ОЦЕНКА ПОТЕРЬ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПРИ ИХ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ, ХРАНЕНИИ И ПЕРЕРАБОТКЕ

По материалам журнала "Технические газы", № 6, 2006

Широкое распространение находят технологии обеспечения сжатыми газами (кис­лородом, азотом, аргоном) различных потребителей. Для этой цели используются жидкие криогенные продукты разделения воздуха, которые газифицируются при их заправке в баллоны. Рассмотрены источники потерь криопродуктов на пути от их производителя до потребителя баллонных технических газов и их смесей. Выполне­на количественная оценка потерь на различных технологических этапах перера­ботки (транспортировании, переливе, хранении и газификации) при использовании распространенных образцов криогенного оборудования. Определены наиболее зна­чительные потери криопродуктов.

1. ВВЕДЕНИЕ

Переработка криогенных продуктов разделения воздуха (ПРВ) с целью получения компримированных или, так называемых, «баллонных» технических газов (кислорода, азота, аргона и их смесей) неиз­бежно сопряжена с проблемой потерь исходных продуктов. Один из аспектов этой проблемы — вы­бор транспортного средства в зависимости от коли­чества продукта и транспортного плеча подробно рассмотрен в [ 1 ].

Не менее важным для такого способа производ­ства газов является возможность планирования, а следовательно — управления указанными потеря­ми. Среди причин, побудивших нас заняться этим вопросом, были и определение реальной себестои­мости производимой продукции, и аргументация от­ветов на претензии налоговиков. По мнению пос­ледних, если судить по бухгалтерским документам о закупках сырья, а также о продажах готовой про­дукции, «исчезновение» части сырья должно было бы свидетельствовать о сокрытии эквивалентной части продукции, а следовательно о недоплате нало­гов. Поэтому нам необходимо было разработать обоснованный «Нормативный расчёт потерь», ко­торый служил бы основанием для списания упомя­нутой части сырья.

Попытаемся выделить и описать основные источ­ники потерь на различных этапах технологии перера­ботки криопродуктов:

• наполнения и транспортировки в цистернах;
• слива продукта в приёмное хранилище или дру­гую цистерну;
• газификации и наполнения баллонов.

Выполним количественные оценки перечислен­ных потерь.

2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОЦЕНКИ

На рисунке изображена приблизительная универ­сальная схема, на примере которой можно рассмот­реть решение поставленной задачи. Заметим сразу, что речь пойдёт об обоснованной оценке потерь. Рас­считать их точно невозможно, если даже исключить ошибки операторов-аппаратчиков.

К источникам потерь продукта относятся стати­ческие потери от испарения жидких ПРВ в стационар­ных или транспортных резервуарах за счёт естествен­ных теплопритоков. Как правило, величина этих по­терь в виде конкретного значения задаётся производи­телем резервуара в качестве его характеристики на основе сдаточных испытаний образца. Например, для цистерны ЦТК-8/0,25М — это 1,70 кг/ч по кислоро­ду, а для железнодорожных цистерн 8Г513 — 0,26 % в сутки по кислороду. Иногда эта характеристика при­водится для кислорода и азота, реже включает и ар­гон. Заметим, что из-за различия в физических свой­ствах ПРВ, если потеря задана для одного криопродукта, то при определении потерь для другого требует­ся пересчёт. При этом можно принять, что теплоприток к продукту в конкретной цистерне одинаков для всех жидких ПРВ из-за приблизительно одинаковой разности температур окружающей среды и точки ки­пения. При задании потери от испарения в кг/ч пере­счёт ведется пропорционально скрытой теплоте паро­образования.

Так как Q₁ = G₁ · r₁ и Q₂ = G₂ · r₂ ,

то из условия Q₁ = Q₂

получаем: Q₂=G₂ · r₁ / r₂ ,

где Q₁ — теплоприток к известному продукту в цис­терне, для которой задана потеря G₁ в кг/ч и известно значение теплоты парообразования r₁; Q₂ — то же, если цистерна заполнена другим продуктом с извест­ным значением r₂; G₂ — искомая величина потери от испарения, кг/ч.

В случае же, когда упомянутая величина потерь дана в процентах, пересчёт требует учёта ещё и плот­ности продукта.

Принимая во внимание, что Q₁ = V₁ · P₁ · r₁ · K₁ , Q₂ = V₂ · P₂ · r₂ · K₂ , Q₁ = Q₂

и V₁ = V₂ ,

находим: К₂=К₁ · ρ₁ · r₁ / ρ₂ · r₂

Здесь V — объём продукта, залитого в цис­терну; r₁ , r₂ и р₁ , р₂ — теплоты парообразо­вания и плотности криопродуктов; К1, К2 — заданная и определяемая величины суточных потерь, %.

В рассмотренных случаях потери даются для условий, когда цистерна «новая» и ис­пользуется в режимах стационарной работы. Опыт показывает, что при нормальной её эксплуатации и поддержании штатного ваку­ума в изоляционном пространстве цистерна остаётся «новой» применительно к качеству изоляции на протяжении всего срока использования и даже намного дольше. В этих условиях никаких поправок на старение или износ изоляции предлагаем не делать.

При транспортировании наполненной цистерны зеркало жидкости не бывает плос­ким и постоянно находится под воздействием возмущений. Последнее приводит к более ин­тенсивному теплообмену между криопродуктом с верхней наиболее прогретой зоной внутреннего сосуда. Разумеется, потери от испарения в статических условиях, которые рассматривались выше, возрастают, что мож­но учесть эмпирическим коэффициентом* R=1,1, одинаковым для железнодо­рожного и автомобильного транс­порта.

^*) В начале 60-х годов прошлого века один из авторов был участником экспериментов, проводимых во «ВНИИКИМАШ» с целью исследования интенсивности теплообмена между жидким азотом и паровой подушкой в закрытом сосуде в условиях тряски. Авторы (А. Краузе, В. Пронько и Л. Аксельрод) установили, что в условиях возмущений, аналогичных транспортным, потери жидкости возрастали на 10—13 %. К сожалению, отчёты о проведенных работах не сохранились.

Таблица 1. Затраты криопродукта (в кг) на полное вытеснение жидкости из резервуаров

^*) Данные получены по методике, изложенной в публикации [ 2 ]

Известно, что при опорожнении криогенных цистерн и резервуаров с верхним сливом всегда в них остаёт­ся часть продукта, называемая «недозабором» или «несливаемым» ос­татком, что также может быть отне­сено к потерям, величина которых неодинакова и принимается 0,5 % от объёма для вертикальных сосудов и 0,7 % — для го­ризонтальных.

Последующий перелив из транспортной в приём­ную ёмкость влечет за собой еще ряд потерь. Это, во-первых, затраты жидкости на генерацию газа с целью подъёма давления, необходимого для выдавливания продукта. Во-вторых, потери жидкого продукта на ох­лаждение или «доохлаждение» наполняемой ёмкости до температуры насыщения. В-третьих, потери в ком­муникациях, соединяющих обе ёмкости, в которых жидкость интенсивно кипит за счёт теплопритока из окружающей среды. В качестве коммуникаций ис­пользуются, как правило, неизолированные гибкие металлорукава. Наконец, в-четвертых, это — остатки жидкости в металлорукавах после окончания опера­ции перелива, которые в пределе равны их объёму.

Наиболее сложным является вопрос определения количества генерируемого испарителем газа, идущего на вытеснение жидкости из ёмкости. Физическая кар­тина этого процесса весьма непроста. Образующийся в испарителе газ при неизвестной температуре, но за­ведомо большей, чем температура насыщения, посту­пает в сосуд, повышая давление над жидкостью с Р₁ до Р₂. С одной стороны, на поверхности жидкости нач­нётся конденсация, а поверхностный слой будет прог­реваться до температуры насыщения, соответствую­щей Р₂. С другой стороны, конденсация будет и на стенке сосуда и продолжится по мере понижения уровня, опускаясь неким поясом вместе с ним. В верх­ней части сосуда стенка станет прогреваться под действием поступающего пара и снижения уровня жидкости. Сам же газ над жидкостью примет некую среднюю температуру, которая будет ниже, чем после испарителя, но выше температуры насыщения. Мо­дель этого комплексного процесса в своё время была описана системой уравнений в публикации [2], кото­рая решалась с использованием многочисленных до­пущений, включая некий произвол в задании гранич­ных условий. Для инженерной практики эта методика расчёта вряд ли применима из-за её громоздкости. В то же время, если знать давление и температуру газа в сосуде в конце опорожнения, его количество стано­вится вполне определенным.

На практике при работе с криогенными резервуа­рами с вытеснительной системой опорожнения конеч­ное давление, как правило, поддерживается на уровне 0,2 МПа. Что касается температуры, то она была на­ми измерена непосредственно. Методика и результаты эксперимента — это самостоятельная тема. Здесь же отметим только, что с помощью зонда с термометром типа ТСП-4054 была измерена температура газа в га­зосбросной трубе при сбросе давления в конце опо­рожнения цистерн с азотом, кислородом и аргоном. Измеренная температура оставалась в пределах 123-135 К. Приняв Р = 0,2 МПа и Т = 130 К, можно без труда получить данные, представленные в табл. 1. Здесь же для сравнения даны результаты расчётов по упомянутой методике [2]. Последняя разрабатывалась с целью определения гарантированной производи­тельности испарителя при решении специальной зада­чи, чем и можно оправдать несколько завышенные, хотя и близкие результаты.

Некоторые данные о потерях на охлаждение (до-охлаждение) внутреннего сосуда для малых резервуа­ров и различных криопродуктов приведены в работе [3]. Мы же рассмотрим два крайних случая: цистерна не имеет перерывов между опорожнением и наполне­нием или поступает на наполнение «тёплой». В обоих случаях допустимо принять, что охлаждение до темпе­ратуры насыщения идёт только за счёт теплоты паро­образования без рекуперации холода паров. Поэтому полученный результат будет незначительно, как пока­зывают оценки, завышен. В первом случае за началь­ную температуру сосуда уверенно принимаем изме­ренную нами температуру газа наддува в конце опо­рожнения (Т_н = 130 К), а во втором — температуру ок­ружающей среды (Т_н = 3ОО К).

Из теплового баланса следует, что

G_п =G_м · с_м(T_н -T_с)/r_п,

где G_п — масса затрачиваемого криопродукта; G_м — масса металла сосуда; с_м — осредненная теплоём­кость металла в диапазоне от температуры насыщения криопродукта T_с до T_н =130 или 300 К; r_п — теплота парообразования криопродукта.

Результаты расчётов для широко распространен­ных резервуаров приведены в табл. 2. Имея данные о других сосудах из сопроводительной техдокументации (например, из паспортов на сосуды), по материалу и массе можно без труда рассчитать эту величину для конкретного продукта.

Теперь рассмотрим потери при передаче криопро­дукта по неизолированным металлорукавам. Четко учесть все физические факторы (конденсацию возду­ха, образование инея, его неоднородную структуру и толщину) весьма затруднительно. Поэтому, используя многолетние наблюдения, а также данные исследова­ний [4,5], примем упрощенную модель теплового вза­имодействия криопотока с окружающей средой. При этом тепловое сопротивление складывается из кон­вективной составляющей на поверхности инея; терми­ческого сопротивления самого инея; сопротивления при кипении криопродукта на внутренней поверхности гофрированного шланга.

Таблица 2.Затраты криопродуктов (в кг) на охлаждение некоторых сосудов от начальных температур 130 и 300 К до температур насыщения

Полагается также, что конденсация воздуха (для азота) отсутствует из-за наличия слоя инея. Сам слой одинаков по всей длине шланга; его толщина, обычно не превышающая 10 мм, зависит только от времени использования шланга. Его теплопроводность прини­мается постоянной [5].Выполненные нами вычисления с учётом гофров на шлаге и принятых допущений дали следующие ре­зультаты для шлангов с D = 40 мм и D = 50 мм в расчё­те на 1 м пог. в час соответственно: 7,2 и 8,3 кг.

Наконец, укажем ещё одну потерю, связанную с необходимостью сохранения качества исходных криопродуктов при наполнении баллонов газами высокой чистоты, когда используются такие технологические приёмы как продувки или «полоскания» (одно- или многократное наполнение и сброс газа из баллона). Потери продукта в этом случае зависят от конкретных режимных параметров и определяются простым рас­чётом.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная работа позволяет ориентировоч­но оценить потери, связанные с транспортировкой и переработкой криопродуктов. Эта приблизитель­ность, впрочем, вполне оправданная при решении обозначенной задачи, объясняется и неоднознач­ностью режимных параметров (например, давления наддува при переливе), и пренебрежением такими, например, потерями, как теплоподвод из-за промер­зания изоляции сосуда, отвод теплоты сжатия в жид­кость от погружного насоса или наличие негерметич­ности.

Представленные данные и оценки помогут произ­водителю в разработке нормативов расходования сырья, технологических регламентов при выполнении более точного определения себестоимости техниче­ских газов, а также поиске путей снижения потерь продуктов. Например, можно заменить «полоскание» баллонов на их вакуумирование.

Проведенный авторами трёхлетний мониторинг потерь аргона показал, что они составляют 20—25 % от закупленного продукта. Это почти точно совпадает с расчётами (22—24 %), выполненными по представ­ленной методике с учётом соответствующей техноло­гии (см. рисунок). При этом объём переработки про­дукта составлял 80—95 т/мес.

Расчёты показали, что основной потерей являют­ся затраты продукта на создание давления наддува. Это обстоятельство стимулирует применение перека­чивающих насосов и сокращение перегрузок. Расчёт именно этих потерь вызывает в то же время наиболь­шее доверие, поскольку параметры газа наддува в со­суде резервуара, как отмечалось, были измерены не­посредственно. Такое измерение, несмотря на внеш­нюю простоту, было выполнено, по нашему мнению, впервые. Очевидно, точность оценок будет выше в каждом конкретном случае в условиях реальных ре­жимных параметров, внешних факторов, конкретных видов оборудования и применяемых технологий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технико-экономический анализ перевозок аргона / В.Л. Бондаренко, С.Ю. Вигуржинская, Т.В. Дьяченко и др. // Технические газы. — 2006. — № 2. — С. 60 —67.

2. Пронько В.Г., Аксельрод Л.С, Никонов А.А. Ана­лиз процессов выдачи криогенной жидкости под наддувом// Аппараты и машины кислородных и криогенных установок: Научные труды ВНИИКриогенмаш. — Вып. 13 — М.: Ма­шиностроение, 1971. — С. 3 —12.

3. Фастовский Е.Г., Петровский Ю.В., Ровинский А.Е. Криогенная техника. — М.: Энергия, 1974. — 495 с.

4. Кларк Д.А. Криогенная теплопередача. — М.: Мир, 1971. — 561 с.

5. Справочник по физико-техническим основам криоге-ники. Под ред. М.П. Малкова. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 432 с.

• < Назад
• Вперёд >