СПОСОБ СЖАТИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
METHOD FOR GAS MEDIUM COMPRESSION

Изобретение относится к компрессорной технике и может быть использовано в технологических процессах, связанных с подготовкой и транспортировкой газов по трубопроводам, и в других технологических процессах, требующих перепада давлений в рабочих зонах.
Известные на сегодняшний день способы получения газов высокого давления основаны на процессах механического воздействия на газовую среду в замкнутом пространстве и сопровождается повышением температуры. Для получения высокого давления применяется процесс многоступенчатого сжатия, при котором сжатие чередуется с промежуточным охлаждением. Поскольку конечное давление при сжатии газа зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой, получение газов высокого давления сопряжено с ростом энергетических затрат и использованием достаточно габаритного и металлоемкого оборудования. При этом вид сжимаемой газовой среды требует соответствующих условий протекания процесса сжатия, что обусловило необходимость существования оборудования различных модификаций, в зависимости от их мощности, функционального назначения, особенностей конструкции, типа привода и других технических характеристик.
Изучение физических процессов, протекающих при взаимодействии электрических полей с газами и рядом полимерных композиционных материалов, например, полученных с использованием нанотехнологий, показывает, что при определенных параметрах электрического поля создаются условия, в которых полимерный материал становится способным пропускать газовую среду. Это свойство полимерного композиционного материала легло в основу способа создания давления газовой среды без механического воздействия на нее. Техническим результатом заявленного изобретения является снижение затрат, связанных с разработкой и эксплуатацией систем, использующих процессы, требующих создания перепада давления, упрощение конструкции устройств сжатия газовой среды, позволяющее сделать их более компактными и мобильными и расширить области применения.
Технический результат заявляемого решения достигается разработкой способа сжатия газовой среды посредством, по меньшей мере, одной ступени сжатия с зонами впуска, сжатия и выпуска газовой среды, образованными электродами со стороны впуска и выпуска и размещенного между ними, по меньшей мере, одного электрода-мембраны, выполненного в виде электропроводного основания (подложки) с пористой структурой и нанесенным на его (ее) поверхность полимерным композиционным газонепроницаемым материалом с возможностью формирования зоны сжатия, включающий пропускание импульсного электрического тока заданной полярности через электрод со стороны зоны подачи газовой среды и электрод-мембрану с получением электрического поля, под действием которого полимерный композиционный материал электрод-мембраны переходит в состояние газопроницаемости с обеспечением переноса газовой среды в зону выпуска с повышением давления, при этом длительность пропускания импульса тока соответствует времени переноса газовой среды через электрод-мембрану.
2
В предлагаемом способе сжатия газовой среды перенос газовой среды через электрод-мембрану осуществляют при напряженности электрического поля (5000-500000) В/м при пропускании импульсного электрического тока с частотой (1-20000000) Гц и плотностью тока на электродах и электрод-мембранах (5-300) А/м.
В данном способе длительность пропускания импульса электрического тока при переносе массы газовой среды через электрод- мембрану определяют по формуле
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>k</mi><mi>E</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac></mrow>
где
ρ - удельное электрическое сопротивление материала подложки,
m - масса переносимой газовой среды,
Е - напряженность электрического поля,
S - площадь поверхности мембраны,
0
0
-6
-4
k=kexp(-nρ), где k выбирается из интервала от 2·10ρ до 2·10ρ и n - экспериментальный коэффициент в интервале от -100 до +100,
при этом оптимальные результаты для различных видов переносимых газовых сред достигаются при длительности пропускания импульса электрического тока в интервале от 5 до 10 с.
Осуществление сжатия газовой среды по предложенному способу показано с использованием принципиальной схемы одноступенчатого устройства сжатия, представленного на фиг. 1. Принципиальная схема устройства сжатия включает два электрода 1 и 3, являющиеся торцовыми стенками, со штуцерами 4 и 5. Между ними установлена электрод-мембрана 2, которая формирует зону сжатия газовой среды. Пространства I и II между электрод-мембраной 2 и электродами 1 и 3 являются соответственно зоной впуска и зоной выпуска газовой среды. Электрод-мембрана 2 содержит основание (подложку) из электропроводного материала с пористой структурой, на которое нанесен полимерный композиционный материал, газонепроницаемый, например, в нормальных условиях. В качестве материала покрытия может быть выбран, например, материал на основе природных органических или синтетических полимеров. Основание (подложка) электрода имеет пористую структуру и может быть выполнено, например, в виде металлической сетки или углеродистой ткани. В одноступенчатом исполнении электрод 3 электрически связан с электрод-мембраной 2 посредством проводника 6.
II
I
При пропускании импульсного электрического тока, приложенного к электроду 1 и электроду 3 и от него к электрод-мембране 2, так что на электроде 1 отрицательный потенциал, а на электроде 3 - положительный, в зоне впуска I возникает электрическое поле соответствующей направленности, под действием которого полимерный композиционный газонепроницаемый материал электрод-мембраны становится способным пропускать газовую среду в зону выпуска II. В результате переноса газовой среды через электрод-мембрану 2 в зоне выпуска II давление газовой среды становится выше, чем в зоне впуска I: Р>P. При этом в зоне впуска I создается разрежение и из внешнего пространства через штуцер 4 поступает (втягивается) газовая среда, а перенесенная газовая среда из зоны выпуска II выходит через штуцер 5 под давлением.
При наличии второй или больше ступеней, получаемых путем последовательной установки электрод-мембран 2′, 2′′, между ними образуются герметичные промежуточные зоны выпуска и впуска газовой среды II, III и IV (фиг.2). Электрод-мембраны 2, 2'' электрически связаны через одну с электродом 3 посредством проводников 6 и 6'. А электрод-мембрана 2′ электрически связана с электродом 1 проводником 7. При этом процесс переноса газовой среды через электрод-мембраны 2, 2′, 2′′ из зоны в зону (I→II, II→III и III→IV) осуществляется при последовательной смене полярности подводимого к ним импульсного тока так, что через предыдущую мембрану не допускается обратного переноса газовой среды, и создается направленный поток ее движения с повышением давления на каждой ступени сжатия.
Возможность протекания процесса переноса газовой среды через электрод-мембрану с повышением давления обеспечивается соответствующими параметрами пропускаемого через электроды импульсного электрического тока.
2
Электрическое поле, необходимое для протекания физических процессов переноса газовой среды через электрод-мембрану, создается при приложении тока частотой от 1 до 20000000 Гц и плотностью тока на электродах и электрод-мембранах от 5 до 300 А/м. При любых соотношениях значений частоты и плотности тока, взятых из этих диапазонов, обеспечивается устойчивое протекание процесса переноса газовой среды без разрушения электрод-мембраны.
Работа в указанных интервалах изменения частоты и плотности тока дает возможность получения электрического поля с напряженностью до 500000 В/м, при этом процесс переноса газовой среды является активным при напряженности в диапазоне от 5000 до 500000 В/м, что достигается при пропускании тока с соответствующим диапазоном напряжения.
0
0
-6
-4
Процесс переноса газовой среды через полимерный композиционный материал при воздействии на них электрического поля напоминает процессы, протекающие в соответствии с законами Фарадея, но им не подчиняющиеся. При этом такой показатель процесса переноса, как электрохимический эквивалент k переноса вещества, определяющий массу переносимого вещества, в условиях физических процессов заявленного способа не является постоянной величиной, а зависит от свойств (химической природы) переносимой среды и полимерного композиционного материала электрод-мембраны. Для типовых газовых сред и используемых полимерных композиционных материалов электрод-мембраны была получена экспериментальная зависимость для расчета k=kexp(-nρ), где экспериментально определен диапазон изменения коэффициента k от 2·10ρ до 2·10ρ [Ом·кг/В], в пределах которого обеспечивается эффективное протекание процесса переноса газовой среды через электрод-мембрану.
Время, необходимое для переноса через электрод-мембрану массы m газовой среды при известных удельном сопротивлении подложки электрод-мембраны ρ, напряженности электрического поля E и площади поверхности S электрод-мембраны, определяется по экспериментальной формуле
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>k</mi><mi>E</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac></mrow>
Ниже приведены примеры условий осуществления заявленного способа сжатия, газовой среды, которые только поясняют способ, но не ограничивают его.
0
2
2
Пример 1. При одноступенчатом сжатии в зону впуска подают газ - воздух с давлением Р=1 атм. Через электроды и электрод-мембрану пропускают импульсный ток с плотностью тока I=10 А/м и частотой 1 Гц при напряжении U=100 В, создавая поле напряженностью E=25000 В/м. При использовании электрод-мембраны площадью 0,0007 м с подложкой из материала, удельное сопротивление которого ρ=0,1 Ом·м, время переноса массы m=0,01 кг (т.е. время пропускания импульса тока) составит
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>k</mi><mi>E</mi><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,1</mn><mo>⋅</mo><mn>0,01</mn></mrow><mrow><mn>5,7</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mn>25000</mn><mo>⋅</mo><mn>0,0007</mn></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>10</mn><mi>c</mi></mrow>
,
0
0
-6
-5
где экспериментальный коэффициент k=kехр(-nρ)≈5,7·10 (при k=1,9·10, n=-11).
0
При подаче воздуха в зону впуска при давлении, равном атмосферному Р=1 атм, давление Р на выходе в зоне выпуска будет 1,1 атм.
0
0
2
Пример 2. При одноступенчатом сжатии в зону впуска подают газ - воздух с давлением Р=1 атм. Через электрод и электрод-мембрану с параметрами подложки из примера 1 пропускают импульсный ток с плотностью тока I=186 А/м и частотой 1 Гц при напряжении U=380 В, создавая поле с напряженностью E=950000 В/м. Время переноса, при соответствующих значениях k и n, составит t=10 сек. На выходе в зоне выпуска давление составляет Р=4,1 атм.
На практике расчет необходимых параметров процесса сжатия газовой среды, обеспечиваемых в пределах экспериментально установленного интервала изменения коэффициента n, проводится по специальной программе компьютерного комплекса.
Ниже показаны результаты использования заявленного способа, реализованного в лабораторных условиях, для разных видов полимерных композиционных материалов электрод-мембран и газов при питании устройства от источника электрического тока с напряжением от 100 до 380 В с частотой 1 Гц.
Электрод-мембрана №1, газ - воздух
№ п/п
Напряжение, В
Напряженность, В/м
Ток, А
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Давление, атм
Время, с
2
100
25000
0,007
10
1,1
10
3
150
37500
0,015
21
1,3
10
4
200
50000
0,030
42
1,75
10
5
250
62500
0,055
78,5
2,4
10
6
300
75000
0,080
114,3
3,0
10
7
380
87500
0,130
185,7
4,1
10
Мембрана №2, газ - метан, этан
№ п/п
Напряжение, В
Напряженность, В/м
Ток, мА
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Давление, атм
Время, с
2
100
25000
3
4,3
1,1
10
3
150
37500
5
7,1
1,5
10
4
200
50000
7
10
1,75
10
5
250
62500
18
25,7
2,6
10
6
300
75000
34
48,6
3,0
10
7
380
87500
81
115,7
4,1
10
Мембрана №3, газ - пропан
№ п/п
Напряжение, В
Напряженность, В/м
Ток, мА
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Давление, атм
Время, с
2
100
25000
51
78,6
1,6
3
150
37500
82
114,2
1,9
10
4
200
50000
101
150,0
2,1
10
5
250
62500
129
186,0
2,7
10
6
300
75000
161
228,5
3,4
10
7
380
87500
211
30,14
4,3
10
Электрод-мембрана №4, газ - диоксид углерода
№ п/п
Напряжение, В
Напряженность, В/м
Ток, мА
Плотность тока, А/м<sup>2</sup>
Давление, атм
Время, с
1
20
5000
0,1
0,2
0,001
10
2
100
25000
15
21,5
1,1
10
3
150
37500
30
43,0
1,7
10
4
200
50000
55
78,6
1,9
10
5
250
62500
80
114,2
2,5
10
6
300
75000
105
150,0
3,4
10
7
350
87500
130
186,0
4,0
10
Данный способ сжатия газовой среды обеспечивает получение давления в широком диапазоне до 50 МПа и более, а также с использованием автономных генераторов токов, а также токов промышленной частоты стандартных напряжений.