Исследование мембранного метода разделения воздуха для определения возможности его использования в продукции предприятия

Пинчук Е. А., Черкасский И. О. Исследование мембранного метода разделения воздуха для определения возможности его использования в продукции предприятия. В статье рассматриваются перспективы применения мембранных воздухоразделительных установок на Уральском Компрессорном Заводе.

Уральский компрессорный завод является одним из старейших производителей воздухоразделительных систем в России. Предприятием давно освоен криогенный метод разделения воздуха и выпускаются воздухоразделительные установки работающие по этому принципу. Однако, следует отметить, что криогенное разделение воздуха, в силу своей специфики, имеет довольно узкую область применения, и, зачастую, не может быть использовано в других направлениях производимой предприятием продукции, где есть небходимость в получении продуктов разделения воздуха. В последние несколько лет особый интерес для предприятия представляет процесс получения инертной, по отношению к процессу воспламенения и горения, газовых смесей (далее ИГС) из воздуха при обеспечении требований заказчиков к массе и габаритам воздухоразделительного и компрессорного оборудования. Основной компонент такой смеси - азот, из-за своей химической стабильности и распространенности в атмосферном воздухе.

С осени 2009 по весну 2010 года, техническими службами завода было произведено исследование существующих методов получения ИГС из воздуха и определение метода наболее подходящего для содания системы разделения газов, способной стабильно работать в тяжелых условиях эксплуатации продукции завода. В результате проведённой работы наиболее перспективным для практической реализации был признан метод мембранного разделения газов, который и был детально изучен.

Как известно, мембранное разделение газов основано на различной проницаемости (скорости проникновения) различных газов через вещество мебраны. Такая технология предполагает конечную концентрацию азота в ИГС до 99,9% (по информации европейских и североамериканских фирм-производителей). Сам процесс разделения воздуха происходит в мембранных картриджах, исследование этого процесса проводилось на специально разработанном стенде, а целями исследования было:

– Получить представление о работе мембранной воздухоразделительной установки (далее МВРУ) для получения инертной газовой смеси с объёмным содержданием азота не менее 90%;

– Определить состав и конструктивные особенности системы измерения остаточной концентрации кислорода в ИГС;

– Изучить влияние изменения параметров сжатого воздуха (давление, температура, влажность) на входе в МВРУ на характеристики ИГС на выходе;

– Достигнуть максимального постоянства концентрации азота в ИГС, при условии переменных давления и температуры разделяемой среды.

Исследовательский стенд, на котором проводилось работа состоит из следующих систем и компонентов:

• Мембранный картридж мод.ST 1508;
• Система подготовки воздуха;
• Система автоматики;
• Система контроля остаточной концентрации кислорода в ИГС.

Стенд (Рисунок 1) обеспечивался сжатым воздуом при помощи винтового компрессора и имел возможность регулировки давления и температуры сжатого воздуха на входе. На стенде изучались принципы действия основных систем МВРУ, так же уточнялся их состав и конструктивное исполнение. Ниже подробно рассмотрены принципы дейсвия основных систем стенда.

Мембранные картриджи являются оновным элементом стенда и МВРУ, непосредственно в которых происходит процесс разделения воздуха. Картридж, представляет из себя цилиндрический металлический корпус, внутри которого расположен пучок полых, перфорированных по образующей, полимерных нитей, особым образом скрепленных между собой. В процессе разделения торцевые и внутренние поверхности мембраны находятся под рабочим давлением, со стороны разделяемой среды и инертной газовой смеси, а боковая поверхность находится под атмосферным давлением. За счет разности этих давлений и разного времени прохождения газов через вещество мембраны происходит процесс разделения. Отделённые газы, быстро прошедшие через мембрану (водяной пар, водород, кислород, углекислый газ), выбрасываются в атмосферу. Оставшаяся часть газов (преимущественно азот, некоторое количество кислорода, углеводороды) с некоторой потерей давления, подается далее в трубопровод.

Для работы мембранных картриджей необходимо выполнение ряда требований по качеству разделяемой среды. В разделояемой среде недопускается наличие капельной влаги, веществ химически активных по отношению к материалу мембраны (и веществ образующих кислоты в водных растворах), а так же необходимо обеспечение фильтрация от различных механических примесей. Следует отметить, что в процессе разделения происходит изменение объема и давления разделяемой среды, в следствии отсевания части газов, в свою очередь это приводит к понижению температуры оставшихся газов. В результате чего возможно появление водяного конденсата в теле мембраны, что приводит к резкому падению эффективности разделения. Решить данную проблему возможно несколькими способами, в рамках проводимых исследований было решено избежать возможной конденсации путем предварительного подогрева сжатого воздуха и, как следствие, изменения её относительной влажности. После проведения анализа климатических условий в месте проведения испытаний, было установлено что работа подогревателя необходима при температуре окружающей среды выше -4 С.

Выполнение вышеуказанных требований на стенде обеспечивалось системой подготовки воздуха, состоящей из блока фильтрации, влагоотделителя и проточного электронагревателя, управляемого системой автоматики. Системой автоматики осуществлялось включение подогревателя по температуре окружающего воздуха, а так же, в случае его работы, поддержание температуры перегрева воздуха в заданных пределах.

Дополнительно на стенде была проработана возможность установки системы предпускового подогрева.Для контроля состава ИГС была разработана система измерения концентрации кислорода, состоящая из точки забора пробы, дросселя, циркониевого датчика и платы расширения.

Циркониевые датчики нашли широкое применение в тех отраслях где необходимо измерение концентрации кислорода в газовых смесях с высокой температурой, к примеру, широкое распространение датчики этого типа получили в автомобилестроении, в качестве λ-зондов. И других системах анализа полноты сгорания (в котлах, печах и пр.), где температура анализируемой среды достаточно высока, порядка 600-700 С. Так как температура ИГС на выходе из МВРУ порядка 30-50 С, в зависимости от внешних условий — в системе измерения концентрации кислорода был применен циркониевый датчик со встроенным подогревателем анализируемой среды.

Точка отбора пробы устанавливается на трубе, после мембранных модулей и конструктивно представляет из себя небольшую емкость, соедененную с атмосферой, в которой установлен датчик – измеритель. В емкость через регулируемый дроссель, подается анализируемая смесь газов. Дроссель служит для регулировки расхода исследуемой смеси и понижения давления (за счет расширения) до атмосферного. При изменении концентрации кислорода происходит определенное изменение выходного сигнала датчика который фиксируется платой и преобразуется в конечный выходной сигнал в формате 4-20 мА, с учетом корректирующих факторов (атмосферное давление, давление и температура ИГС). Так же с платы осуществляется автоматическое управление датчиком: включение и изменение работы нагревательного элемента и помпы.

Помимо системы с циркониевым датчиком, концентрация кислорода замерялась стационарным прибором «Флюорит Ц» для контпроля точности измерений.

Испытания блока проводились при разных значениях температуры и давления на входе в стенд наиболее полно отражающих рабочие условия в составе компрессорной станции. Испытания проводились по следующей методике:

– Устанавливалась температура разделяемой среды на входе в блок от плюс 30 С до плюс 60 С с шагом 5 С;

– При установившейся температуре среды происходило последовательное изменение давления от 1 МПа до 1,3 МПа с шагом 0,1 МПа;

– При установившемся давлении производился замер производительности (Q) по ИГС, и концентрации кислорода (p) в ИГС.

На основании полученных данных были определены зависимости, отраженные в следущих графиках (рис. 2 и 3):

• Расход ИГС от давления, при постоянной температуре;
• Концентрация кислорода в ИГС от давления, при постоянной температуре;
• Расход ИГС от температуры, при постоянном давлении;
• Концентрация кислорода в ИГС от температуры, при постоянном давлении.

В результате проведенных испытаний:

• установлены общие зависимости, отражающие влияние изменения параметров сжатого воздуха на входе в стенд на производительность по ИГС и концентрацию кислорода на выходе из МВРУ;
• разработана система определения остаточной концентрации кислорода в ИГС, сохраняющая свою работоспособность при температурах до -45°С, имеющая высокую точность показаний, не зависящих от внешних условий (атмосферное давление и температура) и не требующая корректировки параметров сжатого воздуха на входе в точку отбора пробы;
• разработана система, которя позволяет эксплуатировать МВРУ при тяжелых внешних условиях (меняющиеся в широком диапазоне температура и влажность окружающего воздуха).

На основании полученных результатов, специалисты предприятия изготовили опытный образец собственной МВРУ, результаты испытаний которой в полном объёме согласуются с ранее полученными на исследовательском стенде.

На сегодняшний день завод готов разработать и поставить МВРУ под любые требуемые параметры для адаптации в производимое заказчиком оборудование в самые сжатые сроки.