Автор: Ю.Ф. Булгаков
Практика борьбы с подземными пожарами в Украине и за рубежом показала, что для инертизации атмосферы изолированных пожарных участков и снижения концентрации кислорода в очаге горения целесообразно применять газообразный азот. При этом представляет особый интерес использование современных газоразделительных установок непрерывного действия для получения азота непосредственно из шахтного воздуха. По сравнению с традиционными способами получения азота мембранная технология имеет ряд существенных преимуществ, заключающихся в отсутствии фазовых переходов, химических изменений состава разделяемых компонентов, тепловых и динамических нагрузок. Мембранные установки просты и надежны в эксплуатации, отличаются экономичностью, что обусловливает особый интерес горноспасателей к возможности их использования для локализации пожаров. В месте с тем, в настоящее время, в Украине отсутствуют шахтные газоразделительные установки, а также нет научно-обоснованной методики расчета их параметров. Поэтому в данной статье приведено обоснование параметров таких установок.
В общем виде процесс разделения газовых смесей с помощью селективно проницаемых мембран можно представить в виде трех потоков: потока. входящего в к мембрану J0, потока, проходящего через мембрану (пермеат) J/, и потока, отходящего от мембраны (ретант) J.
Разделяющую способность мембраны принято характеризовать значением селективности R:
R = ((C2 – C2')/C2)*100,
где C2 – содержание задерживаемого вещества в потоке, j0, %; C2’– содержание этого же вещества в поступающем потоке, j’, %.
Кроме того, разделяющую способность мембран можно охарактеризовать величиной фактора разделения, представляющего собой отношение проходящих через мембрану потоков двух компонентов разделяемой системы.
F = J1 / J2,
J1 – расход воздуха, проходящего через мембрану, м³/мин; J2 – расход азота, выходящего из мембраны, м³/мин.
Наряду с указанными характеристиками мембраны процесс мембранного разделения определяется коэффициентом проницаемости р:
р= Q*б/S*t*(p1–p2),
где Q – объем проникшего через мембрану газа, м³;
б – толщина мембраны, м; S – площадь мембраны, м²; ; t – время проникновения, с; p1, p2 – давление по разные стороны мембраны, МПа.
Согласно теоретическим исследованиям диффузионное проникновение через тонкие мембраны представляют собой сложный процесс, включающий следующие стадии :
адсорбцию газа на поверхности мембраны;
растворение газа на поверхности мембраны; активную диффузию газа через мембрану; выделение газа из раствора на противоположной поверхности; десорбцию газа с обратной стороны мембраны.
Считается, что газы через мембраны проникают в молекулярной форме, при этом степень приницаемости для различных газов различная. Движущей силой процесса газоразделения на полимерных мембранах является разность парциальных давлений компонентов газовой смеси между обеими сторонами мембраны, которая для i компонентов может быть выражена в виде :
Pi = Pb * xi * Pн * yi,
где Pb, Pн давление газовой смеси над и под мембраной, МПа; xi, yi – содержание i – компонентов в исходной смеси и в продукте соответственно, %.
Движущая сила характеризует скорость проницания i – компонента через пленку, которая определяется из выражения :
Vi = Pi * Pi.
Изучение разделения газовых смесей с помощью мембран привело к созданию целого ряда различных методов расчета газоразделительных процессов. При применении асимметричных мембран, которые характеризуются высокой газопроницаемостью, процесс движения разделяемого потока приближается к поршневому. При этом скорость течения разделяемого газа в межэлементном пространстве достигает больших значений, что снижает обратное перемешивание и продольную молекулярную диффузию, направленную против движения разделяемого потока. Уравнение материального баланса общего расхода бинарной смеси мембранного аппарата имеет вид
GН = Gk + g,
где GH – общий расход бинарной смеси, м'/с; GK расход установки по ретанту, м3/с; g – расход установки по пермеату, м"/с
Анализ уравнения показывает, что для определения общего расхода бинарной смеси при заданном расходе установки по ретанту, необходимо знать расход по пермеату.
Для случая разделения газовой смеси, подаваемой с постоянным расходом и содержанием в ней отводимого газа, а также неизменной проницаемости мембранного аппарата система уравнений имеет вид:
Однако, при инертизации среды аварийного участка определяющей является концентрация кислорода и других отводимых газов в ретанте, а не в пермеате. Связь этих концентраций описывается уравнением материального баланса кислорода в процессе газоразделения.
Gпx = Giz + gy,
где z – концентрация кислорода и других газов в ретанте.
Таким образом, в результате решения системы уравнений, описывающей материальный баланс мембранного газоразделительного процесса, получена зависимость расхода проникшей газовой смеси от проницаемости мембраны и давления на ней. Полученная зависимость позволяет рассчитать расход исходной смеси газов, которую необходимо подать на мембрану для получения определенного расхода продукционного газа, а также определить площадь мембраны в зависимости от режима работы установки. Экспериментальное определение параметров и отработка работы передвижной шахтной мембранной газоразделительной установки проводилось в лабораторных и натурных условиях.
Как видно из приведенных данных, отклонения в результатах определения содержания кислорода в ретанте, полученных с помощью оксиметра, и хроматографическим методом отклоняются незначительно. При этом оксиметр дает завышенные данные, отклонения которых не превышает + 5,5 %. Кроме того, следует отметить, что с увеличением давления входящего потока содержание кислорода в ретанте снижается, а азота растет. Так, при давлении 0,5 МПа на исследуемой установке содержание кислорода в ретанте составляло 6,0, а азота – 93,5 %.
Отработка режимов работы установки показала, что контрольно-измерительная аппаратура, газоразделительный модуль и газопроводная арматура работали в нормальном режиме. Работа компрессора была надежной. Поэтому в процессе отработки режимов работы было найдено оптимальное давление равное 0,325–0,37 МПа, которое позволяло поддерживать расход сжатого воздуха в пределах 0,37–0,495 м/мин при обеспечении необходимой безопасности работ. В этих условиях установка проработала порядка 320 часов. При этом произведено 35 единичных замеров параметров газоразделительной установки. Результаты этих замеров показали, что при выбранных режимах работы установка обеспечивала содержание кислорода в ретанте 11,5–13,0 % или 88,5–87 % азота. Следует отметить, что в начале исследований (эксперименты 1–12) содержание кислорода в ретанте колебалось в пределах 11,5–12,5 %, а затем начало расти и в конце выполнения работ возросло до 13 % (опыты 28–36). В дальнейшем режим работы газоразделительного модуля был изменен и аппарат МГА-20/0,9 проработал в течение длительного времени (около 200 часов), обеспечивая содержание азота, равное 99,0; 97,0 и 95,0 % при расходе ретанта 0,5; 1,66 и 4,15 м3/мин соответственно. При этом 168 часов непрерывной работы не оказали практически никакого влияния на параметры газоразделения.
Оценка адекватности экспериментальных данных расчетным, выполненная с помощью элементов математической статистики и теории надежности и полученные при этом удовлетворительные результаты дают возможность считать целесообразным использование мембранных установок разделения рудничного воздуха для получения азота непосредственно в шахтных условиях.