Исследование мембранного метода

   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 видах производимой предприятием продукции; где есть необходимость в получении продуктов разделения воздуха. В последние несколько лет особый интерес для предприятия представляет процесс получения инертных 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, Из-за своей химической стабильности и распространенности в атмосферном воздухе основным компонентом такой смеси является азот.

С осени 2009 по весну 2010 года техническими службами завода было произведено исследование существующих методов получения ИГС из воздуха, был определен метод, наиболее подходящий для создания системы разделения газов, способной стабильно работать в тяжелых условиях эксплуатации продукции завода. В результате наиболее перспективным было признано мембранное разделение газов, которое и было детально изучено.

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

  получить представление о работе мембранной воздухо раз делительной установки (МВРУ) для получения инертной газовой смеси с объемным содержанием азота не менее 90%;
определить состав и конструктивные особенности системы измерения остаточной концентрации кислорода в И ГС;
изучить влияние изменения параметров сжатого воздуха (давления. температуры, влажности) 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 проводилась работа, состоит из следующих систем и компонентов:
 мембранного картриджа мод. ST 1508;
системы подготовки воздуха; 4 системы автоматики;
системы контроля остаточной концентрации кислорода в ИГС.

Мембранные картриджи являются основным элементом стенда и МВРУ, в которых непосредственно происходит процесс разделения воздуха. Картридж представляет собой 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. Отделенные 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 ней не допускается наличие капельной влаги, веществ, химически активных по отношению к материалу мембраны (и веществ, образующих кислоты в водных растворах), необходима фильтрация от различных механических примесей. Следует отметить, что в процессе разделения происходит изменение объема и давления разделяемой среды вследствие отсеивания части газов, в свою очередь это приводит к понижению температуры оставшихся газов, В результате этого 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 его относительной влажности. После анализа климатических условий в месте проведения испытаний было установлено, что работа подогревателя необходима при температуре окружающей среды выше -4 СС,
Выполнение всех этих требований на стенде обеспечивалось системой подготовки воздуха, состоящей из блока фильтрации,влагоотделителя и проточного электронагревателя, управляемого системой автоматики. Система автоматики включала подогреватель в зависимости от температуры окружающего воздуха и при его работе поддерживала температуру 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. Например, широкое распространение датчики этого типа получили в автомобилестроении в качестве Азондов. Они используются и в 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 примерно 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 собой небольшую емкость, соединенную 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 (атмосферного давления, давления и температуры ИГС). С платы осуществляется автоматическое управление датчиком: включение и изменение работы нагревательного элемента и помпы.