Цветковская Л.Н. Газификационные установки. Для студентов специальности Криогенная техника и технология

Подождите немного. Документ загружается.

Одесская государственная академия холода

Кафедра криогенной техники

Л.Н. Цветковская

Конспект лекций

по курсу

Газификационные установки

для студентов специальности 8.090507

"Криогенная техника и технология"

Под редакцией профессора В.А. Наера

Одесса - 2001

Рецензент – д.т.н., профессор Наер В.А.

Компьютерный набор и верстка – Л.Н. Цветковская

От автора

Приведен анализ основных схем газификационных установок, особенности

их устройств и работа. Даны примеры схемных решений промышленных

газификаторов с насосом. Подробно рассмотрены конструктивные особенности и

эксплуатационные характеристики стационарных и транспортных резервуаров для

хранения и транспортирования криогенных жидкостей. Представлены сведения о

методах хранения криогенной жидкости без потерь, возможности загрязнения

жидкости в резервуаре в процессе хранения атмосферным воздухом. Описана

технология получения и поддержания вакуума в изоляционном пространстве

резервуаров. Значительное внимание уделено вопросу расчета времени работы

емкости в нестационарном режиме.

Содержание

Введение______________________________________________________________5

1. Назначение и анализ схем газификационных установок_______________6

1.1 Компрессорные газификаторы_____________________________________6

1.2 Теплые газификаторы_____________________________________________8

1.3 Холодные газификаторы_________________________________________10

1.4 Газификаторы с насосом_________________________________________14

2. Криогенные резервуары____________________________________________17

2.1. Особенности конструкций резервуаров для хранения и

транспортирования кислорода, азота и аргона_________________________17

2.2. Транспортные криогенные цистерны_____________________________22

2.3. Стационарные криогенные резервуары для кислорода, азота

и аргона__________________________________________________________23

2.4. Цистерны для хранения и транспортирования жидких гелия,

водорода и неона__________________________________________________25

2.5. Резервуары для хранения жидкого фтора________________________28

3. Передавливание жидкости под действием разности давлений_________29

4. Устройство и работа газификационной установки с насосом

типа Г - 7,4 - 0,25 / 20_________________________________________________32

5. Загрязнение криогенной жидкости воздухом при хранении___________34

6. Способы хранения сжиженных промышленных газов в резервуарах

без потерь___________________________________________________________36

7. Технология получения и сохранения вакуума в изоляционном

пространстве резервуара______________________________________________39

8. Охлаждение емкости. Расчет времени охлаждения___________________43

9. Литература_________________________________________________________48

Введение

В настоящее время криогенные продукты находят широкое применение

в различных отраслях народного хозяйства: машиностроении, металлургии,

энергетике, ракетно-космической технике, медицине, химической

промышленности, сельском хозяйстве и других. Такими продуктами, нашедшими

наибольшее применение, являются кислород, азот, аргон, водород, неон и

гелий. В связи с техническими и экономическими преимуществами

использования криогенных температур в различных областях народного

хозяйства потребность в производстве промышленных газов сегодня постоянно

увеличивается. Так, например, к 2000 году мировое производство кислорода

достигло величины 1000 млрд м

/ год, азота  600 млрд м

/ год, аргона 

800 млн м

/ год. Мировое производство редких газов возросло в период с

1990г до 2000 г:

криптон  с 50 до 60 тыс. нм

/ год;

ксенон  с 4 до 8 тыс. нм

/ год;

неон  до 200 тыс. нм

/ год.

В ряде случаев экономически целесообразно производить доставку

криогенных продуктов в жидком состоянии. Это обусловлено следующими

факторами:

 жидкость, в среднем, в 800 раз плотнее газа при нормальных

условиях, что позволяет уменьшить объем и массу тары для хранения и

перевозки;

 возможно накопление и хранение больших масс криогенных

продуктов в жидком виде с газификацией в процессе выдачи потребителю.

Промышленные масштабы использования жидких криогенных продуктов

обусловили необходимость создания систем для хранения и выдачи продуктов

потребителям с требуемыми параметрами  газификационных установок.

1. Назначение и анализ схем газификационных установок

Газификационные установки ( газификаторы )  это установки,

предназначенные для перевода жидких криогенных продуктов после их

транспортирования в газообразное состояние и заполнения баллонов либо выдачи

непосредственно в технологическую линию.

Принципиально возможно сначала повысить давление жидкости в насосе,

а затем ее газифицировать. Можно поступить иначе: испарить жидкий продукт, а

затем газ сжать в компрессоре до необходимого давления. В первом случае для

перевода криогенного продукта из жидкого состояния в газообразное

используется процесс газификации (в термодинамике процесс газификации

означает переход из жидкого состояния в газообразное при сверхкритических

давлениях ), а во втором  испарение. В этом случае установки правильнее было

бы называть не газификаторами, а испарителями. Однако традиционно эти типы

установок также называют газификаторами (в нарушение термодинамического

определения процессов испарения и газификации).

Рис. 1. Изображение процессов испарения и газификации

жидкости в Т-S диаграмме

1- 2  процесс испарения, 3 - 4 – процесс газификации.

Рассмотрим основные типы газификационных установок.

1.1. Компрессорные газификаторы

В таком газификаторе (рис.2) реализуется процесс испарения продукта

при постоянном давлении до сжатия . Этот способ отличается большой

энергоемкостью и сложностью оборудования и применяется в лабораторных

условиях для получения высоких давлений при небольших расходах, в

основном, при работе с неоном, гелием и водородом . Для испарения жидкости

используется тепло электроподогрева или тепло окружающего воздуха (здесь

отсутствует процесс газификации ).

Рис. 2. Принципиальная схема компрессорного газификатора.

1- 2  процесс испарения и нагревания жидкости до температуры

окружающей среды; 2 - 3  процесс сжатия в компрессоре.

На рис.3 показаны процессы в компрессорном газификаторе.

Рис. 3. Т-S диаграмма компрессорного газификатора

1- 2  процесс испарения и нагревания жидкости до температуры

окружающей среды; 2 - 3  процесс сжатия в компрессоре.

1.2. Теплые газификаторы

Этот способ перевода криогенной жидкости в газообразное состояние

был предложен Гейландтом / 3 /. Схема теплого газификатора приведена на

рис.4. Такие установки используют для получения незначительных количеств

газа под высоким давлением.

Рис. 4. Схема теплого газификатора

1 - регулятор давления; 2 - реципиенты; 3 - водяная ванна;

4 - нагревательный змеевик; 5 - внутренняя оболочка; 6 - корпус

газификатора; 7 - наполнительная пробка; 8 - продувочный вентиль;

9 - обратный клапан.

В толстостенном корпусе газификатора расположена тонкостенная

латунная внутренняя оболочка, в которую заливается криогенная жидкость.

После зарядки газификатор закрывают наполнительной пробкой. Внутренняя

оболочка сверху открыта и сообщается с полостью корпуса, так что давление

газа в них одинаковое. Газификатор устанавливается в водяной ванне. Подогрев

воды осуществляется электронагревателем. Тепло, сообщаемое через

высокотеплопроводную внутреннюю оболочку, приводит к испарению криогенной

жидкости . Испарение жидкости сопровождается повышением давления.

Заправку реципиентов производят, присоединяя их к газификатору сразу после

зарядки его жидкостью. Количество заливаемой жидкости рассчитывают таким

образом, чтобы давление после повышения температуры во всей системе было

не меньше необходимого. Здесь тоже используется не процесс газификации, а

процесс испарения жидкости при постоянном объеме.

Когда давление в реципиентах уменьшается до минимально допустимого

значения ( порядка 1,0 МПа ) остаточный газ из газификатора выпускается в

атмосферу, заливается новая порция жидкости и цикл повторяется. Иногда для

уменьшения потерь остаточным газом производят предварительную заправку

следующей партии баллонов.

Недостатки теплого газификатора:

 большие потери продукта ( до 5 - 10 % );

 частые аварии.

В настоящее время применение теплых газификаторов оправдано лишь

для мелких лабораторных установок.

На рис.5 показаны процессы в теплом газификаторе.

Рис. 5. Т-S диаграмма теплого газификатора

1- 2 - процесс испарения и нагревания жидкости до температуры

окружающей среды.

Пример расчета теплого газификатора.

Необходимо заполнить три баллона емкостью по 40 л кислородом до давления

15 МПа при температуре окружающей среды 290 К. Емкость газификатора 40

л. Рассчитать количество жидкого кислорода, которое следует залить в

газификатор.

Плотность кислорода при давлении 15 МПа и температуре 290К равна /

11/:  = 210 кг / м

Суммарный объем баллонов и газификатора

40  3 + 40 = 160 л.

Масса кислорода в емкостях

 = 210  160  10

-3

= 33.6 кг .

Плотность жидкого кислорода при атмосферном давлении и температуре 290 К

равна:

 = 1140 кг/ м

Тогда количество жидкого кислорода, которое следует залить в газификатор

равно:

V = 33,6 / 1140 = 29,410

-3

= 29,4 л.

1.3. Холодные газификаторы

Это газификаторы без насоса, обеспечивающие большой расход газа

( до 2000 м

/ ч ) под давлением до 1,6 МПа. Теплые газификаторы не

рассчитаны на длительное хранение жидкости, а холодные газификаторы

позволяют хранить жидкий криогенный продукт в течении длительного

времени.

Холодные газификаторы предназначены для приема жидких криогенных

продуктов ( аргона, азота, кислорода ) из транспортных заправщиков в резервуар,

их длительного хранения с минимальными потерями и подачи на

продукционные испарители газификатора с последующей газификацией в них и

выдаче продукта потребителю.

Использование газификаторов в машиностроении, судостроении,

медицине, фармацевтической и электронной промышленности, химическом,

металлургическом и других производствах дает значительный экономический

эффект по сравнению с баллонным газоснабжением. Например, газификатор

типа ГХК - 25 / 1.6 заменяет 3000 баллонов.

Они позволяют осуществлять следующие основные технологические

операции:

 прием жидкого продукта из автоцистерн;

 хранение криогенных жидкостей ( аргона, азота, кислорода ) в

резервуарах;

 выдача жидкого продукта в автоцистерны;

 выдача жидкого продукта в атмосферные испарители на газификацию.

Газификаторы полностью автономны в работе, не требуют источников

энергии, используют для газификации тепло атмосферного воздуха.

Преимуществом газификаторов является автоматическое поддержание режима

выдачи продукта.

Газификаторы выпускаются производительностью от 200 до 2000 м

/ ч

газа при температуре не более, чем на 20 К ниже температуры окружающего

воздуха и при давлении газа от 0,2 до 1,6 МПа.

Основными узлами газификаторов являются резервуары для хранения

жидкости , испарители подъема и поддержания давления в паровом пространстве

резервуара , продукционные испарители, соединяющие трубопроводы и КИП.

Схемные и конструктивные решения холодных газификаторов

однотипны. На рис.6 представлена принципиальная схема холодного

газификатора / 13 /.

На рис.7 показаны процессы в холодном газификаторе.

Резервуары имеют цилиндрическую форму в вертикальном исполнении

и бывают объемом 3 и 8 м

с вакуумно - порошковой изоляцией и объемом

25 м

с экранно-вакуумной

изоляцией.