана
C помощью таких устройств можно получить азот
чистотой от 90 до 99,9% в достаточно больших количествах: от
1500 до 5000 м3/час.
Появление мембранных технологий обусловило быстрый
прогресс в развитии воздухоразделительной техники и
технологии. Главное преимущество мембранной технологии:
низкая энергозатратность, низкие параметры, компактность и
мобильность установок способствует всё более широкому её
применению.
Области использования различных установок по
производству азота приведены на рис.9.2.
166
Рисунок 9.2 – Области применения различных азотных
установок
9.4
Технологические
получения азота
мембранные
установки
для
С использованием мембранного метода получения азота в
последние годы рядом ведущих фирм созданы достаточно
простые промышленные установки. Принципиальная схема
установки приведена на рис.9.3.
Всасываемый из атмосферы воздух сжимается в
поршневой или винтовой компрессорной станции до некоторого
оптимального давления газоразделения.
Компр.
станция
Блок подготовки
воздуха
Мембранный
блок
Рисунок 9.3 – Схема получения азота по такой технологии:
Ф – фильтр; К – компрессор; ФС – фильтр-сепаратор;
ОС – осушитель; В/О – влагоотделитель
167
При выборе необходимого давления ищут компромисс:
при малых давлениях проще, выше надежность, но очень
большие габариты аппаратов, особенно мембранного блока. А
стоимость мембранных модулей очень высока. При высоких
давлениях могут быть проблемы с прочностью и надежностью.
Сжатый в компрессоре воздух поступает в блок
подготовки воздуха, где он охлаждается, отчищается от
капельной жидкости (вода, масло), механических примесей и
осушивается. Подготовленный таким образом воздух поступает
в мембранный блок, где он разделяется на потребительский азот
и пермеат (смесь кислорода, водяного пара, аргона водорода и
т.д.), который выбрасывается в атмосферу. Как видно, установка
экологически чистая, не наносит ущерб окружающей среде. В
случаях применения стационарных мембранных установок на
производственных предприятиях пермеат как обогащенная
кислородом воздушная смесь может быть полезно использован,
например, для дутья в топочных устройствах различного рода.
По такой технологии возможно получение азота с
концентрацией 99,9%, но обычно для технологического
применения достаточна чистота 90-98%.
Средняя стоимость одного литра азота на 50% дешевле
полученного традиционным низкотемпературным (криогенным)
методом.
Азот производится непосредственно на месте его
потребления в необходимом количестве. Расходы на хранение и
транспортировку отсутствуют вовсе.
Такая
технология
обладает
бесспорными
преимуществами, среди которых: компактность, мобильность
станции, разделение воздуха происходит в статическом
аппарате, а не в машине-детандере, возможность глубокого
регулирования и др. Недостатком является высокая стоимость
мембранных модулей и требование высокой степени очистки
воздуха, подаваемого на модули. Последнее требование
является жестким для компрессоров. Поршневые компрессоры
со смазкой и маслонаполненные винтовые компрессоры в
обычном исполнении неприемлемы.
168
Условию отсутствия масла удовлетворяют так называемые
«сухие» (бессмазочные) поршневые и винтовые компрессоры.
Такие компрессоры существуют. Конструктивно они намного
сложнее обычных и гораздо дороже.
В поршневых «сухих» компрессорах усложняется
конструкция сальников, требуется применение специальных
материалов и т.д.
Винтовые «сухие» компрессоры имеют существенно более
низкую степень повышения давления в одном корпусе, чем
маслозаполненные, т.к. нет впрыска охлаждающего масла
(π = 2-3 против 8-10). Они более громоздки. Требование
гарантийного зазора между винтами снижает объемный КПД
компрессора.
В
некоторых
случаях
применяются
винтовые
маслозаполненные компрессоры на первой ступени сжатия, а
далее, после очистки и сепарации воздуха, – «сухой» поршневой
дожимающий компрессор.
На таких установках, кроме основной технологической
операции – получение азота из воздуха, выполняются
одновременно следующие операции:
- обогащение воздуха кислородом (пермеат);
- осушка воздуха.
9.5 Азотно-мембранные компрессорные станции
Комплексные
установки
такого
рода
обычно
изготавливают передвижными на автомобилях или прицепах,
что позволяет быстро доставлять ее к месту использования.
Примером может служить азотная мембранная винтовая
передвижная станция АМВП-15/0,7оС производительностью по
азоту 15 мм3/мин и давлением 0,7 МПа, концентрация азота до
97%. Разработана во ВНИИкомпрессормаше (г. Сумы) в 2003 г.
Всё оборудование смонтировано в автомобильном
прицепе длиной 12 м, который состоит из трёх основных блоков
(рис.9.4).
169
Рисунок 9.4 - Передвижной станция АМВП
Управление станцией осуществляется с помощью
микропроцессорной системы.
Привод – электродвигатель, компрессор поршневой
2 ступенчатый, сухой. В последующем были применены
винтовые блоки сухого сжатия. С учётом требований
мобильности в станции применена воздушная система
охлаждения сжатого воздуха.
Станции успешно применялись при тушении пожаров на
шахтах Донбасса. Для локализации и тушения подземного
пожара станция подавала азот в зону горения для создания
атмосферы обеднённой кислородом.
Среди других применений азотных мембранных станций:
– для обустройства нефтяных и газовых скважин, ремонта
и испытаний трубопроводов в нефтяной и газовой
промышленности. Эта установка выполняется с дизельным
приводом, не связана с ЛЭП, может работать в любых условиях
севера, мощность станции – 250 кВт, масса – 9,3 т, длина – 6 м;
– для обеспечения длительного хранения зерна, овощей,
путем создания инертной среды без применения химии, что
замедляет их дыхание. Срок хранения возрастает в 2-3 раза, без
потери кондиций даже при +20 - 25 ºС;
– в атомной энергетике – для продувки охлаждающих
рубашек турбогенераторов АЭС.
170
9.6 Применения азота
Основная
часть
добываемого
свободного
азота
используется для промышленного производства аммиака,
который затем перерабатывается в азотную кислоту, удобрения,
взрывчатые вещества. Получать технически чистый азот в
разделительных установках в больших количествах обходится
очень дорого. Поэтому в таких производствах используют не
технически чистый азот, полученный, например, ректификацией
воздуха, а непосредственно атмосферный воздух. Такая
технология будет рассмотрена в следующей теме «Технологии
производства и использования аммиака».
Свободный азот применяют во многих отраслях
промышленности:
– как инертная среда при испытании аппаратов и машин,
например компрессоров (работы ВНИИкомпрессормаша по
созданию ПК и ЦК СВД) (рис. 9.5);
– для продувки аппаратов труб и др. оборудования,
работающего на взрывоопасных газах (нефтяная и газовая
промышленность)
при
ремонтах,
испытаниях
перед
заполнением газом;
– как «буферная» запирающая среда при герметизации
машин а аппаратов, работающих на опасных газах, смесь
которых с небольшим количеством азота допустима по по
условиям технологического процесса;
– применяется в качестве импульсного газа в системе КИП
и А установок, работающих на опасных газах (для элементов
пневмоавтоматики,
когда
нельзя
применять
приборы
электроавтоматики из-за возможной искры);
– повышения продуктивности газовых и нефтяных
скважин методом газоимпульсного воздействия с помощью
азотного генератора – сосуда, наполненного азотом при очень
высоком давлении, который создаёт локальный взрыв вокруг
заборной части скважины, образуя множество трещин и каналов
в твёрдой толще пласта.
171
Широко
используется
азот
и
в
технологии
машиностроения.
Азотирование (азотация) – насыщение поверхности
металлических деталей с целью повышения твердости,
износостойкости, предела усталости, коррозионной стойкости.
Азотирование сталей происходит в герметичных печах
при 500 - 650ºС в среде аммиака. Процесс длительный. Для
получения слоя толщиной 0,2 - 0,4 мм требуется 20 - 50 часов.
Повышение температуры ускоряет процесс, но твердость
снижается.
Рисунок 9.5 – Схема установки для испытаний ПК и
ЦК СВД на азоте
Применяется азотирование в основном для легированных
сталей, особенно хромоалюминиевых сплавов, а так же сталей,
содержащих вольфрам и молибден. Азотируются так же
титановые сплавы, но при 850-950ºС в среде чистого азота.
Способность к глубокому охлаждению обусловливает
применение жидкого азота в различных холодильных
установках, в машиностроении для сборки – разборки
соединений с большим натягом, а так же в криотерапии в
медицине.
172
Для технологических нужд азот получают на местных или
централизованных азотных станциях.
Хранят азот в газгольдерах, емкостях, баллонах.
Транспортируют обычно в жидком состоянии, в сосудах
Дюара с вакуумной теплоизоляцией. Окраска сосудов с азотом
черная.
Контрольные вопросы к теме 9
1 Назовите основные, практически важные для техники свойства
азота.
2 Назовите промышленные методы получения азота, их
преимущества, недостатки, области применения.
3 В чем суть низкотемпературного метода разделения воздуха
для получения азота?
4 В чем суть мембранной азотной установки, поясните ее
работу.
5 Приведите схему мембранной азотной установки, поясните ее
работу.
6 Какие требования к сжатию азота в компрессорах мембранных
установок? Какие компрессоры отвечают этим требованиям.
7 Что значит «сухие» компрессоры? Каковы особенности их
устройства?
8 Каковы применения свободного азота в народном хозяйстве?
9 Для чего применяют азот в технологии машиностроения?
10 Каковы особенности хранения, транспортировки и
маркировки сосудов азота?
Список литературы
1. Атрощенко В.И. Курс технологии связанного азота/ В.И.
Атрощенко и др. –М.–Л.: Химия, 1968.
2. Справочник азотчика. –М.-Л.: Химия, 1969.– т.I и II.
3. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода/ Д.Л. Глизманенко – М.:
Химия, 1972.–752с.
173
Тема 10 КИСЛОРОД И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
10.1 Общие сведения о кислороде
Роль кислорода в нашей жизни и производственной
деятельности трудно переоценить. Без кислорода нет жизни.
Главное его свойство – способность к окислению. Важнейшим
окислительным процессом является горение. Еще древние
китайцы, а в последствии Леонардо да Винчи (1452-1519)
считали, что в воздухе содержится составная часть, которая
расходуется при горении.
Кислород был открыт в начале XVIII в. голландским
изобретателем К. Дреббелем, использовавшим его для своей
подводной лодки, сохраняя глубокую тайну.
Ломоносов М.В. в 1756 г. доказал, что горение-окисление
– это присоединение к веществу части из воздуха, а не из
огненной материи, как считалось раньше. Французский химик
Лавуазье В. дал элементу название и развил теорию горения и
окисления. Чистый кислород был выделен шведом Н. Шееле в
1770 г. при нагревании селитры, азотно-кислого магния и др.
Кислород – самый распространенный элемент в природе
по весу. Его содержание по массе составляет:
в воздухе 23%;
в воде 86%;
в земной коре 47%.
Главная масса кислорода содержится в связанном
состоянии в основном в земной атмосфере.
10.2 Свойства кислорода
10.2.1 Физические свойства
Кислород - бесцветный газ, не имеет запаха и вкуса.
Атомный вес 16.
Температура сгущения (сжижения) -182,98оС при
атмосферном давлении, образуется бледно-синяя жидкость.
174
Температура отвердения –218,7оС, образуются синие
кристаллы.
Критическая температура –118,84 оС.
Критическое давление 49,71 атм.
Плотность газа (при 760 мм рт.ст.,0 оС) ρ=0,00143 г/см.
Плотность жидкого кислорода (-182,98 C) ρ=1,1321 г/см.
Плотность твердого кислорода (-252,5 C) ρ=1,4256 г/см.
Под действием ультрафиолетовых лучей распадается на
атомы.
В тихом разряде образуется озон – О3.
Хорошие поглотители – благородные металлы и
древесный уголь.
Кислород в любом агрегатном состоянии обладает
магнитной восприимчивостью, т.е. его частицы притягиваются к
магнитным полюсам.
Кислород
хорошо
растворим
в
органических
растворителях (бензине, ацетоне, эфире).
10.2.2 Химические свойства
Кислород образует соединения со всеми химическими
элементами, кроме благородных газов. Со всеми элементами
кроме галогенов и благородных металлов реагирует
непосредственно. Скорость реакции окисления зависит от
природы окисляемого вещества, температуры и условий
смешения. Чем выше температура, тем быстрее реакция
окисления. Например, водород при комнатной температуре с
кислородом практически не реагирует, а при t=700-800 оC смесь
его с кислородом взрывается.
Ускорителями
реакций
являются
катализаторы.
Отличный катализатор – вода.
Горючие газы образуют с кислородом сильно взрывчатые
смеси, а их пары способны окислятся при соприкосновении с
чистым кислородом, а при определенных условиях
самовоспламеняться со взрывом. При повышении давления и
температуры опасность самовоспламенения и взрыва смесей
горючих веществ с кислородом возрастает. Воспламенение в
175
замкнутом пространстве пористых горючих веществ (угольная
пыль, прессованный торф, шерсть) пропитанных жидким
кислородом, сопровождается взрывом большой разрушительной
силы.
10.3 Технология получения кислорода
Кислород можно получать: 1) химическими способами;
2) электролизом воды; 3) разделением воздуха методом
глубокого охлаждения.
Промышленное получение кислорода осуществляется
путем глубокого охлаждения, сжатия и ректификацией
(разделением на составляющие) в специальных установках.
Типичная установка представлена на рис. 10.1. В этих
установках для подачи сжатого воздуха используются
компрессоры.
Ректификация – процесс разделения жидкого воздуха на
жидкий кислород и газообразный азот, осуществляемый в
специальных аппаратах – реакторных колоннах.
В нижней части колонны происходит предварительное
разделение воздуха на обогащенный воздух, содержащий 40%О2
и на жидкий азот (97-98%), собирающийся в карманах
конденсатора.
Обогащенный воздух подается в верхнюю часть колонны,
где происходит окончательная ректификация с получением
99-99,5%О2 и 97-98%N2. Расход энергии на призводство1нм3
технического кислорода равен 0,65-1,5 кВтч.
Применяются установки с глубоким охлаждением для
получения жидкого кислорода с использованием давления
180-200атм и дальнейшим расширением в поршневом
детандере или воздуха низкого давления (6 атм) с расширением
в турбодетандере (метод акад. П.Л. Капицы).
176
Рисунок 10.1 – Схема ректификационной установки получения
жидкого кислорода
Цикл Капицы – холодильный цикл основанный на
применении воздуха низкого давления и получении
необходимого холода только за счет расширения этого воздуха в
воздушной турбине (детандере) с совершением внешней работы.
Схема установки, реализирующей такой цикл, представлена на
рис. 10.2
Рисунок 10.2 – Схема цикла Капицы для получения
жидкого воздуха:
1 – турбокомпрессор; 2 – регенераторы; 3 – турбодетандер;
4 – конденсатор
177
Особенностями цикла являются:
- не высокое сжатие воздуха (до 0,6 – 0,7 МПа) в компрессоре;
- использование холода воздуха из конденсатора в
регенеративном теплообменнике;
- расширение сжатого воздуха в турбодетандере;
Этот цикл разработан еще в 1930 г. и широко применяется
в практике вследствие высокой энергоэффективности.
Из сжиженного воздуха методом ректификации получают
кислород и азот.
Наряду с получением О2 и N2 в установках глубокого
охлаждения получают также содержащиеся в воздухе газы:
аргон, неон, криптон, ксенон.
Сегодня используются установки мощностью от 1000 до
20 000 м3/час кислорода. При этом в качестве теплообменных
аппаратов используются регенераторы, это позволяет сжимать
основное количество воздуха только до 4,5-5,5 атм, что снижает
общий удельный расход на выработку газообразного кислорода
до 0,45-0,55 кВтч.
Существует целая отрасль народного хозяйства кислородная промышленность, производящая технический
кислород как товарную продукцию, и технологический
кислород (т.е. для собственных нужд, например, на
сталелитейных заводах).
10.4 Машины для разделительных установок
В кислородном цеху используются компрессоры
воздушные давлением сжатия 6–30атм – поршневые до
120 м3/мин или центробежные (свыше 120 м3/мин). Применяют
комбинированную схему: до 6-8атм воздух сжимают
центробежными компрессорами, а выше – поршневыми.
Воздушные компрессоры обычного исполнения не требуют
применения специальных материалов.
Для реализации холодильного цикла применяют
расширительные машины – детандеры поршневые (ПД) и
турбинные (ТД).
178
Поршневые детандеры – при степени расширения до 200 и
производительности до 50 м3/мин.
Турбодетандеры - степень расширения до 30,
производительность свыше 50 м3/мин.
Рассмотрим рабочий процесс расширения в поршневом
детандере, который обратен процессу сжатия в поршневом
компрессоре и происходит с выработкой полезной работы
(рис. 10.3).
.
Рисунок 10.3 - Рабочий процесс в поршневом детандере:
Е – впуск (начало);
ЕАБ – впуск полный ;
Б – точка закрытия впускного клапана;
БВГ – расширение;
В – открытие выпускного клапана;
ГД – выталкивание газа;
Д – выпускной клапан закрывается;
ДЕ – сжатие остатков газа
Клапаны открываются и закрываются принудительно от
кулачкового механизма с пружинами.
КПД поршневого детандера – 70-80%.
Конструкция ПД во многом сходна с ПК: коленвал,
шатуны, поршни, клапаны, система смазки.
179
Турбодетандеры имеют преимущества:
1) отсутствие трущихся элементов;
2) возможность полного расширения в рабочем колесе до
заданного противодавления;
3) отсутствие клапанов;
4) возможность работы при низких температурах и давлениях;
5) непрерывность действия;
6) малые холодопотери.
ТД низкого давления работают обычно при параметрах:
Рвх=5 атм ;
tвх=-135-150 оС;
Рк=0,3-0,4 атм ;
tк=-175-180 оС;
т.е. конечная температура близка к точке конденсации
воздуха (-192 оС) при нормальном давлении.
Если воздух находится при критическом давлении
Ркр=37,2 атм, то он начинает сжижаться раньше, уже при 141оС.
Рисунок 10.4 - Схема турбодетандеров активного(а)
и реактивного(б) типов
180
Иногда применяются ТД среднего (Рвх=30-60 атм) и ТД
высокого давления (Рвх=60–200 атм). ТД НД и СДодноступенчатые, ТД ВД- 2 ступенчатые.
Первые турбодетандеры применены в 1932 г.
ТД бывают активного и реактивного типов:

активные – весь перепад давления срабатывается в
сопловом аппарате, а в рабочем колесе кинетическая энергия
преобразуется в работу;
 реактивные – часть перепада давления преобразуется и в
рабочем колесе.
В активных ТД требуются очень большие скорости
истечения газов, что требует очень высоких оборотов. В таких
ТД велики потери на трение рабочего колеса (р.к.) о воздух, на
преодоление центробежных сил, на удар при входе струй в
межлопаточные каналы р.к. Их КПД всего 50-70%.
Регулирование - парциальное - перекрытием части сопел.
В реактивных ТД только часть энергии сжатого газа
передается р.к. в виде скоростного напора, а остальная часть в
виде реакции струй газа, расширяющегося в каналах р.к.
Степень реактивности - отношение теплового перепада на
р.к. к общему перепаду, срабатываемому в ТД. Оптимальной
величиной считается ρ = 0,4-0,5.
В реактивном ТД уровни скоростей меньше и поэтому
потери энергии меньше, меньшие и потери на протечку. КПД
таких ТД достигает 0,75-0,85.
Конструкция
ТД
реактивного
типа
предложена
Капицей П.Л. в 1939 г.
Регулируют реактивные ТД поворотом сопловых лопаток.
Частота вращения ТД от 6 до 60 000 об/мин. Редуктор
снижает частоту до 3000 об/мин для привода электрогенератора
(рис. 10.5). Мощность ТД от 30 до 600 кВт. При небольшой
мощности применяют масляной тормоз для поглощения
вырабатываемого крутящего момента.
181
Рисунок 10.5 - Типичная конструкция промышленного
турбодетандера
Система автоматики предохраняет ТД от разноса в случае
падения нагрузки.
В цеху компрессии устанавливают также кислородные
компрессоры. Они служат для сжатия и подачи кислорода:
– непосредственно на дутье в печи (35 атм);
– на наполнение баллонов (150-165 атм);
К кислородным компрессорам предъявляются особые
требования, что связано с повышенной опасностью возгорания
кислорода в контакте с маслом и др. горючими веществами. Эта
вероятность тем больше, чем выше параметры кислорода.
Отсюда вытекают требования к конструкции компрессоров:
– нельзя допускать контакта масла с кислородом;
– нельзя применять алюминий и его сплавы;
– строгие меры по обезжириванию деталей.
Применяются поршневые и центробежные компрессоры.
Поршневые компрессоры (ПК). Типичная конструкция ПК
– вертикальный 4 ступенчатый (рис. 10.6). В общем он похож на
обычный воздушный, но имеет ряд отличий.
Поршни уплотняются фибровыми манжетами, а для смазки
применяют дистиллированную воду. Применяются также и
бронзовые кольца, смазываемые водно-мыльной эмульсией и
поршневые кольца из графита, не требующие смазки.
182
Рисунок 10.6 – Схема конструкции поршневого
кислородного компрессора:
1, 2, 3 и 4 – цилиндры I, II, III и IV ступеней; 5 - коробка
клапанов; 6 – сальники; 7 – разделительный фонарь;
8 – буферные коробки; 9 – шток; 10 – картер; 11 – коленвал
Между станиной (картером) и цилиндрами устанавливают
разделительный фонарь, в котором находятся буферные коробки с
маслосъемными сальниками. Кривошипно-шатунный механизм
смазывается маслом. Части ПК, соприкасающиеся с кислородом,
особенно влажным, изготавливаются из латуни, бронзы,
нержавеющей стали во избежание быстрой коррозии. Поршни и
цилиндры отливают из прочного чугуна. Трубки для
холодильников применяются медные, трубные решетки- латунные.
Для уплотнения сальников – бронзовые кольца с баббитом,
кожаные манжеты, графитовые и фторопластовые кольца.
183
Рисунок 10.7 - Опорно-уплотнительный узел кислородного
турбокомпрессора
Кислородные центробежные турбокомпрессоры (КТК)
также имеют конструктивные особенности.
Главнейшей задачей здесь является не допустить утечки
О2 из корпуса компрессора во вне, а также попадания масла из
подшипников вовнутрь. Это достигается установкой, так
называемого буферного уплотнения с подачей в него азота, как
нейтрального газа под избыточным давлением (рис. 10.7).
Уплотнительные лабиринтные втулки должны быть
изготовлены из непарящего и негорючего материала (латунь,
бронза), хорошо отводящего тепло из зоны возможного контакта
с валом. Электродвигатель и система автоматики должны быть
выполнены во взрывобезопасном исполнении.
10.5 Хранение и транспортирование кислорода
Для хранения больших объектов кислорода применяют
газгольдеры низкого и высокого давления, последние называют
хранилищами.
Газгольдеры низкого давления бывают мокрые и сухие
(рис. 10.8).
184
Рисунок 10.8 – Схемы мокрого (а) и сухого (б) газгольдеров
Внутри газгольдеров обязательно должно быть давление
больше барометрического на величину 150-400 мм вод. ст. В
противном случае при разрежении произойдет подсос воздуха и
смятие колокола.
Бывают и мягкие эластичные газгольдеры.
Газгольдеры высокого давления (хранилища) служат для
создания запаса газа под высоким давлением в малых объемах
до (200 атм). При заборе из них газа давление редуцируют
редуктором.
Перевозят кислород в болонах емкостью 400 дм3
давлением до 200 атм.
Т.к. температура жидкого кислорода при 760 мм рт. ст
равна-183оС, то его хранят и перевозят в специальных
резервуарах с тепловой изоляцией (сосуд Дюара)- по типу
термосов (с вакуумом или пористым теплоизолятором).
Поскольку объем 1кг жидкого О2 в 790 раз меньше, чем
объем газообразного, то выгоднее его перевозить в жидком виде
при давлении близком к атмосферному.
Все сосуды и емкости для хранения кислорода помечаются
полосами голубого цвета.
185
Рисунок 10.9 - Схема сосуда Дюара
10.6 Применение кислорода
Технический кислород широко используется в ряде
технологических процессах и производствах:
а) в металлургии;
б) газопламенная обработка металлов;
в) в химической промышленности;
г) в авиации, на подводных судах;
д) в медицине.
Рассмотрим наиболее важные применения кислорода.
10.6.1 Кислород в металлургии
Металлургические процессы, представляющие собой
сочетание химических реакций с тепловым воздействием на
металлы или на материалы их содержащие (руды), как правило,
протекают при температурах выше 1000 оС.
Основной компонент воздуха – азот, не принимает участия
в химическом процессе металлургии, но вместе с другими
материалами его приходится нагревать до высоких температур,
186
а потом выбрасывать в атмосферу с дымовыми газами. Т.е.
большое количество тепла расходуется бесполезно. Тем более,
что присутствие N2 снижает концентрацию О2, так необходимую
для металлургического процесса.
Путем обогащения воздуха кислородом, т.е. заменой азота
кислородом, вплоть до содержания 96-99% О2, можно внести
значительное улучшение в процессе выплавки металла:
- ускорение процесса;
- снижение расхода топлива;
- улучшение качества металла.
Широкому промышленному применению О2 долгое время
препятствовала его дороговизна, обусловленная получением его
лишь в небольших количествах, малоэффективными способами.
Это были низкопроизводительные установки с поршневыми
компрессорами и детандерами. Академик Капица предложил
использовать высокооборотные турбодетандеры, тем самым
заложил основы промышленного получения кислорода. Сегодня
на
каждом
металлургическом
предприятии
имеется
кислородный
цех
с
высокопроизводительными
турбокомпрессорами и детандерами, состоящий из следующих
отделений:
1) воздушная компрессорная станция;
2) воздухоразделительная турбодетандерная установка;
3) отделение кислородной компрессии.
10.6.2 Доменное производство
На рис. 10.10 показаны изменения, вносимые в доменный
процесс обогащения дутья кислородом.
Имеет место:
- экономия на подаче дутья;
- уменьшение времени плавления;
- возможность получения специальных ферросплавов.
187
Рисунок 10.10 - Зависимость характеристик доменного
процесса от обогащения дутья кислородом
10.6.3 Мартеновский процесс
Процесс применяется для получения сталей. Здесь
кислород применяется для:
- интенсификации сжигания топлива;
- для резки струей кислорода шихты и лома;
- для ускорения рафинирования металла.
Применение кислородного дутья для интенсификации
сжигания топлива может быть осуществлено путем добавления
О2 к вдуваемому воздуху или через горелки (форсунки) прямо в
печь.
Струей кислорода под давлением 5-7атм, подаваемый
через трубу, измельчают стальной лом, уложенный на поду
печи. Это позволяет на 17-25% сократить период расплавления
твердой шихты.
Вдувание кислорода непосредственно в ванну с жидким
металлом ускоряет процесс рафинирования, т.е. окисления
примесей.
Этим
достигается
увеличение
скорости
обезуглероживания металла, что является положительным
эффектом.
188
Метод
вдувания
в
ванну
применяется
в
электроплавильных печах для получения низкоуглеродистых
сталей.
Обогащение кислородом дутья используется и при
получении цветных металлов, и в ваграночной плавке.
Рисунок 10.11 - Ацетиленовый резак
10.6.4 Кислородная резка
Кислородная резка является еще одним важным
применением кислорода и называется еще и газорезкой. Это
способ изменения формы и размеров металлических деталей
путем сжигания металла в месте реза в струе кислорода. При
этом температура воспламенения ниже температуры плавления.
В резаке (рис. 10.11) происходит подогрев кислорода
посредством горящего ацетилена (или природного газа). Не
режутся (или плохо режутся) стали с высоким содержанием
углерода: чугун, высокохромистые, Al, Cu и их сплавы. В этом
случае нужны флюсы.
189
Контрольные вопросы к теме 10
1 Назовите основные, практически важные свойства кислорода.
2 Как взаимодействует кислород с горючими веществами?
3 Назовите способы получения кислорода. В чем их суть?
4 Приведите принципиальную схему ректификационной
установки получения кислорода. Назовите основные параметры.
5 Приведите схему холодильного цикла Капицы. Поясните его
работу.
6 Изобразите рабочий процесс поршневого детандера. Каков его
к.п.д.?
7 Приведите схему турбодетандера. Какие бывают типы
турбодетандеров, их недостатки и преимущества?
8 Сравните поршневые и турбинные детандеры.
9
Назовите
особенности
конструкции
кислородного
турбокомпрессора.
10 Приведите схему и поясните устройство поршневого
кислородного компрессора.
11 В чем хранят и как транспортируют кислород?
12 Расскажите основные сведения о применении кислорода в
металлургии.
13 Объясните процесс и устройство для кислородной резки.
Список литературы
1. Глизманенко Д.Л. Получение кислорода/ Д.Л. Глизманенко.–
М.: Химия, 1972. – 752с.
2. Разумовский С.Д. Кислород – элементарные формы и
свойства/ С.Д. Разумовский. – М.: Химия, 1979.
190
Тема 11 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА
11.1 Общие сведения об аммиаке
Аммиак, NH 3 , - простейшее соединение азота с
водородом. Бесцветный газ с очень резким характерным
запахом (нашатырный спирт), легко растворяется в воде.
Уже в глубокой древности был известен хлористый
аммоний (нашатырь – бессмертный огонь, персидское
название). Получали в Ливии и Египте, сжигая в печах
верблюжий навоз. Газ оседал в пористых полостях дымоходов,
там его собирали и продавали в емкостях для лечебных и
промышленных целей под названием «амоньянсос» - (греч.
песчаная соль), затем его называли «аммониак», а в русской
транскрипции – «аммиак».
В природе чистого аммиака не существует.
Аммиак образуется в организме человека как продукт
белкового обмена и обезвреживается превращением его в
мочевину и выводится из организма.
Аммиак играет важнейшую роль в жизни растений,
потому и применяется как удобрение.
Вообще соединение азота играют неисключительную роль
в деятельности человека (производство некоторых пластмасс,
красителей, химических волокон, взрывчатых веществ и пороха,
медикаментов и др.). Вследствие большой инертности азота
долгое время не удавалось найти способы фиксации его в
соединениях. Лишь в начале ХХ века были найдены три метода:
электродуговой (соединение азота и кислорода при высокой
температуре), цианамидный (реакция карбида кальция с азотом
при 1000°С с образованием цианамида) и аммиачный метод –
фиксация азота в соединении с водородом – получивший
широкое
промышленное
применение
в
производстве
минеральных удобрений.
191
11.2 Физические свойства аммиака
Аммиак при обычных условиях – это газ. Температура
кипения 33,35°С, плавления 77,7°С. Удельный вес при
нормальных условиях 0,771г/л или 0,771 êã ì 3 , т.е. существенно
легче
воздуха.
Параметры
критического
состояния:
3
têð  132, 4 C ; Pêð  111,5 àò ì , dêð  0, 235 ã ñì .
Твердый аммиак – кристаллы правильной формы.
Газообразный
аммиак
хорошо
адсорбируется
активированным углем.
С водой образуются непрочные соединения (аммиачная
вода).
Сгорает в среде кислорода и воздуха с образованием азота
и воды. Сухая смесь аммиака с воздухом способна взрываться,
границы взрыва 16-20% аммиака при 18°С. С ростом
температуры
границы
расширяются.
Температура
самовоспламенения 649°С.
Жидкий аммиак – хороший растворитель.
11.3 Получение аммиака
Как уже говорилось выше, в организме человека и
животных аммиак образуется при нормальных условиях
(P=1 атм, t=36,6°С).
А вот промышленное получение аммиака далеко не такое
простое. Аммиак получают методом термохимического синтеза
(соединение азота и водорода), протекающего при очень
высоких параметрах P  300  1000 àò ì , t  200  700 C .
Процесс синтеза аммиака, с одной стороны, является
примером наиболее совершенной химической технологии, а с
другой стороны – наиболее сложный технически и аппаратурно.
Синтез аммиака предложен еще в начале прошлого века
Габером. Суть его – в связывании азота и водорода реакцией,
протекающей по схеме
3H 2  N2  2 NH 3  Q.
192
Реакция обратима, протекает с уменьшением объема и
выделением теплоты. Из этого следует, что более полно реакция
проходит при высоких давлениях и низких температурах. При
этом равновесный выход продукта ( NH 3 ) невелик, поэтому
процесс осуществляют по циклической схеме, которая
предусматривает многократное возвращение в один и тот же
аппарат реагирующих масс ( H 2  N 2 ) (рис. 11.1 а).
Рисунок 11.1 – Принципиальная схема циклической
установки (а) и параметров синтеза аммиака (б)
На рис.11.1 б видно, что чем выше давление и ниже
температура, тем больший выход продукта – аммиака.
Первый завод по производству синтетического аммиака
построен в 1913 году.
Добиться 100% синтеза практически невозможно, т.к.
нужны сверхмощные компрессоры, газоохладители и др.
оборудование. В промышленных целях сегодня реакцию ведут
при 400-500°С, давлениях 200-320 атм. При этом выход
продукта составляет 20-40%. Уже много лет ведутся поиски
путей – как снизить давление синтеза, т.к. очень сложное и
дорогое оборудование, и прежде всего компрессорное
оборудование.
Синтез аммиака идет только в присутствии катализатора.
Катализатор должен быть активным в течении длительного
периода времени, при температурах до 500°С, не быть
чувствительным ко всяким примесям в азотоводородной смеси,
193
иметь достаточную механическую прочность. Этим условиям
удовлетворяет железный катализатор Fe2O4 – магнетит с добавками.
Часть азотоводородной смеси (60-80%), которая не
прореагировала, т.е. не вступила в реакцию синтеза с
получением аммиака, возвращается опять на вход в реактор, т.е.
процесс носит циркуляционный характер.
На процесс образования аммиака существенное влияние
оказывает время нахождения смеси газов в зоне
контактирования в реакторе, чем медленнее процесс, тем
больше выход аммиака.
Процесс получения аммиака состоит из 3 составляющих
процессов: получение азота, получение водорода и собственно
синтез аммиака.
Промышленная установка синтеза аммиака представлена
на принципиальной схеме (рис.11.2).
Рисунок 11.2 – Технологическая схема синтеза аммиака:
1 – колонна синтеза; 2 – водяной конденсатор;
3 – сепаратор; 4 – циркуляционный компрессор;
5 – фильтр; 6 – конденсационная колона; 7 – испаритель;
8 – компрессор; 9 – сборник жидкого аммиака;
10 – компрессор свежего газа
В зависимости от принятого давления различают
установки низкого (100 атм), среднего (200-550 атм) и
194
высокого давления (600-1000 атм). На Украине ряд ПО «Азот»
производят аммиак со средним давлением синтеза 320 атм.
Конечный продукт – аммиак – выделяют из его смеси с не
прореагировавшим газом путем охлаждения до жидкого
состояния в конденсационной колоне. Для этого устроен
холодильный цикл, работающий на хладагенте – том же жидком
аммиаке, не смешивающемся с продуктом.
Температура, до которой необходимо охладить газ для
сжижения аммиака, зависит от давления в колоне:
- при 1000 атм – плюс 40°С;
- при 320 атм – минус 15°С;
- при 100 атм – минус 60°С.
Выбор рабочего давления – компромисс между
производительностью по аммиаку и стоимостью оборудования и
расхода энергии на сжатие газа (по компрессорному цеху).
11.4 Особенности конструкции компрессоров
11.4.1 Центробежные компрессорные установки
Для современных высокопроизводительных линий
производства
аммиака
используются
центробежные
компрессорные установки.
На Украине производства аммиака функционируют на
предприятиях
«Азот» городов:
Северодонецк,
Черкассы,
Днепродзержинск, «Стирол» г. Горловка и на Одесском припортовом
заводе. Компрессорные установки поставки фирм Японии («Хитачи»,
«Мицубиси»), Франции («Крезолуар»), Казанского компрессорного
завода. Эти установки однотипны как по параметрам технологического
процесса, так и конструктивно. Последнее объясняется тем, что
конструкции компрессоров базируются на лицензии фирмы «Дрессер»
(США), купленной фирмами в 60-е годы ХХ в.
Компрессорные установки для производства синтеза аммиака –
высокопроизводительные, высоконагруженные, многокорпусные,
многоступенчатые (секционные) с циркуляционной ступенью. Это
наиболее сложные турбокомпрессорные установки из известных в
мировой практике. Технологическая схема установки приведена на
рис.11.3.
195
а) Воздушный компрессор V  55164 í ì
1
1,95/ 175°
I ступ.
÷àñ; N  10260 êÂò .
35,6/ 165°
15,3/ 165°
6,4/ 195°
II ступ.
3
III ступ.
Пар
IV ступ.
На кили А
б) Компрессор природного газа
N  3470 êÂò .
Конвектор
метана
V  38912 í ì
в) Компрессор азотоводородной смеси V  176509 í ì
N  32000 êÂò .
3
3
÷àñ ; .
÷àñ ; .
Рисунок 11.3 – Схемы компрессорных установок
производства аммиака (цифрами обозначены давление и
температура потоков газов)
Эти установки объединены в единый технологический
комплекс. Первые две установки работают параллельно на
получение азота и водорода, третья, подключена к ним
последовательно, компримирует азотоводородную смесь для
получения аммиака.
Наиболее сложный и нагруженный компрессор синтез-газа
(азотоводородной смеси) заслуживает более детального
рассмотрения. Схема компрессора представлена на рис.11.4.
Компрессор 3 корпусной, 4 секционный, 27 ступенчатый,
одновальный, с паротурбинным приводом.
196
Основными проблемами при создании и эксплуатации
таких установок являются – уплотнения концов валов, осевые
силы и динамика ротора.
Герметизация
валов
производится
посредством
маслозапорных уплотнений с плавающими кольцами.
P=320; t =130°C
N=10000 кВТ; n=11300О об/ мин
P=25; t =50°C
10 ступ.
КНД
10 ступ.
КСД
ПТ
z=1 ступ.
6 ступ.
КВД
ЦК
P=220;
t =120°C
t =150°C
P=100; t =40°C
Рисунок 11.4 – Схема (а) и общий вид (б) компрессорной
установки азотоводородной смеси 433 ГЦ2 (ККЗ, Россия)
Схема уплотнений для каждого корпуса симметрична,
т.е. узлы уплотнений со стороны всасывания и нагнетания
работают при одинаковом уплотняемом давлении, что
достигается соединением соответствующих камер перед
уплотнением по газу с помощью перепускных каналов. Разница
давлений на нагнетательной стороне срабатывается на
лабиринтном уплотнении.
197
Конструкция уплотнения ясна из рис.11.5. Внутренние
(маслогазовое) и наружное (масляное) кольца установлены в
гнезде с возможностью радиального перемещения. Необходимое
прижатие буртов колец к торцовым стенкам корпуса
осуществляется с помощью упругих элементов (пружин или
резиновых
колец),
установленных
между
кольцами.
Гидродинамическая сила в слое смазки между кольцом и
вращающимся валом отжимает кольца от поверхности вала,
предотвращая касание.
Запирание газа происходит на внутреннем кольце, где
некоторое небольшое превышение давления масла над газом
предотвращает прорыв газа из компрессора вовне. Некоторое
количество протекающего через зазор в кольце масла сливается
в маслоотводчик, а из последнего через дегазатор, бакотстойник, охладители и фильтры с помощью насосов
направляются опять в систему. Схема системы уплотнений
показана на рис.11.5.
7
max
min
14
Pт=220+H
2
1
H
3
Pr =220
6
В систему
смазки
8
10
9
12
13 4
5
13
11
Рисунок 11.5 – Схема концевого уплотнения и система
уплотнения:
1 – корпус уплотнения; 2 – наружное уплотнительное кольцо;
3 – «маслогазовое» кольцо; 4, 5 – маслонасосы низкого и высокого
давления; 6 – редукционный клапан; 7 – напорная емкость;
8 – маслоотводник; 9 – дюза; 10 – дегазатор; 11 – маслобак;
12 – маслоохладитель; 13 – фильтр
198
Из-за высокого перепада давлений между нагнетанием и
всасыванием могут возникать очень большие осевые силы,
действующие на ротор, и не всегда можно применить
разгрузочный поршень.
Проблема разгрузки осевых сил решается следующими
путями (рис.11.6):
- устройством уравнительных линий, соединяющих
одноименные полости концевых уплотнений цилиндров
(корпусов);
- расположением рабочих колес по схеме «спина к
спине»;
- принятием одинаковых диаметров лабиринтных
уплотнений вала одноименных элементов.
Масло
Рисунок 11.6 – Роторная система турбокомпрессора
высокого давления
Динамика
ротора
обуславливается
воздействием
следующих факторов:
– газа высокой плотности в проточной части, могут
возникать автоколебания – вибрация – авария;
– влиянием динамического поведения плавающих колец
уплотнений – радиальными и угловыми колебаниями, потери
подвижности колец и др.
– механическими характеристиками роторной системы
(вал + подшипники + соединительные муфты).
Установка в корпусе высокого давления циркуляционной
ступени еще более усложняет конструкцию компрессора.
199
В некоторых производствах вместо циркуляционной
ступени
применяются
отдельные
циркуляционные
центробежные компрессоры типа ЦЦК (рис. 11.7). Поскольку
они работают при давлении 290/320 атм, то с целью избегания
проблем с уплотнением концов вала компрессора весь
компрессор в сборе с электродвигателем устанавливается
внутри капсулы прочного корпуса.
Рисунок 11.7 – Циркуляционный компрессор ЦЦК:
1 – корпус; 2 – многоступенчатый компрессор;
3 – электродвигатель; 4 – токоввод
Т.к. обороты асинхронного электродвигателя не высокие
3000 об/мин, компрессор состоит из 11-13 ступеней, чтоб
создать перепад давления 20-25 атм.
Сжатая азотоводородная смесь прокачивается через
электродвигатель, охлаждая его.
Используются
только
шариковые
и
роликовые
подшипники с консистентной смазкой, что исключает
загрязнение газа маслом.
Проблема осевых сил решается путем устройства
лабиринтных уплотнений колес, промежуточных втулок и
думмиса на одном диаметре.
11.5 Хранение аммиака
Поскольку аммиак получают в жидком виде, то и хранят
его в сжиженном состоянии при соответствующих условиях:
- P=20 атм, t=до 50°С – в горизонтальном
цилиндрическом и шаровом резервуарах;
- P = 10 атм, t = до 25°С – в шаровых с теплоизоляцией;
- P=0,02-0,08, t= -33°С – в вертикальных цилиндрических
с теплоизоляцией (изотермическое хранение).
200
Давление в резервуарах поддерживается отводом
избыточного количества паров аммиака, испаряющегося за счет
теплопритоков из вне. Отводят пар на конденсационные
установки хранилища.
Вместимость резервуаров в зависимости от давления от
450 ì 3 ( 250 ò ) до 44000 ì 3 ( 30000 ò ).
Обычно на складах до 32 резервуаров.
Изотермическое хранение осуществляют в хранилище,
представляющем собой двойной герметичный сосуд (рис.11.8), с
прослойкой, заполненной сухим азотом (точка росы -40°С) для
теплоизоляции.
Изотермическое хранилище
сжиженого аммиака
Сухой газгольдер
азота
N2
Жидкий
NH3
К потребителю
Рисунок 11.8 – Изотермическое хранилище аммиака
Газообразный аммиак хранят в газгольдерах. Они служат
также для выравнивания нагрузок и давлений внутри цеха и
смежных цехах, а также для усреднения состава
вырабатываемых газов.
Газгольдеры используются мокрые и сухие. Кроме
обычных
конструкций
применяются
телескопические
газгольдеры большой вместимости (рис. 11.9).
В последнее время строятся сферические хранилища
большой вместимости для аммиака при высоком давлении.
201
4
3
2
1
Рисунок 11.9 – Телескопический газгольдер:
1 – чаша; 2 – телескоп; 3 – ролики; 4 – купол
11.6 Транспортировка аммиака
Жидкий аммиак перевозится в железнодорожных
цистернах или перекачивается по трубопроводам. На близкие
расстояния перевозится автомобильными аммиаковозами с
грузоподъемностью 3,2 т. Для мелких потребителей в баллонах.
Железнодорожные цистерны рассчитаны на давление 20 атм,
что позволяет перевозить аммиак без потерь на сброс паров
даже в жарких районах (до +50°С). Емкость цистерн 30,7 и 43 т.
Функционирует аммиакопровод Тольятти – Горловка Одесса на морской терминал для погрузки в наливные танкеры.
Его протяженность 2,5 тыс.км, диаметр труб 355,6 мм, от
Горловки 273 мм. Пропускная способность 2,5 млн т в год жидкого
аммиака. Схема аммиакопровода показана на рис. 11.10.
Сферич. буфер.
хранилище
Хранилище
P=82атм
Холодильная
установка
Головная НС
U=2000м, P=50атм
Промежуточная НС
(12 станций)
82атм
1,4м
Аммиакопровод
Рисунок 11.10 – Схема аммиакопровода
202
Температура жидкого аммиака соответствует температуре
почвы и регулируется по местам.
Жидкий аммиак должен содержать 0,2% воды, что
предотвращает коррозионное расстраивание металла труб и
емкостей.
По трассе сооружены 30 раздаточных станций по 200 т в
сутки для отгрузки в автоцистерны для нужд сельского
хозяйства.
Трубы из углеродистой стали, изолированы полимерной
пленкой, имеют катодную защиту.
В Одесский порт аммиак поступает при P = 15 атм и
охлаждается до -34°С для хранения на складе и погрузки в
танкеры. Суда снабжены резервуарами и холодильними
установками, позволяющими хранить в изотермических
условиях, а испаряющийся в результате неизбежного нагрева
газообразный аммиак сжижают.
11.7 Техника безопасности при работе с аммиаком
В малых количествах аммиак применяется как
возбуждающее средство при обмороках, опьянении, как
обезболивающее в мазях.
Легкое отравление – раздражение слизистой оболочки глаз
и носа, чиханье, слезотечение, тошнота, головная боль,
покраснение лица.
Тяжелое отравление – боль в глазах, удушье, кашель,
головокружение, рвота, расстройство дыхания и сердечной
деятельности. Может развиться отек легких. Нужно сделать
искусственное дыхание и дать кислород.
Хронические отравления – воспаление слизистых
оболочек верхних дыхательных путей, бронхов.
Допустима концентрация в воздухе промышленных
помещений аммиака – 20 ì ã ì 3 .
Защита – спецодежда, очки, противогазы.
При отравлении аммиаком необходимо обильное питье,
затем стакан растительного масла, молока или лимонного сока.
203
11.8 Применение аммиака
Выше мы рассмотрели крупнотонажное производство
аммиака. Для чего же он нужен в таких количестьвах?
Прежде всего из аммиака производят азотную кислоту.
Разбавленная азотная кислота (50-60%) используется для производства
минеральных удобрений: аммиачной селитры, карбамида, а также
кальцинированной соды, которая используется для производства
едкого натра (каустик), мыла, стекла и в др. отраслях.
Концентрированная азотная кислота употребляется для
производства взрывчатых веществ, красителей, нитролаков,
некоторых пластмасс и др.
Рассмотрим производство карбамида – наиболее ценного
азотного удобрения, легко усваиваемое растениями, содержащее
46% азота. Карбамид, кроме того, применяется и в
промышленности для изготовления карбамидных смол, идущих
на приготовление ценных пластмасс, древесностружечных плит,
клеев, пропиток. Технологическая схема установки приведена
на рис. 11.11. Сырьем для карбамида является аммиак и
двуокись углерода, взаимодействующее по упрощенной реакции
2NH3  CO2
 NH2 2 CO  H2O .
Процесс происходит медленно, не полностью. Время
процесса уменьшается с повышением температуры. Для
увеличения выхода продукта используют избыток аммиака и
повышенное давление.
В промышленности синтез карбида ведут при
180-200 атм, 180-200°С. Выход карбамида составляет 60-70%.
Рисунок 11.11 – Схема получения карбамида:
1 – колонна синтеза; 2 – дистилляционная колонна; 3 – выпарной
аппарат; 4 – гранулятор; 5 – насос; – компрессор; 7 – воздуходувка
204
Контрольные вопросы к теме 11
1 Какие основные свойства аммиака и для чего он используется?
2 Какие особенности получения аммиака методом синтеза и его
параметры?
3 Опишите суть циклического процесса получения аммиака в
промышленных установках?
4 Какие газы и какие их превращения используются в
установках синтеза аммиака?
5 Приведите принципиальную схему синтеза аммиака и
перечислите основное оборудование?
6 Какие компрессоры применяются в установках синтеза? В чем
их назначение?
7 Особенности конструкции компрессорной установки для
сжатия азотоводородной смеси?
8 В чем основные конструктивные проблемы компрессоров
азотоводородной смеси?
9 Как решается проблема концевых уплотнений компрессора
синтез-газа?
10 Из-за чего возникает и как решается проблема разгрузки от
осевых сил?
11 В чем специфика динамики ротора компрессоров высокого
давления?
12 Особенности конструктивной схемы циркуляционных
ступеней и компрессора для синтез-газа?
13 Как осуществляется хранение аммиака? Какое применяется
оборудование (хранилища)?
14 Какие особенности транспортировки аммиака?
15 Опишите принципиальное устройство аммиакопривода.
16 Для получения каких продуктов применяется аммиак?
17 Изложите требования техники безопасности при работе с
аммиаком.
Список литературы
1. Мухаенов И.П. и др. Основы химической технологии/ И.П.
Мухаенов и др.– М., 1991.
2. Ведерников М.И. Производство аммиака из природного
газа/М.И. Ведерников.– Киев: Техника, 1970.
205
Тема 12 ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЦЕТИЛЕНА
12.1 Основные свойства ацетилена
Молекулярный вес ацетилена 26,038; плотность (1 атм,
0 ºС) 1,17167 г/л = кг/м3, т.е. легче воздуха.
Газ при открытии назван «ацетиленом» в 1860 году
французским физиком Бертло при обработке карбида калия К2С2
водой. Была установлена и формула газа С2Н2 – двуокись
водорода. Ацетилен может быть в трех агрегатных состояниях:
газ, жидкость, твердый.
При температуре -80,55ºС и давлении 961,5 мм рт.ст.
твердый ацетилен плавится, его плотность ρж =1,27 г/мл, а далее,
охлаждаясь, становится твердым (при нормальном давлении и
температуре 189К) плотностью ρтв=0,729 г/см3. Ацетилен
сжижается при давлении 46 атм, уже при 0ºС.
Ацетилен хорошо растворим в воде и водных растворах
различных солей и щелочей. Особенно хорошо растворим в
ацетоне: 1 объем ацетона растворяет 20 объемов ацетилена.
Ацетилен имеет специфический запах, общеядовитого
действия.
Ацетилен горюч и взрывоопасен в смеси с кислородом,
температура пламени достигает 3200ºС – наивысшая из всех
известных горючих веществ. Используется для резки металлов.
Взрыв ацетилена происходит при его местном нагреве до
параметров:
Р
1 атм 2 атм
tºС
635
510-540
Смесь ацетилена с воздухом или кислородом, содержащая
от 2,5% до 80% ацетилена, взрывается от искры.
Пламя ацетилена очень яркое. Это используют для
освещения в маячных фонарях, буях и др. Но главным является
то, что ацетилен – исходное сырье для ряда важных
органических синтезов.
206
Жидкий ацетилен при обычных температурах и,
следовательно, при давлении 30-50 атм очень взрывоопасен. А
при температуре -80ºС и давлении близком к атмосферному
(1,3 атм) взрыв не вызывает даже накаленная до красна
проволока (спираль). Но если давление в баллоне с ацетиленом
повысить более чем 2,7атм возникает взрыв. Порог взрыва
можно существенно понизить растворением в жидком ацетилене
ацетона, углеводородов.
Твердый ацетилен не взрывоопасен. Взрыв его можно
вызвать только детонацией, например ударом.
12.2 Методы получения ацетилена
12.2.1 Производство ацетилена из карбида кальция
Карбид кальция образуется при взаимодействии
негашеной извисти с коксом в электропечах при температуре
1800-2000ºС.
При контакте карбида кальция с водой происходит
экзотермическая реакция с образованием ацетилена и
выделением тепла:
СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2 + Q (тепло),
Са(ОН)2 – гидрооксид кальция – не опасные отходы.
В небольших количествах ацетилен получают из карбида
кальция в специальных аппаратах – ацетиленовых генераторах
(рис. 12.1) двумя способами: «карбид в воду» и «вода на
карбид». Второй способ экономичнее, он применяется в
промышленном производстве. Первый способ проще и хорош
для небольших местных потребностей при ремонтных и других
работах.
Регулирование количества выделяющегося ацетилена
производится изменением продолжительности соприкосновения
карбида с водой, поднимая или опуская корзину.
207
Рисунок 12.1 – Контактный ацетиленовый генератор
12.2.2 Производство ацетилена из углеводородов
Этот метод применяется для получения ацетилена в
промышленных масштабах. Суть метода в термическом
разложении углеводородов в специальных печах.
Реакция образования ацетилена из элементов
С (графит) + Н2 (газ) = С2Н2 (газ)
сильно эндотермична, т.е. требует большого количества тепла.
Чтобы превратить углеводородное сырье, например метан в
ацетилен, нужно нагревать его до 1000-1200ºС, причем очень
быстро, а затем быстро охладить:
2СН4 = С2Н2 + 3Н2.
тепло
Быстро нужно делать потому, что эти соединения
термодинамически не стабильны, распадаются быстро. На
практике время реакции лежит в переделах 0,5–10 мс, а
максимальная температура 1400ºС. А затем необходимо газ
208
быстро охладить до 400ºС, чтобы предотвратить его обратное
разложение – это т.н. «закалка».
Необходимые условия для такой реакции можно
обеспечить в электрическом разряде, пропуская реагент через
ядро разряда (электрокрекинг).
Промышленное распространение получил регенеративный
(или окислительный) пиролиз. Суть его в быстром нагреве (за
доли секунд) пиролизного газа при непосредственном контакте с
сильно нагретой твердой поверхностью (1100-1300ºС). Затем газ
необходимо быстро охладить до 400ºС. Для нагревания
поверхности используют так же пиролизный газ или газ после
выделения из него ацетилена в качестве топлива. Схема печи
приведена на рис. 12.2.
Понижение давления уменьшает выход ацетилена и
удорожает его стоимость. Выход ацетилена зависит от скорости
охлаждения (до 400ºС - закалка), чем быстрее, тем лучше.
Давление в цикле поддерживается
посредством
поршневых или центробежных компрессоров специального
исполнения. Такое требование обусловлено способностью
ацетилена к возгоранию и взрыву. Это происходит при
возникновении в какой-то части объема условий для разложения
ацетилена, которое, начавшись в этой части, быстро
распространяется на весь объем, всю систему.
Рисунок 12.2 – Схема печи для экстракции ацетилена
209
12.3 Хранение и транспортировка ацетилена
Поскольку ацетилен взрыво- и пожароопасен в смеси с
воздухом в широких пределах 2,5-80% (даже и до 100%), то
обращение с ним должно быть очень осторожным.
Надо учитывать также, что возникновение внешнего очага
пожара может инициировать взрыв ацетилена внутри установки.
Поэтому в цеху необходимо исключить любой источник
воспламенения, хорошо вентилировать помещение, исключить
даже малейшее попадание воздуха в любую часть оборудования,
а также утечки ацетилена изнутри.
Ацетилен хранят в специальных сосудах, баллонах
емкостью обычно до 40 л (по воде). Если нужно большее
количество – то делают рампу (батарея баллонов). Баллоны
заполняют пористой массой, которую пропитывают ацетоном,
т.к. раствор ацетона с ацетиленом снижает порог пожаровзрывоопасности. Баллон 40 л вмещает до 6 м3 ацетилена при
16 атм. Баллоны изготавливают из стали методом штамповки и
сварки (рис. 12.3).
Рисунок 12.3 – Ацетиленовый вентиль с разрывной
мембраной
В качестве пористой массы применяют активированный
уголь, волокнистый асбест, вискозу, шерсть, вату, пемзу, пробку
и т.п.
210
Ацетилен располагается в порах массы, не создавая
больших объемов. В случае возникновения взрывного распада,
он локализуется, не распространяясь на всю массу газа.
Большие количества ацетилена хранят в газгольдерах.
Газгольдер может быть сухой (с сильфонами) или мокрый (с
водой) (рис. 12.4).
Объема газгольдера должно хватить на аварийный период
работы технологической установки, если прекращена подача
газа в газгольдер, обычно около 20 мин – для устранения
неисправности или остановки всей технологической линии.
Должны быть установлены сигнализаторы верхнего и нижнего
допустимых положений колокола.
В небольших количествах для технологических нужд
предприятия ацетилен перевозят в баллонах со всеми
необходимыми предосторожностями.
min
max
Рисунок 12.4 – Мокрый газгольдер
В технологических линиях химических производств
транспортирование газа производится по трубам, с выполнением
ряда специфических требований опять же вызванных пожаровзрывоопасностью. Схема внутризаводской транспортировки
ацетилена приведена на рис. 12.5.
211
Рисунок 12.5 – Схема подачи ацетилена на химзаводе:
1 – мокрый газгольдер; 2 – дренажный затвор;
3 – огнепреградитель с водяным орошением; 4 – защитная труба
с вентиляцией; 5 – водяной затвор против обратного удара;
6 – сепаратор влаги
Необходимо соблюдать правила:
1 Во всех участках и аппаратах системы должно быть
избыточное давление ацетилена, чтобы избежать подсоса
воздуха.
2 Перед заполнением сети ацетиленом (после остановки,
ремонта) должна быть выполнена продувка инертным газом –
азотом.
Огнепреградитель – это аппарат, предназначенный для
пламегашения путем быстрого отвода тепла возникшего
пламени большой поверхностью насадки, которой заполнен
аппарат.
Назначение насадки – раздробить поток газа на
мельчайшие струйки и создать большие поверхности, которые
омываются горячим газом. В качестве насадки применяются
спрессованные из хаотически навитой стальной проволоки
пробки, кольца Рашига, спрессованные порошковые материалы.
Кольца Рашига диаметром 25 мм эффективны при орошении их
водой.
Обычно сосуды и аппараты, работающие под давлением,
оснащаются защитными устройствами – предохранительными
клапанами или мембранами, которые срабатывают на открытие
212
в атмосферу или разрываются соответственно при достижении
максимального давления в рабочей полости.
Применение механических мембран для предотвращения
детонации и взрывного повышения давления ацетилена не
эффективны из-за большой скорости процесса детонации.
Мембраны полезны в реакторах и сосудах, где ацетилен
содержится в жидкой фазе. Здесь они могут предотвратить
взрыв.
Особого подхода требует даже выбор диаметра труб для
прокачки ацетилена. Чем меньше диаметр труб, тем выше то
минимальное давление, при котором мгновенное сгорание
ацетилена переходит в детонацию и взрыв.
В качестве огнепреградителя может быть использован
водяной
затвор.
При
нормальной
работе
ацетилен
пробулькивает через воду, освобождается от унесенной воды в
сепараторе и поступает к потребителю. Это устройство работает
для защиты от взрыва с обеих сторон и от производителя, и от
потребителя ацетилена.
12.4 Особенности конструкции газодувок
Применяются центробежные компрессоры, т.к. они дают
газ без пульсации и в них нет механического трения рабочих
органов, что приводит к местному нагреву, а это взрывоопасно
для ацетилена.
Газ всасывается из мокрого газгольдера. Если его
влажность высока, то необходима осушка газа. На выходе из
компрессора горячий газ необходимо охлаждать до 50ºС и ниже,
чтобы в трубах была минимальная конденсация. Газоохладитель
имеет
встроенный
сепаратор
с
автоматическим
конденсатоотводом выпавшей жидкости. Конденсат отводится и
перекачивается обратно для использования в качестве
запирающей жидкости или, т.к. он насыщен ацетиленом, в
ацетиленовый генератор, что уменьшает потери ацетилена.
Вообще говоря, в газгольдере содержится смесь газов,
содержащая всего лишь 7,6 – 9% объемных ацетилена.
213
Остальное – это: СО 25 – 30%; Н2 50 – 57%; СН4 3 – 5%; СО2
3 – 4%. Эта смесь называется пиролизным газом.
Компрессор предназначен для сжатия газов пиролиза,
идущих в отделение концентрирования ацетилена.
Рассмотрим компрессорную установку ТКД 1/11-7/14
производства фирмы GHH (Германия), смонтированную на
Северодонецком объединении «Азот» (рис. 12.6).
Производительность компрессора 540 нм3/мин, мощность
электродвигателя 3600 кВт, частота вращения 7513 об/мин. ЦК
2 корпусной, 4 секционный с 3 промежуточными охладителями.
Расположение рабочих колес на валу по схеме «спина к спине».
Во избежание подсоса воздуха извне всасывающий
трубопровод всегда находится под некоторым избыточным
давлением, иначе срабатывает сигнализация.
Рисунок 12.6 – Схема турбокомпрессорной установки
для сжатия ацетилена
Важная проблема – надежное запирание концевых
уплотнений, чтобы не подсасывало воздух и чтобы ацетилен не
прорывался наружу.
Т.к. давления невысокие, применяются лабиринтные
уплотнения, которые снабжены промежуточной полостью, в
которую подается нейтральный газ (азот) под некоторым
избыточным давлением от специальной заводской азотной
системы
(рис.
12.7).
Необходимое
давление
азота
обеспечивается специальным регулятором.
214
Рисунок 12.7 – Концевое лабиринтное уплотнение с
буферным газом
Часть азота через лабиринты проникает внутрь
компрессора и смешивается с пиролизным газом, не ухудшая
его, а наоборот, разбавляя уменьшает взрывоопасность, т.к. азот
является флегмализатором. А другая часть – выходит наружу,
смешиваясь с атмосферным воздухом и откачивается
вентиляцией.
Больше никаких специальных узлов не применяется. В
остальном ацетиленовый компрессор – обычная конструкция.
Материалы. Для компрессора, аппаратов и сосудов
применяются чугуны, нержавеющие стали. Недопустимы для
ацетилена и его смесей: медь, серебро и их сплавы. Однако
использование латунных и бронзовых фитингов, штуцеров,
допустимо.
Одной из особенностей эксплуатации компрессорной
установки
является
осаждение
сажи,
особенно
в
газоохладителях на горячей стороне. Сажа появляется в газе при
высокотемпературном пиролизе в печах. Сажа не только создает
нежелательные отложения и уменьшение сечений элементов
проточной части трубопроводов, но загрязняет технологический
газ, но и создает предпосылки для возгорания даже при
невысоких параметрах газа, имеющих место в нагнетательном
тракте. Особенно вероятно это при продувках воздухом,
например, при пробной прокрутке компрессора на воздухе после
ремонта или реконструкции.
215
12.5 Применение ацетилена
Ацетилен и его различные соединения являются сырьем
для синтеза многих химических продуктов. Получаемая при
гидротации ацетилена уксусная кислота является важным
компонентом при производстве пластических масс. При
взаимодействии ацетилена с хлористым водородом образуется
винил, а с уксусной кислотой винилацетат – ценные
синтетические материалы.
Ацетон получают, пропуская смеси ацетилена с водяным
паром над катализаторами при повышенной температуре.
Ацетон – отличный растворитель.
При пропускании ацетилена через раствор хлористой меди
получают винилацетилен – сырье, из которого получают
искусственный каучук.
Из этих соединений получают клей ПВА и многое другое.
Большое распространение ацетилен получил в технологии
машиностроения, других отраслях народного хозяйства при
газопламенной обработке металлов: сварка, пайка, наплавка,
закалка и т.п.
Суть газовой сварки (автогенная сварка) – состоит в
соединении нагретых до жидкого или пластического состояния
поверхностей деталей с добавлением (или без) присадочного
материала. Применяется горелка (рис. 12.8 а).
Суть резки состоит в химической реакции металла с
кислородом, при этом металл предварительно сильно
нагревается ацетиленово-кислородным пламенем. Применяется
резак (рис. 12.8 б).
Рисунок 12.8 – Схемы ацетиленовой горелки (а) и
резака (б)
216
Контрольные вопросы к теме 12
1 Перечислите основные свойства ацетилена.
2 В чем состоит практическое значение ацетилена?
3 Какие существуют методы получения ацетилена?
4 Как получают ацетилен из карбида кальция? Какие
применяются аппараты, их устройство?
5 В чем суть получения ацетилена методом теоретического
разложения?
6 Как устроена и как работает печь для электростанции
ацетилена?
7 Как и в чем хранят ацетилен? Какие особенности аппаратов?
8 Основные принципы построения внутризаводской подачи
ацетилена по трубам.
9 Как борются с предупреждением пожара и взрывоопасности
ацетилена?
10 Какие методы и устройства для предотвращения
распространения взрыва в технологической линии?
11 Укажите особенности конструкции газодувок для
ацетиленосодержащих газов.
12 Как осуществляются уплотнение вала газодувки?
13 Расскажите о применении ацетилена в промышленности?
14 В чем суть газовой сварки и газовой резки с применением
ацетилена?
15 Какие инструменты применяются для газовой сварки и резки
металлов?
Список литературы
1. Миллер С.А. Ацетилен и его свойства, получение и хранение.
– Л.: Химия, 1969.– Т.1.
217
Тема 13 ПРИМЕНЕНИЕ ЭТИЛЕНА В ПРОИЗВОДСТВЕ
ПЛАСТМАСС
13.1 Физические и химические свойства этилена
Формула CH2–ненасыщенный углеводород, первый член
ряда олефинов.
Бесцветный газ со слабым эфирным запахом.
Температура плавления - 169,5 ۫С, кипения - 103,8 ۫С.
Плотность при р=1 aтм, t =20С, р=1,155 кг/м3.
Газовая постоянная R =30,25.
Критические параметры: Ркр=50,3 кг/см2, tкр =16,9 ۫С.
Температура
самовоспламенения
540оС,
горит
слабокоптящим пламенем. С воздухом образует взрывоопасные
смеси при 3-34% объемных. Имеет наркотические свойства: в
смеси с кислородом применяется в медицине для наркоза.
Используется для ускоренного созревания плодов.
В воде не растворим, в спирте - плохо, легче в ацетоне,
эфире.
Главное свойство этилена - полимеризация в присутствии
катализаторов
с
образованием
полиэтилена,
что
и
предопределило его промышленное использование.
Ни в чистом виде, ни в смесях с большой концентрацией
этилен в природе не встречается. В малых концентрациях (3-5%)
содержится в светильном и коксовом газах. В промышленности
этилен получают из газов нефтепереработки на НПЗ.
13.2 Получение этилена
Основной промышленный метод - высокотемпературный
пиролиз и крекинг нефти и нефтепродуктов. Крекинг-процесс
переработки нефти и нефтепродуктов путем расщепления ее на
составляющие с целью получения моторных топлив - керосина,
бензина различных марок, солярового масла и мазута. При этом
образуются ценные химические продукты – этилен, ацетилен,
бензол, кислоты, нафталин и др.
218
Крекинг бывает термический под действием высокой
температуры, каталитический - при одновременном действии
температуры и катализаторов, гидрокрекинг- в присутствии
водяного пара и др.
Крекинг-процесс осуществляется на нефтеперерабатывающих
заводах (НПЗ). Принципиальная схема термического процесса
приведена на рис. 13.1. Пиролиз производится в специальной
печи при температуре 670-720ºС и атмосферном давлении.
Фракционирование продуктов крекинга происходит в
реакторной колонне в соответствии с удельным весом
составляющих: в нижней части колонны отводятся тяжелые
фракции – мазут, соляровое масло, в верхней части - легкие
фракции бензины и керосин. Остаточные газы – это газы
нефтепереработки, в которых содержится до 20% этилена.
Отведенные газы направляются на очистку. Выделение этилена
производится путем глубокого охлаждения газов
с
последующим фракционированием (разделением).
Рисунок 13.1 - Схема установки получения этилена
методом пиролиза
Полученный товарный этилен направляется и хранится в
емкостях-хранилищах. Перевозится в баллонах под высоким
давлением. Цвет окраски баллонов – светло-фиолетовый.
Обычно этилен производят на месте его дальнейшего
использования или недалеко от него. Например, этилен
219
производили на Лисичанском НПЗ, а затем по трубам
транспортировали на находящийся в нескольких километрах
СГПП «Азот» для производства полиэтилена.
13.3 Применение этилена
Наиболее важное применение этилена – производство
полимеризационных смол (полиэтилена) – термопластиков
(размягчающееся при нагреве и твердеющие при охлаждении
пластмассы).
Производство
пластмасс
основано
на
реакции
полимеризации газообразного этилена при соответствующих
условиях:
– полиэтилен высокого давления при температуре
200 - 300ºС и давлении 150 – 350 МПа;
– полиэтилен среднего давления при 3 – 4 МПа и 150ºС;
– полиэтилен низкого давления при 0,2 – 0,5 МПа и 80ºС.
Полиэтилены, полученые этими способами, отличаются
свойствами и способами переработки в изделия. Например,
прочность на разрыв полиэтилена высокого давления
220 – 400 кг/см2 против 120 – 160 кг/см2 у полиэтилена низкого
давления.
Скорость полимеризации и выход полиэтилена зависит от
степени чистоты маномера, температуры и давления
полимеризации (рис. 13.2). Существенным является то, что в
установках непрерывного действия за один проход этилена в
реакторе успевает полимеризоваться лишь небольшая часть газа.
Поэтому после отделения полимера остаточный газ опять
направляется в реактор, смешиваясь со свежим газом, т.е.
процесс прокачки газа циклический. Для этого в установке
предусматривается циркуляционный контур.
Поэтому промышленные производства полиэтилена
основываются на установках сверхвысокого давления (до
300 МПа), которые являются уникальными технологическими
системами по сложности оборудования (рис. 13.3).
220
Рисунок 13.2 – Зависимость скорости полимеризации от
давления
При высоком давлении 150-300 МПа и температуре
220-280ºС в присутствии небольшого количества кислорода
полимеризацию производят на специальных установках (рис.13.3).
Рисунок 13.3 - Схема установки полимеризации этилена
Степень полимеризации (конверсии) составляет 10-20%, а
при многократной циркуляции – 95 - 97%.
Полиэтилен из приемника подвергают стабилизации,
окрашивают, гранулируют, а затем перерабатывают в изделие.
Полимеризация при среднем давлении 30-70 кг/см2
проводится в присутствии катализатора (окись хрома) при
температуре 110-140 ۫۫С.
При низком давлении (2-6 кг/см2) и 60-80оС также с
катализатором.
В обоих этих случаях полимеризация происходит в бензине,
в котором растворяют этилен.
221
Полиэтилен высокого давления отличается низкой
плотностью и высокими механическими свойствами. Кроме того,
он менее теплостоек и стоек к действию кислот, но более
эластичен и легче перерабатывается в изделия, особенно
сложной формы.
Установки, работающие при низком и среднем давлении,
малопроизводительные и дают сырье не очень высокого
качества, прежде всего по механическим свойствам.
Поэтому
промышленное
производство
полиэтилена
основывается на установках сверхвысокого давления (до 300 МПа).
13.4 Компрессоры для производства полиэтилена
Главное требование и проблема компрессоров для
производства полиэтилена – сверхвысокое давление плюс
взрывоопасность. Ни одно, ни другое производство не требовало
столь высоких давлений. Этиленовые компрессоры с давлением
нагнетания 2500-3900 кг/см2 – абсолютные мировые
рекордсмены в области сжатия газов. Комплекс проблем,
решаемых при создании таких компрессоров (прочность,
надежность, динамика, уплотнения, безопасность и др.), под
силу только наиболее развитым научным и производственным
компаниям. Ниже приведены сведения из истории создания
компрессорных установок для производства полиэтилена как в
мировой практике, так и в отечественной.
13.4.1 Поршневые компрессоры для сжатия этилена в
первых промышленных установках
Некоторые сведения из истории вопроса (из записки
инж. П.Д. Савостьянова, 2007 г. Приводится с незначительной
редакционной правкой). Совершенно случайно в 1933 году в
одной из лабораторий английской фирмы «ІСІ» этилен
подвергали сильному сжатию и нагреву, в результате чего газ
превращался в твердое вещество. Образовавшийся белый
порошок – полимер этилена, полученный в лаборатории «ІСІ»,
оказался цепочкой соединенных в длинный ряд молекул
этилена, которые придают полиэтилену такие качества, за
которые заслужено ему присваивают высокий титул «короля
пластмасс».
222
Как только промышленники узнали о прекрасных
потребительских качествах полиэтилена, появился спрос на него
в больших количествах и началось сооружение первых
установок промышленного производства.
Есть в Петербурге район – Охта (или Пороховые), где еще
в петровские времена основали пороховые мастерские, позже
они стали пороховыми заводами, а в последствии превращены в
химические комбинаты. Именно здесь перед войной была
сооружена первая в СССР установка периодического действия
по производству полиэтилена. А в 1951 году здесь же построили
установку аналогичного назначения, но непрерывного действия.
Процесс проходил под давлением 150 МПа. Чтобы
полимеризация началась, температуру в реакторе надо было
поднять выше 200оС. Далее реакция сама будет выделять тепло,
которое необходимо отводить. А это оказалось весьма
непростой задачей ибо температура в реакторе скакала
совершенно непредсказуемым образом. Иногда вдруг без
видимых причин она резко взлетала вверх, а за ней
подскакивало и без того высокое давление. Содержимое
реактора с жутким воем выбрасывалось наружу. В установке
были использованы специально разработанные на вертикальной
базе дожимающие компрессоры с давлением всасывания
25 МПа и давлением нагнетания 150 МПа. Эти компрессоры
имели низкую надежность. Требовалась особо тонкая очистка
масла, идущего на гидравлические уплотнения сальников (белое
нефтяное масло), для чего применяли фетровые фильтры, но
даже при этом происходило приваривание плунжера ко втулкам.
Возле каждого работающего компрессора были в наличии
запасные цилиндры для быстрой замены, которые приводились
весьма часто.
Компрессоры
и
другое
оборудование
было
рассосредоточено в отдельных взрывозащитных зданиях.
Реактор был упрятан в железобетонную камеру , а приборы и
маховики управления вентилей вынесены на пульт управления,
стоявший на солидном удалении. Перед пультом сидел оператор
и управлял процессом. После двух часов напряженного
управления его сменял отдохнувший напарник. И все-таки
редкий день проходил без аварий. Конечно, не каждая из них
223
сопровождалась разрушениями: бетонные стены спасали, но
производство приходилось останавливать, что вело к потере
времени и продукта. При резком повышении температуры
этилен не полимеризовался, а разрушался на составные
элементы – водород и углерод, или, попросту говоря сажу. За
1959 год на 9 году эксплуатации на охтинской установке было
зарегистрировано 197 взрывов разных по силе.
Развитие
современных
компрессорных
установок для производства полиэтилена
В шестидесятые годы во всех развитых странах шло
активное
строительство
установок
по
производству
полиэтилена. СССР старался не отставать – полиэтиленовые
производства сооружали в Свердловске, в Уфе, в Ангарске и
других городах, где уже были химические комбинаты,
производившие свободный этилен. К концу шестидесятых годов
ведущие западные фирмы имели установки мощностью
15-20 тысяч тонн полиэтилена в год. Совмин СССР принял
решение – закупить за рубежом целые заводы с передовой
технологией и разместить их на химических заводах в Уфе,
Новополоцке, Казани, Северодвинске. Но и после этого по
производству полимера на душу населения мы по прежнему
занимали место в пятом десятке стран. Наши руководители
поняли, что импортные малопроизводительные установки
изобилия полимера не принесли, а через несколько лет
выяснилось, что им еще нужны очень дорогие запчасти. Значит,
дальше надо было идти своим путем. И министр химической
промышленности СССР Л.А. Костандов начал концентрировать
научно-инженерный потенциал страны. Он понимал, чтобы
создать быстро крупную установку, потребуется многие годы, а
времени не было, полиэтилен нужен был сегодня. И Костандов
решает создать «Совместное предприятие» со специалистами из
ГДР. Совместно со специалистами комбината Лейна-Веке в
округе Галле было принято решение – создать установку по
производству полиэтилена высокого давления мощностью
50 тыс. тонн в год и присвоить ей название «Полимир-50» производное от слов: «полиэтилен» и «Мираптен» -торговой
марки комбината «Лейна-Верке».
13.4.2
224
Одним из элементов, определяющим надежность и
эффективность установки по производству полиэтилена
высокого давления, является дожимающие компрессоры второго
ряда. Это, как правило, компрессоры большой единичной
мощности от 500 до 10000 кВт, давлением всасывания от 15 до
25 МПа и давлением нагнетания от 150 до 350 МПа с
межремонтным периодом около 8000 часов. Эти основные
параметры установились в семидесятых годах и аналогичную
тенденцию имеют в настоящее время. Эти компрессоры и
связанное с ними вспомогательное оборудование должны
эксплуатироваться
в
пожаровзрывоопасном
помещении
категории В-1А.
13.4.3 Работы по созданию отечественных поршневых
компрессоров сверхвысокого давления для
полиэтилена
В СССР ЛенНИИхиммаш и Охтинским химическом
комбинатах велись работы по созданию компрессора с
давлением всасывания 25 МП и давлением нагнетания 150 МП с
гидравлическим уплотнением сальников 2-й ступени и щелевым
уплотнением этих же сальников. В качестве базы использовался
компрессор для сжатия воздуха Сумского машиностроительного
завода им. М.В. Фрунзе с производительностью по воздуху 2,7
м/мин, давлением нагнетания 220 МПа , ходом поршня 220 мм.
Однако при давлениях 150 МПа и выше с увеличением
диаметров плунжеров резко возрастали утечки через
гидравлическое и щелевые уплотнения сальников цилиндра. От
такого решения пришлось отказаться как от неперспективного.
В 1960 году Сумским заводом им. М.В. Фрунзе по
техническому проекту института ЛенНИИхиммаш разработан
проект компрессора для установки по производству
полиэтилена высокого давления мощностью 12 тысяч тонн в
год. В 1962 году был изготовлен опытный образец этого
компрессора. Он был по аналогии с компрессором типа А-6
фирмы «Буркхардт» (Швейцария) также выполнен на базе
вертикального дизеля, тоесть имел хорошо отработанный с
достаточным запасом прочности по поршневому усилию
механизм движения. Назывался агрегат «Компрессор для
этилена ГВ 250/1500», имел проектную производительность
225
6000 мм3/ч, давление всасывания 25 МПа, давление нагнетания
150 МПа. Затем Сумской машиностроительный завод
им. М.В. Фрунзе в период 1960-1968 гг. самостоятельно и с
участием института ЛенНИИхиммаш разрабатывал проекты
компрессоров для установок производства полиэтилена
высокого давления с механическим кулисным приводом,
аналогичных типу С фирмы «Буркхардт» и гидравлическим
приводом аналогично типу Д и Е фирмы «Буркхардт». Но эти
проекты не были доведены до стадии изготовления, так как уже
четко в мировом компрессоростроении определилась тенденция
использования в качестве механизма движения кривошипношатунного цилиндров с обводным крейцкопфом. Так как фирма
«Буркхардт» прекратила освоение и выпуск компрессоров с
механическим приводом типа А, Б и С, с гидравлическим
приводом типа Д, Е и с 1970 года начала выпуск компрессоров
на базе соосного механического привода c обводным
крейцкопфом, то и фирмы «Ингерсол-Ранд» (США), «Эслинген»
(ФРГ), «Нуово-Пиньоне» (Италия) поступили аналогичным
образом. Поскольку в СССР к тому времени не было требуемой
компрессорной установки, страна вынуждена была закупать
требуемые машины по импорту. Компрессор для этилена ГВ
250/2500 не был смонтирован и естественно не испытан, что не
давало возможности довести конструкцию и подтвердить
работоспособность о проектные параметры. Дело в том, что
испытание и доводка конструкции этиленовых компрессоров
сверхвысокого давления имеет свои особенности. Это связано с
длительным процессом выхода на режим процесора пиролиза
(обычно он длится около 2 недель), и если компрессор не
сможет газ компремировать и подавать на полимеризацию, то
его девать некуда. Проводят аккумуляцию газа, но это не
надолго спасает. Тогда приходится газ травить на свечу и нести
большие убытки. Так фирма «Эслинген» поставила 24
компрессора для установок производства полиэтилена высокого
давления мощностью 6 тыс.тонн каждая при давлении 150 МПа.
Первые партии этих компрессоров имели дефекты и фирма
имела очень большие затраты на их доводку на Уфимском
заводе «Синтез спирта». Отсутствие испытательной базы для
доводки опытных образцов, а также проведения научно 226
исследовательских и опытно- конструкторских работ стало
одной из основных причин того, что наша отрасль
компрессоростроения не справилась с задачей создания
поршневых компрессоров для производства полиэтилена
высокого давления и для других отраслей и других источников
давления до 1000 МПа.
Создание
лабораторного
комплекса
во
ВНИИкомпрессормаше
для
исследований
компрессоров сверхвысокого давления
Вопрос о создании отечественных компрессоров
сверхвысокого давления большой единичной мощности из
отечественных материалов для крупнотоннажных производств
полиэтилена неоднократно рассматривался в Министерстве
химического машиностроения Министерства химической
промышленности в Госплане СССР. Научно- технический задел
в отрасли компрессоростроения был уже достаточным для
создания требуемого компрессора, однако испытания его на
натурном газе вызывает небезосновательно большие опасения.
Вопрос рассматривался в совете Министров СССР и были
приняты мероприятия, обеспечивающие выполнение указанных
задач, они нашли свое отражение в постановлении ЦК КПСС и
СМ СССР от 16 мая 1968 г. №383 «О создании крупных
установок по производству важнейших химических полимеров и
полупродуктов для них и в приказе по Министерству
химической и нефтяного машиностроения от 12 марта 1969 г
№83 «О создании этиленовых компрессорных установок
производительностью 5400 км/час на давление 2500 атм и
проведения научно - исследовательских экспериментальных
работ по компрессорам сверхвысокого давления для
крупнотоннажного производства полиэтилена».
На основании указанных постановлений и приказа
Государственным проектным институтом Гипрохиммаш
разработано проектное задание и рабочие чертежи уникального
лабораторного комплекса для исследования этиленовых
компрессоров сверхвысокого давления для института
внешнекомпрессорами
Вниитехмаш
в
последствии
ВНИИкомпрессормаш в г. Сумы.
13.4.4
227
Основное назначение лаборатории – проведении научноисследовательских и опытных работ по созданию и испытанию
ответственных узлов и отработка головных образцов
отечественных компрессоров сверхвысокого давления для
организации их производства на специализированных заводах.
В лаборатории обеспечивается проведение научноисследовательских экспериментальных работ в области
давления до 250 МПа включительно, а объемно- компоновочные
решения
предусматривают
возможности
установки
оборудования и расширения области исследования до давлений
400-100 МПа.
Исследования и обработка основных узлов этиленовых
компрессоров предусмотрено производить на натурном газе
этилене или азоте по замкнутому газовому кольцу в условиях
аналогичных эксплуатационным.
Генеральный проектировщик – институт «Гипрохиммаш»
(г. Киев), технологическую часть проекта разработал институт
Вникомпрессормаш (г. Сумы) на основании технического
проекта экспериментального компрессора, разработанного
институтом
ЛенНИИхиммаш.
Размещение
и
состав
лаборатории. Комплекс зданий и сооружений лаборатории
компрессоров сверхвысокого давления занимает территорию
4,8 га. Общая развернутая площадь крытых зданий, включая
помещения бытовых, составляют около 10 тыс. м2.
Установочная
мощность
потребителей
электроэнергии
составляет 7,6 тыс. кВт. Место размещения лаборатории
обеспечивает соблюдение необходимых разрывов безопасности,
учитывая взрывоопасный и пожароопасный характер работ в
лаборатории, минимальную удаленность от института
«ВНИИкомпрессормаш» и непосредственное соседство с
заводом тяжелого компрессоростроения, на котором должно
быть налажено производство этиленовых компрессоров.
Транспортные связи с лабораторией осуществляется по
автомобильной дороге и через железнодорожную ветку. Для
разгрузки и временного хранения прибывающих на исследования и
испытания узлов и машин при лабораторном корпусе
предусмотрена открытая эстакада с мостовым краном 20/5 т.
228
В состав лабораторного комплекса входит лабораторный
корпус для исследования и испытания узлов этиленовых
компрессоров сверхвысокого давления развернутой площадью
3,2 тыс. м2. Это отдельно стоящий однопролетный корпус
шириной 24 м длиной 9,6 м, грузоподъемность мостовых кранов
20/5 т и 5 т.
Со стороны размещения газгольдерного и внешнего
газового хозяйства вдоль всего проекта к нему примыкает
коридор управления. По другую сторону проекта размещается
крановая эстакада для приема грузов.
К торцу пролета примыкает 3 этажная пристройка с
помещениями для бытовых камеральных работ, пультовой с
главным щитом управления. Со стороны свободного торца
предусмотрена возможность расширения здания. В основном
пролете размещены электромашинный зал, стендовый зал
(испытательный) и машинный зал компрессоров 1 и 2 каскада.
Все залы отделены один от другого капитальными
стенами и сообщаются между собой и с бытовой пристройкой
через коридор управления.
Отдельно стоящий объект – высокопроизводительная азотная
станция, два газгольдера и баллонная рампа для приема газа.
В течение последующих лет на территории, прилегающей
к лаборатории, были сооружены лаборатория центробежных и
лаборатория
мембранных
компрессоров
сверхвысокого
давления, а также испытательная лаборатория гидропрочности,
оснащённые современным оборудованием. Так сформировался
мощный научно-исследовательский и опытно-конструкторский
комплекс по разработке уникальных компрессоров. Усилиями
работников комплекса в сотрудничестве с производственным
объединением СНПО им. М.В. Фрунзе в сжатые сроки был
создан целый ряд образцов новой техники, среди которых
поршневой этиленовый компрессор на 250 МПа, компрессор для
установки сайклинг-процесса на 50 МПа и др. Эти успехи
утвердили положение Сум как центра компрессоростроения не
только в бывшем СССР, но и в мире. Были общепризнанны и
успехи сумской научной школы компрессоростроения.
229
Контрольные вопросы к теме 13
1 Перечислите основные химические и физические свойства
этилена.
2 Каким методом получают этилен?
3 Что такое высокотемпературный пиролиз?
4 Нарисуйте и поясните принципиальную схему получения
этилена методом крекинг – процесса переработки нефти.
5 Что такое реакция полимеризации и при каких условиях она
происходит?
6 Свойства полиэтилена в зависимости от давления
полимеризации.
7 Приведите принципиальную схему установки для
полимеризации этилена и поясните её работу.
8 В чем суть циклического процесса работы непрерывно
работающей установки полимеризации?
9 Что такое степень конверсии этилена и от чего она зависит?
10 В чём особенность компрессоров для производства
полиэтилена?
11 Приведите сведения о создании отечественных компрессоров
сверхвысокого давления для производства полиэтилена.
12 В чём ценность технических свойств полиэтилена и для чего
он применяется в промышленности?
Список литературы
1. Мухленов И.П. и др. Основы химической технологии/ И.П.
Мухленов и др. – М., 1991. – С. 436 – 453.
230
Раздел 4
УТИЛИЗАЦИЯ И ОЧИСТКА ГАЗОВЫХ
ВЫБРОСОВ
Тема 14 УТИЛИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ВЫБРОСНЫХ ГАЗОВ
14.1 Утилизация газов металлургических производств
Металлургия не только один из наиболее крупных
потребителей топливо - энергетических ресурсов, но и один из
самых крупных источников загрязнения воздушного бассейна
газовыми выбросами. Это прежде всего выбросные газы
доменного, конверторного, коксового, ферросплавного и др.
производств. Выбросы газов исчисляются многими тысячами
тонн в год. Вместе с тем эти газы являются
высокоэнергетическими горючими ресурсами, которые могут
быть утилизированы как непосредственно в технологическом
процессе, так и направлены для выработки энергетических
ресурсов (тепла, электроэнергии).
В настоящее время на современных металлургических
предприятиях используется свыше половины коксового и
доменных газов, что составляет 20-30% от общего
использования топлива. Практически не используются
конверторный и ферросплавный газы. Таким образом, в
металлургии имеются больше резервы экономии энергоресурсов
с одновременным снижением загрязнения среды.
14.1.1 Технологическое использование конвертерного
газа
Проблема использования конвертерного газа состоит в
периодичности его выхода из конвертера, что практически
исключает
возможность
достаточно
эффективного
использования газа путем непосредственной его подачи
потребителю. Все технические решения по энергетическому и
231
технологическому использованию конвертерного газа так или
иначе направлены на решение этой проблемы.
Энергетическое использование конвертерного газа при
отводе его без дожигания ограничивается на практике
применением схемы «охладитель конвертерного газа (ОКГ) газгольдер», включающей раздельное использование физической
теплоты и химической энергии газа. В кислородно-конвертерных
цехах предприятий черной металлургии Украины эта схема не
применяется в полном объеме из-за отсутствия газгольдерных
установок, сооружение которых в нашей стране в ближайшей
перспективе технически и экономически не целесообразно.
Вследствие этого отводимый из конвертера без дожигания газ
после охлаждения и очистки сжигают на свече газоотводящего
тракта, а утилизация физической теплоты газа в ОКГ позволяет
использовать не более 10% энергии газа.
К технологическому использованию газа путем
подготовки конвертерной шихты привлекает внимание
возможность сочетания тепловой обработки шихты с рекуперацией теплоты периодически выходящего из конвертера газа без
каких-либо дополнительных средств, связанных с аккумуляцией
его энергии, т.к. шихта в этом случае выполняет функцию
естественного
для
кислородно-конвертерного
процесса
аккумулятора энергии газа.
Основываясь на характеристиках газа и видах
потребляемой конвертерным процессом шихты, можно
выделить три основных направления по технологическому
использованию
конвертерного
газа:
восстановление
железорудного сырья с последующим использованием
полученного металлизованного продукта в качестве компонента
металлошихты конвертерной плавки путем частичной замены
им чугуна, обжиг известняка с последующим применением
извести в качестве шлакообразующего компонента взамен
извести, потребляемой со стороны, и нагрев металлолома с
целью увеличения его доли в металлошихте кислородноконвертерных плавок при соответствующей экономии чугуна.
232
Все
три
направления
позволяют
создать
энергосберегающие технологии
кислородно-конвертерного
процесса, обеспечивающие экономию энергии как непосредственно в конвертерном переделе, так и в смежных производствах
металлургического предприятия (производствах чугуна, кокса,
извести и др.).
Схема
размещения
системы
использования
конвертерного газа для восстановления железорудного сырья
представлена на рисунке 14.1. Одновременно с использованием
восстановительного потенциала газа утилизируется его
физическая теплота.
Рисунок 14.1 - Схема размещения системы использования
конвертерного газа для восстановления железорудного сырья:
1 – конвертер; 2 – ОКГ; 3 - основная газоочистка; 4 - подводящий
газоход; 5 – бункер; 6 – реактор восстановитель; 7 - питатель;
8 – бункер накопитель с дозатором; 9 – течка; 10 – обводной газоход;
11 – газоочистка системы; 12 – влагоотделитель; 13 - карман для сбора
пыли; 14 - течка для удаления пыли
Анализ возможности использования конвертерного газа
для обжига известняка показал, что обжиг конвертерным газом
создает
предпосылки
для
обеспечения
кислородноконвертерного производства известью, или, по крайней мере,
ликвидации её дефицита при выплавке конвертерной стали.
Опытно-промышленное опробование обжига известняка
конвертерным газом в действующем кислородно-конвертерном
цехе с последующим применением продукта обжига
233
непосредственно в цехе для выплавки стали привело к
улучшению ряда технологических показателей кислородноконвертерного процесса (к сокращению продолжительности
продувки на 0,8-3,1%, снижению содержания в стали серы на
5,4-20,5% и фосфора на 3,7-34,8%), что подтвердило
целесообразность реализации технологии обжига известняка с
использованием
конвертерного
газа.
Схема
опытнопромышленной установки для обжига известняка конвертерным
газом представлена на рисунке 14.2.
Рисунок 14.2 - Схема опытно-промышленной установки для
обжига известняка конвертерным газом:
1 – конвертер; 2 – кессон; 3 – газоочистка; 4 - обжиговый реактор;
5 – скруббер; 6 – влагоотделитель; 7 - регулирующий дроссельный и
аварийный отсечной клапаны; 8 - газоход к дымососу
Использование
конвертерного
газа
для
нагрева
металлолома создаёт предпосылки для рекуперации максимального количества теплоты газа в конвертер с нагретой
шихтой, т.к. доля лома в шихте кислородно-конвертерной
плавки наиболее весома по сравнению с другими компонентами.
Подогреватель лома целесообразно разместить на
параллельном по отношению к газоотводящему тракту
конвертера
участке
газохода
(байпасе);
для
подачи
234
конвертерного газа в подогреватель лома предпочтительнее
применение энжекторной системы; подогрев лома целесообразно
осуществлять в переоборудованных совках, используемых для
транспортировки и загрузки лома в конвертер. Схема
размещения подогревателя металлолома в конвертерном цехе
представлена на рисунке 14.3.
Рисунок 14.3 -Схема размещения системы использования
конвертерного газа для нагрева металлолома:
1 – конвертер; 2 – ОКГ; 3 – газоочистка; 4 -обводной газоход;
5 - паровой эжектор; 6 –затвор; 7 – подогреватель лома
В
результате
технико-экономического
сравнения
установлено, что варианты использования технологического
конвертерного газа отличаются значительно меньшими
капитальными затратами на сооружение установок по
сравнению с газгольдерными установками. В частности,
капитальные затраты при сооружении системы использования
конвертерного газа для восстановления железорудного сырья по
сравнению с сооружением газгольдерных установок ниже, в
зависимости от варианта системы, в 2,7-5,2 раза, при обжиге
известняка - в 3,1-5,2 раза, а при нагреве металлолома - в
7,3-8,2
раза.
Эксплуатация
систем
технологического
использования конвертерного, газа отличается по сравнению с
эксплуатацией газгольдеров значительно меньшими расходами
энергоносителей.
235
14.1.2 Использование доменного газа в шахтных
известково-обжиговых печах
Черная
металлургия
является
крупнейшим
производителем и потребителем технологической извести.
Основными потребителями извести являются агломерационное,
доменное и сталеплавильное производство. При годовом уровне
производства извести в Украине 15-18 млн. т. потребление
металлургической извести составляет 25-30 %.
Производство извести относится к энергоёмким
процессам.
Значительная
часть
получаемой
извести
производится в шахтных печах, что объясняется простотой
конструкции печей, низкими капитальными затратами и высокой
тепловой эффективностью таких агрегатов [1]. Как правило, на
металлургических предприятиях в шахтных известковообжиговых печах используют дорогостоящий природный газ. В
среднем удельный расход природного газа на 1 тонну извести
равняется 150-154 кг у.т. При этом доля затрат на топливо в
себестоимости извести составляет около 65%.
В этой связи актуален вопрос сокращения потребления
покупного топлива на предприятиях черной металлургии за счет
использования собственных энергоресурсов. Одним из
возможных вариантов решения проблемы является перевод
агрегатов на частичное или полное отопление доменным газом.
Для снижения температуры газов в области центральной
горелки в печи применяется циркуляция уходящих газов: часть
уходящих из печи газов (до 20 %) после очистки направляется
на центральную горелку в смеси с природным газом. Расход
рециркулята составляет 150-2000 м3/ч, температура рециркулята
составляет около 150°С, температура выгружаемой извести
150-250°С, температура уходящих газов – 150-350°С.
Увеличение доли доменного газа в смеси до 75% позволяет
снизить расход природного газа на 150 м3/ч. При этом, в зоне
обжига теоретическая температура горения топлива с
коэффициентом расхода воздуха 1,3 снизится соответственно с
1670 до 1576°С, объём дымовых газов увеличится с 14000 м3/ч
до 16000 м3/ч.
236
Дальнейшее увеличение доли доменного газа в смеси
сопровождается значительным снижением теоретической
температуры горения до 1425°С и увеличением объёма дымовых
газов до 25000 м3/ч, что неудовлетворительно скажется на
качестве обжига и горении смеси топлив.
Таким образом, допустимым для производственных
условий является подмешивание природному газу доменного в
количестве 70-75% по объёму. При этом практически не
изменяются условия теплообмена.
Увеличение доли доменного газа сопровождается
повышением температуры уходящих зов, а, следовательно, и
увеличением удельного расхода условного топлива. В то же
время потребление природного газа уменьшается.
На рис. 14.4 представлено влияние доли доменного газа на
удельный расход условного топлива при производительности
печи 220 т/сутки.
Оценка экономической эффективности частичной
замены природного газа доменным в количестве 75% по
объёму при производительности печи 220 т/сутки показывает,
что
годовая
экономия
природного
газа
составит
5,256 млн. м3/год, а экономический эффект с учётом затрат на
доменный газ – 2,452 млн грн/год.
Доля доменного газа rдг, %
Рисунок 14.4 – Влияние доли доменного газа на
удельный расход условного топлива:
_____ природно - доменная смесь;
__ __
природный газ
237
14.2 Утилизация нефтяных газов
14.2.1 Утилизация факельных газовых выбросов
Специфика добычи попутного газа заключается в том, что
он (как и следует из названия) является побочным продуктом
нефтедобычи. Потери попутного нефтяного газа связаны с
неподготовленностью инфраструктуры для его сбора,
подготовки, транспортировки и подготовки, отсутствием
потребителя. В этом случае газ просто сжигается на факелах.
Известно, что добываемый попутный нефтяной газ обычно
включает в качестве примесей совокупно или в отдельности
соединения Н2S, NО2, СО2, СН4 и другие, которые при сгорании
газа в промышленных или бытовых установках образуют ряд
вредных и токсичных соединений, попадающих в атмосферу с
газовыми выбросами и оказывающих негативное воздействие на
окружающую среду. Поступающие в окружающую среду
продукты сгорания попутного нефтяного газа представляют
собой потенциальную угрозу нормальному функционированию
человеческого организма на физиологическом уровне.
Заболеваемость населения по многим классам болезней
выше общестатистических показателей (очень высоки
показатели по болезням органов дыхания). По ряду заболеваний
(новообразования, болезни нервной системы и органов чувств
и пр.) наблюдается тенденция к росту. Очень опасны
воздействия, последствия которых выявляются не сразу.
Таковыми являются влияние загрязняющих веществ на
способность людей к зачатию и вынашиванию детей, развитие
наследственных патологий, ослабление иммунной системы, рост
числа онкологических заболеваний. Для уменьшения этого
нежелательного воздействия на окружающую среду природный
газ до сжигания предварительно очищают от упомянутых
примесей либо ведут обработку уже отработанных газовых
выбросов перед выводом их в атмосферу.
Необходимость утилизации газовых выбросов с помощью
методов, отличающихся от простого сжигания газовых выбросов
в факелах, заключается в следующем:
238
1 Сжигание газовых выбросов в факелах и его выброс в
атмосферу потенциально опасны для здоровья, так как в
результате сжигания газа в воздухе образуются токсичные
вещества, которые абсорбируются растениями и могут попасть в
пищевую цепь.
2 В экологическом отношении сжигание газовых выбросов
имеет такие последствия, как глобальное потепление, кислотные
осадки и изменение климата. Газовые выбросы диоксида
углерода и факельных газов способствуют усилению
парникового эффекта и глобальному потеплению.
3 Затрачиваются ценные невозобновляемые ресурсы.
Перспективен процесс каталитической утилизации газовых
выбросов,
предназначен
для
переработки
отходящих
углеводородных газов (С2 – С6), сжигаемых на факелах. Процесс
обеспечивает переработку газовых выбросов, содержащих
вредные примеси кислорода, азота и сернистых соединений. В
процессе переработки углеводородных газовых выбросов
получают топливный газ (метан) или технический водород.
Процесс каталитической утилизации факельных газовых
выбросов обеспечивает решение экологических проблем и
коммерческое
использование
переработанных
газовых
выбросов.
Процесс
утилизации
факельных
газов
нефтеперерабатывающих предприятий и нефтепромыслов
включает следующие технологические стадии (рис. 14.5):
- каталитическая очистка газовых выбросов от примесей
кислород-, азот- и серосодержащих соединений (при
необходимости);
- каталитическая низкотемпературная конверсия углеводородов
в метан (топливный газ) с выходом конечного продукта 98 - 99%;
- каталитическая
высокотемпературная
конверсия
метана с получением водорода и оксида углерода;
- каталитическое метанирование оксида углерода;
- мембранное или короткоцикловое разделение водорода
и метана.
В зависимости от конкретных условий и предъявляемых
требований технология процесса каталитической утилизации
факельных газовых выбросов может быть разработана по
вариантам:
239
- получение только метана из газовых выбросов
(топливного газа);
- получение технического водорода и метана из газовых
выбросов.
Предлагаемый процесс каталитической утилизации
газовых
выбросов,
обеспечивает
повышение
техникоэкономических
показателей
нефтеперерабатывающих
предприятий и нефтепромыслов и улучшение экологической
обстановки в регионе в целом.
Рисунок 14.5 - Схема установки каталитической очистки
факельных газов:
1 - блок каталитической очистки газа от газовых примесей; 2 - блок
низкотемпературный; 3 - каталитической конверсии в метан; 4 - блок
высокотемпературной каталитической конверсии метана; 5 - блок
метанирования
14.3.2 Утилизация попутного нефтяного газа
Возможно
несколько
направлений
полезного
использования непосредственно попутного нефтяного газа (т.е.
без предварительного сжатия).
240
Рисунок 14.6 – Станция для утилизации попутного
нефтяного газа
1 Энергетическое (рис. 14.6)
Это направление доминирует, потому что энергетическое
производство имеет практически неограниченный рынок.
Попутный нефтяной газ — топливо высококалорийное и
экологически чистое. Учитывая высокую энергоемкость
нефтедобычи, во всём мире существует практика его
использования для выработки электроэнергии для промысловых
нужд. Теплотворная способность газов нефтяных попутных
колеблется от 9300 до 14000 ккал/м3. При постоянно растущих
тарифах на электроэнергию и их доли в себестоимости
продукции, использование попутного нефтяного газа для
выработки электроэнергии можно считать экономически вполне
оправданным. При электрокрекинге из метана образуется
ацетилен, при конверсии метана перегретым водяным паром или
СО в присутствии катализаторов - смесь СО и Н ,
применяющаяся во многих органических синтезах. Этан и
пропан могут служить источником получения этилена, бутилена,
ацетальдегида, других кислородсодержащих соединений. Бутан
может быть использован для получения дивинила, бутиловых
спиртов, метилэтилкетона и других соединений.
2 Нефтехимическое
Попутный нефтяной газ может быть переработан с
получением сухого газа, подаваемого в систему магистральных
трубопроводов, газового бензина, широкой фракции лёгких
241
углеводородов и сжиженного газа для бытовых нужд. Франция
является сырьём для производства целого спектра ценных
продуктов нефтехимии: каучуков, пластмасс, компонентов
высокооктановых бензинов и др.
3 Повторная закачка
Повторная закачка газовых выбросов в нефтяной
коллектор для повышения нефтеотдачи пласта. Этот вариант
заключается в повторном нагнетании отходящего газа в пласт
для поддержания пластового давления при добыче. Повторная
закачка газовых выбросов используется в качестве вторичного
механизма,
для
которого
необходима
очистка
и
компримирование газа. Это требует дополнительных расходов,
но в то же время продлевает срок эксплуатации нефтяного
месторождения. Таким образом, газовые выбросы можно
многократно использовать в течение всего периода активной
эксплуатации нефтяного месторождения.
Контрольные вопросы к теме 14
1 Что такое утилизация газовых выбросов? Какие цели
преследует утилизация?
2 Перечислите основные промышленные производства, газовые
выбросы которых утилизируются.
3 Что такое конверторный газ и в чем суть технологии его
использования?
4 Как используется доменный газ?
5 Нефтяные газовые выбросы: происхождение и влияние на экологию.
6 В чем суть утилизации факельных нефтяных газовых выбросов?
7 Направления использования попутных нефтяных газов.
Список литературы
1. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Ч. 2-я.
Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных
газов/Е.В.Смидович.– М.: Химия, 1980.– 328с.
2. Справочник нефтехимика: в 2 томах/ под ред. С.К. Огородникова.–
Л.: Химия, 1978.– Т.1.– 496с.
3. Борнацкий И.И. Современный кислородно-конверторный
процесс/ И.И. Борнацкий И.И. и др.- К.: Металлургия, 1974.
4. Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна/Г.Г. Ефименко Г.Г. и др.К., 1974.
242
Тема 15 ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗОВ
15.1 Общие сведения и свойства биогазов
Биогаз – газ, получаемый метановым брожением
биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием
трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии
питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый
вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие,
третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют
не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.
Состав биогаза: 55—75 % метана, 25-45 % CO2,
незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от
СО2 получается биометан. Биометан – полный аналог
природного газа, отличие только в происхождении.
Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы
метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в
качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет
снизить применение химических удобрений, сокращается
нагрузка на грунтовые воды.
Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз
более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват
метана – лучший краткосрочный способ предотвращения
глобального потепления.
Таблица 15.1 - Физические свойства биогаза
Показатель
Объемная доля, %
Объемная теплота
сгорания, МДж/м3
Температура, оС:
воспламения
критическая
Плотность:
нормальная, г/л
критическая, г/л
СН4
55-70
Компоненты
СО2
Н2
27-44
1
Н2S
3
Смесь 60% СН4
+ 40% СО2
100
35,8
-
10,8
22,8
21,5
650-750
-82,5
31,0
585
-
100
650-750
-2,5
0,72
102
1,98
408
0,09
31
1,54
349
1,20
320
243
15.2 Историческая справка
Человечество научилось использовать биогаз давно. Во
2-м тысячелетии до н. э. на территории современной Германии
уже существовали примитивные биогазовые установки.
Алеманы, населявшие заболоченные земли бассейна Эльбы,
полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах
— это вонючее дыхание Дракона. Люди верили, что Дракон
приходит ночью и его дыхание остаётся в ямах. Алеманы
додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото,
отводить газ по кожаным же трубам к своему жилищу и сжигать
его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова
найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту
проблему.
В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что
разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы.
Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о
существовании зависимости между количеством разлагающейся
биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр
Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.
Первая задокументированная биогазовая установка была
построена в Бомбее (Индия) в 1859 году. В 1895 году биогаз
применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930
году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии,
участвующие в процессе производства биогаза.
С начала 90-х годов ХХ в. интерес к ним в Западной
Европе начал стабильно расти. И из простых бочек с ручной
системой перемешивания биогазовые установки стали
большими
высокотехнологичными
полностью
автоматизированными комплексами по переработке любых
органических отходов.
В Германии уже десятилетиями биогаз производят тысячи
крупных установок, и еще миллионы установок различной
мощности во всем мире. Технология испытана, ее стабильность
доказана годами безукоризненной работы.
244
15.3 Применение
Биогаз используют в качестве топлива для производства:
электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного
топлива. В Индии, Вьетнаме, Непале и др. странах строят малые
(односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ
используется для приготовления пищи.
Биогазовые установки могут устанавливаться как
очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых
заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая
установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е.
падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства
мясо-костной муки.
Больше всего малых биогазовых установок находится в
Китае – более 10 млн (на конец 90-х ХХ в.). Они производят
около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом
примерно 60 млн крестьян. В Индии с 1981 года было
установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.
В конце 2006 года в Китае действовало около 18 млн.
биогазовых установок. Их применение позволяет заменить
10,9 млн тонн условного топлива.
Среди промышленно развитых стран ведущее место в
производстве и использовании биогаза по относительным
показателям принадлежит Дании – биогаз занимает до 18 % в её
общем энергобалансе. По абсолютным показателям по
количеству средних и крупных установок ведущее место
занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее
половины всех птицеферм отапливаются биогазом.
Фирмы Volvo и Scania (Швеция) производят автобусы с
двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно
используются в городах Швейцарии. По прогнозам
Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 %
автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.
Шведская компания Svensk Biogas построила первый в
мире поезд на биогазе - продукте переработки органических
отходов. Эта машина может вместить до 54 пассажиров. С
сентября 2005 года она курсирует на 80 километровой линии
вдоль восточного побережья страны. Пробег поезда на одной
заправке составляет 600 километров, а максимальная скорость 245
130 километров в час. В движение этот вагон приводят два
автобусных двигателя, приспособленных к работе на биогазе.
Компания Svensk Biogas потратила $1,3 миллиона для
создания этого "зеленого" поезда.
Нужно добавить, что в Швеции уже работает около
тысячи автобусов на биогазе и тысячи "бинарных" легковых
машин, потребляющих и бензин, и биогаз.
15.4 Сырье для получения
Используются разнообразные органические отходы: навоз,
зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина,
свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и
забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые
отходы, отходы молокозаводов – лактоза, молочная сыворотка,
отходы производства биодизеля – технический глицерин от
производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков
– жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли,
отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы
переработки картофеля, производства чипсов – очистки,
шкурки, гнилые клубни и т. п.
Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и
вида используемого сырья. Вода, содержащаяся в биомассе, не
даёт газа. Из 1 кг сухого вещества в среднем получают от 300 до
500 литров биогаза. Из 1 тонны навоза крупного рогатого скота
получается 30–50 м³ биогаза с содержанием метана 60 %,
150–500 м3 биогаза из тонны различных видов растений с
содержанием метана до 70 %. Максимальное количество
биогаза – это 1300 м3 с содержанием метана до 87% – можно
получить из жира.
Кроме отходов, биогаз можно производить из специально
выращенных энергетических культур, например, из силосной
кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с
1 тонны.
Свалочный газ – одна из разновидностей биогаза.
Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.
246
15.5 Технология получения
Всего в мире в настоящее время используется или
разрабатывается около 60 разновидностей технологий
получения биогаза. Наиболее распространённый метод –
анаэробное сбраживание в метантенках, или анаэробных
колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии,
получаемой в результате сжигания биогаза, направляется на
поддержание процесса (до 15—20 % зимой). В странах с жарким
климатом нет необходимости подогревать метантенк. Бактерии
перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до
70°С.
Получение биогаза экономически оправдано при
переработке постоянного потока отходов, например на
животноводческих фермах.
В анаэробных условиях бактерии разлагают органический
субстрат, а биогаз является промежуточным продуктом их
обмена веществ.
Для успешной жизнедеятельности и хорошей работы всех
микроорганизмов внутри реактора необходимо обеспечить специальные
условия. Обязательными факторами в этом случае являются:
Анаэробные условия - бактерии могут активно работать
только в условиях отсутствия кислорода. В конструкции
изначально предусмотрено соблюдение этого условия.
Влажность - бактерии могут жить, питаться,
размножаться и производить биогаз только во влажной среде.
Температура - оптимальным режимом для всех групп
бактерий будет диапазон 35-40оС. Человеку не под силу это
проконтролировать, потому этот процесс берет на себя система
автоматического контроля.
Период брожения - количество произведенного газа
постепенно увеличивается по мере увеличения длительности
брожения, вначале оно происходит быстрее, по мере
возрастания продолжительности брожения - медленнее.
Наступает такой момент, когда дальнейшее пребывание в
ферментаторе будет нецелесообразно с экономической точки
зрения.
247
Конечным продуктом биологической обработки отходов
являются:
 биогаз (метан не менее 55%, оксид углерода не
более 45%, сероводород не более 2%, водород не более 1%);
 переброженный субстрат как остаток брожения,
состоящий из воды, остатков целлюлозы, незначительной
массовой части бактерий и питательных органических
элементов (азот, фосфор, калий и т.д.).
15.6 Биогазовые установки
Рассмотрим схему
(Германия) рис. 15.1.
биогазовой
установки
ZORG™
Рисунок 15.1 – Принципиальная схема биогазовой установки,
фирма ZORG™ (Германия)
Жидкие биоотходы перекачиваются на биогазовую
установку насосами. Твердые отходы доставляются по
транспортерной ленте, грузовиками или другим способом.
Жидкие отходы попадают не прямо в реактор, а в
предварительную емкость. В этой емкости происходит
гомогенизация массы и подогрев (иногда охлаждение) до
необходимой температуры. Обычно объем такой емкости на 2-3
дня. Твердые отходы могут сгружаться в емкость с жидкими
отходами и перемешиваться с ними. Либо твердые отходы
загружаются в специальный шнековый загрузчик.
248
Из емкости гомогенизации и загрузчика твердых отходов
биомасса поступает в реактор (ферментатор). Реактор является
газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из
кислотостойкого
железобетона.
Это
конструкция
теплоизолируется слоем утеплителя. Внутри реактора
поддерживается
фиксированная
для
микроорганизмов
температура 30-41°С. В отдельных случаях применяются
реакторы с режимом около 55°С. Внутри реактора производится
перемешивание биомассы механическое или гидравлическое.
Подогрев реактора ведется теплой водой. Температура
воды на входе в реактор 60°С. Температура воды после реактора
около 40°С. Система подогрева - это сеть трубок, находящихся
внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности.
Если биогазовая установка комплектуется когенерационной
установкой (теплоэлектрогенератором), то вода от охлаждения
генератора используется для подогрева реактора. Температура
воды после генератора 90°С. Теплая вода с температурой 90°С
смешивается с водой 40°С и поступает в реактор с температурой
60 °С. Вода специально подготовленная и рециркуляционная. В
зимний период биогазовой установке требуется до 70%
вторичного тепла, отведенного от теплоэлектрогенератора. В
летний - около 10%. Если биогазовая установка работает только
на производство газа, тогда теплая вода берется от специально
установленного водогрейного котла. Затраты тепловой и
электрической энергии на нужды самой установки составляют
от 5 до 15% всей энергии, которую дает биогазовая установка.
Время гидравлического отстаивания внутри реактора (в
зависимости от субстратов) – 20-40 дней. На протяжении этого
времени
органические
вещества
внутри
биомассы
метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами.
Для кукурузного силоса период брожения составляет
70-160 дней. Период брожения определяет объем реактора.
Всю работу по сбраживанию отходов проделают
микроорганизмы. В реактор микроорганизмы вводятся один раз
при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов
и
дополнительных
затрат
не
требуется.
Введение
микроорганизмов производится одним из трех способов:
введением концентрата микроорганизмов, добавление свежего
249
навоза или добавление биомассы с другого действующего
реактора. Обычно используется 2-й и 3-й способы из-за
дешевизны. В навозе микробы присутствуют и попадают в него
еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и
не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать
ферментерами, располагаются в непосредственной близости от
фермы или производства.
На выходе имеем два продукта: биогаз и биоудобрения
(компостированный и жидкий субстрат).
Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа газгольдере. Здесь в газгольдере выравниваются давление и
состав газа. Газгольдер ZORG™ - это высокопрочная
растягивающаяся мембрана. Материал мембраны стоек к
солнечному свету, осадкам и испарениям в реакторе. Газгольдер
герметически накрывает реактор сверху. Над газгольдером
накрывается дополнительно тентовое накрытие. В пространство
между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания
давления и теплоизоляции. В отдельных случаях газгольдер
представляет собой многокамерный мешок. Такой мешок в
зависимости от проектного решения может крепиться сверху
бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной
емкости. Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день.
Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в
газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Здесь уже
производится тепло и электричество. 1 м3 газа дает 2 кВт∙ч
электрической и 2 кВт∙ч тепловой энергии. Крупные биогазовые
установки имеют аварийные факельные установки на тот
случай, если двигатели не работают и биогаз надо сжечь.
Всей системой управляет система автоматики. Система
контролирует работу насосной станции, мешалок, системы
подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления
достаточно всего 1 человека 2 часа в день. Этот человек ведет
контроль с помощью обыкновенного компьютера.
Переброженная масса - это биоудобрения, готовые к
использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с
помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения
биоудобрения. В Германии этот субстрат - аммиачная вода, в
250
основном используется как удобрение из-за высокой
концентрации аммиака (NH4). Твердые удобрения хранятся на
специальном участке. Из емкости хранения жидких удобрений
насосами масса перекачивается в бочки-прицепы и вывозится на
поля или на продажу.
В
случае,
когда
предприятию
требуется
не
электроэнергия, а газ для заправки автомобилей, биогазовая
установка комплектуется системой очистки и метановой
заправочной станцией. Система очистки биогаза - устройство по
отделению CO2 из биогаза. Например, если требуется
техническая углекислота, то по принципу абсорбера- десорбера.
Содержание углекислого газа доводится с 40% до 10% (и даже
1%, если требуется).
Биогазовая установка - это строительный объект с
оборудованием и с живыми микроорганизмами внутри.
Правильней называть биогазовые установки биогазовыми
станциями или биогазовыми комплексами. Строительная часть
по стоимости составляет около 50-60%. Затраты на
эксплуатацию
установки
мизерны
и
составляют
1,5-2% от ее стоимости в год.
Длительное
время
проводились
исследования,
направленные на интенсификацию и оптимизацию процесса
метанового сбраживания, а также конструктивное оформление
технологии. С использованием результатов этих исследований в
1984 г. совместно с Сумским НПО им. М.В. Фрунзе в
содружестве с кафедрой химической техники и промышленной
экологии НТУ «ХПИ» была спроектирована и построена в
г. Сумы биогазовая установка «Биогаз-301С» для переработки
отходов свинофермы на 3000 голов животных. Она производила
в сутки 450 м3 биогаза, который утилизировали в котельной с
получением горячей воды для нужд фермы. Общий вид
установки представлен на рис. 15.3, а технологическая схема –
на рис. 15.2.
251
Рисунок 15.2 – Принципиальная технологическая схема
установки «Биогаз-301С»
Последовательность
технологических
операций
следующая. Из помещений свинофермы с помощью скребков и
воды навоз поступает в сборник 1, откуда насосом 2 через
ловушку 3 подается в подогреватель 4. В подогревателе,
снабженном мешалкой и системой обогрева, исходный навоз
выдерживается в течение не более 8-9 часов при постоянном
перемешивании и нагреве, и насосом 5 подается в метантенк 6,
содержимое которого термостатируется при 39±2°С в
анаэробных условиях и периодически перемешивается насосом
6 и специальным перемешивающим устройством. Выгрузка
отферментированной массы осуществляется через специальное
переливное устройство в сборник-аэратор 7, где происходит
насыщение ее кислородом с целью прекращения процесса
анаэробной
ферментации
и
улучшения
санитарногигиенических показателей стоков. Из сборника 7 масса
самотеком подается на центрифугу 8 для разделения на
фракции. Обезвоженный шлам транспортером 9 подается на
автотранспорт для вывоза, а жидкая фракция - в сборник 10,
откуда насосом 11 направляется на поля в качестве жидкого
удобрения или для промывки трубопроводов, а при
соответствующей доочистке - на гидросмыв в свиноферму.
Образующийся в метантенке биогаз поступает в газгольдер 12,
входной и выходной патрубки газгольдера блокированы
гидрозатворами и огнепреградителем.
252
Рисунок 15.3 - Общий вид установки «Биогаз-301С»
В Сумском НПО им. М.В. Фрунзе также производится
компрессор для компремирования биогаза 2ГМ10-25/1,05-70
(рис. 15.4) производительностью 25 м3/мин.
а
б
Рисунок 15.4 – Общий вид компрессора 2ГМ10-2,5/1,05-70 (а)
и компрессорная станция биогаза (б)
Конструктивное исполнение - установка, состоящая из
оппозитного
поршневого
компрессора
с
приводным
электродвигателем, межступенчатых аппаратов, газопроводов,
вспомогательных
систем,
запорной,
регулирующей
и
253
предохранительной арматуры, смонтированных на единой раме.
Устанавливается и работает на открытой площадке под навесом
с температурой окружающей среды от 0°С до +40°С.
Компрессор - горизонтальный, трехступенчатый на
оппозитной базе 2М10. Привод компрессора - синхронный
взрывозащищенный электродвигатель. Смазка механизма
движения - циркуляционная под давлением. Смазка цилиндров и
уплотнений штоков - принудительная под давлением. Система
охлаждения газа и масла - закрытая водяная с напорным сливом.
Автоматизированная система контроля, управления и
защиты обеспечивает контроль основных параметров,
предупредительную и аварийную сигнализацию и блокировку
по предельным значениям жизненно важных параметров.
Контрольные вопросы к теме 15
1 Что такое биогазы, каково их происхождение?
2 Примерный состав и основные свойства биогазов.
3 Технологии применения биогазов в мировой практике.
4 Какое сырье применяется для получения биогаза?
5 В чем суть технологии получения биогаза из отходов
животноводческих ферм?
6 Принципиальная схема биогазовой установки.
7 В чем суть комплексной переработки жидких биоотходов?
Список литературы
1. Семененко И.В. Проектирование биогазовых установок/
И.В. Семененко. – Сумы, 1996.
2. Зинченко М. Г. Переработка осадков сточных вод и твердых
бытовых отходов с получением биогаза и органо-минеральных
удобрений (по материалам 4-ой Международной конференции
"Сотрудничество для решения проблемы отходов", 31 января 1 февраля 2007 г., Харьков, Украина)/М.Г. Зинченко, Б.И. Адамчук,
И. В. Семененко, Ю. Е.Малюга.
3. Некрасов В.Г. "Микробиологическая анаэробная конверсия
биомассы"/В.Г. Некрасов.
4. Научно-теоретический журнал украинской академии
аграрных наук. – Киев, 2005. – 88 с.
254
Тема 16 ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ
ВЫБРОСОВ
16.1 Влияние выбросов на состояние атмосферного
воздуха
Во время производства поступление как исходных и
промежуточных, так и конечных продуктов в атмосферу
возможно с организованными (хвостовые газы, абгазы, газы
аспирационных и вентиляционных систем и др.) и
неорганизованными (погрузочно-разгрузочные и ремонтные
работы,
открытая
транспортировка
отходов
и
т.д.)
производственными выбросами. В почву, подземные воды и
поверхностные водоемы они попадают с недоочищенными или
неочищенными сточными водами предприятий, производящих
химические реагенты, а также с отходами производства.
Проблема защиты атмосферы от вредных выбросов
является сложной и комплексной. Можно выделить три
основные
группы
мероприятий:
технологические,
планировочные и санитарно-технические.
Технологические мероприятия
С экономической точки зрения дешевле бороться с
вредными веществами в местах их образования – создание
замкнутых технологических циклов, при которых бы
отсутствовали хвостовые газы или абгазы. Идеальным является
применение природоохранного принципа рационального
использования природных ресурсов, максимальное извлечение
всех полезных компонентов и максимальная утилизация отходов
(максим экономического эффекта и минимума отходов,
загрязняющих окружающую среду). В данную группу можно
отнести также следующие мероприятия:
– замена вредных веществ на производстве менее
вредными или безвредными;
– очистка сырья от вредных примесей (десульфиризация
мазута перед его сжиганием);
– замена сухих способов переработки пылящих
материалов мокрыми;
255
– замена пламенного нагрева электрическим (шахтные
печи на электрические индукционные);
– герметизация процессов, использование гидро- и
пневмотранспорта при транспортировке пялящих материалов;
– замена прерывистых процессов непрерывными.
Планировочные мероприятия
В группу планировочных мероприятий входит комплекс
приемов, включающих:
– зонирование территории города;
– борьбу с природной запыленностью;
– организацию санитарно-защитных зон (уточнение по
розе ветров, озеленение зоны);
– планировка жилых районов (зонирование застройки
кварталов);
– озеленение населенных мест.
Санитарно-технические мероприятия
Специальные меры защиты при помощи очистных
сооружений:
– сухие механические пылеуловители (циклоны,
мультициклоны);
–
аппараты
фильтрации
(ткани,
керамические,
металлкерамические и др.);
– электростатической очистки (электрофильтры);
– аппараты мокрой очистки (скрубберы);
– химические: каталитическая очистка газов, озонирование.
16.2 Источники загрязнения воздушного бассейна
Источники загрязнения воздушной природной среды
промышленностью классифицируются по ряду признаков.
По назначению:
а) технологические, содержащие хвостовые газы после
улавливания на установках, продувки аппаратов, воздушников и
др. (для выбросов характерны высокие концентрации вредных
веществ и сравнительно малые объемы удаляемого воздуха);
б) вентиляционные выбросы – местные отсосы от
оборудования и общеобменная вытяжка.
256
По месту расположения:
а) незатененные, или высокие, находящиеся в зоне
недеформированного ветрового потока (к этим источникам
относятся высокие трубы, а также точечные источники,
удаляющие загрязнения на высоту, превышающую высоту
здания в 2,5 раза);
б) затененные или низкие, расположенные на высоте в 2,5
раза меньше высоты здания;
в) наземные, находящиеся вблизи земной поверхности (к
этим
источникам
относится
открыто
расположенное
технологическое оборудование, колодцы производственной
канализации, пролитые токсичные вещества, разбросанные
отходы производства).
По геометрической форме:
а) точечные (трубы, шахты, крышные вентиляторы);
б) линейные (аэрационные фонари, открытые окна, близко
расположенные вытяжные шахты и факелы).
По режиму работы:
 непрерывного и периодического действия;
 залповые и мгновенные.
В случае залповых выбросов за короткий промежуток
времени в воздух поступает большое количество вредных
веществ. Залповые выбросы возможны при авариях или
сжигании быстрогорящих отходов производства на специальных
площадках
уничтожения.
При
мгновенных
выбросах
загрязнения распространяются за доли секунды иногда на
значительную высоту. Они происходят при взрывных
ситуациях.
По дальности распространения:
а) внутриплощадочные, когда выбрасываемые в атмосферу
загрязнения образуют высокие концентрации только на территории
промышленной площадки, а в жилых районах ощутимых
загрязнений не наблюдается (для таких выбросов предусматривается
достаточных размеров санитарно-защитная зона);
б) внеплощадочные, когда выбрасываемые в атмосферу
загрязнения потенциально способны создавать высокие
концентрации на территории жилого района.
257
16.3 Виды и характеристики газовых выбросов
В газообразных промышленных выбросах вредные
примеси можно разделить на две группы: а) взвешенные
частицы (аэрозоли) твердых веществ – пыль, дым; жидкостей –
туман; б) газообразные и парообразные вещества. К аэрозолям
относятся взвешенные твердые частицы неорганического и
органического происхождения, а также взвешенные частицы
жидкости (тумана). Пыль – это дисперсная малоустойчивая
система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и
туманы. Счетная концентрация (число частиц в 1 см3) мала по
сравнению с дымами и туманами. Неорганическая пыль в
промышленных газовых выбросах образуется при горных
разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и
удобрений, строительных материалов, карбидов и других
неорганических веществ. Промышленная пыль органического
происхождения – это, например, угольная, древесная, торфяная,
сланцевая, сажа и др. К дымам относятся аэродисперсные
системы с малой скоростью осаждения под действием силы
тяжести. Дымы образуются при сжигании топлива и его
деструктивной переработке, а также в результате химических
реакций, например, при взаимодействии аммиака и
хлороводорода, при окислении паров металлов в электрической
дуге и т. д. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и
туманах, и составляют от 5 мкм до субмикронных размеров, т. е.
менее 0,1 мкм. Туманы состоят из капелек жидкости,
образующихся при конденсации паров или распылении
жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются
главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др. Вторая
группа – газообразные и парообразные вещества, содержащиеся
в промышленных газовых выхлопах, гораздо более
многочисленна. К ней относятся кислоты, галогены и
галогенопроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны
спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары
металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты
газообразных промышленных отходов.
258
Таблица 16.1 – Предельно допустимые концентрации некоторых
токсичных веществ в воздухе атмосферы
—
1,0
0,008
3,0
0,085
Вещества
0,2 Оксиды фосфора
0,1
(в пересчете на
0,35
Р205)
1,5 Ртуть
0,03 Свинец
0,2 Сероводород
0,01 Сероуглерод
Серы диоксид S02
0,003 Фенол
Формальдегид
0,5 Фтороводород
0,008 Хлор
1,0 Хлороводород
0,085
Тетрахлорид углерода
среднесуточная
0,2
0,1
0,35
1,5
0,03
0,2
—
ПДК, мг/м3
максимальная
разовая
Аммиак
Ацетальдегид
Ацетон
Бензол
Гексахлоран
Ксилолы
Марганец и его
соединения
Мышьяк и его соединения
Метанол
Нитробензол
Оксид
углерода
СО
Оксиды азота (в
пересчете на
(N2O5)
среднесуточная
Вещества
максимальная
разовая
ПДК, мг/м3
0,15
0,05
0,0003
—
0,008
0,03
0,5
0,01
0,035
0,05
0,0003
0,0007
0,008
0,005
0,05
0,01
0,012
0,005
0,1
0,2
0,03
0,2
4,0
2,0
В настоящее время, когда безотходная технология
находится в периоде становления и полностью безотходных
предприятий еще нет, основной задачей газоочистки служит
доведение содержания токсичных примесей в газовых
примесях до предельно допустимых концентраций (ПДК),
установленных санитарными нормами. В табл. 16.1 выборочно
приведены ПДК основных атмосферных загрязнителей.
При содержании в воздухе нескольких токсичных
соединений их суммарная концентрация не должна превышать
1, т. е.
с1/ПДК1+с2/ПДК2 + ... +сп/ПДКп=1,
где с1, с2, ..., сп – фактическая концентрация загрязнителей
в воздухе, мг/м3; ПДК1, ПДК2, …, ПДКп - предельно допустимая
концентрация, мг/м3.
259
При невозможности достигнуть ПДК очисткой иногда
применяют многократное разбавление токсичных веществ или
выброс газов через высокие дымовые трубы для рассеивания
примесей в верхних слоях атмосферы. Теоретическое
определение концентрации примесей в нижних слоях
атмосферы в зависимости от высоты трубы и других факторов
связано с законами турбулентной диффузии в атмосфере и пока
не полностью разработано. Высоту трубы, необходимую, чтобы
обеспечить ПДК токсичных веществ в нижних слоях
атмосферы, на уровне дыхания, определяют по приближенным
формулам, например:
Ï ÄÊ Í 2 3 V t
ПДВ =
,
AFm
где ПДВ – предельно допустимый выброс вредных
примесей в атмосферу, обеспечивающий концентрацию этих
веществ в приземном слое воздуха не выше ПДК, г/с; Н – высота
трубы, м; V – объем газового выброса, м3/с; Δt – разность между
температурами газового выброса и окружающего воздуха, °С;
А – коэффициент, определяющий условия вертикального и
горизонтального рассеивания вредных веществ в воздухе,
с2/3∙(°С)1/3
(например,
для
района
Урала
А=160);
Р – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость
седиментации вредных веществ в атмосфере (для С12, НС1, НF):
F  1 m 0 – коэффициент, учитывающий условия выхода газа из
устья трубы, его определяют графически или приближенно по
формуле
m
1,5  103  T2 DT
,
H 2 t
где T – средняя скорость на выходе из трубы, м/с;
DT – диаметр трубы, м.
Метод достижения ПДК с помощью «высоких труб»
служит лишь паллиативом, так как не предохраняет атмосферу,
а лишь переносит загрязнения из одного района в другие.
260
16.4 Методы очистки газов
В соответствии с характером вредных примесей различают
методы очистки газов от аэрозолей и от газообразных и
парообразных примесей. Все способы очистки газов
определяются в первую очередь физико-химическими
свойствами
примесей,
их
агрегатным
состоянием,
дисперсностью, химическим составом и др. Разнообразие
вредных примесей в промышленных газовых выбросах
приводит к большому разнообразию методов очистки,
применяемых реакторов и химических реагентов.
16.4.1 Очистка газов от аэрозолей
Методы очистки по их основному принципу можно
разделить на механическую очистку, электростатическую
очистку и очистку с помощью звуковой и ультразвуковой
коагуляции.
М е х ан и ч е с к а я о чи с т к а г а з о в включает сухие и
мокрые методы. К сухим методам относятся: 1) гравитационное
осаждение; 2) инерционное и центробежное пылеулавливание;
3)
фильтрация.
В
большинстве
промышленных
газоочистительных установок комбинируется несколько
приемов очистки от аэрозолей, причем конструкции очистных
аппаратов весьма многочисленны.
Гравитационное осаждение основано на осаждении
взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении
запыленного газа с малой скоростью без изменения направления
потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и
пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения
частиц в осадительных камерах установлено на расстоянии
40-100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих
газовый поток на плоские струи. Производительность
осадительных камер П = S 0 , где S – площадь горизонтального
сечения камеры, или общая площадь полок, м2; 0 – скорость
осаждения частиц, м/с. Гравитационное осаждение действенно
лишь для крупных частиц диаметром более 50–100 мкм, причем
261
степень очистки составляет не выше 40–50%. Метод пригоден
лишь для предварительной, грубой очистки газов.
Инерционное осаждение основано на стремлении
взвешенных частиц сохранять первоначальное направление
движения при изменении направления газового потока. Среди
инерционных
аппаратов
наиболее
часто
применяют
жалюзийные пылеуловители с большим числом щелей
(жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя
при этом направление движения, скорость газа на входе в
аппарат составляет 10–15 м/с. Гидравлическое сопротивление
аппарата 100–400 Па (10–40 мм вод. ст.). Частицы пыли с
d<20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень
очистки в зависимости от дисперсности частиц составляет
20–70%. Инерционный метод можно применять лишь для
грубой очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток
этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.
Центробежные методы очистки газов основаны на
действии центробежной силы, возникающей при вращении
очищаемого газового потока в очистном аппарате или при
вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных
аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов:
батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители (ротоклоны)
и др. Циклоны наиболее часто применяют в промышленности
для осаждения твердых аэрозолей. Газовый поток подается в
цилиндрическую часть циклона тангенциально, описывает
спираль по направлению к дну конической части и затем
устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси
циклона на выход (рис. 16.1). Циклоны характеризуются
высокой производительностью по газу, простотой устройства,
надежностью в работе. Степень очистки от пыли зависит от
размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в
частности батарейных циклонов (производительностью более
20 000 м3/ч), степень очистки составляет около 90% при
диаметре частиц d>30 мкм. Для частиц с d = 5÷30 мкм степень
очистки снижается до 80%, а при d=2÷5 мкм она составляет
менее 40%. Диаметр частиц, улавливаемых циклоном на 50%,
можно определить по эмпирической формуле:
262
d=
9 DÖ
,
2 N î á  Ã ( ×   Ã )
где  – вязкость газа, Па  с; DÖ – диаметр выходного
патрубка циклонов, м; N î á – эффективное число оборотов газа
в циклоне;  Ã – средняя входная скорость газа, м/с; × ,  Ã –
плотность частиц и газа, кг/м3.
Рисунок 16.1 – Пылеочестительный Рисунок 16.2 – Скруббер Вентури:
циклон:
1 – очищаемый газ;
1 – очищаемый газ;
2 –жидкость; 3 – очищенный газ;
2 – очищенный газ;
4–слив жидкости
3 – удаление пыли
Гидравлическое
сопротивление
высокопроизводительных циклонов составляет около 1080 Па.
Циклоны широко применяют при грубой и средней очистке газа
от аэрозолей. Другим типом центробежного пылеуловителя
служит ротоклоп, состоящий из ротора и вентилятора,
помещенного в осадительный кожух. Лопасти вентилятора,
вращаясь, направляют пыль в канал, который ведет в приемник
пыли.
Ф и л ь т р а ц и я основана на прохождении очищаемого
газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть,
химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие
фильтрующие
материалы
(керамика,
металлокерамика,
263
пористые перегородки из пластмассы и др.). Наиболее часто для
фильтрации применяют специально изготовленные волокнистые
материалы – стекловолокно, шерсть или хлопок с асбестом,
асбоцеллюлозу. В зависимости от фильтрующего материала
различают тканевые фильтры (в том числе рукавные),
волокнистые,
из
зернистых
материалов
(керамика,
металлокерамика, пористые пластмассы). Тканевые фильтры,
чаще всего рукавные, применяются при температуре
очищаемого газа не выше 60–65°С. В зависимости от
гранулометрического состава пыли и начальной запыленности
степень
очистки
составляет
85–99%.
Гидравлическое
сопротивление фильтра р около 1000 Па; расход энергии~
1 кВт  ч на 1000 м3 очищаемого газа. Для непрерывной очистки
ткани продувают воздушными струями, которые создаются
различными устройствами – соплами, расположенными против
каждого рукава, движущимися наружными продувочными
кольцами и др. Сейчас применяют автоматическое управление
рукавными фильтрами с продувкой их импульсами сжатого
воздуха.
Волокнистые фильтры, имеющие поры, равномерно
распределенные между тонкими волокнами, работают с высокой
эффективностью; степень очистки  = 99,5-99,9% при скорости
фильтруемого газа 0,15–1,0 м/с и р = 500-1000 Па.
На фильтрах из стекловолокнистых материалов возможна
очистка агрессивных газов при температуре до 275°С. Для
тонкой очистки газов при повышенных температурах
применяют фильтры из керамики, тонковолокнистой ваты из
нержавеющей стали, обладающие высокой прочностью и
устойчивостью к переменным нагрузкам; однако их
гидравлическое сопротивление велико – 1000 Па.
Фильтрация – весьма распространенный прием тонкой
очистки газов. Ее преимущества – сравнительная низкая
стоимость оборудования (за исключением металлокерамических
фильтров) и высокая эффективность тонкой очистки.
Недостатки
фильтрации
высокое
гидравлическое
сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала
пылью.
264
М о к р а я о ч и с т к а г а з о в от а э р о з о л е й основана
на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно
более развитой поверхности контакта жидкости с частицами
аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании
очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод
очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых размеров
является наиболее распространенным приемом заключительной
стадии механической очистки, в особенности для газов,
подлежащих охлаждению. В аппаратах мокрой очистки
применяют
различные
приемы
развития
поверхности
соприкосновения жидкости и газа.
Башни с насадкой (насадочные скрубберы) отличаются
простотой конструкции и эксплуатации, устойчивостью в
работе,
малым
гидравлическим
сопротивлением
(ΔР = 300-800 Па) и сравнительно малым расходом энергии. В
насадочном скруббере возможна очистка газов с начальной
запыленностью до 5-6 г/м3. Эффективность одной ступени
очистки для пыли с d>5 мкм не превышает 70—80%. Насадка
быстро забивается пылью, особенно при высокой начальной
запыленности.
Орошаемые циклоны (центробежные скрубберы) применяют для очистки больших объемов газа. Они имеют
сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление
400–850 Па. Для частиц размером 2-5 мкм степень очистки
составляет 50%. Центробежные скрубберы высокопроизводительны
благодаря большой скорости газа; во входном патрубке
 Ã =18-20 м/с, а в сечении скруббера  Ã =4-5 м/с.
Пенные аппараты применяют для очистки газа от
аэрозолей полидисперсного состава. Интенсивный пенный
режим создается на полках аппарата при линейной скорости газа
в его полном сечении 1–4 м/с. Пенные газоочистители обладают
высокой производительностью по газу и сравнительно
небольшим гидравлическим сопротивлением (ΔР одной полки
около 600 Па). Для частиц с диаметром d>5 мкм эффективность
их улавливания на одной полке аппарата 90-99%; при d<5 мкм
 = 75-90%. Для повышения  устанавливают двух- и
трехполочные аппараты.
265
Скрубберы Вентури (см. рис. 16.2) высокоинтенсивные
газоочислительные аппараты, но работающие с большим
расходом энергии. Скорость газа в сужении трубы (горловине
скруббера) составляет 100—200 м/с, а в некоторых установках –
до 1200 м/с. При такой скорости очищаемый газ разбивает на
мельчайшие капли завесу жидкости, впрыскиваемой по
периметру трубы. Это приводит к интенсивному столкновению
частиц аэрозоля с каплями и улавливанию частиц под действием
сил
инерции.
Скруббер
Вентури
–
универсальный
малогабаритный аппарат, обеспечивающий улавливание тумана
на 99–100%, частиц пыли с d = 0,01-0,35 мкм – на 50-85% и
частиц пыли с d =0,5÷2 мкм – на 97%. Для аэрозолей с
d = 0,3-10 мкм эффективность улавливания определяется в
основном силами инерции и может быть оценена по формуле
  1  e KL  ,
где К – константа; L – объем жидкости, подаваемой в газ,
дм3/м3;  – инерционный параметр, отнесенный к скорости газа
в горловине; при   90%  является однозначной функцией
перепада давления в скруббере.
Главный дефект скруббера Вентури – большой расход
энергии
по
преодолению
высокого
гидравлического
сопротивления, которое в зависимости от скорости газа в
горловине может составлять 0,002-0,013 МПа. Помимо того
аппарат не отличается надежностью в эксплуатации, управление
им сложное.
Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов
от аэрозолей – это образование больших объемов жидких
отходов (шлама). Таким образом, если не предусмотрены
замкнутая система водооборота и утилизация всех компонентов
шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только
переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды,
т. е. из атмосферы в водоемы.
16.4.2 Электростатическая очистка газов
Служит универсальным средством, пригодным для любых
аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах
частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля
266
при прохождении газа через электрическое поле высокого
напряжения, создаваемое коронирующими электродами.
Осаждение частиц происходит на заземленных осадительных
электродах. Промышленные электрофильтры состоят из ряда
заземленных пластин или труб, через которые пропускается
очищаемый газ. Между осадительными электродами подвешены
проволочные коронирующие электроды, к которым подводится
напряжение 25-100 кВ.
При очистке от пыли сухих газов электрофильтры могут
работать в широком диапазоне температур (от 20 до 500°С) и
давлений. Их гидравлическое сопротивление невелико –
100-150 Па. Степень очистки от аэрозолей – выше 90, достигая
99,9% на многопольных электрофильтрах при d>1 мкм.
Недостаток этого метода – большие затраты средств на
сооружение и содержание очистных установок и значительный
расход энергии на создание электрического поля. Расход
электроэнергии на электростатическую очистку – 0,1-0,5 кВт на
1000 м3 очищаемого газа.
16.4.3 Очистка газов от парообразных и газообразных
примесей
Газы в химической промышленности обычно загрязнены
вредными примесями, поэтому очистка широко применяется на
химических заводах для технологических и санитарных
(экологических) целей. Промышленные способы очистки
газовых выбросов от газо- и парообразных токсичных примесей
можно разделить на три основные группы: 1) абсорбция
жидкостями;
2)
адсорбция
твердыми
поглотителями;
3) каталитическая очистка. В меньших масштабах применяются
термические методы сжигания (или дожигания) горючих
загрязнений, способ химического взаимодействия примесей с
сухими поглотителями и окисление примесей озоном.
Абсорбция
жидкостями
применяется
в
промышленности для извлечения из газов диоксида серы,
сероводорода и других сернистых соединений, оксидов азота,
паров кислот (НС1, НР, Н2SО4), диоксида и оксида углерода,
разнообразных органических соединений (фенол, формальдегид,
летучие растворители и др.).
267
Абсорбционные методы служат для технологической и
санитарной очистки газов. Они основаны на избирательной
растворимости газо- и парообразных примесей в жидкости
(физическая абсорбция) или на избирательном извлечении
примесей химическими реакциями с активным компонентом
поглотителя (хемосорбция). Абсорбционная очистка –
непрерывный и, как правило, циклический процесс, так как
поглощение примесей обычно сопровождается регенерацией
поглотительного раствора и его возвращением в начале цикла
очистки. При физической абсорбции (и в некоторых
хемосорбционных процессах) регенерацию абсорбента проводят
нагреванием и снижением давления, в результате чего
происходит десорбция поглощенной газовой примеси и ее
концентрирование (рис. 16.3).
Рисунок 16.3 - Схема установки для абсорбционнодесорбционного метода разделения газов:
1 – абсорбер; 2 – десорбер; 3 – теплообменник; 4 – холодильник
Абсорбционные
методы
характеризуются
непрерывностью
н
универсальностью
процесса,
экономичностью и возможностью извлечения больших
количеств примесей из газов. Недостаток этого метода в том,
что насадочные скрубберы, барботажные и даже пенные
аппараты обеспечивают достаточно высокую степень
извлечения вредных примесей (до ПДК) и полную регенерацию
268
поглотителей только при большом числе ступеней очистки.
Поэтому технологические схемы мокрой очистки, как правило,
сложны, многоступенчаты и очистные реакторы (особенно
скрубберы) имеют большие объемы.
Любой процесс мокрой абсорбционной очистки
выхлопных газов от газо- и парообразных примесей
целесообразен только в случае его цикличности и
безотходности. Но и циклические системы мокрой очистки
конкурентоспособны только тогда, когда они совмещены с
пылеочисткой и охлаждением газа.
А д с о р б ц и о н н ы е м е т о д ы применяют для различных
технологических целей – разделение парогазовых смесей на
компоненты с выделением фракций, осушка газов и для
санитарной очистки газовых выхлопов. В последнее время
адсорбционные методы выходят па первый план как надежное
средство защиты атмосферы от токсичных газообразных
веществ, обеспечивающее возможность концентрирования и
утилизации этих веществ.
Адсорбционные методы основаны на избирательном
извлечении из парогазовой смеси определенных компонентов
при помощи адсорбентов – твердых высокопористых
материалов, обладающих развитой удельной поверхностью Sуд
(Sуд – отношение поверхности к массе, м2/г). Промышленные
адсорбенты, чаще всего применяемые в газоочистке, – это
активированный уголь, силикагель, алюмогель, природные и
синтетические цеолиты (молекулярные сита). Основные
требования к промышленным сорбентам – высокая
поглотительная
способность,
избирательность
действия
(селективность), термическая устойчивость, длительная служба
без изменения структуры и свойств поверхности, возможность
легкой регенерации. Чаще всего для санитарной очистки газов
применяют активный уголь, благодаря его высокой
поглотительной способности и легкости регенерации.
Адсорбцию газовых примесей обычно ведут в полочных
реакторах периодического действия без теплообменных
устройств; адсорбент расположен на полках реактора. Когда
необходим теплообмен (например, требуется получить при
регенерации десорат в концентрированном виде), используют
269
адсорберы с встроенными теплообменными элементами или
выполняют реактор в виде трубчатых теплообменников;
адсорбент засыпан в трубки, а в межтрубном пространстве
циркулирует теплоноситель.
Очищаемый газ проходит адсорбер со скоростью
0,05-0,3 м/с. После очистки адсорбер переключается на
регенерацию. Адсорбционная установка, состоящая из
нескольких реакторов, работает в целом непрерывно, так как
одновременно одни реакторы находятся на стадии очистки, а
другие — на стадиях регенерации, охлаждения и др. (рис. 16.4).
Рисунок 16.4 - Схема адсорбционной газоочистной
установки:
1 – фильтр; 2, 3 – адсорберы; 4 – конденсатор; 5 – сепаратор;
І – очищаемый газ; ІІ – очищенный газ; ІІІ – водяной пар;
ІV – неконденсируемые пары; V – сконденсированный
адсорбтив в хранилище; VI – водный конденсат
Регенерацию
проводят
нагреванием,
например,
выжиганием органических веществ, пропусканием острого или
перегретого пара, воздуха, инертного газа (азота). Иногда
адсорбент, потерявший активность (экранированный пылью,
смолой), полностью заменяют.
270
16.4.4 Каталитические методы очистки газов
Основаны на реакциях в присутствии твердых
катализаторов, т. е. на закономерностях гетерогенного катализа.
В результате каталитических реакций примеси, находящиеся в
газе, превращаются в другие соединения, т. е. в отличие от
рассмотренных методов примеси не извлекаются из газа, а
трансформируются в безвредные соединения, присутствие
которых допустимо в выхлопном газе, либо в соединения, легко
удаляемые из газового потока. Если образовавшиеся вещества
подлежат удалению, то требуются дополнительные операции
(например, извлечение жидкими или твердыми сорбентами).
Недостаток многих процессов каталитической очистки –
образование новых веществ, которые подлежат удалению из газа
другими методами (абсорбция, адсорбция), что усложняет
установку и снижает общий экономический эффект.
Т е р м и ч е с к и е м е т о д ы обезвреживания газовых
выбросов применимы при высокой концентрации горючих
органических загрязнителей или оксида углерода. Простейший
метод – факельное сжигание – возможен, когда концентрация
горючих загрязнителей
близка к нижнему пределу
воспламенения. В этом случае примеси служат топливом,
температура процесса 750–900°С и теплоту горения примесей
можно утилизировать.
Когда концентрация горючих примесей меньше нижнего
предела воспламенения, то необходимо подводить некоторое
количество теплоты извне. Чаще всего теплоту подводят
добавкой горючего газа и его сжиганием в очищаемом газе.
Горючие газы проходят систему утилизации теплоты и
выбрасываются в атмосферу. Такие энерготехнологические
схемы применяют при достаточно высоком содержании
горючих примесей, иначе возрастает расход добавляемого
горючего газа.
Для
полноценной
очистки
газовых
выбросов
целесообразны
комбинированные
методы,
в
которых
применяется оптимальное для каждого конкретного случая
сочетание грубой, средней и тонкой очистки газов и паров. На
первых стадиях, когда содержание токсичной примеси велико,
более подходят абсорбционные методы, а для доочистки –
адсорбционные или каталитические.
271
Наиболее надежным и самым экономичным способом
охраны биосферы от вредных газовых выбросов является
переход к безотходному производству.
16.5 Организация контроля загрязнения атмосферного
воздуха в районах размещения вредных
производств
Контроль за эффективностью работы газоочистных
сооружений и за содержанием вредных веществ в источниках
выбросов в процессе эксплуатации производств должен
осуществляться санитарными лабораториями предприятий по
графику, согласованному с органами Государственного
санитарного надзора. Для принятия правильного решения
согласования графика контроля санитарный врач должен
ознакомится
с
технологическими
регламентами
и
материальными
балансами
производства
по
стадиям
технологического процесса, уточнить состав применяемого
сырья, образующихся побочных и промежуточных продуктов,
выяснить условия образования газовоздушных выбросов и
перечень примесей вредных химических веществ, поступающих
с газовоздушными выбросами в атмосферный воздух.
Одновременно с контролем в источниках выбросов следует
проводить исследования загрязнения атмосферного воздуха.
Силами
ведомственной
лаборатории
и
лаборатории
Госкомгидромета отбор проб воздуха необходимо осуществлять
на стационарных постах, устанавливаемых на границе
санитарно-защитной зоны и в жилой зоне, подвергающейся
воздействию газовых выбросов. Частота отбора проб воздуха на
стационарных постах должна соответствовать требованиям
ГОСТ 17.2.3.01-86 «Охрана природы. Атмосфера. Правила
контроля качества воздуха населенных пунктов». Перечень
ингредиентов, подлежащих контролю, определяется в каждом
конкретном случае, исходя из особенностей технологических
процессов, набора цехов и производств и с учетом
используемого
сырья,
образующихся
побочных
и
промежуточных продуктов, готовой продукции, количества и
состава газовоздушных выбросов. Все данные по контролю за
содержанием вредных веществ в атмосферном воздухе и
стационарных постах передаются санитарным органам для
272
обработки и использования при изучении влияния выбросов на
состояние здоровья населения.
Лабораториям санитарно-эпидемиологической службы
должны осуществлять оперативный контроль при подфакельных
исследованиях, по результатам которых должны приниматься
оперативные меры по снижению выбросов. При подфакельных
исследованиях отбор проб воздуха должен проводиться на
разных расстояниях от источников выброса в зависимости от
конкретных условий, мощности предприятия, объемов валовых
выбросов, высоты выброса, рельефа местности и расстояния до
жилых зон. Исследования должны проводиться в течение всего
года с отбором проб на анализ в каждой точке не менее 25 раз за
сезон (летний, зимний, переходный).
Текущий санитарный контроль включает в себя контроль
за эксплуатацией действующих производств в соответствии с
санитарными нормами и правилами, за выполнением
мероприятий по сокращению выбросов и улучшению работы
газопылеулавливающих установок и за влиянием выбросов на
санитарное состояние окружающей среды.
Важным элементом текущего санитарного надзора
является проведение работ по изучению влияния газовоздушных
выбросов производств акрилатов на состояние здоровья
населения. Эти работы целесообразно выполнять с
привлечением научных организаций гигиенического и
лечебного профиля, кафедр мединститутов и лечебнопрофилактических учреждений. В объем работ по изучению
влияния выбросов на состояние здоровья населения должны
входить выборка заболеваемости населения бронхолегочной
патологией, сердечно-сосудистой системы, болезнями крови и
кроветворных органов, а также выявление осложнений
беременности, родов и послеродового периода.
По результатам текущего санитарного надзора при
необходимости оформляются соответствующие предписания в
адрес администрации предприятия или вышестоящего органа о
разработке и внедрении дополнительных мероприятий по
охране атмосферного воздуха или о приостановке эксплуатации
производств или отдельных цехов до устранения отмеченных в
предписаниях нарушений санитарного законодательства в
области охраны окружающей среды.
273
Контрольные вопросы к теме 16
1 Перечислите основные виды газовых выбросов.
2 Что такое ПДК токсичных веществ в воздухе атмосферы.
3 Что такое ПДВ для газовых выбросов?
4 В чем суть рассеивания газовых примесей через дымовые
трубы?
5 В каком виде существуют вредные примеси в газах.
6 Перечислите основные методы очистки газов.
7 Поясните сухие методы механической очистки газов. Какие
применяются аппараты?
8 Какие применяются аппараты для мокрой очистки газов?
9 Что такое фильтрация и какие бывают фильтры для очистки
газов?
10 В чем суть электростатической очистки газов?
11 В чем суть абсорбционных и адсорбционных методов
очистки?
12 Поясните принцип работы каталитических методов очистки
газов.
13 Приводите основные положения контроля загрязнения
атмосферы.
Список литературы
1. Мухленов И.П. Основы химической технологии/
И.П. Мухленов и др. - М.: Высшая школа, 1991.- 463 с.
2.
Мурзакаев
Ф.Г.
Химизация
нефтегазодобывающей
промышленности
и
охрана
окружающей
среды/
Ф.Г. Мурзакаев.– 1989.- 177с.
274