книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)
.pdfда и снижения расхода электроэнергии на компремнрование можно из газа также удалить углекислоту (отмывом водным раствором моноэтанолампном). Однако это не обязательно и к такому удалению не всегда целесо образно прибегать. Газ, очищенный от окиси углерода
(77% Н2 , 23% |
С 0 2 ) , направляется в ресивер и оттуда |
через систему |
фильтров в компрессор, где давление га |
за повышается до 30 ат. Далее, пройдя теплообменник и электрогазоподогреватель, газ поступает в блок диффу зионных ячеек. Чистый водород после ячеек охлаждает ся и подается к потребителю.
Балластный газ (содержит около 20% Н2 ) охлажда ется п направляется через регулятор давления типа «до себя» в свечу или утилизируется.
Диффузионные ячейки выполняют или на основе тон кой фольги (0,05—0,10 мм) пли их изготавливают из трубки диаметром 3 мм с толщиной стенок 0,15 мм.
Во всех случаях используют сплавы на основе пал ладия. Чистый палладий не применяют, поскольку фазо вый переход у него (при температуре 300—310° С) со пряжен с объемными изменениями, вызывающими хруп кость и преждевременный выход из строя. Наиболее распространенным сплавом палладия является сплав Pd—Ag, содержащий 23% Ag, в котором практически выравнены параметры решеток а- и р-фаз. Этот сплав де шевле чистого палладия, а его проницаемость при всех прочих одинаковых условиях почти в 2 раза выше.
Для того чтобы стойкость диффузионных ячеек не снизилась в результате попадания паров масла от ком
прессора, |
желательно применять |
машины |
с |
сухим |
уп |
|
лотнением |
или |
же предусмотреть |
надежную |
систему |
||
фильтров |
(см. ниже). |
|
|
|
|
|
Производство |
особо чистого водорода из аммиака. |
Ус |
||||
тановка для приготовления особо |
чистого |
водорода |
из |
|||
диссоциированного аммиака разработана Центроэнергочерметом.
Сообразно технологической схеме диссоциированный аммиак из ресивера забирается четырьмя компрессора ми и при давлении 30 ат подается в блок диффузионных ячеек, пройдя предварительно систему специальных фильтров, теплообменник и газоподогреватель.
Блок состоит из десяти толстостенных муфелей, вы полненных из стали Х18Н10Т. Рабочая часть муфеля со ставляет примерно '/з от всей его длины. В каждом му-
162
феле имеется свой автономный электрообогрев с тремя самостоятельно регулируемыми тепловыми зонами. Бла годаря такому устройству создана возможность регули-
Балластный |
Сырой |
Узел Б |
газ |
газ |
Рис. 60. Блок диффузионных |
ячеек |
|||||
ЦЭЧМ - VI: |
|
|
|
|
|
|
/ — |
штуцер; |
2—верхняя |
мембрана; |
|||
3—'нижняя |
|
мембрана; |
4— |
гибкая |
||
проницаемая |
прокладка; |
5 — внут |
||||
ренний контейнер |
(коллектор |
сыро |
||||
го |
газа); |
6 — наружный |
контейнер |
|||
(коллектор |
|
чистого |
водорода); |
|||
/ — вход |
сырого |
газа; |
/ / — выход |
|||
|
|
Чистый |
балластного газа; |
/ / / |
— выход |
чи |
||||
|
|
водород |
|
стого водорода |
|
|
|
|
|
|
рования температуры |
в |
рабочей |
части |
муфеля |
с |
точ |
||||
ностью до ± 1 — 2 |
град. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В рабочей части муфеля помещен узел |
диффузион |
|||||||||
ных ячеек. Элемент ЦЭЧМ-VI* состоит |
из |
двух |
гофри |
|||||||
рованных тонких |
дисков, |
изготовленных из |
сплава на |
|||||||
основе палладия, |
между |
которыми |
проложена |
гофриро |
||||||
ванная сетка |
из |
стали |
X18IT10T. Диски |
друг |
с |
другом |
||||
соединяются |
сваркой. |
Устройство |
диффузионного |
эле- |
||||||
1 Авт. свнд. |
Ш 289053. — «Бюл. нзобр. и |
тов. |
знаков», |
1971, |
||||||
№ 1, с. 28. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11* |
- 1 6 3 |
мента и узла схематично показано на рис. 60. Продиффундировавший через диски водород попадает в коллек тор, а из него водород, пройдя теплообменник и холо дильник, направляется к потребителю. Балластный газ,
.содержащий примеси N H 3 и около 30% Нг, покидает муфель, попадает в колектор, и оттуда, пройдя холо-
ЗАйО |
, |
м |
! |
Рнс. 61. |
Технологическая |
схема получения особо |
чистого водорода |
из аммиака: |
|||
1 — расходное хранилище |
жидкого |
аммиака; 2 — испаритель |
высокого |
давле |
|||
ния; |
3 — диссоцнатор |
высокого |
давления; |
4 — трубчатый |
холодильник; |
||
5 — фильтр; 6 — блок диффузионных |
ячеек; 7— |
холодильник |
балластного' |
газа; |
|||
8 — холодильник особо чистого водорода; 9 — вакуум - насос |
|
|
|
||||
дильник, направляется через узел регулирования давле
ния на утилизацию. |
|
|
|
Для поддержания стабильной проницаемости |
нужно |
||
не только регулировать давление и температуру |
в муфе |
||
лях, но также обеспечивать определенную концентрацию |
|||
водорода |
в балластном газе. |
Поэтому регулирование |
|
давления |
в системе осуществлено с коррекцией по водо |
||
роду. При давлениях не выше |
10 ат может быть |
приме |
|
нен бескомпрессорный способ получения особо чистого водорода из аммиака. В этом случае используется «соб ственное» давление паров аммиака.
Рассмотрим этот способ более подробно (рис. 61). Жидкий аммиак из цистерны подается в испаритель с помощью сжатого азота. Теплоносителем в испарителе
164
\
служит горячая вода. Газообразный аммиак под давле нием 10 ат направляется в диссоциатор высокого дав ления.
Фирма «Ниппон Дзюи-Суйсо К°» (Япония) применя ет оригинальную конструкцию такого диссоциатора (см.
рис. 61). Он состоит |
из футерованного внутри кожуха, |
||||
в котором |
свободно подвешены восемь |
нихромовых |
труб, |
||
заполненных катализатором. Трубы |
в верхней части дис |
||||
социатора |
герметизируют. В этом |
узле должна |
быть |
||
обеспечена |
не только |
плотность, но и |
электроизоляция |
||
труб от кожуха, так как нагрев труб осуществляется под водом напряжения непосредственно к верхней их части.
Внизу к трубам приварены нихромовые |
перемычки, обес |
|||||
печивающие цепь. Питаниетруб |
производится |
от понизи |
||||
тельного |
автотрансформатора. |
Дальнейшее |
движение |
|||
газов аналогично описанному выше и |
видно |
из рис. 61. |
||||
Балластный газ содержит |
около 35% Н2 |
и 6% N H 3 |
||||
(остальное—азот). Это |
обусловливает расход |
67 кг ам |
||||
миака на 100 м3 (при нормальных условиях) |
особо чис |
|||||
того водорода. Несмотря |
на неоспоримые достоинства |
|||||
такого диссоциатора, он, однако, очень |
сложен |
по кон |
||||
струкции и в эксплуатации. Большей |
надежностью об |
|||||
ладают |
диссоциаторы с |
косвенным |
электрообогревом |
|||
или газовым обогревом. |
В последнем |
случае |
должны |
|||
быть использованы толстостенные жароупорные трубы центробежного литья.
Г л а в а VIII |
|
|
|
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ |
|
|
|
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ КАМЕР |
|
|
|
КАТАЛИТИЧЕСКОГО СГОРАНИЯ |
|
|
|
Основным |
звеном многих процессов |
приготовления |
|
защитного газа является частичное сжигание |
газо-воз- |
||
душной смеси |
(при коэффициенте избытка |
воздуха 0,5— |
|
0,95), которое |
осуществляется в специальных |
камерах. |
|
Сжиганию подвергаются различные сетевые газы (при
родный, коксовый, городской), сжиженные газы |
(про |
|
пан, бутан), |
жидкое топливо (керосин, различные |
мас |
ла), водород, |
аммиак. |
|
Как правило, противодавление в камерах бывает вы соким (500—1500 мм вод. ст.)..
165
Устойчивость работы всей установки обусловливает ся главным образом работой камеры сгорания. В част ности, можно отметить, что проскоки пламени в горелку нередко являются причиной аварий в производстве конт ролируемых атмосфер.
Рассмотрим камеры каталитического сжигания на примере камеры установки СПО-Ц-200, которая показапа на рис. 37. Эта часть камеры состоит из головки, за пального порожка и каталитической насадки.
Головка камеры сгорания выполнена из стальной обечайки, футерованной изнутри фасонным шамотом. В центре головки устанавливается горелка, изготавли
ваемая из простой стали или чугуна. |
Для горелки |
важ |
на чистота обработки ее внутренней |
поверхности: |
чем |
эта чистота выше, тем шире диапазон скоростей для сме си, при котором сохраняется безопасность горения. При
сжигании |
водорода или |
газов, |
богатых |
водородом, обя |
||
зательно |
применение |
горелок |
с |
внутренней |
поверх |
|
ностью, обработанной |
пескоструйной |
установкой или, |
||||
что еще лучше, шлифованной. |
|
|
|
|
||
Как видно из рис. 37, цилиндрическая часть горелки |
||||||
переходит |
в коническую. Угол |
раскрытия |
конуса |
|||
должен быть таким, чтобы излучение со стороны раска ленной кладки камеры на внутреннюю поверхность ко нуса было минимальным. Из кладки головки камеры выступает лишь цилиндрическая часть горелки. При та ких условиях горелки достаточно эффективно охлажда
ется поступающей |
на |
горение |
смесью |
и не |
нуждается |
в дополнительном |
охлаждении. |
|
|
||
Решающим для |
надежной |
работы |
камеры |
сгорания |
|
является правильный |
выбор |
диаметра |
носика горелки, |
||
т.е. выбор скорости истечения |
смеси. |
Эта скорость, ра |
|||
зумеется, должна быть больше скорости распростране ния пламени. Высшая теоретическая скорость распро странения пламени для смеси водород — воздух (1:3,34) составляет 2,67 м/с. Теоретически выход такой смеси из
горелки со скоростью 2,67 м/с |
обеспечивает |
безопас |
|||
ность горения. Практически, однако, |
скорость |
выхода |
|||
смеси . водород — воздух |
должна |
быть значительно вы |
|||
ше. Надежные условия |
сжигания |
газов, богатых |
водо |
||
родом, в смеси с воздухом достигаются при |
скоростях |
||||
выхода смеси из носика горелки не менее 25 |
м/с. |
С та |
|||
кой скоростью сжигания |
работают горелки с |
опескост- |
|||
руенной поверхностью внутри. Для |
природного |
газа, |
|||
166
скорость распространения пламени которого меньше, оптимально допустимая скорость выхода смеси состав ляет, по практическим данным, 12—15 м/с (высшая тео
ретическая скорость в смеси с воздухом равна |
0,35 м/с). |
Наибольшая опасность взрыва возникает |
в момент |
розжига камеры. Вспомогательная горелка |
(запал) |
должна обеспечивать внутри камеры устойчивое и жест
кое пламя. Необходимым |
условием безопасного розжи |
|||
га камеры является правильная конструкция |
свечи для |
|||
отвода |
продуктов |
сгорания: достаточное ее |
сечение и |
|
высота, |
по возможности |
вертикальная установка. |
||
В зависимости |
оттого, |
какой газ подвергается сжига |
||
нию в камере, в ней предусматривают ту или иную ката литическую насадку. Так, например, при сжигании га зообразного или диссоциированного аммиака в камере устанавливают катализатор группы ЦЭЧМ-Ш, обеспе чивающий глубокую очистку продуктов сгорания от кис
лорода |
и окислов |
азота. |
При сжигании природного га |
|
за, а также при сжигании |
пропана в камере |
предусмат |
||
ривают |
никелевый |
катализатор ЦЭЧМ-IV |
(см. гл. X) |
|
для конверсии непрореагировавшего в зоне горения ме тана и других углеводородов (конверсия последних про исходит за счет водяных паров, углекислоты и непроре агировавшего кислорода, содержащихся в продуктах сгорания). Применение, катализационных насадок в этих случаях позволяет существенно повысить качество газа, что особенно важно при отжиге ленты и проволоки в колпаковых печах [44].
Катализационную насадку удобнее всего размещать в вертикальной камере. В горизонтально расположен
ной камере в результате усадки |
возможно возникновение |
||||||||||
пустоты |
над слоем катализатора и проскок |
продуктов |
|||||||||
сгорания |
мимо катализатора. Поэтому |
следует |
предпо |
||||||||
читать |
вертикально расположенные |
насадки. Однако и |
|||||||||
в горизонтальных |
участках |
камер |
катализационные |
на |
|||||||
садки работают |
достаточно |
эффективно, если |
их |
пра |
|||||||
вильно |
разместить. Можно, |
например, |
насадку |
выпол |
|||||||
нить из |
корундового |
легковеса |
в виде |
трех |
рядом |
рас |
|||||
положенных решеток, |
как это |
схематично |
показано на |
||||||||
рис. 29. |
В |
остальных |
случаях |
катализатор |
приготавли |
||||||
вают в виде кубиков, длина грани которых составляет 20—30 мм.
В зависимости от назначения катализатора его сле дует располагать в той или иной температурной зоне
167
камеры сжигания. Так, никелевый катализатор конвер сии следует ставить в зоне, где температура равна 1100—900° С, а катализатор для очистки от кислорода п
окислов |
азота — в зоне с более низкими |
температурами |
||
(950°С). |
|
|
|
|
Для |
создания устойчивых условий |
горения зона го |
||
рения в камере сгорания |
должна |
иметь достаточный |
||
объем, отделенный от остальной части |
камеры насадкой |
|||
из высокоглпноземпстого |
шамота |
или |
хромомагнезита |
|
толщиной в один кирпич |
(см. рис. 32). Эта насадка пре |
|||
дохраняет катализатор от пережогов, создает необходи мый температурный режим в зоне горения и служит надежным запалом для смеси при малых нагрузках ка
меры. Объем |
зоны горения Уг должен определяться, ис |
||||
ходя |
из максимальной |
тепловой нагрузки, |
составляю |
||
щей |
0,75-106—1,00-106 |
ккал/(м 3 - ч) |
(более высокую на |
||
грузку принимают при сжигании с |
большим |
недостат |
|||
ком |
воздуха, |
более низкую — при |
коэффициентах рас |
||
хода |
воздуха, |
близких |
к единице). |
За катализационной |
|
насадкой перед выходом продуктов сгорания из каме ры устанавливают перевальную стенку из огнеупорного
кирпича |
(см. рис. 25). Она способствует равномерному |
|||||
движению продуктов через весь объем насадки. |
||||||
|
Длина камеры сгорания складывается из длины зо |
|||||
ны горения и зоны |
охлаждения |
продуктов сгорания до |
||||
заданной температуры выхода их. |
|
|||||
|
Ниже |
рассматривается |
порядок проведения расчета. |
|||
|
1. По заданному |
составу газа |
и коэффициенту расхо |
|||
да |
воздуха (а) |
проводят |
расчет |
неполного горения га |
||
за |
по методике, |
предложенной В. Ф. Копытовым [33]. |
||||
Благодаря высоким температурам в камере и хорошему
предварительному |
смешению |
газа и |
воздуха при |
а = |
= 0,6-^-0,7 метан |
в продуктах |
сгорания |
практически |
от |
сутствует. Ориентировочно задаемся температурой в зо
не |
горения, |
по которой берется |
константа |
равновесия |
реакции водяного газа. |
|
|
||
|
Определим количество продуктов сгорания (Vn .c) |
|||
применительно к нормальным |
условиям при сжигании |
|||
1 м 3 газа. По заданной производительности |
готового га |
|||
за, зная Уп .с. найдем расход сырого газа Уг м3 /ч. |
||||
|
2. Определим максимально возможную температуру |
|||
горения: |
|
|
|
|
U- |
— |
, |
|
(а) |
168
где
<Эх.т = |
QH, |
?X . II = CO Q H c o |
+ H 2 Qj?H= |
|
|
(CO |
и H 2 |
— содержание |
этих элементов в 1 м3 |
продук |
|
тов сгорания газа, выраженное в долях единицы). |
|||||
Теплоемкость ср |
при этом берут для температуры на |
||||
150—200 град меньше жаропроизводнтельности |
сырого |
||||
газа |
(чем |
больше а, |
тем |
меньше эта разница). |
Получив |
теоретическую температуру горения, определяют тепло выделение Q в зоне горения камеры по формуле
Q = |
i,Vr, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(б) |
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ / т = |
/т (ЕУс)/ т . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3. По |
принятым |
значениям |
напряженностей |
в зоне |
|||||||||
горения |
QIV |
и |
Q/S, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
Q/V—объемная |
напряженность, |
равная |
(0,75—1) |
|||||||||
|
|
|
10б |
ккал |
(м3 -ч), |
и QfS — напряженность по |
|||||||
|
|
|
сечению камеры сгорания, равная (0,6—0,8) |
||||||||||
|
|
|
106 |
ккал/(м2 -ч), |
|
|
|
(d2) |
|
|
|||
определим |
внутренний |
диаметр |
камеры |
и |
объем |
||||||||
зоны горения (рис. 62). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Очевидно, длина зоны |
горения |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
4.г = |
W ~\~ i-ii а |
4 = |
^ |
~ • |
|
|
|
|
|
|
|
||
3. Найдем объем зоны |
горения |
|
|
|
|
|
|
||||||
V>.r = Vx + V2, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( В ) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
d2 |
|
|
|
|
|
где |
V^n'Sidl-dl) |
|
llt |
|
V2 |
= ^ - 1 la |
= |
V3.r |
- |
Vu |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
и, следовательно, l2 = |
—• |
1 . |
|
|
|
|
|
|
|||||
4. |
Определим |
действительную |
температуру |
горения. |
|||||||||
Для |
этого надо |
знать |
потери |
тепла через |
стенку, |
кото |
|||||||
рые можно найти методом |
последовательного |
приближе |
|||||||||||
ния. Задаются тремя-четырьмя значениями |
температур |
||||||||||||
на выходе из зоны горения. Для |
всех взятых |
значений |
|||||||||||
определяют |
энтальпии |
(теплосодержания) |
/,-=^-Х |
||||||||||
X (2 |
У°)(1 • После этого, взяв |
значение |
энтальпии |
газов |
|||||||||
при теоретической температуре, |
определяют |
|
величину |
||||||||||
169
\ tc,--Ч05j te = l035 \ 4> *9S5 i tCi =S35
%/Щ |
I |
4/110 j? |
газа |
Ш(0ШЬЭ70Ш |
|||
6Q=r[£JacVr) \ |
|
|
900 |
WW |
! 1*0,701 |
Л-0.В7 |
/8 |
JO "HI Vr |
|
IS |
||
|
i "
Щ 10
г
1100 |
1I2S |
1150 |
1/75 |
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
tg,°C |
|
|
|
Длина зоны охлаждения, м |
|
|
|
|||
Рис. 62. Расчетные схемы для определения |
размеров камеры сгорания: |
|
|
|
|
|
|||||
а — иллюстрация к определению |
размеров |
зоны |
горения; |
б — о б щ а я иллюстрация |
к |
определению действительной |
температуры про |
||||
дуктов сгорания иа выходе из зоны горения; в - |
то же , применительно к условиям |
конкретной |
задачи; г - иллюстрация зонального |
||||||||
метода определения температуры продуктов сгорания в |
зоне |
о х л а ж д е н и я ; д - |
эскиз камеры |
сгорания |
и расчетная кривая распре |
||||||
деления температуры в ней (см. условия задачи в тексте) |
|
|
|
|
^ |
v |
pduipi. |
||||
Теплового потока |
|
в Окружающую |
среду Д ф 0 . с д л я |
зоны |
|||||||||||
горения. Очевидно, что |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Д/о.с = |
/ т — Л |
; |
|
|
AQ0 .C = |
A/o.cVr . |
|
|
|
|
|
||||
Строят |
зависимость |
A Q 0 l C |
= f {h)- |
Значение этой |
|
вели |
|||||||||
чины сравнивают с величиной &Q'0C, |
подсчитанной |
по |
|||||||||||||
формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
AQ .c = |
2л |
'\^ |
~ / |
и |
) |
, |
|
|
|
|
|
|
(г) |
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где / — длина зоны горения, м; |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
л— коэффициент |
теплопроводности материала клад |
|||||||||||||
|
|
|
ки, взятый при |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
'cp = ('ci-Mc2):2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(Д) |
|||||
(/С | —обычно на 30—50 град меньше t\). |
|
равна |
|||||||||||||
|
При охлаждении камеры сгорания водой ta |
||||||||||||||
40—50°С (на основе |
|
практических |
данных). |
Из рис. |
|||||||||||
62, а следует |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
d3 = d% - I - 2бс , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
4< в |
= (dCp/i + |
d2k)Xk |
+ |
k) |
и dcP = (d2 |
+ dy) 2, |
|
|
|
||||||
где |
бс — толщина |
|
|
кладки. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Получив значения AQ0.C |
для всех |
значений |
tj, |
строят |
||||||||||
графическую |
зависимость |
AQ—f(ti) |
|
и AQ'=f |
{ti). |
По |
|||||||||
координатам |
точки |
А |
(рис. 62,6) |
определим |
действи |
||||||||||
тельную температуру tR продуктов сгорания на |
выходе |
||||||||||||||
из зоны горения и потери'тепла в |
окружающую |
среду. |
|||||||||||||
|
Расчетный |
пирометрический |
коэффициент |
т]ш1р=" |
|||||||||||
= t?JU зависит от количества отводимого тепла, т.е. от напряженностей Q/V и Q/S, а также от геометрии и ма териала футеровки зоны горения. Для принятых значе
ний напряженностей |
г\пщ> в камерах сгорания составляет |
||||
величину порядка 0,75—0,8. |
|
||||
5. Определим длину зоны охлаждения. Для этой зо |
|||||
ны потери в окружающую среду (AQ°C ) |
составят |
||||
AQS.c = Vr [tK (ЕУс),д - |
'вых PVc)lBJ. |
(е) |
|||
Зону |
охлаждения |
условно |
разбивают на несколько уча |
||
стков, на каждом |
из которых теряется |
тепло, равное |
|||
AQn= |
—, где п—число |
участков (чем больше я, тем |
|||
|
л |
|
|
|
|
точнее расчет). |
|
|
|
|
|
17!