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. 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.82). 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.8.2. 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 составазащитного газа в промышленности применяют два типа экзога-зовых установок — для получения богатого и бедного экзогаза.

Установки для получения богатого экзогаза (рис. 8.3)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 скамерой сгорания, и допол­нительной холодильной установки.

Рис 8.3. Схема экзогазовой установки для получения богатого экзогаза

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.