VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Цель работы:

1. Ознакомиться с процессом создания искусственных газовых сред.

2. Изучить устройство и принцип работы мембранной газоразделительной установки.

3. Изучить устройство и принцип работы газоанализатора.

Устройство и принцип работы газоразделительной установки

Установка предназначена для создания регулируемой газовой среды (РГС) внутри холодильных камер для хранения сельскохозяйственной продукции.

Она позволяет:

- получать из атмосферного воздуха потоки газовых сред с различной концентрацией кислорода и азота;

- регулировать влагосодержание в получаемых газовых потоках;

- формировать искусственную газовую среду в камере для хранения продукции, отвечающую по своему составу технологическим требованиям;

- осуществлять продувку рабочих камер оксидом углерода;

- поддерживать в рабочей камере заданные: температуру, влажность и газовый состав среды в течение всего срока хранения продукции;

- осуществлять контроль технологических параметров.

Схема установки представлена на рис. 1.

Экспериментальный стенд состоит из газоразделительной установки, холодильной камеры и системы контроля и управления.

Газоразделительная установка является основным технологическим узлом стенда, предназначенного для получения из атмосферного воздуха потоков газовых сред с различной концентрацией кислорода и азота и различным влагосодержанием. Затем поток направляется в рабочую камеру с целью создания в ней искусственной газовой среды.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

ГГУ – газогенерирующая установка, ХК – холодильные камеры,

СКУ – система контроля и управления

Технические характеристики:

исходная газовая смесь атмосферный воздух

регулируемый расход исходной газовой смеси 2,0 – 4,0 нм/ч

диапазон расхода отбора пермеата 1,0 – 2,0 нм/ч

рабочее давление смеси в установке не более 1,0 МПа

давление в потоке пермеата 0,095 – 0,105 МПа

давление в потоке ретентата не более 0,125 МПа

концентрация кислорода в потоке отбора пермеата 35 - 45%

концентрация азота в потоке отбора ретентата 95 – 99 %

относительная влажность на входах

в мембранные модули не более 85%

Пневмогидравлическая схема мембранной газоразделительной установки приведена на рис. 2.

Рис. 2. Пневмогидравлическая схема установки

Основными элементами газоразделительной установки являются два последовательно соединенных мембранных модуля ММ1 и ММ2, принцип действия которых состоит в разделении на селективных полимерных мембранах подаваемой на вход газовой смеси на основе воздуха на 2 потока. Один из потоков обогащен по кислороду, а другой по азоту. Первый модуль с малым значением коэффициента деления потока предназначен для получения газовой смеси, обогащенной кислородом. Второй модуль с большим значением коэффициента деления потока и с повышенной селективностью служит для получения смеси с высоким обогащением по азоту. Модули соединены по специальной рециркуляционной схеме коммутации потоков, за счет использования которой в отборах газоразделительной установки одновременно удается получить высокое обогащение газовой смеси по кислороду и азоту при высоких значениях величин потоков отборов.

Мембранные модули представляют собой сборки из мембранных элементов, заключенных в герметичные металлические корпуса из нержавеющей стали, рассчитанные на избыточное давление не ниже 1,5 МПа.

Рабочие параметры газоразделительной установки выбирают из условий обеспечения объемной концентрации кислорода на его выходе в потоке отбора в пределах 35 – 45%. При этом концентрация кислорода на входе в компрессионный блок не превышает 27%. Рекомендуемая величина концентрации в потоке отбора должна составлять 40 %.

Для формирования рабочей смеси используется смеситель СМС, включающий ресивер емкостью 10 литров. Рабочая смесь формируется из части потока пермеата первого модуля, потока пермеата второго модуля и потока питания углекислым газом. Расход каждого потока подлежит контролю расходомерами Рс1, Рс2 и Рс3. Величины подаваемых в смеситель потоков регулируется дросселями Др1, Др2 и Др3.

В качестве устройства подачи углекислого газа используют баллон с углекислым газом, находящимся под давлением.

Для обеспечения требуемого давления рабочего газа в мембранных модулях используют безмасляный компрессор КМПР типа LXF 14-10 Т 20/230/1/50. Питание компрессора осуществляется от однофазной сети переменного тока 220В, 50 Гц. Потребляемая мощность – 2,19 КВт. Максимальная производительность компрессора в нм³/ч определяется заводской расходной характеристикой.

Давление на выходе из компрессора контролируется манометром М5. Рабочие производительности компрессора на 2,5 – 9 % ниже максимальных, из-за дополнительного гидравлического сопротивления, возникающего при подаче потоков от мембранных модулей в смеситель. Давление на входе в компрессор контролируется манометров-вакууметром М1.

Нагрузочная характеристика мембранной установки, ее производительность и концентрация компонентов в потоках отборов регулируют дросселем Др5, устанавливающим давление в мембранных модулях в области течения не проникших через мембрану потоков и расход газовой смеси, а также дросселем Др1, задающим поток питания установки, и дросселями Др2, Др3, Др4, устанавливающими расход пермеата и давление потока на выходе потока пермеата мембранных модулей.

Контроль давлений на выходах из мембранных модулей осуществляют манометрами низкого давления М2, МЗ и манометром высокого давления М4.

Для контроля состава газовой смеси в потоках отборов используются два датчика концентрации И-О-1 и И-О-2, первый из которых служит для измерения концентрации кислорода в отборе потока пермеата первого мембранного модуля, а второй датчик концентрации кислорода для контроля содержания азота в отборе потока ретентата второго мембранного модуля. Сигналы от датчиков показываются на дисплее измерительного прибора и одновременно поступают в компьютер. В целях предотвращения повреждения датчиков большими газовыми потоками они подключены к основным коммуникациям на параллельных трубопроводах с высоким гидравлическим сопротивлением (содержат специальные расходные шайбы).

Расходомеры Рс4 и Рс5 служат для контроля величин потоков продуктов.

Сумма показаний расходомеров Рс2 – Рс5 служит для контроля суммарной производительности установки.

Рис.3. Вид передней панели газоразделительной установки

В целях предотвращения быстрого сброса давления в мембранных модулях в аварийных ситуациях (разрыв в коммуникации высокого давления) и повреждения мембраны на входах каждого мембранного модуля установлены обратные клапаны давления ОК1 и ОК2.

Для подготовки сжатого воздуха из ресивера РСВ компрессора перед его подачей в первый мембранный модуль используют водяной охладитель ОХЛ, фильтр-конденсатор влаги Ф-КНД и нагреватель НГР. Выходящий из ресивера воздух имеет 100% относительную влажность и при его охлаждении в охладителе образуется перенасыщенный пар и происходит частичная конденсация воды, которая улавливается фильтром, снабженным каплеотбойником. Фильтр содержит систему автоматического сброса конденсата. В нагревателе электрического типа за счет повышения температуры сжатого воздуха происходит уменьшение влажности до 60-80%, что позволяет предотвратить конденсацию влаги в области низкого давления первого мембранного модуля (проницаемость паров воды через поверхность мембраны в область низкого давления на два порядка превышает проницаемости других компонентов газовой смеси).

Контроль температуры и влажности воздуха, подаваемого в первый мембранный модуль, осуществляется датчиком Т-ВЛ, сигнал от которого показывается на дисплее измерительного прибора и одновременно поступает в компьютер. В целях предотвращения повреждения датчика большими газовыми потоками он подключен к основной коммуникации на параллельном трубопроводе с высоким гидравлическим сопротивлением (содержит специальную расходную шайбу).

Коммуникация для подачи газового потока в камеры для хранения продукции содержит увлажнитель УВЛ.

Коммуникация для подачи газового потока снабжена расходомером Рсб и запорно-регулировочным краном ЗП, позволяющим осуществлять распределение газа между различными потоками.

Поток газовой смеси, поступающий на вход компрессора, формируется из потока питания атмосферным воздухом, рецикловой части потока пермеата первого мембранного модуля и полного потока пермеата второго мембранного модуля.

После сжатия на компрессоре и частичной осушки газовая смесь поступает на вход высокого давления первого мембранного модуля.

Проникшая через поверхность мембранных элементов газовая смесь поступает в коллектор низкого давления. Давление в коллекторе поддерживают на уровне 0,103-0,14 МПа и регулируют дросселями ДрЗ и Др4 на коммуникациях рециклового потока и потока отбора пермеата. Этими же дросселями одновременно регулируют полную величину потока пермеата и соотношение между рецикловым потоком и потоком отбора. За счет поддержания разницы давлений в проникшем и не проникшем через мембранные элементы газе поток пермеата обогащен кислородом.

Газораспределительное устройство на выходе потока пермеата из первого модуля позволяет отобрать часть потока пермеата и вернуть его рециклом в смеситель СМС на входе компрессора. Величину возвращаемого потока контролируют расходомером РсЗ и регулируют дросселем ДрЗ. Полный поток пермеата определяется суммарным показанием расходомеров РсЗ и Рс4.

Не проникший через мембранные элементы первого модуля газовый поток (поток ретентата) подается на вход высокого давления второго мембранного модуля, в котором, за счет выбора соответствующего режима работы происходит слабое обогащение газа кислородом в потоке пермеата и финишное высокое обогащение по азоту в потоке ретентата. Поток пермеата возвращается рециклом в смеситель на входе компрессора. Величины потоков пермеата и ретентата второго модуля регулируются дросселями Др2 и ДрЗ и контролируются расходомерами Рс2 и РсЗ.

Поток отбора пермеата первого модуля и поток отбора ретентата второго модуля являются продуктами для подачи в специальные исследовательские камеры. Газовый состав этих потоков периодически контролируют соответствующими измерительными приборами через размещенные на коммуникациях отборов датчики кислорода И-О-1 и И-О-2.

Контроль состава газовой среды в камере

Состав РГС внутри холодильной камеры должен контролироваться при помощи газоанализатора. В настоящее время в области отечественного и зарубежного приборостроения существует большой выбор газоанализаторов для различных отраслей промышленности, например, газоанализаторы промышленных выбросов классов ЭЛАН, TESTO, MRU DELTA и другие. Газоанализаторы также подразделяют на ручные (переносные) и стационарные. Они отличаются по номенклатуре анализируемых газов, диапазонам измерения, рабочей температуре и другим параметрам.

Ручной газоанализатор MRUDELTA 65 (№ 16331-03 в Государственном реестре средств измерений РФ) предназначен для анализа дымовых газов, позволяет проводить анализ О₂, СО и СО₂, измерять температуру и давление газа и рассчитывать ряд показателей дымовых газов. Прибор имеет графический дисплей с интерфейсом RS 232 и встроенную память на 100 измерений.

Прибор имеет комплект зондов различной длины. Измерение проводят после введения зонда в камеру, заполненную исследуемой газовой смесью, согласно указаниям на дисплее.

Питание прибора осуществляют от сети 220В или аккумуляторов NiCd.

Таблица 3

Технические характеристики газоанализатора MRU DELTA 65

Параметр	Диапазон измерений	Разрешение
О2	0…21%	0,1%
СО	0…10000 ппм	1 ппм
СО2	0…20%	0,1%
Температура газа	0…+650оС	0,1оС
Температура воздуха	0…+100оС	0,1оС
Давление (тяга, разряжение)	-5…+35 гПа	0,01 гПа
Габариты	155х90х42 мм
Вес	0,5 кг.

Порядок выполнения работы

1. Изучить по методическим пособиям [1,2] общие сведения о мембранных процессах газоразделения.

2. Ознакомиться с экспериментальной установкой.

3. Получить у преподавателя задание с указанием характеристик объекта, предлагаемого для хранения в рабочей камере.

4. На основании характеристик продукта выбрать режим работы установки.

Основными рабочими параметрами газоразделительной установки являются величины потоков газовой среды, контролируемые счетчиками расходов Рс4 и Рс5, а также концентрация кислорода, измеряемая в потоках после указанных счетчиков. При этом главным лимитирующим параметром является показание датчика кислорода И-О-1, которое в процессе эксплуатации не должно превышать 45%. При этом концентрация азота на азотном выходе может достигать 99%, а потоки отборов на кислородном и азотном выходах могут варьироваться в пределах до 1,7 и 2,0 нм³/час, соответственно.

Основными узлами, позволяющими регулировать рабочие параметры установки, являются дроссели Др1-Др5. При этом главным регулировочным элементом является дроссель ДрЗ, положение которого определяет уровень высокого давления, расход газовой смеси через компрессор и установку, концентрации кислорода и азота в потоках отборов, а также соотношение между величинами потоков отборов. Дроссели Др2, ДрЗ позволяют корректировать величины рецикловых потоков, а дроссель Др4 величину потока на кислородном выходе. Дроссели Др2 и Др4 не должны быть полностью закрытыми. Дроссель Др1 определяет суммарный поток отборов на кислородном и азотном выходах и также ни когда не должен быть полностью закрыт.

5. Включите установку. Для этого:

1. включите общий щит электропитания в помещении;

2. визуально убедитесь, что все пневматические соединения в установке исправны;

3. проверьте наличие воды в водяном охладителе;

4. включите приборы контроля и убедитесь, что показания датчиков соответствуют действительности, показания манометров М5 и М4 равны нулю;

5. убедиться, что дроссели Др 1, Др2, Др4, Др5 являются полностью открытыми, а дроссель ДрЗ полностью закрыт;

6. через 5 минут после включения пакетного выключателя и прогрева нагревателя НГР запустите компрессор выключателем на его корпусе; убедитесь, что в установке отсутствуют звуки, свидетельствующие об утечках газа.

6. В течение 10-15 мин. выйдите на требуемый режим работы. Регулировка высокого давления и расходов осуществляется дросселем Др5, а корректировка расходов остальными дросселями; в процессе выхода на режим следите за показаниями манометров М4 и М5, датчиков Т-ВЛ, И-О-1 и И-О-2.

7. Выключите газоразделительную установку. Для этого:

1. отключите электропитание компрессора выключателем на его панели;

2. по показаниям манометров М5 и М4 убедитесь, что скорость убывания давления в компрессоре и мембранной установки не превышает 0,7 МПа/мин., иначе проверьте все пневматические коммуникации на утечки газа;

3. при снижении давления до уровня 0,3-0,4 МПа отключите электропитание нагревателя НГР пакетным выключателем; следите за показаниями манометров М2, МЗ и М4. Показание М4 никогда не должно оказаться ниже показаний М2 и МЗ, иначе немедленно полностью откройте дроссели Др2, ДрЗ и Др4;

4. отключите от электропитания измерительные приборы Т-ВЛ, И-О-1 и И-О-2.

8. При помощи газоанализатора MRU DELTA 65 определите концентрацию О₂ и СО₂ внутри камеры.

9. Рассчитать состав газовой среды в камере.

10. Измерить температуру в камере при помощи лабораторного термометра.

11. Определить влажность воздуха в камере.

12. Оформить отчет о проделанной работе в виде двух таблиц (табл. и табл. 4).

Последовательность выполнения работы Таблица 4

№	Действие	Описание	Комментарии
1	2	3	4

Полученные режимы хранения Таблица 5

Параметр	Единица измерения	Значение
Температура	оС
Влажность	%
О2	%
СО2	%
N2	%

13. Сделать вывод о требованиях к работе газоразделительной установки, а также о соответствии требуемых технологических режимов хранения продукции и режимов, полученных при выполнении исследований.

Содержание отчета по результатам исследований

1. Цель работы.

2. Задание к работе.

3. Схема лабораторной установки.

4. Таблица опытных данных.

5. Выводы по результатам исследований.

Литература

1. Беззубцева М.М. Электромембранные способы разделения неоднородных систем в АПК. Учебно-методическое пособие. – СПб: СПбГАУ, 2009. 65с.

2. Лазарева И.А. Мембранные процессы разделения жидких и газовых сред. Учебно-методическое пособие. – СПб: СПбГАУ, 2009 48 с.

Код для цитирования: Скопировать