Курс лекций icon

Курс лекций




НазваКурс лекций
Сторінка1/16
Г.А. Бондаренко
Дата11.07.2012
Розмір2.62 Mb.
ТипКурс лекций
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16



ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

СЖАТЫХ ГАЗОВ


КУРС ЛЕКЦИЙ


Сумы

"Издательство СумГУ"

2011


Технология использования сжатых газов: курс лекций/ составитель Г.А. Бондаренко.- Сумы: Изд-во СумГУ, 2011.- 275с.


Кафедра ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ


СОДЕРЖАНИЕ

С.

Предисловие………………………………………………………7

Введение…………………………………………………………...9

Раздел 1 Газы и их применение……………………………….11

Тема 1 Роль и значение газов в развитии человечества…….11

    1. Газы в природе…………………………………………11

    2. Практическое использование газов…………………...13

    3. Основы технологий использования газов……………18

Контрольные вопросы……………………………………..23

Список литературы………………………………………...23

Тема 2 Некоторые сведения из теории газов ………………...24

2.1 Свойства газов и газовых смесей……………………...24

2.2 Идеальные газы………………………………………...29

2.3 Реальные газы…………………………………………..31

2.4 Смеси газов……………………………………………..37

2.5 Свойства газов при высоких параметрах……………..38

Контрольные вопросы……………………………………..48

Список литературы………………………………………...48

Тема 3 Некоторые технически важные свойства газов……….49

3.1 Растворимость газов в жидкостях. Дегазация………..49

3.2 Поглощение газов и паров твердыми телами………..50

3.3 Газовая коррозия……………………………………….54

3.4 Методы защиты от газовой коррозии………………...60

Контрольные вопросы……………………………………..61

Список литературы……………………………………..….61


Раздел 2 Воздух и углеводородные газы……………………...62

Тема 4 Воздух и его применение………………………………..62

4.1 Воздух: состав и свойства……………………………..62

4.2 Значение воздуха в развитии человечества…………..68

4.3 Применение сжатого воздуха в металлургии……..….70

4.4 Пневмотранспорт……………………………………....75

4.5 Эрлифт (воздушный подъемник)……………………...82

4.6 Аэрация сточных вод…………………………………..83

4.7 Применение сжатого воздуха на транспорте…………84

Контрольные вопросы……………………………………...85

Список литературы………………………………………...85

Тема 5 Природный газ…………………………………………...86

5.1 Общие сведения………………………………………...86

5.2 Технологии добычи природного газа…………………88

5.3 Подготовка газа………………………………………...90

5.4 Транспортировка газа……………………………….…92

5.5 Оборудование компрессорных станций………………94

5.6 Компрессорные технологии в

нефтегазодобывающей промышленности …………..........97

5.7 Технологии переработки природных газов …………100

5.8 Газоснабжение городов и промышленных

предприятий………………………………………………..102

Контрольные вопросы…………………………………….107

Список литературы…………………………………….….107

Тема 6 Шахтный метан. Технологии добычи

и утилизации………………………………………………….....108

6.1 Особенности шахтного метанообразования…………108

6.2 Технология добычи шахтного метана……………….110

6.3 Технологии утилизации шахтного метана…………..114

Контрольные вопросы…………………………………….120

Список литературы…………………………………..…...120

Тема 7 Искусственные горючие газы…………………………121

7.1 Общие сведения……………………………………….121

7.2 Газификация твердых топлив. Получение

генераторного газа………………………………….…128

7.3 Коксование каменных углей. Коксовый газ………...135

7.4 Нефтезаводские газы……………………………..…..137

7.5 Газификация древесины…………………………...…139

Контрольные вопросы……………………………….…...144

Список литературы…………………………………...…..144

Тема 8 Сжиженные углеводородные газы (СУГ)……………145

8.1 Общие сведения о СУГ……………………………….145

8.2 Свойства СУГ………………………………………....146

8.3 Горение газовоздушной смеси……………………….150

8.4 Получение СУГ……………………………………….150

Контрольные вопросы……………………………….…...160

Список литературы………………………………………..160


Раздел 3 Технологии использования

технических газов……………………………………………...161

Тема 9 Получение и применение азота………………………161

9.1 Общие сведения об азоте……………………………..161

9.2 Физические и химические свойства…………………162

    1. Получение азота из воздуха………………………….162

    2. Технологические мембранные установки

для получения азота…………………………………..165

    1. Азотно-мембранные компрессорные станции……....167

    2. Применения азота……………………………………..169

Контрольные вопросы……………………………………171

Список литературы……..………………………………...171

Тема 10 Кислород и его применение……………………….…….172

10.1 Общие сведения о кислороде…………………….……172

10.2 Свойства кислорода…………………………………172

10.3 Технология получения кислорода………………….174

10.4 Машины для разделительных установок…………..176

10.5 Хранение и транспортирование кислорода……….182

10.6 Применение кислорода………………………….…..184

Контрольные вопросы……………………………………188

Список литературы………………………………..…...…188

Тема 11 Технология производства аммиака………………...189

11.1 Общие сведения об аммиаке…………………….….189

11.2 Физические свойства аммиака……………………...190

11.3 Получение аммиака……………………………….…190

11.4 Особенности конструкции компрессоров…………193

11.5 Хранение аммиака……………………………..……198

11.6 Транспортировка аммиака………………………….200

11.7 Техника безопасности при работе с аммиаком…....201

11.8 Применение аммиака………………………….…….202

Контрольные вопросы……………………………………203

Список литературы………………………………..….…..203

Тема 12 Получение и применение ацетилена…………….....204

12.1 Основные свойства ацетилена……………………...204

12.2 Методы получения ацетилена………………………205

12.3 Хранение и транспортировка ацетилена…………..208

12.4 Особенности конструкции газодувок……………...211

12.5 Применение ацетилена……………………………..214

Контрольные вопросы…………………………………...215

Список литературы…………………………………..…..215

Тема 13 Применение этилена в производстве пластмасс ..216

13.1 Физические и химические свойства………………..216

13.2 Получение этилена……………………………….….216

13.3 Применение этилена………………………………...218

13.4 Компрессоры для производства полиэтилена……..220

Контрольные вопросы……………………………………228

Список литературы…………..…………………………...228


^ Раздел четвертый. Утилизация и очистка

газовых выбросов………………………………………………229

Тема 14 Утилизация промышленных

выбросных газов…………………………………………………229

14.1 Утилизация газов металлургических производств...229

14.2 Утилизация нефтяных газов…………………….…..236

Контрольные вопросы……………………………………240

Список литературы………..……………………………...240

Тема 15 Производство биогазов……………………………….241

15.1 Общие сведения и свойства биогазов………………241

15.2 Историческая справка……………………………….242

15.3 Применение…………………………………………..243

15.4 Сырье для получения………………………………..244

15.5 Технология получения………………………………245

15.6 Биогазовые установки……………………………….246

Контрольные вопросы…………………………………….252

Список литературы……………………………………….252

Тема 16 Очистка промышленных газовых выбросов………253

16.1 Влияние выбросов на состояние атмосферного

воздуха…………………………..…….…………………..253

16.2 Источники загрязнения воздушного

бассейна………………………………………….….….…254

16.3 Виды и характеристики газовых выбросов………..256

16.4 Методы очистки газов……………………………....259

16.5 Организация контроля загрязнения атмосферного

воздуха в районах размещения вредных производств…270

Контрольные вопросы…………………………………..272

Список литературы……………..………………………..272

ПРЕДИСЛОВИЕ


Издание настоящего курса лекций по дисциплине «Технологии использования сжатых газов» продиктовано тем, что при достаточно большом объеме учебной нагрузки по предмету (162 часа) он не обеспечен необходимыми учебниками или учебными пособиями. Это обусловлено спецификой предмета, заключающейся в том, что поскольку газы широко применяются в самых различных отраслях народного хозяйства, сведения об этом содержатся во многих источниках, относящихся к газовой, химической, нефтехимической промышленностям, и металлургии, горно-рудной промышленности, переработке и сжижению газов, производству биогазов, применению сжатого воздуха и газов в технологии машиностроения и др. Такое положение крайне осложняет изучение дисциплины, особенно выполнение самостоятельной работы.

Настоящий курс лекций подготовлен на основе лекций, читаемых автором в течение последних пяти лет, для студентов дневной формы обучения по направлению «Энергетика» для специальности «Компрессоры, пневмоагрегаты и вакуумная техника» в Сумском государственном университете.

Курс лекций отвечает учебной программе, предусматривающей проведение 50 часов лекционных и 10 часов лабораторных занятий, а также выполнение расчетной работы.

Целью курса является изучение особенностей технологий получения и использования технических газов.

Задачами курса являются изучение основных свойств ряда технически важных газов, технологических схем и процессов их получения, применения, хранения и транспортировки, а также технологического оборудования (машин и аппаратов), применяемого для этих целей.

В соответствии с целью и задачами курса весь изучаемый материал распределен на четыре раздела.

В первом разделе приводятся сведения о месте и роли газов в развитиии человечества, направления использования газов в народном хозяйстве, обзор практически важных газовых процессов, основы газовых технологий, а также сведения из физики и термодинамики газов и газовых смесей, технически важные свойства газов.

Второй раздел посвящен использованию естественных газов (воздух, природные газы), а также горючих газов (газогенераторные, нефтезаводские, коксовые газы), получению и применению сжиженных газов.

В третьем разделе рассматриваются технологии применения технических газов в химической промышленности. Из всего многообразия таких технологий выбраны технологии, которые, с одной стороны, наиболее практически важные, а с другой – дают наибольший обучающий эффект, особенно с учетом специализации учебной группы.

Курс лекций значительно переработан с учетом последних достижений и тенденций в этой области техники. Введен новый 4-й раздел, посвященный очистке и утилизации промышленных газовых выбросов, производству биогаза. Курс дополнен сведениями о парниковых газах и Киотском протоколе, о поведении газов при очень высоких параметрах, о перспективах энергосберегающих технологий для получения искусственных газов, утилизации газовых отходов и др.

Автор считает, что методически правильно рассматривать процессы не только использования газов, но и получения (добычи) тем более, что в реальных технологических процессах они неотделимы (добыча, переработка и транспортировка природного газа, получение аммиака из азотоводородной смеси и т.п.).

Каждый раздел включает несколько тем одной направленности. Изучение каждой темы выполняется по единой методологии: общие сведения о рассматриваемом газе, физические и химические свойства газа, технологии получения (добычи) и использования газа, схемы технологических установок, основное оборудование, хранение и тарнспортировка газа.

Поскольку технологии использования сжатых газов по сути своей компрессионные технологии, в лекциях сознательно делается акцент на особенности применения компрессорной техники.

В конце каждой темы приводятся контрольные вопросы и список необходимой литературы для самостоятельного изучения.

Данный курс лекций предназначен для студентов дневной, заочной форм обучения и экстернатуры соответствующих специальностей.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры ТТФ технику Казбан Елене Викторовне за компьютерный набор текста и аспиранту Шарапову Сергею Олеговичу за редактирование иллюстраций, а также студентам гр. ХК-61 за участие в подготовке текстов лекций.

ВВЕДЕНИЕ


Все в окружающей природе состоит из твердых, жидких и газообразных веществ. Но это не различные вещества, а различные агрегатные состояния веществ, давно известные человечеству. Это суть материальные субстанции. Однако открытия ХХ века показали, что материя может переходить при определенных условиях в другую субстанцию – в энергию, что предсказал великий Эйнштейн. Последние годы своей жизни ученый потратил на разработку единой теории поля, которая по его представлениям должна быть универсальной, описывающей материальный и нематериальный мир.

Великими достижениями науки XIX и XX веков созданы предпосылки для такой теории. Установлена аналогия в математическом описании различных явлений. Течение жидкостей и газов, теплообмен, упругость твердых тел, магнитные, электрические явления описываются аналогичными системами уравнений математической физики. Отличие лишь в константах.

Современная наука (физика, химия, космогония, информатика, искусственный интелект) смыкается с теориями полевых структур и торсионных полей. В последнее десятилетие трудами выдающихся ученых достигнут прогресс в разработке общей универсальной теории поля, описывающей поведение материальных и нематериальных сред и субстанций. Теория открывает широкие горизонты для изучения возникновения и развития Вселенной и в частности Земли.

Если бы мы захотели построить иерархическую систему мира, то по современным воззрениям она бы выглядела так:

^ Нематериальный уровень

информационный уровень

энергетический уровень







^ Физический уровень

плазма

газы

жидкости

твердые тела

Отсюда следует, что газы являются одним из основополагающих элементов мироздания.

Роль газов в формировании Вселенной чрезвычайно высока. По теориям Канта, Лапласа, развитая современной наукой Вселенная образовалась из раскаленного газопылевого облака, которое медленно вращалось в космосе. За счет сил гравитации оно уплотнилось, принимая форму линзы. Вращение увеличивалось, отрывались кольца, которые охлаждаясь, концентрировались, образуя твердые и жидкие вещества будущих планет. Так 4500 миллионов лет назад возникла наша Земля.

Атмосфера Земли вначале состояла из водорода и гелия. Но гравитация их не могла удерживать и постепенно газы улетучились в космическое пространство.

Наша современная атмосфера вторична – она продукт жизнедеятельности организмов и вулканической деятельности Земли. А атмосферный кислород полностью имеет биогенное происхождение. Он был и остается главным жизнетворным элементом Земли.

Постепенно человек научился различать и выделять и другие газы, а также использовать их в своей хозяйственной деятельности. Для этого потребовалось создание специальных технологий и машин как для получения, так и для полезного использования газов.

Главные свойства газов – их текучесть и сжимаемость, а также изменение состояния способствовали их широкому освоению, появлению процесса компримирования (сжатия и перемещения) газов. Этим предопределено появление класса машин – компрессоров и на их основе технологий применения сжатых газов, что и является предметом нашего курса.

Компрессорная техника занимает особое место в современной жизни человечества. Компрессоры наиболее распространенные технические устройства в промышленности, энергетике, транспорте и быту. Технологии получения и использования газов основываются на компрессорных технологиях.

Примитивные компрессоры были едва ли не первыми технологическими устройствами на службе человечества. Сохранились рисунки из Египта, которым 1500 лет, где изображен процесс выплавки золота с помощью ножных мехов – прообраз объемного компрессора. Однако применение компрессоров в том виде, каком мы их знаем, началось лишь с началом промышленной революции в ХIX веке.

Технологии использования сжатых газов направлены на создание наиболее экономичных методов и средств массового получения и переработки технических газов в продукты потребления в различных отраслях материального производства. Эти технологии являются важным разделом общей технологии, разрабатывающей и изучающей совокупность физических и химических процессов в газах и оптимальные пути их осуществления.

Раздел 1


^ ГАЗЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ


Тема 1 РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ГАЗОВ В РАЗВИТИИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА


    1. Газы в природе

Газы содержатся в атмосфере, в водах Мирового океана, в земной коре.

Атмосфера состоит из N2 – 78%, O2– 21%, Ar –0,9%, остальное: неон, гелий, криптон, ксенон, H2, CO2, NH4, NO2, озон. Атмосферный воздух – неисчерпаемый и возобновляемый источник получения N2, O2 и инертных газов, которые извлекаются попутно.

В земной коре газы содержатся в свободном состоянии, растворенные в воде и нефти и в состоянии сорбированном породами, особенно ископаемыми углями.

Газы катагенического происхождения – возникают в результате преобразований естественных органических веществ в осадочных породах, при их погружении на глубину и увеличении давления от 100 до 2500 атм и температуры от +20 до +300оС. Это природные газы.

В зависимости от происхождения газы разделяются на:

газы возрождения – возникают при дальнейшем повышении параметров;

газы вулканические – из глубин Земли;

газы биохимические – при бактериальном разложении органических веществ – метан, СО2, сероводород и др. Это так называемые болотные газы, а также искусственно получаемые;

газы радиоактивные – возникают в процессе распада радиоактивных элементов – гелий.

Три основных группы газов, важные для деятельности человечества:

- углеводородные горючие (соединения С и Н);

- азотные;

- углекислотные (соединения С и О).

Углеводородные газы находятся в земной коре в виде сухих скоплений в пластах, а также растворены в нефти (попутный газ) и особенно в подземных водах, здесь они во много раз превышают все запасы газовых и нефтяных месторождений.

Из таблицы Менделеева следует, что «чистыми» газами, то есть газами, состоящими из молекул, образованных атомами одного элемента, являются водород, кислород, азот, аргон, гелий и др.*) Понятие «чистый» газ применяется также и к газам, чьи молекулы образованы соединением атомов различных элементов, например: метан (NH3), углекислый газ (CO2), сероводород (H2S) и др.**) Однако в природе не существует «чистых» газов. Природные газы, как правило, являются смесью различных газов, паров и примесей (жидких и твердых). Например, атмосферный воздух есть смесь, состоящая из:

^ N2+O2+Ar+CO2+Ne+He+пары Н2О+примеси;

природный газ различных месторождений может существенно отличаться друг от друга, но обычно включает в себя, кроме метана, также этан, пропан, бутан, пентан, гексан, азот, двуокись углерода, сероводород, водяные пары.

В практике применяются так называемые технические газы, содержащие некоторое количество примесей, что в большинстве случаев технологически допустимо.

Технические газы, получаемые из природных компонентов путем разделения или синтеза, также не являются строго говоря чистыми, а содержат, пусть и в малой степени, добавки других газов. Здесь следует иметь в виду, что получение очень чистых газов промышленным путем – задача сложная и дорогостоящая. Вместе с тем в большинстве случаев применения газов такая чистота и не требуется.

Широкое использование естественных газов (воздуха, природного газа и продуктов их переработки) имеет колоссальное значение для развития человечества. Объемы использования этих газов громадны и растут с каждым годом. Но если запасы атмосферного воздуха практически неисчерпаемы, к тому же и возобновляется природным путем, то запасов природного газа при современных темпах добычи может хватить на 50-100 лет. Поэтому уже сейчас остро стоит проблема сокращения потребления природного газа за счет сберегающих и альтернативных технологий. На Земле имеются гигантские запасы сероводорода, содержащегося в водах Мирового океана и в вулканических недрах. Добыча и использование этого газа – задача ближайшего будущего.

*) В химии такие вещества (в том числе и газы) называются простыми веществами.**) В химии такие вещества называются сложными веществами.

Следует отметить также возможность проявления неисследованной пока опасности влияния опорожненных полостей коры Земли на внутренние геологические процессы, могущие повлечь катастрофические последствия. За нерачительное использование земных богатств человечество может заплатить высокую плату.


^ 1.2 Практическое использование газов


Значение газов в народном хозяйстве трудно переоценить. Сегодня уже трудно представить жизнь человека без использования различных газов, даже на бытовом уровне. Большинство населения использует природный газ для приготовления пищи, нагрева воды, отопления помещений и т.п. Газы используются в медицине в лечебных и профилактических целях: кислород (кислородные подушки, коктейли и др.), углекислый газ (лечебные ванны), сжиженный азот – для криохирургии и т.п. Но особо впечатляют масштабы применения газов в промышленности, где их применение разнообразно:

- в качестве энергетического топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, газ, получаемый при газификации твердых топлив, коксовый газ, газ, получаемый при сжигании бытовых отходов);

- в качестве сырьевого компонента для получения химических продуктов (пластмасс, удобрений, синтетических волокон, химических веществ и газов);

- в качестве энергоносителей (сжатый воздух, перегретый пар, иногда инертные газы);

- в качестве рабочих тел энергетических машин (ПГ, ГТ, ПГТ, реактивные двигатели) и для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, снаряды);

- теплоносители (например, фреоны в холодильных установках, диссоциирующие газы в теплоэнергетических установках);

- физические среды для газовых разрядов (лазеры);

- в качестве расходных материалов для выполнения технологических процессов (кислород-ацетилен для газорезки металлов, нейтральные газы для сварки – аргонодуговая сварка, кислородное дутье в плавильных печах).

Газы и газовые смеси применяются для систем жизнеобеспечения подводных и космических аппаратов.

В сельскохозяйственном производстве все большее распространение получает применение азота в овоще- и фруктохранилищах, использование биогазов, выделяющихся при переработке навозных масс.

В различных отраслях техники используется более ^ 30 различных газов и газовых смесей.

Газ как топливо – обычно природные газы и получаемые искусственно специально (генераторный газ) или как побочный продукт (коксовый, доменный и др.). Основные потребители: черная металлургия (домны, мартены), производство стройматериалов (цемент, стекло, керамика, керамзит), в машиностроении (нагреватели, термические печи, газосварка и резка). В качестве топлива для ТЭС – удельный вес природного газа составляет около 30%. Перевод котлов на газ повышает их к.п.д. на 20%, удешевляет обслуживание и автоматизацию, снижает расход электроэнергии на собственные нужды на
^ 7-20%. Топливо в быту (плитки, АГВ, котлы, конвекторы).

Газ как исходное сырье – в химической промышленности вырабатываются из газов около 200 видов продукции, в том числе огромное количество пластмасс, удобрений и т.п.

^ Газ в качестве энергоносителя – сжатый воздух КС (стационарные и передвижные, переносные), пар водяной – для паровых молотов, прессов и др.

Рабочие тела для совершения работы – это газовые смеси – продукты сгорания топлив в воздухе или других окислителях в ГТ, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Водяной пар – в ПТ. Комбинированные установки ПГТУ – совместное использование водяного пара и газа.

Теплоносители – очень часто в различных технологических процессах химической, металлургической промышленности используется горячий воздух для нагрева продуктов, в сушилках, в отоплении и кондиционировании. Используются также горячие продукты горения (дымовые газы) для обогрева изделий и материалов в печах и сушилках, для подогрева промежуточных теплоносителей (пар, воздух, вода). Для обогрева помещений используют паровое отопления.

^ Электрический разряд в газовых средах применяется широко в электротехнике для выпрямления переменного тока, в газосветных осветителях (лампах) и неоновых рекламах. Отдельный класс устройств – газовые лазеры (медицинские, технологические и военные).

^ Материалы для промышленности – газовая сварка (ацетилен-кислород), химико-термическая (азотирование, хромирование сталей) и тепловая обработка в печах (цементация – насыщение углеродом). Инертные газы – для безопасности производства и испытаний машин и аппаратов, специальная сварка – аргон.

^ В сельском хозяйстве – добавки СО в теплицы, этилена, азота – в хранилища овощей. Установки энергетические, биогазовые.

К сожалению, производственная деятельность человечества, особенно в последнее столетие, обуславливается не только производством и потреблением различных газов, но и

выбросами недоиспользованных газов, которые как-то предотвратить не представляется возможным вследствие сложности и дороговизны технологических процессов. А они, эти выбросы, представляют большую угрозу для человечества ввиду не только локальных, но и глобальных негативных процессов и изменений в среде обитания и в атмосфере. Главным и грозным проявлением этого есть так называемый парниковый эффект атмосферы.

Микромодель этого явления – обычный парник, защищенный прозрачным стеклом или пленкой участок грунта для выращивания рассады различных культур. Происходит солнечный обогрев грунта, тепло удерживается стеклом или пленкой. Возможен также искусственный обогрев – биотопливом, водяной, электрический.

Парниковый эффект атмосферы – это свойство атмосферы Земли регулировать лучевой тепловой обмен Земли с космосом. Атмосфера Земли пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которую поглощает поверхность Земли (рис 1.1). Поверхность нагревается и в свою очередь излучает длинное волновое излучение, которое в значительной мере поглощается атмосферой (водяной пар + СО2 ), а 10-20% - излучается в космос. Благодаря такому механизму средняя температура земной поверхности остаётся постоянной(+15оС) . Если бы не было атмосферы, она была бы равна -23оС.



Рисунок 1.1 –Схема лучевого теплообмена Земли


В результате техногенной деятельности человечества концентрация парниковых газов, особенно СО2, в атмосфере увеличилась, что приводит к дополнительному подогреву атмосферы Земли. Сегодня эта величина (2-3оС) уже составляет значительную угрозу для экосистемы Земли. Главным образом это проявляется в таянии ледников, наступлении пустынь, изменении привычных условий обитания живых организмов.

Основные парниковые газы в порядке их воздействия на тепловой баланс Земли располагаются следующим образом:

  • водяной пар;

  • углекислый газ;

  • метан;

  • озон;

  • галоуглероды;

  • оксиды азота.

Наиболее вредное воздействие на атмосферу оказывают углекислый газ и метан.

Источники поступления СО2 в атмосферу:

– производство энергии (тепла, горячей воды, пара) – 43,6%;

– производственные предприятия – 18,5%;

– автотранспорт – 7,7%;

– другой транспорт – 6,3%;

– жизнеобеспечение – 8%;

– коммерческие услуги – 5,8%.

Источники поступления метана:

- утечки при разработке и эксплуатации месторождений природного газа, нефти и угля- 16%;

- биогаз от захоронения отходов – 12%;

- скот – 16%;

- рисовые поля – 22%;

- болота – 23% и др.

Количественной характеристикой выбросов парниковых газов является удельный выброс газов:

выброс в СО2-эквиваленте, кг .

на 1 дол. ВВП

Данные по выбросам некоторых стран в 1 кг экв. СО2/долл:

  • Япония – 0,39;

  • ЕС – 0,42;

  • США – 0,67;

  • Россия – 1,58;

  • Украина – 2,04.

Как видно, удельные выбросы парниковых газов в Украине в 3-5 раз выше передовых стран. Это обусловлено тем, что в Украине (также как и в других постсоветских странах) в течение нескольких десятилетий не проводилось масштабное техническое перевооружение производств, не внедрялись новейшие технологии, альтернативные источники энергии и т.п.

Мировое сообщество, озабоченное стремительным нарастанием парникового эффекта, предложило ограничить вредные выбросы газов на основании Киотского протокола.

Механизм действия Киотского протокола состоит в том, что каждой стране-подписанту устанавливается квота на вредные выбросы. За превышение квоты – штраф, за уменьшение выбросов - материальные льготы. Например, страны (или промышленные компании), не использующие в полной мере установленную квоту, могут продавать “избыток” другим странам, где квота превышена, используя полученные средства на модернизацию производств.

Гибкая процедура квотирования предусматривает постепенное снижение вредных выбросов до безопасного уровня.


^ 1.3 Основы технологий использования газов


1.3.1 Суть технологий использования сжатых газов

Технология в общем понимании – это наука, изучающая способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства.

Если газы являются сырьем для переработки их в продукцию или они сами являются продуктами переработки какого-либо сырья, то говорят о технологических процессах переработки или получения газов. С другой стороны, газы как продукт используются различными потребителями для различных целей. В этом случае говорят о технологиях использования газов.

Понятие «технология использования сжатых газов» не следует понимать буквально, т.к. это неизбежно приведет к узости понимания изучаемого предмета. Непосредственное использование (синоним – полезное применение) сжатых газов для производства полезного продукта ограничивается лишь узким кругом применений, среди которых:

- применение сжатых газов (воздуха) как энергоносителя и рабочего тела для совершения механической работы: пневмопривод, пневмоинструмент, пневмоавтоматика;

- применение сжатых газов (прежде всего воздуха) в различных технических устройствах: автошины, пневмотормоза, пневмоподъемники, балластные цистерны подводных аппаратов, понтоны и др.

Однако в гораздо большей степени сжатые газы применяются в разнообразных технологических процессах различных производств, где использование сжатых газов является необходимой и неотъемлемой частью общего процесса, направленного на получение конечной полезной продукции. При этом компримируемые (т.е. сжатые и перемещаемые) газы являются основным материальным потоком вещества, которое затем претерпевает ряд превращений по пути к конечному продукту. Эти превращения происходят под воздействием специально организуемых различных факторов (параметров процессов, реагентов, катализаторов и т.п.).

Используются достаточно много известных элементарных процессов в газах, которые в определенном наборе и последовательности реализуются в той или иной технологии.


^ 1.3.2 Процессы технических газов

Технологии применения газов связаны с изменением параметров их состояния (давления, температуры), перемещением газов, а также с разнообразными физическими и химическими процессами.

Технологии использования сжатых газов основываются на осуществлении физических и химических процессов с целью получения полезного продукта. Полезным продуктом может быть вещество (твердое, жидкое, газообразное), теплота (или холод).

Основные используемые физические процессы газов:

- сжатие (расширение);

- диффузия (разделение);

- фильтрация;

- осушка (увлажнение);

- сепарация;

- сжижение (газификация);

- растворение в жидких и твердых телах (дегазация);

- кристаллизация;

- ионизация;

- газовые разряды и др.

К химическим процессам относятся:

- химические реакции получения соединений;

- полимеризация;

- окисление (в т.ч. горение);

- газовая коррозия.

Процессы в газах бывают непрерывные и прерывные. В непрерывных процессах производится непрерывная подача компонентов и отвод продуктов. Характерным примером может

быть крупнотоннажные производства минеральных удобрений. В прерывных процессах загрузка и выгрузка веществ (для газов – закачка и отсос) производятся периодически. Это, например, производства с применением автоклавов.

Во всех этих случаях требуется транспортировка, перемещение требуемых масс газов. Для реализации же физических процессов и химических реакций необходимо создавать требуемые параметры газов, а именно: давление (от вакуума до очень высоких давлений) и температуры (отводом или подводом тепла).

Сжатие и перемещение газов – компримирование – осуществляется компрессорными машинами различного типа. Можно утверждать, что основа производственных процессов использующих газы – это компрессорные технологии. Конечно, кроме компрессорных машин применяются и другие газовые машины для преобразования энергии газов: газовые турбины, детандеры, а также устройства струйной техники: эжекторы, инжекторы и множество других аппаратов.


^ 1.3.3 Общие сведения о технологиях использования газов

Прежде всего технологии с использованием газов необходимо разделить на два вида:

- технологии добычи (получения) газов;

- технологии использования газов.

Процессы получения газов бывают:

- добыча – извлечение газов из природных источников (природный газ, атмосфера);

- искусственное получение – синтез как результат химических реакций.

Технологии применения газов можно представить следующими основными группами:

- применение технических газов непосредственно потребителем (природный газ, кислород, азот, аргон, ацетилен
и др.) для технологических нужд заводов и других предприятий различных отраслей;

- использование газов как компонентов технологических процессов получения полезных продуктов (удобрений, пластмасс и т.п.).

Технологии добычи (получения) и использования технических газов требуют специальных технологических комплексов (завод, линия, цех, установка). Например, газоперерабатывающий завод, воздухоразделительная установка, цех производства аммиака и т.п.

В свою очередь, эти технологические комплексы оснащены самым разнообразным оборудованием необходимым для функционирования: компрессоры, сепараторы, реакторы, нагреватели, охладители, насосы, другие аппараты.

Процесс получения промежуточного или окончательного продукта производится по технологической цепочке от подвода компонентов сырья, энергетических ресурсов (пар, электроэнергия, вода) до отвода готового продукта. Комплекс оборудования для получения продукта называется технологической линией. Для получения сложных по технологии продуктов могут использоваться несколько линий (цехов), работающих в одном комплексе. Как правило, на таких линиях и заводах получают не один продукт, а несколько, с целью как можно более полного использования исходных компонентов и продуктов реакции.

Технологические процессы химических производств состоят из двух неразделимых составляющих: химическая технология и необходимое оборудование.

Химическая технология отвечает на вопросы:

─ какие нужны химические реагенты;

─ какие параметры реализации реакций;

─ какие массовые потоки компонентов;

─ какие необходимы катализаторы и ингибиторы и др.

К оборудованию предъявляются требования: какие необходимы машины, аппараты и другие технические устройства для реализации данной химической технологии. Отсюда следует и необходимость в раздельных службах на заводах – службы главного технолога и главного механика. Первая из них отвечает за соблюдением технологического регламента и выпуска качественной продукции, а вторая – за нормальное и надежное функционирование технологического оборудования.


^ 1.3.4 Технологические схемы

Последовательное описание и графическое изображение процессов и соответствующих им машин и аппаратов называется технологической схемой производства. Схемы бывают двух типов: открытые и циклические (циркуляционные).

^ Схемы открытые применяются для производственных процессов, в которых происходит полное превращение вещества в полезный продукт за один проход через установку.

^ Циклическая схема предусматривает выделение продукта из реакционной смеси, которая затем многократно возвращается в технологический цикл вплоть до полного превращения в продукт.

Технологические схемы производств с использованием газов сложны и очень разнообразны. Не существует общих универсальных технологий, а значит, и схем. Можно выделить лишь основные составляющие, обязательные для всех технологических процессов с газами (рис. 1.2).





Рисунок 1.2 – Структурная схема газовых технологий


Схемы составляются на основе выбранного метода (или способа) производства продукта, в основе которого лежат физические превращения, химические реакции и механические процессы, протекающие при определенных условиях.

Графически схемы изображаются упрощенно, без излишней детализации, с использованием принятых условных обозначений, буквенных сокращений и надписей, цифровых позиций элементов.

После разработки схемы выполняется ее расчет – составление материального и энергетического балансов.

^ Материальный баланс означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию – приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее – расход:

,

где - суммарный расход сырья, кг;

- основной продукт, кг;

- побочный продукт (отходы), кг;

- непроизводительные затраты сырья, кг.

^ Энергетический баланс для химикотехнологических процессов составляется в виде теплового баланса: приход тепла в данном цикле производства должен быть равен расходу его в этом же цикле (с учетом всех потерь).


^ Контрольные вопросы к теме 1


1 Перечислите основные применения газов в народном хозяйстве.

2 Приведите примеры применения газов в качестве энерго- и теплоносителя.

3 Приведите примеры применения газов в технологии машиностроения.

4 Изложите научные гипотезы о возникновении атмосферы и природных газов.

5 Основные, практически важные группы газов.

6 Перечислите основные, используемые на практике, процессы в газах. На какие группы делятся процессы?

7 Что такое непрерывные и прерывные технологические процессы с использованием газов? Приведите примеры.

8 Назовите виды технологий с использованием газов.

9 Назовите способы получения технических газов.

10 Какие две основные группы технологических процессов применения газов?

11 Что такое технологическая линия и ее компоненты?

12 Какой основной принцип построения технологических схем химических производств?


Список литературы

1. Общая химическая технология.Т.2. Важнейшие химические производства/ под редакцией И.П. Мухленова. М.: Высшая школа,1984.-263с.

2. Основы процессов химической технологии. Л.:Химия,1967.-382с.

Тема 2^ НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ГАЗОВ


В данной главе приводятся сведения из термодинамики газов наиболее важные для расчетов технологических процессов с применением газов, рассматриваемых при изучении настоящего курса.


^ 2.1 Свойства газов и газовых смесей


Газы. Это названия придумано голландским ученым Гельмонтом.

Газ – это такое агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или слабо связаны между собой силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем, и принимают его форму.

В отличие от жидких и твердых тел объем газов сильно зависит от давления и температуры.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние подбором надлежащей температуры и давления. На рис. 2.1 область газообразного состояния ограничена кривыми:
I – сублимация (отвердение); II – парообразование.



Рисунок 2.1 – Диаграмма фазовых переходов газов

При любом р<ркр существует температура Т, выше которой вещество становится газообразным. Точка Тр – тройная точка. На кривой I ниже точки Тр газ находится в равновесии с твердой фазой вещества (для воды – лед), а на кривой II (между точками Тр и К) – в равновесии с жидкой фазой (вода – пар). Газ в этих состояниях называется паром.

Пар – это название газообразного вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твердой фазой того же вещества. Однако путем изменения температуры это равновесие может быть нарушено и тогда понятие пар теряет прежний смысл. Поэтому критерием в таких случаях служит критическая температура, т.е температура, выше которой вещество может находиться только в газообразном состоянии и никаким сжатием (без понижения температуры) сконденсировать его невозможно. Таким образом, газообразное вещество называют паром, если его температура ниже критической, и газом, если его температура выше критической.

Следует отметить, что газовые законы применимы только к парам, не находящимся в состоянии насыщения. Для насыщенных паров справедливы лишь закон Авогадро и закон Дальтона, которые не связаны с изменением параметров состояния.

При Т<Ткр газ можно сконденсировать, то есть перевести газ в жидкое состояние (или твердое). Например, вода замерзает при 0оС, а до этого (+5, +3, +1, +0,5оС) не замерзает. Также происходит и сжижение газов. Например, для О2 температура сжижения равна t=-182,98оС, а его отвердение происходит
при 218,7оС.

При Т>Ткр граница газообразной области условна, так как при этих температурах фазовые превращения не происходят.


^ 2.1.1 Приведение к нормальным условиям

На практике для выполнения расчетов объемов и массовых потоков газов в различных устройствах и технологических линиях широко используют приведение объемов к нормальным условиям. Нормальными условиями для газов принято считать:

- температуру 0оС (273К);

- давление 760 мм рт. ст. или 101,325 кПа.

Такое приведение удобно и необходимо для сравнительных расчетов объемов газов при изменении параметров их состояния (давления, температуры). В отличие от жидкостей объем газа сильно изменяется при изменении параметров состояния.

Если состояние газа характеризуется параметрами p, V, T, то для приведения объема к нормальным условиям pн, Тн используется формула, получаемая из условия равенства массы (или массового расхода) m=mн

,

где Vн – объем, приведенный к нормальным условиям;

Тн, рн – нормальные параметры газа;

V – объем, измеренный при действительных параметрах
р и Т.


Пример. Воздушный компрессор сжимает воздух и транспортирует его к потребителю. Параметры атмосферы: tн=20оС, ра=1кгс/см2=0,0981 МПа; параметры у потребителя: tк=40оС, рк=8кгс/см2=0,7848 МПа. Расходомер на всасывании показывает производительность компрессора 100 м3/мин, а у потребителя – 10 м3/мин. Требуется определить величину утечек воздуха в пневмосети между компрессором и потребителем. Прямое сравнение производительностей 100 и 10 м3/мин не корректно, так как параметры воздуха существенно различны.

Выполним приведение производительностей к нормальным условиям на всасывании



и у потребителя



Величина утечки теперь может быть найдена как разность

^ Vут=Vн’-Vн”=90,2 – 67,5=22,7 нм3/мин.

Иногда удобно приводить производительность к условиям на всасывании или на нагнетании.

Чаще всего потери газа выражают не в объемных количествах, а в единицах массового расхода. Для нашего примера, с учетом зависимостей и , получим массовый расход на всасывании:



и у потребителя



Таким образом, утечка газа составляет



или 25% от расхода воздуха на всасывании. Заметим, что такая величина потерь воздуха в сети является недопустимой.


^ 2.1.2 Концентрация газов

Если мы имеем смесь газов, то количество каждого из составляющих газов характеризуется его концентрацией. Концентрация выражается несколькими способами:

- весовым в)%; Св i/? Мi= Мi/M;

- объемным о)%; Co= Vi/V;

- массой газа в единице объема в.о) г/м3.

Применяется также концентрация в частях по объему 1:V’, где V’ – объем смеси, в котором содержится 1 объем данного газа (например, концентрация углекислоты 1:2000).

Формулы для пересчета концентраций:





где ? – молекулярный вес газа;

р – давление газа, мм рт. ст.;

ро – нормальное давление газа (760 мм рт. ст.);

Vtобъем газа при температуре t.

В технике наиболее часто употребляется понятие объемной концентрации. Состав газовой смеси обычно задается объемными долями

.


^ 2.1.3 Масса и объем газа

Масса газа, заключенного в заданном объеме, равна m=?V, где ;

.

Объем, занимаемый данной массой газа при давлении р и температуре t равен

,

где ? – молекулярная масса газа;

р – давление газа, мм рт. ст.;

t – температура газа, оС;

G – масса газа, г;

V – объем, занимаемый газом, дм3.

На практике иногда пользуются понятием относительной массы.

Относительная масса газа d по отношению к другому газу при одинаковых давлениях и температурах равны .

Относительная масса газа по отношению к воздуху d=?/29, по отношению к водороду d=?/2 и т.д.

В задачах, связанных с изменением состояния в технологической линии, всегда используют массу, так как она неизменна (если не учитывать отборов и утечек). Например, если в технологической линии производится нагрев, охлаждение, дросселирование или газ совершает работу, конденсации, сжимания, закачка в емкость параметры газа рассчитываются из условия M = const (или m = const) в каждом состоянии или сечении. В разветвленных схемах выполняют расчет массовых потоков – основа химической технологии.


^ 2.2 Идеальные газы


Понятие «идеальный газ» широко применяется в теории и расчетах состояния и движения газов. Для идеального газа постулируется ряд положений, существенно упрощающих теоретические выкладки. При этом получаемые результаты для определенного класса задач и условий достаточно близки к реальным данным. Важнейшими из таких положений являются изэнтропность (в приложении к механике газов это означает отсутствие трения газа о твердые границы, а также внутреннего трения между струйками и частицами газа) и совершенство газа, то есть подчинение свойств газа уравнению состояния идеальных газов в форме уравнения Клайперона – Менделеева

,

где р, V, T – давление, занимаемый объем и температура газа;

M и ? – масса и молекулярная масса газа;

^ R – универсальная газовая постоянная.

Чаще это уравнение применяется в виде для 1 кг газа:

р?=RT,

где ? – относительный объем, м3/кг.

С учетом соотношения ?=1/? это уравнение приобретает вид

р=?RT.

Значения газовой постоянной и молекулярного веса для некоторых газов приведены в таблице2.1.


Таблица 2.1 – Некоторые свойства газов

Газ

R, Дж/(кг∙К)

?

Воздух

Углекислый газ CO2

Кислород

Азот

Гелий

Водород

Метан

287,10

188,92

259,83

296,77

2077,04

4124,21

518,3

29

44

32

28

4

2

16

Газовая постоянная R является основной характеристикой газа и крайне важна для практических расчетов. Физический смысл газовой постоянной – работа расширения одного моля идеального газа при повышении его температуры на 1оК при постоянном давлении. В данном примере (рис. 2.2) – работа перемещения поршня на величину Н при подогреве одного моля газа на 1оК:

,

где m – масса поршня.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

Схожі:

Курс лекций iconКурс лекций Введение в буддологию. Курс лекций. Спб
Введение в буддологию. Курс лекций. Спб.: Санкт-Петербургское философское общество, 2000. 304 С
Курс лекций iconДокументи
1. /курс лекций готовый/1 Валеология - наука о здоровье.doc
2. /курс...

Курс лекций iconДокументи
1. /4 курс/Mенеджмент.doc
2. /4 курс/_стор_я...

Курс лекций iconС. М. Нубарян средства коммерческого учета энергоносителей курс лекций
Курс лекций предназначен для студентов всех форм обучения по специальности 092108, 092. 108 «Теплогазоснабжение и вентиляция»
Курс лекций iconДокументи
1. /4 курс/Mенеджмент.doc
2. /4 курс/_стор_я...

Курс лекций iconДокументи
1. /4 курс/_стор_я _нженернох д_яльност_.doc
2. /4...

Курс лекций iconЮ. А. Фатеев логика Краткий курс лекций
При составлении лекций использован материал учебной литературы и монографий по логике
Курс лекций iconЛ. А. Радионова город как социальная система курс лекций
Город как социальная система: Курс лекций для студентов 1 курса всех форм обучения специальностей 030504 – «Экономика предприятий»,...
Курс лекций iconДокументи
1. /Цимбалюк В.И. Нейрохирургия (курс лекций)(1998)/Nej_1-3.pdf
2. /Цимбалюк...

Курс лекций iconДокументи
1. /Цимбалюк В.И. Нейрохирургия (курс лекций)(1998)/Nej_1-3.pdf
2. /Цимбалюк...

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи