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 - ЗН₂, т. е. из одного объема газообразного аммиака образуется два объема газа, содержащего 25 % N_a и 75 % Н₂.

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.8.1. 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.

Рис.8. 1. Схема установки для получения контролируемой атмосферы из аммиака

52.УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АТМОСФЕР ИЗ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

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.

Так как для горения метана используется не чистый кислород, а воздух, то при коэффициенте расхода воздуха n = 0,25 реакция горения метана будет эндотермическая, может протекать лишь при подводе в реакционную камеру дополнительной теплоты. Про­дукты эндотермической реакции называются эндогазом.

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.

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.

Эндогазовые установки. 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 и регулятор нулевого давленияв смеситель. Воздух, необходимый для получения эндогаза, засасывается компрессо­ром из цеха через расходомер и фильтр. В смесителе при­родный газ и воздух смешиваются в заданной пропорции. Из компрессора газовоздушная смесь под давлением 20 кПа подается в ретортугенератора. Температура в нем поддержи­вается 1050 °С. 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, 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.

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

Установки для получения богатого экзогаза 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.

Последовательность получения богатого экзогаза следующая. Компрессор через пламегаситель подает в горелкугазо­воздушную смесь с n = 0,55. Поступая в камеру сгорания, 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 практически не пригоден для термической обработки.

В охладителегаз охлаждается до 20—30 °С. Сконденсировав­шаяся влага удаляется через конденсатоотводчик. Для более полной осушки экзогаза его пропускают через установку, в которой используют фреон. Окон­чательный состав экзогаза, направляемого в печь, следующий: 5 % СО₂, 1 % Н_аО, 14 % СО, 18 % Н₂, остальное N.

Исходный природный газ подается через расходомери регу­лятор давления, а воздух, засасываемый из атмосферы, прохо­дит через фильтр и расходомер.

53.УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕР ДЛЯ ЦЕМЕНТАЦИИ И НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ

Атмосферы для цементации. При цементации ис­пользуют атмосферы, приготовленные смешением газа-носителя с углеводородным газом. В качестве газа-носителя преимущественно используется эндогаз, а в качестве добавок к нему — природный газ, пропан или бутан.

Для получения стабильных результатов цементации состав печной атмосферы должен быть постоянным. Контроль и регули­рование состава атмосферы печи выполняются специальной уста­новкой, включающей прибор для измерения точки росы атмосферы или прибор для измерения содержания в атмосфере углекислого газа.

В рабочее пространство печи 5подается смесь эндогаза и природ­ного газа. Расход эндогаза природного газа контролируется по расходомерами 7, 8.

Расход природного газа регулируется автома­тически клапаном 9, по­лучающим команду от га­зоанализатора, который определяет содержание СО₂ или точку росы в атмосфере печи. Отбор атмос­феры из печи на анализ осуществляется по трубо­проводу 3. Газоанализатор, исследовав пробу атмосферы печи, дает команду на клапан, который приоткры­вается, и в печь через расходомер 8 начинает поступать природный газ.

Рис.8.4.Схема автоматического регулирования углеродного потенциала в печи

Атмосферы для нитроцементации. Эти атмосферы приготов­ляют, как правило, смешением эндогаза, природного газа и ам­миака. Эндогаз выполняет роль газа-носителя. Природный газ необходим как источник углерода, а аммиак как источник азота.

Контроль состава атмосферы в печи при нитроцементации прово­дится аналогично регулированию атмосферы в цементационной печи. Необходимо лишь учитывать, что аммиак, присутствующий в нитроцементирующей атмосфере, разрушающе действует на литиевый датчик в приборах для измерения точки росы атмосферы, поэтому углеродный потенциал атмосферы в нитроцементационных печах автоматически регулируется преи­мущественно по содержанию в печи СО₂

Дата добавления: 2014-12-24