Основные источники потерь криогенных продуктов

Переработка криогенных продуктов разделения воздуха с целью получения компримированных 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. Не менее важным для такого способа производства газов является возможность планирования, а следовательно — управления указанными потерями.

Основные источники потерь на различных этапах технологии переработки криопродуктов:

  • потери от при транспортировке и хранении
  • затраты на подъем давления в цистерне при опорожнении «несливаемый остаток»
  • испарение в металлорукавах при переливе
  • остаток продукта при окончании перелива в металлорукаве
  • потери газа при наполнении баллонов (продувка полосканние)
Потери криопродуктов

Описание модели и количественные оценки

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 цис терне, для которой задана потеря G1 в кг/ч и известно значение теплоты парообразования r1;
  • Q2 — то же, если цистерна заполнена другим продуктом с извест ным 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 цис терну;
  • 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. 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.

Таблица 1. Затраты криопродукта (в кг) на полное вытеснение жидкости из резервуаров
ПродуктЦТК-1,6/0,25 1,6 м3ЦТК-5/0,25 5 м3ЦТК-8/0,25 8 м38Г-513 33,7 м315-558С 44 м3
Азот134064/70270/310352
Кислород154674311405
Аргон195792388506

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 криогенных емкостей и 0,7 % — для горизонтальных криогенных емкостей.

Последующий перелив из транспортной криогенной цистерны в приёмную ёмкость влечет за собой еще ряд потерь.

  • 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.
  • 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 за ведомо 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, соответствую щей Р2. С другой стороны, конденсация будет и на стенке сосуда и продолжится по мере понижения уровня, опускаясь неким поясом вместе с ним. В верх ней 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 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 измерена непосредственно. Методика и результаты эксперимента — это самостоятельная тема. Здесь же отметим только, что 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.

Здесь же для сравнения даны результаты расчётов по упомянутой методике. Последняя разрабатывалась с целью определения гарантированной производительности испарителя при решении специальной задачи, чем и можно оправдать несколько завышенные, хотя и близкие результаты.

Рассмотрим два крайних случая: криогенная 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 криогенного сосуда уверенно принимаем измеренную нами температуру газа наддува в конце опорожнения (Тн = 130 К), а во втором — температуру окружающей среды (Тн = 3ОО К).

Из теплового баланса следует, что
Gп =Gм · см(Tн -Tс)/rп,
где

  • Gп — масса затрачиваемого криопродукта;
  • Gм — масса металла сосуда;
  • см — осредненная теплоёмкость металла в диапазоне от температуры насыщения криопродукта
  • Tс до Tн =130 или 300 К;
  • rп — теплота парообразования криопродукта.

Результаты расчётов для широко распространенных резервуаров приведены в табл. 2.

Таблица 2

Имея данные о других сосудах из сопроводительной тех документации (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 возду ха, образование инея, его неоднородную структуру и толщину) весьма затруднительно. Поэтому, используя многолетние наблюдения, а также данные исследований, 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.

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.

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 мониторинг потерь аргона показал, что они составляют 20—25 % от закупленного продукта. Это почти точно совпадает с расчётами (22—24 %), выполненными по представ ленной методике с учётом соответствующей технологии. 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 со суде резервуара, как отмечалось, были измерены непосредственно. Такое измерение, несмотря на внешнюю простоту, было выполнено, впервые. Очевидно, точность оценок будет выше в каждом конкретном случае в условиях реальных режимных параметров, внешних факторов, конкретных видов оборудования и применяемых технологий.

По материалам журнала «Технические газы», № 6, 2006

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. Ана лиз процессов выдачи криогенной жидкости под наддувом// Аппараты и машины кислородных и криогенных установок: Научные труды ВНИИКриогенмаш. — Вып. 13 — М.: Ма шиностроение, 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 криогеники. Под ред. М.П. Малкова. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 432 с.