Установки для получения контролируемых атмосфер из углеводородных газов

КЛАССИФИКАЦИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХОВ

Лекция 22

Контролируемой атмосферой называют газообраз­ную среду, состоящую из одного или нескольких газов, которая оказывает направленное контролируемое воздействие на поверх­ностный слой металлов и сплавов в процессе их термической обработки.

Контролируемые атмосферы классифицируют по следующим признакам:

по характеру взаимодействия с обрабатываемыми металлами и сплавами атмосферы на нейтральные, восстановительные, окис­лительные, науглероживающие, обезуглероживающие, специаль­ные (для азотирования, хромирования, борирования и пр.);

по исходному сырью, из которого приготовляют контролируе­мую атмосферу, на водородные, аммиачные, древесно-угольные, углеводородные и пр.;

по химическому составу на атмосферы системы: Н₂—N₂; Н₂—Н₂О—N₂; Н₂—Н₂О—СО—N₂; H₂—H₂O—CO—CH₄—N₂; CO­CO,—N,; СО—СО₂-Н₂—H₂O-N₂; СО—СО₂—Н₂—Н₂О—СН₄—N₂;

по тепловому эффекту реакций, протекающих при получении контролируемой атмосферы, на эндотермические и экзотермиче­ские.

Контролируемые атмосферы, получаемые на отечественных установках, изготовляемых заводами Министерства электротех­нической промышленности, подразделяют на следующие типы: ДА — атмосфера, полученная из аммиака посредством его дис­социации; ДА-С — атмосфера, полученная из аммиака посредством его диссоциации, частичного сжигания продуктов диссоциации и их осушкой; ЭН — атмосфера, полученная путем сжигания природного (углеводородного) газа при коэффициенте расхода воздуха, равном 0,25—0,33; ЭК — атмосфера, полученная при сжигании природного (углеводородного) газа при коэффициенте расхода воздуха, равном 0,6—0,95; ВО — атмосфера, полученная из технического водорода; A3 — атмосфера, полученная из тех­нического азота.

Условное обозначение газоприготовительной установки со­стоит из букв и цифр. Первые две буквы обозначают назначение (получаемую атмосфер у):

ЭН — эндогаз; ЭК — экзогаз; ДА — диссоциированный аммиак, ВО — очистка водорода от кислорода, A3 — очистка азота, ИО — очистка инертных газов.

После букв через тире даются цифры, показывающие произво­дительность (м⁸/ч). Буква после цифр показывает особенности: Г — газовый обогрев; О — очистка от двуокиси углерода и глу­бокая степень осушки; С — частичное сжигание и осушка.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР ИЗ АММИАКА Для получения контролируемой атмосферы типа ДА системы Н_г—N₂ проводят расщепление аммиака (NH₃) на азот и водород. Аммиак поступает в баллонах или при больших рас­ходах контролируемой атмосферы в цистернах.

Процесс получения контролируемой атмосферы типа ДА со­стоит из нескольких этапов. Вначале жидкий аммиак из баллонов поступает в испаритель, где газифицируется. При испарении 1 кг жидкого аммиака получается 1,32 м³ газообразного аммиака. Так как процесс испарения проходит с поглощением теплоты, требуется непрерывно подводить теплоту в испаритель. При пуске установки необходимая теплота подводится от электриче­ских нагревателей, вмонтированных в испаритель, а затем, когда из диссоциатора начинают выходить горячие продукты диссоциа­ции аммиака, то используется уже их теплота.

Из испарителя газообразный аммиак поступает в реторту диссоциатора, где при температуре 700—950 °С протекает реак­ция 2NH₃ = N₂ 4- ЗН₂, т. е. из одного объема газообразного аммиака образуется два объема газа, содержащего 25 % N_a и 75 % Н₂. Таким образом, из 1 кг жидкого аммиака образуется 2,64 м³ газообразных продуктов его диссоциации.

Из диссоциатора продукты диссоциации аммиака выходят с температурой около 900 °С. Их охлаждение происходит в двух последовательно расположенных по ходу газа теплообменниках. Первый из этих теплообменников находится в испарителе уста­новки, что позволяет использовать теплоту горячего газа для подогрева жидкого аммиака. Второй теплообменник предназначен для охлаждения газа до температуры 20 °С.

Схема установки для диссоциации аммиака показана на рис.1. Из баллонов 1 жидкий аммиак через уровнемер 2 по­ступает в испаритель 3. Предохранительный клапан 4 предохра­няет испаритель от чрезмерного давления. Необходимую теплоту для испарения аммиака в испаритель отдает при пуске установки электрический нагреватель 9 и во время работы установки тепло­обменник 5. Газообразный аммиак из испарителя поступает в диссоциа-тор 7 с электрическим нагревом. Проходя через реторту 6 диссоциатора, аммиак нагревается до температуры, превышающей 600 °С, и распадается на водород и азот. Реторта заполнена ка­тализатором, ускоряющим протекание реакции диссоциации ам­миака. Точка росы газа, выходящего из охладителя 8, находится в интервале температур —40ч- —50 °С.

Контролируемая атмосфера ДА из-за высокого содержания водорода взрывоопасна.

Для снижения стоимости контролируемой атмосферы и умень­шения ее взрывоопасности в ряде случаев из аммиака получают не атмосферу ДА, а атмосферу ДА-С. В этом случае продукты диссоциации аммиака подвергаются частичному сжиганию с воз­духом. В зависимости от величины коэффициента расхода воздуха в получаемой атмосфере содержание водорода изменяется от 4 до 20 %. Такая атмосфера используется при отжиге и нормали­зации стали с невысоким содержанием углерода, спекании ме­таллокерамики, пайке медью и ее сплавами.

Процесс получения из аммиака контролируемой атмосферы с низким содержанием водорода заключается в диссоциации аммиака, последующего частичного дожигания водорода и очистки продуктов горения от воды. В зависимости от содержания водорода в контролируемой атмосфере из 1 кг жидкого аммиака полу­чается 3,7—4,2 м³ атмосферы типа ДА-С.

Рис. 1. Схема установки для получения контролируемой атмосферы из аммиака

Углеводородные газы (метан, бутан, пропан и их смеси) широко применяют в качестве сырья для получения кон­тролируемых атмосфер. Наиболее широкое распространение в ма­шиностроении нашел метод получения за­щитных атмосфер из природного газа. При­родный газ состоит в основном из метана. При горении метана с недостатком воздуха образуются продукты неполного его горения, в состав которых входят водород и окись углерода _- Чем больше недостаток воздуха, т. е. чем меньше коэффициент расхода воздуха, тем больше в про­дуктах неполного горения метана будет водорода и окиси угле­рода. Минимальное количество воздуха для неполного горения метана определяется из реакции

СН₄ + 0,5O₂ = СО + 2Н₂,

т. е. для горения 1 м³ СН₄ подается 0,5 м³ О₂ и при этом образуется 1 м³ СО и 2 м³ Н₂. Горение метана с еще меньшим количеством воздуха (n < 0,25) недопустимо из-за появления свободного углерода в продуктах горения. Углерод, попадая в печь, скапли­вается в виде сажистых отложений, которые мешают работе меха­низмов печи и усложняют регулирование процесса нагрева.

Так как для горения метана используется не чистый кислород, а воздух, состоящий из 21 % О₂ и 79 % N₂, то при коэффициенте расхода воздуха л = 0,25 реакция горения метана будет следу­ющая:

СН₄ + 0,5О₈ + 1.88N, = СО + 2Н₂ + 1.88N,.

Эта реакция эндотермическая, может протекать лишь при подводе в реакционную камеру дополнительной теплоты. Про­дукты эндотермической реакции называются эндогазом. При п = = 0,25 состав эндогаза: 20,5 % СО, 41 % Н₂, остальное азот.

При увеличении коэффициента расхода воздуха в продуктах горения концентрация Н₂ и СО уменьшается, а концентрация N₂ увеличивается. Одновременно в продуктах горения появляются газы СО_а и Н₂О. Чем больше коэффициент расхода воздуха, тем больше выделяется теплоты. При п = 0,554-0,6 процесс горения метана возможен без дополнительного подогрева смеси. Реакция становится экзотермической, а продукт такой реакции называют -экзогазом.

Область экзогаза расположена при п = 0,55 – 0,6. В экзогазе, полученном при п = 0,55 - 0,9, содержится еще достаточное количество газов-восстановителей Н₂ и СО, поэтому его называют богатым экзога­зом в отличие от экзогаза, получаемого при п = 0,9 - 1, который содержит незначительное количество Н₂ и СО и поэтому называется бедным экзогазом.

Эндогаз и богатый экзогаз являются горючими и взрывоопас­ными газами. Бедный экзогаз в смеси с воздухом не горит и не взрывоопасен. Эндогаз обычно прямо подают в печь. Экзогаз, как правило, вначале очищают от СО₂ и Н₂О и только после этого подают в печь. Для получения эндогаза используют эндогазовые установки, а экзогаза — экзогазовые.

Эндогазовые установки (рис.2). Принцип их работы заклю­чается в приготовлении смеси природного газа и воздуха с п = 0,25, нагреве этой смеси до температуры 1050 °С и охлаждении образовавшихся продуктов неполного горения до 20—30 °С.

Природный газ поступает из цехового газопровода через рас­ходомер 1 и регулятор нулевого давления 2 в смеситель 3. Воздух, необходимый для получения эндогаза, засасывается компрессо­ром 11 из цеха через расходомер 4 и фильтр 5. В смесителе при­родный газ и воздух смешиваются в заданной пропорции. Кон­струкция смесителя обеспечивает автоматическое сохранение за­данной пропорции газ—воздух при различных режимах работы установки. Из компрессора газовоздушная смесь под давлением 20 кПа подается в реторту 8 генератора 6. Генератор может иметь электрический или газовый нагрев. Температура в нем поддержи­вается 1050 °С. Реторта изготовлена из хромоникелевой стали и заполнена катализатором 9.

Газовоздушная смесь, поступая в реторту, соприкасается с ка­тализатором и нагревается до необходимой температуры. Проис­ходит взаимодействие метана с кислородом воздуха. Горячий эндогаз по выходе из реторты охлаждают до температуры 20—30 °С в холодильнике 7, в который непрерывно поступает холодная вода. Эндогаз охлаждают, чтобы предупредить протекание реак­ции 2СО = СО₂ + С. Эта реакция протекает при 650 °С, в резуль­тате чего ухудшается состав эндогаза и в трубопроводах выпадает сажа.

Рис.2. Схема эндогазовой установки

В качестве катализатора используют кусочки высокоглино-зема А1₂О₈, пропитанные солями никеля. Металлический никель оказывает каталитическое воздействие на реакции образования СО и Н₂. В эндогазовых установках применяют катализатор ГИАП-8.

Для предупреждения попадания пламени в компрессор при воспламенении газовоздушной смеси на участке от компрессора до реторты установлен пламегасительный клапан 10. В пламе-гасительном клапане имеются обойма из гофрированной медной полосы, препятствующая распространению пламени, и биметал­лические пластинки. При разогреве биметаллических пластинок до температуры 90 °С срабатывает клапан, перекрывающий трубо­провод и останавливающий компрессор.

Если в природном газе содержатся сернистые соединения, то перед подачей природного газа в эндогазовую установку его необходимо очистить от серы. В противном случае сернистые со­единения выводят из строя катализатор, реакция в реторте про­текает не полностью и в выходящем из реторты газе будут со­держаться СН₄, СО₂, Н₂О и О₂. Для очистки от серы природный газ нагревают до температуры 350 °С в присутствии катализатора ГИАП-10.

Экзогазовые установки. В зависимости от необходимого состава защитного газа в промышленности применяют два типа экзога-зовых установок — для получения богатого и бедного экзогаза.

Установки для получения богатого экзогаза (рис. 3) состоят из системы подготовки газовоздушной смеси, камеры сгорания и системы для очистки продуктов горения от водяных паров. Система подготовки газовоздушной смеси аналогична системе эндогазовой установки. Камера сгорания выполнена в виде обычной топки для сжигания газообразного топлива. Система очистки от Н₂О состоит из охладителя для предварительного охлаждения, размещенного рядом с камерой сгорания, и допол­нительной холодильной установки.

Рис 3. Схема экзогазовой установки для получения богатого экзогаз а

Последовательность получения богатого экзогаза следующая. Компрессор 10 через пламегаситель 9 подает в горелку 4 газо­воздушную смесь с n = 0,55. Поступая в камеру сгорания 5, смесь воспламеняется. При выходе из камеры сгорания продукты неполного горения содержат 4 % СО_а, 13 % Н₂О, 12 % СО, 16 % Н₂, остальное N₂. Данный состав из-за высокого содержа­ния Н₂О (130 г/м³) практически не пригоден для термической обработки.

В охладителе 6 газ охлаждается до 20—30 °С. Сконденсировав­шаяся влага удаляется через конденсатоотводчикв. После охлади­теля 6 в экзогазе содержится 30 г/м⁸ влаги. Для более полной осушки экзогаза его пропускают через установку 7, в которой используют фреон. Дополнительное охлаждение экзогаза до 3—5 °С снижает содержание влаги в экзогазе до 5—6 г/м³. Окон­чательный состав экзогаза, направляемого в печь, следующий: 5 % СО₂, 1 % Н_аО, 14 % СО, 18 % Н₂, остальное N..

Исходный природный газ подается через расходомер 1 и регу­лятор давления 2, а воздух, засасываемый из атмосферы, прохо­дит через фильтр 11 и расходомер 3.

Дата добавления: 2014-01-04