Розглянуто ряд проблем забезпечення безпечного функціонування мобільних газодобувних станцій. показана роль аерозолів горіння, особливо з аеродинамічними діаметрами від 0,1 до 2,5 мкм, як однієї з причин неконтрольованого забруднення апаратури небезпечними компонентами і вимагає додаткових заходів по тонкій фільтрації в процесі підготовки повітря. Наголошено на необхідності контролю за наявністю шарів твердої фази в ході робочої компанії.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Назаренко І.М., Хорват А.В., Викулин А.С.


CONTROL OF COMPOSITION AND CLEANING OF AIR FOR SEPARATION IN MOBILE GAS-DRIVING STATIONS

A number of problems of ensuring the safe operation of mobile gas stations are considered. The role of combustion aerosols, especially with aerodynamic diameters from 0.1 to 2.5? m, is shown as one of the causes of uncontrolled contamination of equipment with hazardous components and requiring additional measures for fine filtration during air preparation. The need to control the presence of solid phase layers during a working company is noted.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2018
    Журнал
    Повітряно-космічні сили. Теорія та практика
    Наукова стаття на тему 'КОНТРОЛЬ СКЛАДУ І ОЧИЩЕННЯ ПОВІТРЯ ДЛЯ РОЗПОДІЛУ В МОБІЛЬНИХ газодобувних СТАНЦІЯХ'

    Текст наукової роботи на тему «КОНТРОЛЬ СКЛАДУ І ОЧИЩЕННЯ ПОВІТРЯ ДЛЯ РОЗПОДІЛУ В МОБІЛЬНИХ газодобувних СТАНЦІЯХ»

    ?УДК 621.593

    ДРНТІ 61.31.49

    КОНТРОЛЬ СКЛАДУ І ОЧИЩЕННЯ ПОВІТРЯ ДЛЯ РОЗПОДІЛУ В МОБІЛЬНИХ газодобувних СТАНЦІЯХ

    І.М. НАЗАРЕНКО, кандидат хімічних наук, доцент

    ВУНЦВВС «ВВА імені професора Н.Є. Жуковського і Ю.А. Гагаріна »(м Воронеж)

    А.В. ХОРВАТ

    ВУНЦ ВВС «ВВА імені професора Н.Є. Жуковського і Ю.А. Гагаріна »(м Воронеж)

    А.С. Вікулін

    ВУНЦ ВВС «ВВА імені професора Н.Є. Жуковського і Ю.А. Гагаріна »(м Воронеж)

    Розглянуто ряд проблем забезпечення безпечного функціонування мобільних газодобувних станцій. Показана роль аерозолів горіння, особливо з аеродинамічними діаметрами від 0,1 до 2,5 мкм, як однієї з причин неконтрольованого забруднення апаратури небезпечними компонентами і вимагає додаткових заходів по тонкій фільтрації в процесі підготовки повітря. Наголошено на необхідності контролю за наявністю шарів твердої фази в ході робочої компанії.

    Ключові слова: повітря, повітророзподільну установка, безпеку, вуглеводні, аерозолі горіння, блок комплексного очищення.

    CONTROL OF COMPOSITION AND CLEANING OF AIR FOR SEPARATION

    IN MOBILE GAS-DRIVING STATIONS

    I.N. NAZARENKO, Candidate of Chemical Sciences, Assistant Professor

    MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy »(Voronezh)

    A.V. HORVAT

    MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy »(Voronezh)

    A.S. VIKULIN

    MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy »(Voronezh)

    A number of problems of ensuring the safe operation of mobile gas stations are considered. The role of combustion aerosols, especially with aerodynamic diameters from 0.1 to 2.5 ЦТ, is shown as one of the causes of uncontrolled contamination of equipment with hazardous components and requiring additional measures for fine filtration during air preparation. The need to control the presence of solid phase layers during a working company is noted.

    Keywords: air, air separation plant, safety, hydrocarbons, combustion aerosols, complex cleaning

    unit.

    Вступ. Для автономного забезпечення бойових авіаційних комплексів газоподібними і рідкими компонентами повітря (кисень, азот) застосовуються кіслородазотдобивающіе станції. Це повітророзподільну установки (ВРУ) високого тиску і малої потужності [1].

    Отримання технічних газів (кисню, азоту та ін.) Шляхом поділу атмосферного повітря методом низькотемпературної ректифікації неминуче призводить до накопичення всередині апаратури різних домішок і забруднень, що містяться в повітрі. Накопичуються речовини при характерних температурах перегонки кубової рідини 90-100 К можуть як знаходиться в розчині, так і утворювати окрему фазу (тверду або рідку). Досвід показує, що головним фактором, що заважає нормальному функціонуванню апаратури, являє-

    и

    ся накопичення твердої фази. При перевищенні межі розчинності мелкокристаллические і аморфізованих (стеклообразниє) тверді частинки можуть з'являтися в кубової рідини і осідати на внутрішніх поверхнях ректифікаційних колон, теплообмінних апаратів, допоміжних пристроїв і арматури.

    Наслідки цього негативного явища досить різноманітні: від зниження загальної продуктивності повітророзподільних установок і до повної зупинки технологічного процесу, якщо відбувається порушення нормального тепло- і масообміну. Крім того, можливе механічне руйнування трубчастих елементів конструкцій за рахунок явищ намораживания. Самим рідкісним, але і самим небезпечним за можливими наслідками, є вибух горючої твердої фази, що контактує з рідким або газоподібним киснем [2]. Такі вибухи найбільш вірогідні на тепловіддаючим поверхнях конденсаторів-випарників [3, 4]. Мінімальне значення товщини шару вуглеводнів, за якого можливе поширення горіння на внутрішніх поверхнях ВРУ, становить за різними оцінками 30-50 мкм [2, 5].

    Актуальність. Наслідком утворення та накопичення сторонніх фаз є те, що тривалість робочої компанії визначається не загальним ресурсом технологічного обладнання (напрацювання на відмову або планова заміна окремих вузлів), а виявленням ряду небезпечних домішок в рідких продуктах, що мають концентрацію вище допустимої. Але навіть якщо жодна з гранично допустимих концентрацій (ГДК) не перевищено, будь-яка ВРУ в профілактичних цілях через певний проміжок часу підлягає зупинці і відігрівання. Для великих промислових установок низького тиску максимальна тривалість робочої компанії становить зазвичай 1-2 роки. Для мобільних кіслородазотдобиваю-чих станцій високого тиску цей проміжок істотно менше - всього 20 діб [1]. Основною причиною такого регламенту є відсутність інформації про наявність сторонніх часток в кубової рідини або шарів твердої фази, а також їх хімічного складу. Для контролю наявності опадів на певних ділянках внутрішніх поверхонь було запропоновано використовувати електроемкостние датчики [6, 7].

    Домішки, що негативно впливають на функціонування ВРУ. Всі компоненти повітря, що надходить ВРУ, можна розділити за ступенем дисперсності на молекули, аерозольні частинки і частинки пилу (таблиця 1).

    У таблиці 2 наведені температури плавлення і розчинність в рідкому кисні [3-5, 8] найбільш поширених домішок, що містяться як в природному повітрі, так і повітрі промислових зон [9].

    Найпростіший вуглеводень метан СН4 істотно вирізняється з-поміж інших компонентів повітря. Метан - сама великомасштабна органічна домішка земного повітря, на його частку припадає більше половини органічного вуглецю атмосфери. При цьому середня концентрація метану в повітрі на Землі неухильно збільшується: за період 1984-2014 рр. з 1,65 до 1,83 млн-1 [9, 10]. У міському повітрі, особливо в промислових зонах органічна складова може бути на кілька порядків вище і метан також часто є домінуючим органічним компонентом [3, 4].

    У той же час, з усіх горючих газів, присутніх в повітрі, метан - найбезпечніший для криогенного поділу (якщо не отримують криптонові концентрат), так як має аномально великий розчинність як в рідкому повітрі, так і в рідкому кисні (таблиця 2) і не виділяється у вигляді окремої фази з розчину. За рахунок відносно високого тиску парів, велика частина СН4 при перегонці йде з колони разом з азотом. Аналогічним чином поводиться другий представник гомологічного ряду граничних вуглеводнів - етан С2Н6.

    и

    Таблиця 1 - Домішки, що негативно впливають на функціонування ВРУ

    Ступінь дисперсності Тип домішки або забруднення Компоненти

    Молекули, характерний діаметр частинок ~ 10-4-10-3 мкм 1. Молекули, здатні до окислення киснем в газоподібному і / або рідкому вигляді а) всі граничні, неграничні, ароматичні вуглеводні CxHy, крім CH4; б) їх кисень-, азот, сірковмісні похідні вуглеводнів; в) сірковуглець CS2 і ін.

    2. Молекули більш активних окислювачів, ніж молекулярний кисень O2 а) озон O3; б) органічні перекисні сполуки; в) оксиди азоту NO, NO2 і ін.

    3. Молекули речовин, що викликають хімічну корозію внутрішніх поверхонь апаратури або руйнують цеоліти блоку комплексної очистки а) кислотні оксиди сильних кислот (SO2 і ін.); б) леткі кислоти (HCl і ін.); в) аміак NH3

    4. Молекули негорючих речовин, що осідають на металевих поверхнях при низьких температурах, що погіршують теплообмін і масоперенос газів - так звані засмічують або блокуючі речовини (в англомовній літературі plugging contaminants, «закупорюють» забруднення) а) вода H2O; б) вуглекислий газ CO2; в) закис азоту N2O З киснем не взаємодіють, мають високі температури плавлення і дуже малу летючість при 90-100К. Дуже погано розчиняються в рідкому кисні і рідкому повітрі.

    Аерозолі, характерний діаметр частинок ~ 10-2-102 мкм 5. Аерозольні частинки, здатні до окислення киснем Як правило, продукти неповного згоряння рослинності, рідкого і твердого вуглеводневого палива: а) дрібнодисперсний елементарний вуглець ЕУ (чорна сажа або black carbon BC); б) так званий органічний вуглець ОУ (organic carbon OC)

    Таблиця 2 - Температури плавлення і розчинність деяких домішок в рідкому кисні

    Домішка Температура плавлення, К (при 1,013-105Па) Розчинність в рідкому кисні при 90К, молярний частки

    граничні вуглеводні

    Метан СН4 91,0 0,98

    Етан C2H6 101,1 0,13

    Пропан С3Н8 83,1 9,8-10-3

    н-Бутан С4Н10 134,8 8,6-10-4

    ненасичені вуглеводні

    Етен (етилен) С2Н4 103,8 2,0-10-2

    Пропен (пропілен) CзH6 85,5 3,610-3

    н-Бутен (н-бутилен) С4Н8 134,8 1,110-3

    Ізобутіл (ізобутилен) С4Н8 132,2 1,3-10-4

    Ацетилен С2Н2 192,5 5,4-10-6

    інші речовини

    Оксид вуглецю (IV) С02 216,5 4,5-10-6

    Сірковуглець CS2 162,1 2,5-10-6

    Аерозолі горіння (димові аерозолі). Аерозольні частинки, здатні до горіння у середовищі рідкого кисню, до 1997 р не розглядалися як небезпечні для нормального функціонування ВРУ. 25 грудня 1997 в результаті вибуху в основному конденсаторі-випарнику і загоряння обладнання була повністю виведена з ладу одна з найбільших в світі установок по одержанню кисню в р Бінтулу (Малайзія). Поранено дванадцять чоловік. Енергія вибуху оцінюється як 4,2 ГДж (1 тонна в тротиловому еквіваленті). Обговоренню цього інциденту був присвячений ряд публікацій [11-12]. В даний час загальновизнаною вважається точка зору, що найбільш імовірною причиною аварії є накопичення всередині повітрерозподільчої установки аерозолів, які утворилися в процесі горіння тропічних лісів на території близько 45600 км2 протягом декількох місяців (з липня по листопад 1997 г.). Незважаючи на те, що зони масових пожеж були розташовані в екваторіальних частинах островів Суматра і Калімантан (Індонезія), сильне димове забруднення спостерігалося на значно більшій території -2500x2000 км, що включає велику частину Індонезії, Малайзії, Сінгапур і південь Таїланду (рисунок 1) [ 11].

    September 07,1997

    ; Бінтулу ^

    September 25,1997

    Бінтулу

    (3

    Aerosol Index

    Малюнок 1 - Збільшення емісії аерозолів горіння протягом вересня 1997 р.

    Ситуація 7 вересня відповідає щодо невисокої інтенсивності пожеж в джунглях. День 25 вересня виявився екстремальним за кількістю вогнищ загоряння і інтенсивності горіння біомаси.

    Масові природні пожежі на великих площах - звичайне сезонне явище і не тільки для Південно-Східної Азії. За охопленням території і рекордним викидів аерозолів в атмосферу щорічні пожежі в бореальних лісах Сибіру, ​​Далекого Сходу, Канади і Аляски зазвичай перевершують індонезійські, так як щорічно охоплюють площі до 10-15 млн. Га. При цьому в процесі горіння бере участь до 5-10 тонн біомаси. При горінні виділяються як газоподібні речовини, так і аерозольні частинки. Залежно від умов горіння частка аерозолю становить 1-7%, а решта - молекули легких газів. В ході горіння 1 га тайги в атмосферу надходить від 0,2 до 1 т аерозольних часток різної природи. Дослідження [13], проведені у вигляді 19 натурно-модельних пожеж на тайговій території, показують, що 90-95% маси димового речовини укладені в частинках з аеродинамічним діаметром [14] менше 5 мкм, а в фазі активного горіння - менше 2 мкм ( малюнок 2).

    и g

    і

    Малюнок 2 - Гістограма масового розподілу димової емісії по п'яти дисперсним фракціям. Усереднення за даними 19 пожежних дослідів протягом 4 років

    Джерелами аерозолів горіння є не тільки природні пожежі. Не менший внесок в димову емісію вносять різні види транспорту і промислові підприємства, що використовують вуглеводневе паливо, отримане шляхом переробки нафти, природного газу і кам'яного вугілля [15, 16]. Аерозолі горіння виходять при спалюванні рослинності в сільському господарстві і при використанні деревини в якості палива [17, 18]. Злітно-посадкові смуги аеродромів так само є локальними джерелами аерозольних забруднень.

    Незважаючи на те, що хімічний склад і морфологія димових аерозолів дуже варіабельні і залежать від виду палива і умов його окислення в повітряному середовищі, можна зробити ряд узагальнень.

    При неконтрольованому (пожежі) і контрольованому (випалювання рослинності на сель-хозугодіях, спалювання рослинного палива в печах і т.п.) горінні біомаси розрізняють 4 фази: зародження, активне горіння, тління і згасання. Переважна кількість аерозолів горіння виходить при перебігу другої і третьої стадій.

    Фаза активного горіння. Під час цієї стадії вміст кисню в області горіння >15%, присутній видимий вогонь. При цьому 90-95% вуглецю, повністю окислятся до CO2. У продуктах згоряння переважають легкі гази (CO2, N0, NO2 і H2O). Аерозольні частинки містять елементний вуглець, тому дим має темно-сірий або чорний колір. У разі лісових і степових пожеж ця стадія зазвичай має тривалість від 1-2 годин до декількох днів.

    В активній фазі горіння твердих і рідких палив, що містять органічні компоненти, практично завжди виходять продукти, представлені в таблиці 3.

    и

    Таблиця 3 - Продукти горіння твердих і рідких об'єктів, що містять органічні компоненти

    молекули

    неорганічні

    змішані

    аерозолі

    углеродсодержащие

    а) Н20, С02, СО, N2, М2О, N0, Ш2, SO2 та інші неорганічні речовини

    б) СН4, С2Н6, С2Н2 і ін. органічні речовини (в основному вуглеводні)

    Суміші неорганічних сполук, переважають солі і оксиди

    Складні суміші неорганічних, органічних сполук і сажі

    Елементарний вуглець (ЕУ) або сажа; BC - black carbon або EC - elemental carbon Результат обугливания органічною складовою вихідного матеріалу. Частинки елементарного вуглецю, що мають специфічну будову і властивості.

    органічний вуглець

    (ОУ);

    OC - ​​organic carbon

    Складні суміші органічних речовин. Продукти сублімації, крекінгу і часткового окислення органічної компоненти вихідного матеріалу (без обвуглювання) _

    Тління. Коли більша частина біомаси вже вигоріла, надходження кисню до внутрішніх шарів пального істотно погіршується. Більше немає видимого полум'я. Від згоряння менш ефективно, тільки 60-90% вуглецю перетворюється в CO2. Дим стає світлішим (аж до білого), містить воду, чадний газ, метан та інші вуглеводні, сірководень, тіооксід сірки, меркаптани та інші сполуки. Тліюча стадія зазвичай триває від 1-3 днів до декількох тижнів при горінні торфовищ і лісів.

    У фазі тління елементарний вуглець (ЕУ) відсутня в аерозольній складової продуктів окислення, а в великих кількостях і тривалий час виділяються частинки органічного вуглецю (ОУ).

    У разі активного горіння рослинної біомаси, в углеродсодержащими аерозолі так само превалюють частки органічного вуглецю. Навіть в разі спалювання сухої деревини різних порід дерев в печі на різних фазах горіння відношення N (0y) / N (3y) ~ 2-11, де N (Oy) - число часток органічного вуглецю, ^ ЕУ) - число частинок елементарного вуглецю [ 17]. У разі горіння на відкритому повітрі частка органічного аерозолю може бути ще більше.

    У фазі активного горіння утворюються дрібні (10-80 нм) первинні частинки ЕУ майже округлої форми (глобули або сферул), сажові агломерати (кластери) можуть включати до 400 таких первинних частинок, діаметр яких лежить в діапазоні 10-80 нм. Кластери можуть мати як сферичну форму, так і форму, подібну протяжної ланцюга. Вони називаються вторинними частками і включають в себе від десятків до сотень сферул [16]. Згодом можливо злипання агрегатів в більші утворення. Агрегати ЕУ практично завжди містять неорганічні і органічні компоненти, які можуть становити до половини загальної маси частинки.

    Органічний вуглець схильний до утворення одиночних частинок округлої форми, іноді досягають розмірів агрегатів на основі чорної сажі (рисунок 3). У зарубіжній літературі великі сферичні частинки ОУ отримали назву «tar balls» (смоляні кулі або дігтярні кулі).

    Tar balls ЮОпт д

    ц - Y

    до ^^ З «I -t

    100пш

    Малюнок 3 - Сажеві агломерати (кластери) і великі сферичні частинки ОУ (tar balls) [17]

    Для питань безпечного використання ВРУ найбільш логічним видається спосіб класифікації частинок за розмірами, викладений в [19]. Він заснований на відмінностях в стійкості частинок - здатності накопичуватися в атмосфері і, як наслідок, переноситися повітряними потоками на деяку відстань від джерела.

    гігантські (>10 мкм) і великі (2.5-10 мкм) частинки за рахунок великої маси найбільш схильні до седиментації, тому їх середній час перебування в приземних шарах повітря обчислюється хвилинами або годинами. Крім того, вони швидко видаляються краплями дощу. Тому звичайні відстані для їх перенесення рідко перевищують кілька десятків кілометрів.

    Надмалі аерозольні частинки (<0.1 мкм) навпаки вкрай не схильні до седиментації, але теж дуже нестійкі, тому що досить швидко злипаються один з одним і більш великими частками. Цьому сприяють 2 фактора: сильно виражений броунівський рух і дуже велика поверхнева енергія. В результаті вони мають характерні часи перебування в атмосфері від декількох хвилин (великі концентрації у вогнищі горіння) до декількох годин. За цей час вони можуть піти від джерела забруднення повітря не більше ніж на кілька кілометрів.

    Найбільш стійкі в атмосфері частинки розміром 0.1-2.5 мкм. Цю фракцію можна назвати кумулятивної, тому що седиментация для них слабо виражена, а агрегація між собою і більш великими частками майже відсутня. Багато з них є похідними процесу коагуляції надмалих об'єктів (<0.1мкм), їх кількість починає досить швидко спадати після досягнення аеродинамічного діаметра ~ 1 мкм. Тому в гранулометричному складі багатьох аерозолів має місце явний мінімум при 1-3 мкм. Кумулятивна фракція здатна до існування протягом кількох тижнів і здатна переміщатися на сотні і навіть тисячі кілометрів.

    На думку фахівців з північноамериканської і європейської асоціацій технічних газів (CGA, EIGA), промислове воздухоразделеніе криогенним способом під час масових пожеж стає потенційно небезпечним, якщо рівень аерозольного забруднення протягом 24 годин має значення, що перевищує 150 мкг / м. При цьому враховується тільки фракція PMi0 (аеродинамічний діаметр частинок 10 мкм і менше), так як вважається, що частки більше 10 мкм практично повністю затримуються стандартними системами фільтрації в процесі підготовки повітря. У разі, якщо проводяться виміри TSP (Total Suspended Particulate - все аерозольні частинки, що знаходяться в даному обсязі повітря), то передбачається, що PM10 = 0,8-TSP.

    В [19] пропонується проводити приблизну оцінку небезпеки ситуації з вимірювання видимості в повітрі даного регіону. На малюнку 4 наведено результати 844 спостережень в 5 пунктах, розташованих в Малайзії, Індонезії та Сінгапурі.

    Малюнок 4 - Оцінка змісту аерозолів горіння в повітрі по вимірюванню прямої видимості

    и

    Між рівнем прямої видимості і об'ємною концентрацією аерозолів горіння є взаємозв'язок, що дозволяє напівкількісної оцінити ступінь небезпеки для нормальної роботи блоків поділу ВРУ. Для метеоумов, що склалися влітку - восени 1997 року в регіоні, де сталася аварія в Бінтулу, «поріг» видимості може бути оцінений як 2,5 км. Проблема полягає в тому, що видимість залежить не тільки від рівня задимленості, а й від низки інших чинників. Одним з найбільш істотних - вологість повітря. При збільшенні відносної вологості повітря від 65 до 95% прозорість повітря зменшується приблизно в 5 разів. Звичайно, такий метод досить грубий і вимагає додаткового вивчення кореляцій подібного роду в регіонах з іншим кліматом і іншими джерелами димових аерозолів.

    Цікавим моментом є те, що накопичення пального аерозолю всередині установки відбулося за кілька місяців до аварії, що показано на малюнку 5.

    Малюнок 5 - Рівень задимленості повітря в районі повітрерозподільчої установки Бінтулу [19]

    Активне накопичення горючих частинок відбувалося в серпні - вересні. Пікове значення припадає на 25 вересня (див. Малюнок 1). До вибуху пожежонебезпечна фаза перебувала в середовищі рідкого кисню близько трьох місяців.

    Блоки комплексного очищення. В сучасних ВРУ основним способом очищення повітря, що надходить з компресора в систему охолодження, є його продування через шари молекулярних сит в блоці комплексної очистки (БКО) [20]. У більшості випадків використовуються синтетичні цеоліти типу №Х (за кордоном - 13Х). За сумою характеристик цеоліти №Х істотно перевершують інші промислові адсорбенти (силікагель і оксид алюмінію А1203) [21]. Прекрасно поглинають основні блокують домішки Н20 і С02, а так само ацетилен С2Н2, пропилен С3Н6, озон 03, оксид азоту (IV) N0 ^ бутан C4H10 і інші пожежо- та вибухонебезпечні домішки. З іншого боку, цеоліти №Х практично не поглинають метан СН4 і етан С2Н6 (це не важливо - вони не є небезпечними), а так само N0. Не дуже добре сорбують етилен С2Н4, пропан ^ Н8 і оксид азоту (I) ^ 0.

    Слід зазначити, що БКО на основі будь-яких цеолітів не призначені для очищення від аерозольних забруднень. Ефективний діаметр входів в адсорбційні порожнини для різних модифікацій природних цеолітів знаходиться в інтервалі 0.2-1.5 нм, а промислових синтетичних - в інтервалі 0.3-1.0 нм [22, 23]. У той же час діаметр аерозольних часток ~ 101 - 105 нм [24, 25]. Найменші виявлені частинки сажі мають діаметр 5 нм [16]. Це означає, що аерозольна компонента фізично не здатна до впровадження в обсяг зерен цеолітів і проходить в охолоджувальний тракт ВРУ по вільному простору між зернами.

    Як було зазначено вище, найбільш стійка і тому найбільш небезпечна фракція аерозолів горіння має істотно більший аеродинамічний діаметр: 0,1-2,5 мкм. Але в даний час більшість промислових ВРУ оснащуються системами фільтрації, які не рас-

    и

    ліченими на уловлювання частинок з діаметром, менше 10 мкм [19, 21]. Це пов'язано з великими обсягами переробляється повітря і, як наслідок, громіздкою, дорогою апаратурою, що включає багатокаскадні установки фільтрації. У разі мобільних ВРУ, обсяг повітря менше на кілька порядків (для АКДС-70М всього 200-220 м3 / ч) і, в принципі, можливе включення елементів для тонкого очищення від аерозольних забруднень в систему підготовки повітря перед глибоким охолодженням.

    Російська промисловість випускає пристрої, що відповідають потребам мобільних ВРУ для очищення від аерозолів. Наприклад, розробка ФГУП «ГНЦ РФ-ФЕІ» фільтр ФАП-200 виготовлений з хімічно і термостійкої стеклобумагі, має продуктивність 200 м3 / год. Діапазон вловлюються аерозолів 0.1-30 мкм при ефективності уловлювання до 99.95% часток аерозолю 0.2-0.3 мкм. При цьому фільтр має досить компактні габарити 265х120х500 мм і масу 5.5 кг [26]. Це призводить до необхідності встановлення блоку з 2-4 фільтрів, підключених паралельно, які можна задіяти незалежно один від одного.

    Контроль домішок в повітрі, що надходить на переробку. У разі промислових ВРУ існують нормативи, що визначають гранично допустимі концентрації домішок в повітрі. У таблиці 4 наведені вимоги до повітря, що включаються в технічну документацію російськими ( «Кріогенмаш» і ін.) І деякими зарубіжними фірмами, а так само Європейською асоціацією виробників технічних газів (ЕЮА) [4]. Зазначені в таблиці 4 нормативи по номенклатурі контрольованих домішок в повітрі і за граничними змістів у багатьох випадках схожі, а наявні відмінності багато в чому визначаються застосовуваними методами контролю.

    Слід зазначити кілька моментів. Визначення сумарної концентрації легких вуглеводнів в повітрі, що надходить на переробку, не є гарантією його якості. Метан, практично безпечний для кіслородазотдобивающіх станцій, є переважаючою органічною домішкою. Його концентрація як мінімум на порядок більше такої для будь-якого іншого вуглеводню. Тому можливе перевищення гранично допустимої концентрації якогось пального компонента (наприклад, етилену) при сумарній концентрації легких вуглеводнів в межах норми [27]. Відома аварія в Фушунь (Китай, 1997 г.) підтверджує цю тезу. Стався вибух на ВРУ, яка працювала в складі комплексу для отримання та переробки етилену. Був зруйнований блок поділу і частина навколишнього обладнання, 4 людини загинули, 31 - поранені [28].

    Таблиця 4 - Граничні вмісту домішок в повітрі, що подається в ВРУ, оснащену БКО

    Домішка Норми млн 1 (частин на мільйон)

    ЕЮА Аі Liquide АІ Products Російські

    Сума С1 - СЗІ - - - 20

    Метан СН4 5 8 10 -

    Етан С2Н6 0,1 - 0,1 -

    Етилен С2Н4 0,1 - 0,3 -

    Пропан С3Н8 0,05 - 0,06 -

    Пропан С3Н6 0,2 - 0,2 -

    Сума всіх углеводоро- - 0,5 - -

    дов без СН4

    Сума С4 і більш тяже- 1 0,3 - 1

    круглі

    Ацетилен С2Н2 0,3 400 1 + 1

    СО2 425 0,6 400 400

    СО - 0,7 20 0,6

    Водень Н2 - 0,1 10 0,5

    N0 + да2 0,1 0,6 0,05 -

    1Ч20 0,35 0,2 0,3 0,05

    Озон О3 - - 0,2 -

    Сірковуглець CS2 - - - 0,06

    'Сумарний вміст легких вуглеводнів з кількістю атомів вуглецю від 1 до 3.

    и

    Вибух стався в типовому місці - в районі основного конденсатора, що побічно підтверджує припущення про накопичення горючої компоненти (етилену). Етилен вважається малонебезпечною домішкою, тому що добре розчинний в рідкому кисні і володіє високим тиском парів при температурі кипіння рідкого кисню. Проте, перед вибухом повітрерозподільчої установки деякі обставини склалися несприятливо [4]:

    - напрямок вітру тривалий час було таким, що викиди в атмосферу з великим вмістом етилену потрапляли в повітрозабірник ВРУ;

    - перед вибухом киснева установка працювала в «холостому» режимі і відбір продуціонного кисню не справляли;

    - рівень кисню в конденсаторі-випарнику знизився приблизно вдвічі щодо штатного за кілька годин до аварії;

    - установка була оснащена адсорбером циркуляційного контуру, а етилен погано затримується і в адсорберах циркуляційного контуру, і в БКО на цеолітах.

    При використанні мобільних ВРУ вхідний контроль повітря на небезпечні компоненти фактично відсутня. Передбачається, що за час проведення однієї компанії (~ 20 діб) очищення повітря за допомогою БКО досить ефективна і вибухонебезпечні речовини не встигнуть утворити протяжні області твердофазних відкладень.

    Контроль домішок в переробляється повітрі і рідкому кисні. На великих промислових установках здійснюється контроль накопичення горючих компонентів як в ректифікаційних колонах, так і в кріопродуктах (таблиця 5). У разі мобільних ВРУ в процесі поділу можливий Напівкількісний контроль тільки на зміст ацетилену, а в продукційних кисні - на шкідливі речовини, регламентовані за змістом в медичному кисні (СО, СО2, 03 і інші окислювачі, газоподібні кислоти і підстави).

    Слід зазначити, що в разі навіть екстремального димового забруднення, відповідність кубової рідини і продукційного кисню даними нормативами не дає ніяких гарантій безпечного функціонування ВРУ. Перед вибухом в Бінтулу, про який згадувалося вище, аналізи рідкого кисню показували звичайні змісту контрольованих вуглеводнів і не перевищували норм. Тобто, накопичення частинок аерозолів горіння не впливає на молекулярний склад розчину.

    Таблиця 5 - Нормативи змісту вуглець домішок в рідкому кисні

    Найменування речовини Гранична концентрація, мг / дм3 рідини (в перерахунку на вуглець)

    ацетилен 0,22

    Вищі ацетиленові вуглеводні 0,15

    Граничні і неграничні вуглеводні з малою розчинністю в рідкому кисні, група С5-С6 і важчі, в сумі 1,0

    Граничні і неграничні вуглеводні, що мають середню розчинність в рідкому кисні, група С3-С4 (пропілен, ізобутан, бутен-1, н-бутан, ізобутилен), в сумі 11

    Етан 200

    етилен 25

    пропан 15

    Граничні і неграничні вуглеводні, добре розчинні в рідкому кисні (метан, етан, етилен і пропан), в сумі:

    а) в рідкому кисні з конденсаторів, останніх по ходу рідини, при відборі проб на аналіз не рідше, ніж через 24 год 430

    б) в рідкому кисні з конденсаторів, останніх по ходу рідини, при відборі проб на аналіз не рідше, ніж через 2 ч 645

    Сірковуглець, мг / дм3 0,12

    Масло, мг / дм3 0,4

    Більш того, відповідність нормативам з таблиці 5 по молекулярним компонентів так само не є безумовним доказом відсутності твердої фази на окремих ділянках внутрішніх поверхонь апаратури. Це є наслідком сильної нерівноважності процесів при функціонуванні ВРУ в різних режимах.

    Висновки. Незважаючи на успіхи, досягнуті в області підвищення безпеки процесу поділу атмосферного повітря методом низькотемпературної ректифікації, до сих пір існує ряд проблем, які очікують свого рішення. Одна з них - наявність у переробляється повітрі горючих аерозолів різного походження, які фізично не можуть бути затримані в адсорберах блоків комплексної очистки з-за занадто малого діаметра вхідних порожнин цеолітів. Для мобільних ВРУ найбільш логічним рішенням є доповнення існуючої системи пиловловлювання фільтрами тонкого очищення, розрахованими на затримку частинок з ефективним діаметром до 0,1 мкм. При цьому може бути затримана так звана «кумулятивна» складова - найбільш стабільна фракція аерозолів горіння.

    Всі існуючі способи хімічного моніторингу повітря до і під час поділу на компоненти, а також аналізу продуктів робочої компанії не дають однозначної відповіді на питання про наявність всередині установки поверхневих шарів і опадів. Твердофазні освіти в загальному випадку мають закупорюють (засмічують) властивостями, а в разі накопичення в області конденсатора-випарника можуть виявитися вибухонебезпечними. Тому впровадження різних способів виявлення сторонніх фаз (наприклад, електроемкостного методу), може виявитися найбільш ефективним для оцінки ступеня наближення кріогенних повіт-хоразделітельних установок до шкідливим впливам роботи.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Технічний опис та інструкція з експлуатації станції автомобільної кіслородазотдобивающей АКДС-70м2 (АКДС-70М2-01) КО 101 000 000 ТО [Текст]. Омськ, 1986. 214 с.

    2. Іванов Б.О. Безпека застосування матеріалів у контакті з киснем. М .: Хімія, 1984. 269 с.

    3. Вибухобезпека повітророзподільних установок / Под ред. В.П. Белякова та

    B.М. Файнштейна. М .: Хімія, 1986. 224 с.

    4. Файнштейн В.І. Кисень, азот, аргон - безпека при виробництві і застосуванні. М .: Интермет-Інжиніринг, 2008. 192 с.

    5. Іванов Б.О., Розовський А.С. Безпека роботи з рідким киснем. М .: Хімія, 1989. 190 с.

    6. Хорват А.В. Визначення ємнісних характеристик гребенчатого конденсатора для аналізу товщини діелектричного покриття // Вісник Тамбовського університету. Сер. Природничі та технічні науки. Тамбов, 2017. Т. 22. Вип. 1. С. 69-74.

    7. Назаренко І.М., Хорват А.В., Бородкін С.В. Методи розрахунку діелектричного шару для ємнісних систем виявлення небезпечних домішок в повітророздільних установках [Електронний ресурс] // Повітряно-космічні сили. Теорія та практика. 2018. № 5 (5).

    C. 80-93. Режим доступу: http: //академія-ввс.рф/nauka/zhumalvks.html (дата звернення 14.10.2018).

    8. Малков М.П. та ін. Довідник по фізико-технічних основах кріогеникі. М .: Енергоіздат, 1985. 432 с.

    9. Ісидорів В.А. Органічна хімія атмосфери. СПб .: Хіміздат. 2001. 351 с.

    10. Бюлетень ВМО з парникових газів, 2014. № 10 від 09.09.2014 р 32 з.

    11. Heil A., Goldammer J.G. Smoke-Haze Pollution. A Review of the тисяча дев'ятсот дев'яносто сім Episode in South East Asia // Reg. Environm. Change. 2001. № 2. P. 24-37.

    12. Hardeveld R.M. Investigation of an Air Separation Unit Explosion // J. of Loss Prevention in the Process Industries. 2001. V. 14. P. 167-180.

    13. Самсонов Ю.М., Беленко О.А., Іванов В.А. Дисперсні і морфологічні характеристики димової аерозольної емісії від пожеж в бореальних лісах Сибіру // Оптика атмосфери і океану. 2010. Т. 23. № 6. С. 423-431.

    14. Істомін В.Л., Куценогій К.П. Методика визначення аеродинамічного діаметра аерозольних часток складної геометричної форми в діапазоні чисел Рейнолдса від 0,1 до 6,0 // Теплофизика і механіка, 2010. Т. 17. № 1. С. 77-83.

    15. Xiong C., Friedlander S.K. Morphological properties of atmospheric aerosol aggregates // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2001. V. 98 (21). P. 11851-11856.

    16. Поповічева О.Б. Углеродосодержащие аерозолі в емісіях авіації та морського транспорту / О.Б. Поповічева, Е.Д. Кірєєва, М.І. Тимофєєв, Н.К. Шонія, В.Н. Могильників // Известия РАН. 2010. Т.46. С. 368-375.

    17. Coz E. A Study on the Structural Properties of Aerosols from Biomass Combustion for Domestic Heating / E. Coz, J. Perez-Guldris, A.I. Calvoc, C.Alves, L.A. Tarelhoc, G. Ramos, B. Artinano // Chemical engineering transaction. 2014. V. 37. P. 811-816.

    18. Chakrabarty R.K. Emissions from the laboratory combustion of wildland fuels: Particle morphology and size / R.K. Chakrabarty et al. // Journal of Geophysical Research. 2006. 111 (D7). P. 802-821.

    19. Schmidt W.P. Hydrocarbon Haze and ASU Safety / W.P. Schmidt, J. Shah, D. J. Bozym,

    B.K. Dawson // 42nd Loss Prevention Symposium, New Orleans, LA, April 7, 2008. P. 23-54.

    20. Блазнін Ю.П., Горохів В.А, Голубєв В.М. Блоки комплексного очищення повітророзподільних установок ВАТ «Кріогенмаш»: методи розрахунку, конструкції, досвід пусконалагодження та експлуатації // Технічні гази, 2004. № 4. С. 37-39.

    21. Safe Practices Guide for Cryogenic Air Separation Plants. EIGA Doc. 147-13. 2013. 68 p.

    22. Жданов С.П., Єгорова О.М. Хімія цеолітів. Л .: Наука, 1968. 158 с.

    23. Огляд ринку синтетичних цеолітів в СНД. М .: Інфомайн, 2013. 91 с.

    24. Грін Х., Лейн В. Аерозолі - пилу, дими і тумани. Л .: Хімія, 1972. 428 с.

    25. Лаптєв А.Г., фарах М.І., Міндубаев Р.Ф. Очищення газів від аерозольних часток сепараторами з насадками. Казань: Друкарський двір, 2003. 120 с.

    26. Фільтр аерозольний ФАП-200 [Електронний ресурс] // Cайт АТ Державного наукового центру РФ ФЕІ ім. А.І. Лейпунського. Режим доступу: http://www.ippe.ru/prod/prod-5-6.php (дата звернення 14.10.2018).

    27. Файнштейн В.І. Оцінка ступеня наближення до небезпечних умов роботи конденсаторів-випарників повітророзподільних установок // Технічні гази, 2009. № 5.

    C. 67-70.

    28. Lehman J.Y., Wei X.C., Hua Q.X., Delannoy G. Investigration of the Fushun ASU Explosion in 1997 // J. of Loss in Prevention Process Industries. 2003. V.16. P.209-221.

    REFERENCES

    1. Tehnicheskoe opisanie i instrukciya po 'ekspluatacii stancii avtomobil'noj kislorodazotdobyvayuschej AKDS-70M2 (AKDS-70M2-01) KO 101 000 000 TO [Tekst]. Omsk, 1986. 214 p.

    2. Ivanov B.A. Bezopasnost 'primeneniya materialov v kontakte s kislorodom. M .: Himiya, 1984. 269 p.

    3. Vzryvobezopasnost 'vozduhorazdelitel'nyh ustanovok / Pod red. V.P. Belyakova i V.M. Fajnshtejna. M .: Himiya, 1986. 224 p.

    4. Fajnshtejn V.I. Kislorod, azot, argon - bezopasnost 'pri proizvodstve i primenenii. M .: Intermet-Inzhiniring, 2008. 192 p.

    и

    5. Ivanov B.A., Rozovskij A.S. Bezopasnost 'raboty s zhidkim kislorodom. M .: Himiya, 1989.

    190 p.

    6. Horvat A.V. Opredelenie emkostnyh harakteristik grebenchatogo kondensatora dlya analiza tolschiny di'elektricheskogo pokrytiya // Vestnik Tambovskogo universiteta. Ser. Estestvennye i tehnicheskie nauki. Tambov, 2017. T. 22. Vyp. 1. pp. 69-74.

    7. Nazarenko I.N., Horvat A.V., Borodkin S.V. Metody rascheta drelektricheskogo sloya dlya emkostnyh sistem obnaruzheniya opasnyh primesej v vozduhorazdelitel'nyh ustanovkah [ 'Elektronnyj resurs] // Vozdushno-kosmicheskie sily. Teoriya i praktika. 2018. № 5 (5). pp. 80-93. Rezhim dostupa: http: //akademiya-vvs.rf/nauka/zhurnalvks.html (data obrascheniya 14.10.2018).

    8. Malkov M.P. i dr. Spravochnik po fiziko-tehnicheskim osnovam kriogeniki. M .: 'Energoizdat, 1985. 432 p.

    9. Isidorov V.A. Organicheskaya himiya atmosfery. SPb .: Himizdat. 2001. 351 p.

    10. Byulleten 'VMO po parnikovym gazam, 2014. № 10 ot 09.09.2014 g. 32 p.

    11. Heil A., Goldammer J.G. Smoke-Haze Pollution. A Review of the тисяча дев'ятсот дев'яносто сім Episode in South East Asia // Reg. Environm. Change. 2001. № 2. pp. 24-37.

    12. Hardeveld R. M. Investigation of an Air Separation Unit Explosion // J. of Loss Prevention in the Process Industries. 2001. V. 14. pp. 167-180.

    13. Samsonov YU.N., Belenko O.A., Ivanov V. A. Dispersnye i morfologicheskie harakteristiki dymovoj a'erozol'noj 'emissii ot pozharov v boreal'nyh lesah Sibiri // Optika atmosfery i okeana. 2010. T. 23. № 6. pp. 423-431.

    14. Istomin V.L., Kucenogij K.P. Metodika opredeleniya a'erodinamicheskogo diametra a'erozol'nyh chastic slozhnoj geometricheskoj formy v diapazone chisel Rejnoldsa ot 0,1 do 6,0 // Teplofizika i a'eromehanika, 2010. T. 17. № 1. pp. 77-83.

    15. Xiong C., Friedlander S.K. Morphological properties of atmospheric aerosol aggregates // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2001. V. 98 (21). pp. 11851-11856.

    16. Popovicheva O.B. Uglerodosoderzhaschie a'erozoli v 'emissiyah aviacii i morskogo transporta / O.B. Popovicheva, E.D. Kireeva, M.I. Timofeev, N.K. Shoniya, V.N. Mogil'nikov // Izvestiya RAN. 2010. T.46. pp. 368-375.

    17. Coz E. A Study on the Structural Properties of Aerosols from Biomass Combustion for Domestic Heating / E. Coz, J. Perez-Guldris, A.I. Calvoc, C.Alves, L.A. Tarelhoc, G. Ramos, B. Artinano // Chemical engineering transaction. 2014. V. 37. pp. 811-816.

    18. Chakrabarty R.K. Emissions from the laboratory combustion of wildland fuels: Particle morphology and size / R.K. Chakrabarty et al. // Journal of Geophysical Research. 2006. 111 (D7). pp. 802-821.

    19. Schmidt W.P. Hydrocarbon Haze and ASU Safety / W.P. Schmidt, J. Shah, D. J. Bozym, B.K. Dawson // 42nd Loss Prevention Symposium, New Orleans, LA, April 7, 2008. pp. 23-54.

    20. Blaznin YU.P., Gorohov V.A, Golubev V.M. Bloki kompleksnoj ochistki vozduhorazdelitel'nyh ustanovok OAO «Kriogenmash»: metody rascheta, konstrukcii, opyt puskonaladki i 'ekspluatacii // Tehnicheskie gazy, 2004. № 4. pp. 37-39.

    21. Safe Practices Guide for Cryogenic Air Separation Plants. EIGA Doc. 147-13. 2013. 68 p.

    22. Zhdanov S.P., Egorova E.N. Himiya ceolitov. L .: Nauka, 1968. 158 p.

    23. Obzor rynka sinteticheskih ceolitov v SNG. M .: Infomajn, 2013. 91 p.

    24. Grin H., Lejn V. A'erozoli - pyli, dymy i tumany. L .: Himiya, 1972. 428 p.

    25. Laptev A.G., Farahov M.I., Mindubaev R.F. Ochistka gazov ot a'erozol'nyh chastic separatorami s nasadkami. Kazan ': Pechatnyj dvor, 2003. 120 p.

    26. Fil'tr a'erozol'nyj FAP-200 [ 'Elektronnyj resurs] // Cajt AO Gosudarstvennogo nauchnogo centra RF FEI im. A.I. Lejpunskogo. Rezhim dostupa: http://www.ippe.ru/prod/prod-5-6.php (data obrascheniya 14.10.2018).

    27. Fajnshtejn V.I. Ocenka stepeni priblizheniya k opasnym usloviyam raboty kondensatorov-isparitelej vozduhorazdelitel'nyh ustanovok // Tehnicheskie gazy, 2009. № 5. pp. 67-70.

    28. Lehman J.Y., Wei X.C., Hua Q.X., Delannoy G. Investigration of the Fushun ASU Explosion in 1997 // J. of Loss in Prevention Process Industries. 2003. V.16. pp. 209-221.

    © Назаренко І.М., Хорват А.В., Викулин А.С., 2018

    Назаренко Ігор Миколайович, кандидат хімічних наук, доцент, старший науковий співробітник 22 відділу науково-дослідного 2 управління науково-дослідного науково-дослідного центру (проблем застосування, забезпечення і управління авіацією Військово-повітряних сил), Військовий навчально-науковий центр Військово-повітряних сил «Військово-повітряна академія імені професора Н.Є. Жуковського і Ю.А. Гагаріна »(м Воронеж), Росія, 394064, м Воронеж, вул. Старих Більшовиків, 54А, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Хорват Олексій Володимирович, науковий співробітник 32 відділу науково-дослідного 3 управління науково-дослідного науково-дослідного центру (проблем застосування, забезпечення і управління авіацією Військово-повітряних сил), Військовий навчально-науковий центр Військово-повітряних сил «Військово-повітряна академія імені професора Н.Є. Жуковського і Ю.А. Гагаріна »(м Воронеж), Росія, 394064, м Воронеж, вул. Старих Більшовиків, 54А, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Викулин Андрій Сергійович, ад'юнкт 22 відділу науково-дослідного 2 управління науково-дослідного науково-дослідного центру (проблем застосування, забезпечення і управління авіацією Військово-повітряних сил), Військовий навчально-науковий центр Військово-повітряних сил «Військово-повітряна академія імені професора Н .Е. Жуковського і Ю.А. Гагаріна »(м Воронеж), Росія, 394064, м Воронеж, вул. Старих Більшовиків, 54А, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..


    Ключові слова: ПОВІТРЯ / повітророзподільної установки / БЕЗПЕКА / ВУГЛЕВОДНІ / аерозолі ГОРІННЯ / БЛОК КОМПЛЕКСНОЇ ОЧИСТКИ / AIR / AIR SEPARATION PLANT / SAFETY / HYDROCARBONS / COMBUSTION AEROSOLS / COMPLEX CLEANINGUNIT

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити