Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Иванов А.В. 1 Хорват А.В. 1 Назаренко И.Н. 1
1 ФГКВОУ ВО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»
В статье рассмотрена возможность применения электроемкостных датчиков гребенчатого типа в воздухоразделительных установках. Предложен способ увеличения производительности воздухоразделительных установок и повышение безопасности при добыче жидкого азота и кислорода. Проанализирован состав воздуха, используемый в низкотемпературной ректификации для получения азота и кислорода, содержащий молекулярную и аэрозольную составляющую, особенно углеводородного ряда. Накопление горючих примесей потенциально опасно для нормального функционирования воздухоразделительных установок. Анализ литературных источников показал, что взрывы воздухоразделительных установок связаны с накоплением углеводородов. Предлагается разработать систему мониторинга накопления примесей углеводородного ряда в виде твердой фазы в кубовой жидкости, основанную на электроемкостных датчиках гребенчатого типа, с целью повышения эффективной работы воздухоразделительных установок и предупреждения возникновения нештатных ситуаций, связанных с взрывопожаробезопасностью.
электроемкость
емкостной датчик
кислород
азот
воздухоразделительная установка
взрывобезопасность
взрыв
1. ГОСТ 6331-78. Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия. – Взамен ГОСТ 6331-68, введ. 01.01.80. – Москва: Изд-во стандартов, 1979. – 25 с.
2. Джежора А.А. Электроемкостные преобразователи и методы их расчета. – Минск: РУП Издательский дом «Белорусская наука», 2008.
3. Курбатов В.М., Пресняков Ю.П. Емкость конденсатора с электродами гребенчатой формы // Электричество. – 1975. – № 6. – С. 84–86.
4. Файнштейн В.И. Кислород, азот, аргон – безопасность при производстве и применении. – М.: Интермет-Инжиниринг, 2008. – 187 c.
5. Файнштейн В.И. Оценка степени приближения к опасным условиям работы конденсаторов-испарителей воздухоразделительных установок // Технические газы. – 2009. – № 5. – С. 67–70.
6. Safe Practices Guide for Cryogenic Air Separation Plants. EIGADoc.147-13. – 2013. – 68 p.

Основные продукты разделения воздуха (кислород, азот) до сих пор получают с использованием процессов и оборудования криогенной техники. Воздух, используемый для разделения, может содержать следующие компоненты, нежелательные (опасные) для нормального функционирования воздухоразделительных установок (ВРУ):

1) молекулы, способные к окислению кислородом в газообразном и/или жидком виде (предельные, непредельные, ароматические углеводороды и их кислород-, азот-, серосодержащие производные, сероуглерод и др.);

2) молекулы более активных окислителей, чем молекулярный кислород O2 (озон O3, органические перекисные соединения, оксиды азота NO, NO2 и др.);

3) молекулы веществ, вызывающих химическую коррозию внутренних поверхностей аппаратуры (для алюминия это кислотные оксиды, кислоты, аммиак и др.);

4) молекулы негорючих веществ, осаждающиеся на металлических поверхностях при низких температурах, ухудшающие теплообмен и массоперенос газов (в англоязычной литературе plugging contaminants, «закупоривающие» загрязнения): H2O, CO2, N2O;

5) аэрозольные частицы, способные к окислению кислородом: мелкодисперсный элементарный углерод ЭУ (черная сажа или black carbon BC) и так называемый органический углерод ОУ (organic carbon OC) – продукты неполного сгорания растительности, жидкого и твердого углеводородного топлива.

Пятый пункт имеет прямое отношение к пожаро- и взрывоопасности в ходе эксплуатации ВРУ.

Содержаний опасных углеродсодержащих примесей в жидком кислороде [5]

Наименование вещества

Предельная концентрация, мгС/дм3 жидкости

(в пересчете на углерод)

Ацетилен

0,22

Высшие ацетиленовые углеводороды

0,15

Предельные и непредельные углеводороды с малой растворимостью в жидком кислороде, группа С56 и более тяжелые, в сумме

1,0

Предельные и непредельные углеводороды, имеющие среднюю растворимость в жидком кислороде, группа С34 (пропилен, изобутан, бутен-1, н-бутан, изобутилен), в сумме

11

Этан

200

Этилен

25

Пропан

15

Предельные и непредельные углеводороды, хорошо растворимые в жидком кислороде, группа С13 (метан, этан, этилен и пропан), в сумме:

а) в жидком кислороде из конденсаторов, последних по ходу жидкости, и в первичном криптоновом концентрате при отборе проб на анализ не реже, чем через 24 ч

430

б) в жидком кислороде из конденсаторов, последних по ходу жидкости, и в первичном криптоновом концентрате при отборе проб на анализ не реже, чем через 2 ч

645

в) в первичном криптоновом концентрате после теплого испарителя при наличии испарителя-конденсатора витого типа и непрерывном контроле за содержанием метана или суммы углеводородов:

– метан

– сумма углеводородов

6800

7600

Сероуглерод, мг/дм3

0,12

Масло, мг/дм3

0,4

В настоящее время с целью прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций в процессе разделения воздуха могут проводиться следующие замеры:

1) контроль содержания опасных веществ в конечных криопродуктах;

2) контроль содержания опасных веществ в кубовой жидкости;

3) мониторинг состава воздуха, поступающего в воздухозаборник.

Контроль содержания опасных веществ в конечных криопродуктах, повсеместно использующийся в настоящее время, сам по себе важен и нужен, но не дает целостной картины эффективности очистки воздуха перед разделением на компоненты и динамики накопления взрывопожароопасных веществ внутри ВРУ.

Нормативы содержаний взрывоопасных примесей в жидком кислороде, регламентированные в России и за рубежом, установлены в определённом соотношении к пределу растворимости примесей в жидком кислороде и представлены в таблице [1, 6].

Как видно из таблицы, все эти вещества (кроме сероуглерода CS2) являются органическими и относятся к гомологическим рядам предельных и непредельных углеводородов. По крупным воздухоразделительным установкам стран-участниц EIGA и CGA (Европейская и Североамериканская ассоциации производителей технических газов) известно следующее число взрывов, связанных с накоплением углеводородов [4, 6]:

– сильные взрывы, сопровождавшиеся разрушением не только установки, но и соседних сооружений, – 3;

– локальные взрывы, последствия которых не выходили за пределы кожуха блока разделения, – 8;

– микровзрывы, приводившие к появлению неплотностей в парогенерирующих каналах испарителей кислорода, – 36.

Данная статистическая выборка охватывает промежуток 1964–2013 гг.

В нормативных документах обычно устанавливаются определённые концентрации примесей (примерно 0,5 от предельной), для достижения которых допускается нормальная работа установки. В противном случае предусматривается повышение эффективности работы средств очистки, увеличение проточности, выявление и устранение источников повышенной загрязнённости воздуха и реализация других мероприятий. Если концентрация примесей в жидком кислороде превышает норму, то предписывается остановка агрегата и проведение полного его отогрева [5].

ivan1.wmf

Рис. 1. Принципиальная схема системы автоматического мониторинга воздухоразделительной установки. 1, 2, 3 – места отбора проб для анализа на газовом хроматографе или места установки блоков датчиков

ivan2a.tif

а) плоскопараллельного типа

ivan2b.tif

б) с разведенными электродами

ivan2c.tif

в) с электродами в одной плоскости

Рис. 2. Поток силовых линий электрического поля между электродами конденсатора

Для повышения эффективности и обеспечения взрывопожаробезопасти эксплуатации ВРУ в неблагоприятной экологической обстановке, а также для осуществления мониторинга очистки воздуха, необходимо применить систему мониторинга воздухоразделительной установки, как показано на рис. 1.

Одним из средств повышения безопасности использования ВРУ является оснащение криоустановок средствами контроля наличия твердых частиц как в объеме жидких веществ, так и на внутренних поверхностях, контактирующих с газовой фазой, обогащенной кислородом. Сравнительный анализ и экспериментальные исследования ряда возможных методов контроля (ультразвуковых, оптических, весовых и пр.) толщины осадков микропримесей показали преимущества емкостного метода, как показано на рис. 2.

В настоящее время существует множество типов и конструкций плоских измерительных датчиков, а также методов и способов измерения. Но анализ существующих датчиков показал, что принцип работы у всех основан на проникновении линий электрического поля в основную часть плотно прилегающего материала, способного накапливать электрический заряд, к поверхности датчика. Таким образом, емкость датчика зависит от диэлектрической проницаемости и толщины прилегающего материала и геометрических параметров электродов [2].

Плоский измерительный датчик состоит из электродов гребенчатой формы с дополнительным экраном и предназначен для измерения тонких диэлектрических слоев, как показано на рис. 3.

Если предположить, что три однородных слоя, изображенных на рис. 3, не несут свободных зарядов, то для каждого из них справедливо уравнение Лапласа

iv01.wmf. (1)

ivan3.tif

Рис. 3. Плоский конденсатор с электродами гребенчатой формы: вид сверху, вид сбоку и форма электрического потенциала в системе [3]. 1 – диэлектрическая проницаемость подложки, контролируемого слоя и внешней среды соответственно; 2 – период чередования ламелей; 3 – половина разности потенциалов разноименных заряженных ламелей; 4 – толщина контролируемого слоя и толщина подложки

Емкость преобразователя определяется разностью потенциалов между соседними ламелями и напряженностью электрического поля:

iv02.wmf, (2)

где U0 – разность потенциалов, ε(x, y, z) – диэлектрическая проницаемость окружающей среды, E(x, y) – напряженность электрического поля.

Если пренебречь краевыми эффектами, решение данной задачи [3] можно представить в виде бесконечного ряда по k:

iv03.wmf, (3)

где iv04.wmf ε0 = 8,854*10-12 Ф/м – электрическая постоянная, S = LxLz – площадь датчика, h – толщина контролируемого слоя, а – период чередования ламелей; ε1, ε2, ε3 – диэлектрические проницаемости подложки, контролируемого слоя и внешней среды.

Этот ряд быстро сходится, а числовой ряд iv05.wmf выражается через дзета-функцию Римана, и его сумма равна 1,051.

Окончательное выражение для емкости:

iv06.wmf, (4)

где iv07.wmf.

Максимальное относительное изменение емкости можно найти из простого соотношения:

iv08.wmf. (5)

Данный метод предназначен для измерения емкости в статической системе, и, как было указано выше, в выражении (4) пренебрегаются краевые эффекты. Основной проблемой решения задачи, связанной с измерениями емкости (определения выпадения осадка), является динамичность системы. Как известно, при работе ВРУ, в узлах и агрегатах происходит постоянное движение криожидкости, что добавляет задачу определения мест накопления осадка в виде твердой фазы. Для нивелирования краевых эффектов, необходимо изменение конструкции электроемкостного датчика.

Выводы

Воздух, используемый для разделения в ВРУ, содержит большое количество примесей, опасных при взаимодействии с жидким азотом и кислородом. Как показал анализ литературных источников, наиболее опасными являются примеси углеводородного ряда. Такие примеси, осаждаясь в криожидкости, образуют твердую фазу и накапливаясь, приводят к возгоранию и, впоследствии, к взрыву. Таким образом, необходима разработка и оснащение системой мониторинга работоспособности ВРУ, основанной на измерении электроемкостным методом при помощи плоских измерительных датчиков гребенчатого типа, что повысит эффективность и обеспечит взрывопожаробезопасностную эксплуатацию воздухоразделительных установок. Данную задачу необходимо решить совокупностью математических моделей: «определения осадка в кубовой жидкости» и «определения наиболее вероятных мест накопления твердой фазы».


Библиографическая ссылка

Иванов А.В., Хорват А.В., Назаренко И.Н. МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 10-2. – С. 248-252;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=36314 (дата обращения: 21.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074