Цветковская Л.Н. Газификационные установки. Для студентов специальности Криогенная техника и технология
Подождите немного. Документ загружается.
Из цистерны 1 жидкость под избыточным давлением поступает на
всасывание в насос 12, сжимается до необходимого давления и подается в
испаритель 15, обдуваемый воздухом с помощью вентилятора 16. Испаритель
предназначен для газификации подаваемой из насоса криогенной жидкости.
После испарителя газ направляется в подогреватель 20, предназначенный для
подогрева продукта до необходимой температуры. Затем газ поступает к
вентилям рампы и далее через змеевик в баллоны.
Во время эксплуатации газификатора возможны следующие виды работ:
наполнение цистерны жидким продуктом;
хранение жидкого продукта;
газификация жидкого продукта и наполнение баллонов.
Наполнение цистерны жидким продуктом ( заправка ) производится от
сторонней емкости, подсоединяемой шлангом к гайке РОТ. При заполнении
цистерны в сторонней емкости создается избыточное давление, и жидкость через
открытый вентиль 4 поступает в цистерну . Образующиеся при охлаждении
шланга и цистерны пары жидкости сбрасываются в атмосферу через открытый
вентиль 2.
Охлаждение цилиндровой группы насоса производится при избыточном
давлении в цистерне до 0,12 - 0,15 МПа, открытом вентиле 6 (подача жидкости
в насос) и приоткрытом вентиле 7 (газ из рубашки насоса). Жидкость через
открытый вентиль 6 поступает к всасывающему клапану насоса через фильтр
22 и в рубашку охлаждения цилиндровой группы. Контроль достаточности
охлаждения цилиндровой группы проверяется по сбросу из вентиля 7.
Охлаждение считается законченным, если через вентиль поступает рабочая
жидкость.
Пары жидкости, образующиеся в результате нагрева при работе насоса,
через открытый вентиль 5 возвращаются в цистерну. Утечка из уплотнения
поршневой пары по трубопроводу возвращается в цистерну. Первоначальное
избыточное давление в цистерне создается путем открытия и закрытия вентиля
3 (подача жидкости в испаритель).
Во время работы газификатора необходимое давление в цистерне
частично поддерживается за счет испарения жидкости при охлаждении
32
цилиндровой группы и утечек. В случае превышения давления в цистерне выше
0,25 МПа его необходимо сбрасывать открытием вентиля газосброса 2. Давление
в цистерне контролируется манометром 17.
Для предохранения наполняемых емкостей от превышения давления
установлен предохранительный клапан 8. Для автоматического отключения
насоса предусмотрен показывающий сигнализирующий манометр 19,
отключающий электродвигатель насоса при превышении давления нагнетания.
Поддержание температуры газообразного продукта на выходе в заданных
пределах осуществляется включением и отключением догревателя по команде
автоматического моста. В догревателе смонтирован датчик термореле 18,
предохраняющий догреватель от перегрева.
Испаритель представляет собой ряд вертикальных зигзагообразных
змеевиков из трубы, выполненной из легированной стали диаметром 14 х 2.5, в
плотном контакте с которой находится фасонная алюминиевая труба с
оребренной поверхностью. Газификация сжиженного газа, циркулирующего по
змеевику, происходит за счет теплообмена с атмосферным воздухом,
продуваемым через блок панелей вентилятором.
Догреватель представляет собой залитые алюминием четыре
нагревательных элемента, установленные в одной плоскости, и два плоских
вертикальных змеевика, соединенные параллельно и проходящие с двух сторон
нагревательных элементов для большего и равномерного теплосъема. В
центральной части догревателя размещена гильза для датчика термореле.
5. Загрязнение криогенной жидкости воздухом при хранении
Особенности хранения криогенных продуктов в резервуарах связаны с
изменением их параметров из-за теплопритоков из окружающей среды. Наличие
теплопритоков приводит к испарению и потере продуктов, если паровое
пространство сообщается с атмосферой, а при хранении в закрытых сосудах к
увеличению температуры и давления.
Длительность хранения со сбросом паров в современных резервуарах
достаточно велика; относительные потери жидкости от испарения составляют
33
менее 1 % в сутки. Однако малая скорость испарения во многих случаях делает
неприемлемым хранение жидких криогенных продуктов в резервуарах с
открытым газосбросом из-за возможности натекания во внутренние полости
воздуха и загрязнения продукта.
В рабочем режиме хранения количество образующихся паров в единицу
времени столь мало, что давление в резервуарах практически соответствует
атмосферному. В связи с этим при понижении атмосферного давления
некоторое количество продукта выкипает, а при повышении давления через
дренажную коммуникацию происходит натекание воздуха в объем сосуда с
частичной конденсацией его компонентов на зеркале жидкости.
Практическая реализация того или иного явления зависит от
соотношения скоростей подъема атмосферного давления dРа / d и роста
давления в резервуаре при закрытом газосбросе dР / d.
Если dРа /d dР / d то имеет место натекание воздуха.
Математический анализ этого явления показал / 7 /, что с повышением
качества изоляции, т.е. при малой величине испаряемости, вероятность
натекания воздуха возрастает. Так, при суточной испаряемости жидкого
кислорода 0.1 % подсос воздуха произойдет уже при скорости подъема
давления более 50 Па / ч. Такая скорость подъема атмосферного давления может
иметь место как при изменении состояния атмосферы, так и при изменении
высоты местности в процессе транспортирования резервуара с продуктом.
Во избежание подсоса воздуха в ряде систем хранение криогенных
продуктов со сбросом паров производится под некоторым избыточным
давлением. Это достигается путем установки специальных дренажных клапанов
или газосбросных коммуникаций малой пропускной способности. Размеры и
гидравлические характеристики рассчитываются таким образом, чтобы
избыточное давление Р превышало амплитуду колебания атмосферного
давления Ра.
Хранение под небольшим избыточным давлением с непрерывным
газосбросом усложняет конструкцию и технологию эксплуатации хранилищ и
применяется в очень крупных резервуарах низкого давления, например, для
хранения продуктов разделения воздуха и природного газа.
34
Большое распространение получило также хранение с периодическим
газосбросом в некотором интервале избыточных давлений. Верхний предел
давления, соответствующий началу газосброса , ограничен рабочим давление
резервуара, а нижний предел, соответствующий концу газосброса удобствами
контроля давления и составляет несколько сотых долей МПа. Такая технология
хранения удобна в эксплуатации, не требует дополнительного усложнения
конструкции резервуаров. Хранение с закрытым газосбросом позволяет
экономить продукт, если его потребление происходит в виде газа или
жидкости.
Кроме преимуществ, связанных с обеспечением чистоты продуктов,
хранение с закрытым газосбросом имеет и недостатки:
уменьшается полезный объем сосудов, т.к. паровое пространство
над зеркалом жидкости должно быть достаточным для компенсации теплового
расширения жидкости;
прогрев жидкости в сосуде вызывает ее подпаривание в
коммуникациях в процессе выдачи, что приводит к уменьшению расхода
продукта и срыву работы насосов.
6. Способы хранения сжиженных промышленных газов в
резервуарах без потерь
Хранение сжиженных газов без потерь особенно целесообразно при их
длительном хранении. Испарение приводит не только к потерям продукта, но и
к накоплению различных менее летучих примесей (например, масла и
ацетилена в жидком кислороде ), что может привести к аварийным ситуациям.
Существует несколько способов хранения без потерь. Все они связаны
с применением дополнительного оборудования для резервуаров или затратой
энергии, необходимой для создания условий длительного хранения.
Первый способ обратная конденсация испарившихся паров сжиженного
газа ( рис.19) / 5 /.
35
Рис. 19. Принципиальная схема обратной конденсации испаряющихся паров
сжиженного газа
1 - резервуар; 2 - холодильник; 3 - компрессор; 4 - теплообменник;
5 - дроссельный вентиль
Постоянная температура сжиженного газа поддерживается с помощью
циркуляции некоторой части жидкости в замкнутом холодильном цикле. В
качестве рабочего вещества можно использовать и другой газ с более низкой
температурой кипения. При таком способе хранения исключается загрязнение
жидкого продукта. Примером использования метода обратной конденсации
паров с последующим их сжижением является транспортный резервуар для
жидкого водорода. Все охлаждаемые поверхности ожижителя размещены в
изоляционном пространстве. Когда давление в резервуаре станет 0.2 МПа,
начинает работать ожижитель. Газообразный водород из резервуара проходит по
линиям низкого давления в теплообменник, охлаждая поступающий водород
высокого давления, затем компримируется до 10 МПа и возвращается уже по
линиям высокого давления, проходит через дроссельный вентиль и в жидком
состоянии попадает в резервуар.
Второй способ обратная конденсация с помощью газа , имеющего
более низкую температуру кипения ( рис.20) / 5 /.
36
Рис. 20. Принципиальная схема обратной конденсации паров с
помощью вспомогательного газа:
1 - резервуар; 2 - газовая холодильная машина; 3 - змеевик-конденсатор.
Конденсацию образующегося при хранении пара производят
непосредственно в резервуаре, в котором хранится жидкость. Для этого
змеевик ( конденсатор ), по которому циркулирует сжиженный вспомогательный
газ, помещают в паровое пространство над зеркалом жидкости. Так, для
обратной конденсации кислорода используют жидкий воздух. В резервуаре с
жидким водородом отвод тепла осуществляется циркулирующим в змеевике
гелием.
Третий способ при этом способе поддерживают температуру, равную
(или ниже) температуре кипения ( криостатирование ). Криостатирование можно
осуществлять, помещая змеевик, по которому циркулирует холодильный агент,
в жидкость, или охлаждая стенки резервуара ниже температуры кипения
хранимой жидкости. Например, резервуары с жидким фтором охлаждают
жидким азотом. Если переохлаждать жидкий кислород на 10 К ниже
температуры кипения при определенном давлении, то можно уменьшить потери
от испарения на 8 %.
Четвертый способ изменение давления над жидкостью. Причем
температура основной массы жидкости должна оставаться первоначальной, более
низкой по сравнению с той, которую жидкость имела бы при повышенном
давлении в равновесных условиях. Чем выше давление, тем больше разность
температур и больший подвод тепла потребуется для испарения жидкости.
37
Такой метод ограничивается допустимым давлением во внутреннем сосуде
резервуара.
Пятый способ потери при испарении могут быть уменьшены при
охлаждении жидкости до температуры, соответствующей температуре тройной
точки, а также при полном или частичном отверждении сжиженных газов.
Например, время хранения твердого водорода в 1,2 раза больше, чем жидкого в
состоянии близком к насыщению. Удобнее хранить переохлажденный водород
в шугообразном состоянии, где содержание твердой фазы 50 % по массе. В
таком виде водород сохраняет текучесть и его можно передавливать по
трубопроводам.
Шестой способ использование системы утилизации испаряющихся
газов. Например, направлять их в газгольдеры для последующего
компримирования в баллоны или передавливания по трубопроводам
потребителям.
7. Технология получения и сохранения вакуума в
изоляционном пространстве резервуара
При эксплуатации средств хранения и транспортирования сжиженных
промышленных газов большое значение уделяется вопросу применения
вакуумных видов изоляции. Существуют статические вакуумные системы, в
которых изоляционное пространство по достижении в нем необходимого
вакуума отключается от вакуум - насоса, и динамические системы, которые
постоянно соединены с вакуум-насосом для поддержания определенного вакуума
в системе. Возможно сочетание двух систем. Так, вакуумно- порошковая и
многослойная изоляции сочетают особенности статической и динамической
систем.
Основные трудности при реализации изоляции с использованием
вакуума заключается в получении вакуума и сохранении его в течение
продолжительного времени. Для получения требуемого вакуума при низкой
температуре в порошковой изоляции достаточно откачать воздух в теплом
состоянии из изоляционного пространства до давления 10 - 30 Па , а в экранно-
38
вакуумной изоляции до 10
-1
Па. Получить такой вакуум несложно. Однако
вакуумирование изоляции вызывает затруднение и требует затрат времени из-за
сильного газовыделения изоляционных материалов и значительного
сопротивления, создаваемого ими потоку откачиваемого газа.
При вакуумировании из изоляционных материалов выделяются пары
воды и органических веществ. При влажности изоляционного порошка 1 %
количество выделяющегося при откачке водяного пара приблизительно равно
количеству воздуха, содержащегося в изоляционном пространстве. При этом
вода удаляется значительно медленнее, чем воздух ( удерживается в порах
материала адсорбционными силами ). Поэтому при содержании влаги более 0,5
% изоляцию следует просушить в потоке горячего воздуха перед загрузкой ее
в изоляционное пространство.
Для более быстрого и полного удаления паров из изоляции резервуар
желательно прогревать при вакуумировании до 370 К. В крупных резервуарах
прогревают только внутренний сосуд горячим воздухом.
В сосудах с вакуумно-порошковой изоляцией для предотвращения уноса
порошка и ускорения скорости откачки в изоляционной полости устанавливают
трубу с перфорированной поверхностью, покрытой фильтрующим материалом.
Первичное вакуумирование резервуаров с вакуумно-порошковой и
экранно-вакуумной изоляцией емкостью до нескольких десятков м
3
продолжается 50 - 100, а иногда и 200 часов. Дальнейшее понижение давления
происходит после охлаждения сосуда. Вакуумную полость небольших сосудов в
конце откачки перекрывают путем пережатия вакуумированной трубки (труба
выполнена из меди или алюминиевого сплава). В крупных резервуарах
вакуумную полость перекрывают вакуумным вентилем, второй конец которого
заглушают.
Выделяющиеся из изоляционных материалов газы содержат большое
количество водорода. Этот газ поглощается адсорбентами в сотни и тысячи раз
хуже, чем кислород и азот. Поэтому во многих случаях ухудшение вакуума
происходит в результате накопления водорода. Это приводит к возрастанию
потерь от испарения в сосудах после недолгой эксплуатации, несмотря на
герметичность стенок сосуда. Для поглощения водорода иногда в изоляционной
39
полости помещают поглотители (палладий, окислы серебра и меди). Их
применяют в виде мелкодисперсного порошка или наносят на адсорбент. Такие
материалы называются геттерами.
Улучшение вакуума, полученного при откачке насосом, достигается
адсорбцией остаточных газов. Адсорбенты помещают в специальные карманы
(камеры ) или корзины непосредственно на стенке резервуара с целью
повышения адсорбционной способности адсорбента. Соприкасаясь в кармане со
стенкой, адсорбент охлаждается. Другая сторона кармана представляет собой
сетку, через которую адсорбент связан с теплоизоляционной вакуумной
полостью. Карманы размещают в нижней части резервуара, где наблюдается
самая низкая температура.
В процессе эксплуатации происходит насыщение адсорбента, его
поглотительная способность снижается и требуется регенерация адсорбента.
Замена или регенерация адсорбента связана с нарушением вакуума. Обычно эту
операцию проводят одновременно с осмотром внутреннего сосуда при
техническом освидетельствовании или при ремонте резервуара. Отработанный
адсорбент регенерируют нагреванием и выдержкой ( при вакуумировании ) при
высокой температуре в течение нескольких часов. Продолжительность выдержки
и температура регенерации зависят от вида адсорбента. Так, цеолит СаА
вакуумируют в течение нескольких часов при температуре 670 - 720 К. Перед
загрузкой его прокаливают 4 - 6 часов без вакуумирования.
В случае необходимости для регенерации адсорбента без нарушения
вакуума используется специальная установка, обеспечивающая быстрый нагрев
адсорбента и отвод от него тепла.
Для снижения давления в системе до 10 Па используют механический
вакуумный насос ( винтовой , центробежный , роторный ). Для создания вакуума
ниже 1 Па кроме механического насоса необходим диффузионный насос
( ионный, сорбционный, криовакуумный ).
На рис.21 представлена схема одноступенчатого диффузионного
насоса/ 2 /.
40
Рис. 21. Схема одноступенчатого диффузионного насоса
1 - сопло; 2 - охлаждающий змеевик; 3- паропровод; 4- масло насоса; 5 -
нагреватель.
Рабочая жидкость испаряется в нагревателе, расположенном в нижней
части насоса, движется вверх по паропроводу, и пар эжектируется с большой
скоростью в направлении вниз из паровых сопл. Молекулы пара
взаимодействуют с молекулами откачиваемого газа и увлекают их вниз к
выхлопному патрубку насоса. Молекулы пара конденсируются на стенках
насоса, охлаждаемых воздухом или водой, и возвращаются к нагревателю.
Молекулы газа отводятся через выхлопную линию механическим насосом.
Предельное давление, которое можно достичь с помощью
диффузионного насоса 2 мкПа. Во всех диффузионных насосах имеется
некоторый обратный поток, т.е. диффузия молекул рабочей жидкости насоса
обратно в вакуумную систему. Для конденсации этих паров устанавливаются
холодные ловушки или экраны на входе насосов до того, как пары достигнут
вакуумного объема.
Резервуары с вакуумно-порошковой и многослойной изоляцией
вакуумируют в течение 50 -100 часов до остаточного давления 27 - 133 Па - для
вакуумно-порошковой изоляции и до 0,133 - 0,013 Па - для многослойной
изоляции. В дальнейшем при заполнении резервуаров сжиженным газом
вакуум повышается до 1,33 - 0,133 и 0,0013 Па соответственно для каждого
типа изоляции.
41