Применение мембранных установок получения азота в сфере авиатопливообеспечения

УДК 621.892:629.7

ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННЫХ УСТАНОВОК ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТА В СФЕРЕ АВИАТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ

Е.С. ЦЫРКУНОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Коняевым Е.А.

Рассматриваются возможности и преимущества метода осушки и очистки воздуха в надтопливном пространстве резервуаров служб ГСМ с использованием мембранных технологий.

Ключевые слова: качество топлива, мембранное разделение воздуха, наддув азотом.

Факторы, влияющие на изменение качества топлива при хранении

Топливо, хранимое в резервуарах низкого давления со стационарной крышей, имеет сообщение с атмосферой через дыхательный клапан при «больших» и «малых» дыханиях, а также при открытом способе замера уровня или отбора проб через замерный люк. В процессе хранения легкие фракции испаряются. Надтопливное пространство постепенно насыщается парами топлива и при «больших» или «малых» дыханиях паровоздушная смесь выбрасывается в атмосферу. Это приводит к безвозвратным потерям нефтепродуктов, наносит материальный и экологический ущерб. Эти потери являются не только количественными, но и качественными. Качественные потери в основном зависят от физико-химических свойств нефтепродуктов. Так, испарение легких фракций приводит к изменению фракционного состава топлива, ухудшает его пусковые свойства.

Атмосферный воздух содержит влагу, которая при определенных условиях растворяется в топливе. Также атмосферный воздух может содержать и механические примеси, являясь одним из источников загрязнения авиатоплива. Вода существенно ухудшает качество любого топлива. В её присутствии ухудшаются низкотемпературные свойства. Ухудшаются вязкость, прокачи-ваемость, фильтрумость, процессы смесеобразования, т.е. в конечном итоге снижается теплота сгорания и КПД двигателя. Присутствие воды ускоряет процессы коррозии, увеличивает склонность к накоплению загрязнений, ухудшается смазывающая способность топлива.

Факторы, определяющие безопасность средств хранения авиатоплива

Пары топлива в надтопливном пространстве резервуара образуют с кислородом воздуха взрывопожароопасную смесь.

Взрыво-пожароопасность усугубляется еще и тем, что помимо обычных твердых отложений в резервуарах образуются пирофорные отложения, состоящие в основном из сернистого железа и способные к самовозгоранию при невысоких температурах. Пирофорность отложениям придают содержащиеся в них сульфиды железа (Гех8у) и свободная сера (Б). Крайними формами сульфидов железа являются сульфид (РеБ) и дисульфид (Бе82). Более активной формой является дисульфид железа. В результате его взаимодействия с кислородом воздуха происходит интенсивный разогрев.

Газообразный азот широко применяется в промышленности, благодаря своей химической инертности. Газообразный азот предназначается для создания инертной атмосферы при производстве, хранении и транспортировке легко окисляемых продуктов, при высокотемпературных процессах обработки металлов, не взаимодействующих с азотом, для консервации замкнутых металлических сосудов и трубопроводов, для других целей. Не оказывает опасного влияния на окружающую среду. Нетоксичен, но дыхание в среде с содержанием кислорода менее 19% об.

опасно для жизни. Получение азота возможно тремя методами: криогенным, адсорбционным, с помощью мембранных установок.

Общие сведения о мембранном разделении газовых смесей

Мембранное разделение газовых смесей основано на действии особого рода барьеров, обладающих свойством селективной проницаемости компонентов газовой смеси. Обычно мембрана представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживают различные давления, и составы разделяемой смеси.

Наименьшей ячейкой мембранного массообменного устройства является мембранный элемент, состоящий из напорного и дренажного каналов, разделенных селективно-проницаемой перегородкой. Тип элемента определяется геометрией разделяющей поверхности (плоские, рулонные, трубчатые, волоконные) и организацией движения потоков газа (прямо - и противоточ-ные, с перекрестным током, с рециклом разделяемой смеси и т. д.).

Процесс разделения в мембранном элементе сводится к следующему. Исходная газовая смесь известного состава под давлением поступает в напорный канал, где в результате различной проницаемости компонентов через мембрану происходит изменение состава смеси: уменьшается доля легкопроникающих компонентов, смесь обогащается труднопроникающими компонентами и далее используется по назначению.

На рис. 1 показано примерное стационарное распределение легкопроникающего компонента в поперечном сечении плоского мембранного элемента. Состав смеси меняется по степенному или экспоненциальному закону в диффузионных пограничных слоях напорного и дренажного каналов, примерно линейно - в мембране и пористой подложке и скачкообразно - на поверхности раздела. Каждую из областей можно рассматривать как открытую неравновесную подсистему, а мембранный элемент в целом - как открытую систему, состоящую из четырех подсистем, разграниченных поверхностями раздела.

Химический потенциал каждого из п компонентов газовой смеси зависит только от давления, температуры и состава смеси

т = т (р,т,сь...,сп) (1 = 1,2,...,п).

Область II на рис. 1 представляет комбинацию матрицы исходного материала мембраны и компонентов разделяемой газовой смеси; матрица может оказаться однородной или гетерофазной.

Химические потенциалы компонентов газовой смеси в матрице имеют совсем иную зависимость от внешних параметров и состава, чем в объемной фазе; кроме того, появляются дополнительные параметры X, характеризующие новые виды энергетического взаимодействия. Условия локального равновесия на границе раздела областей, записанные в форме уравнений т/ (р,т,С1,и, ... .,Сп,и) = т,п (р,та,ш,.........., Сп,и, X) (1 = 1,2,., п),

позволяют определить скачкообразное изменение концентраций компонентов на границах подсистем.

Мембраны, свободно проницаемые только для одного компонента, принято называть полупроницаемыми, а остальные - селективно-проницаемыми или просто проницаемыми. При разделении газовых смесей обычно имеют дело с селективно-проницаемыми мембранами, поэтому из напорного канала через стенки разделительного элемента проникают все компоненты смеси, но с различной скоростью.

Скорость проницания отдельных компонентов через мембрану зависит от общего давления, температуры, состава смесей, коэффициентов проницаемости и фактора разделения мембраны, меняющихся в процессе разделения по длине элемента.

Рис. 1. Стационарное распределение концентрации и химического потенциала легкопроникающего компонента газовой смеси в сечении плоского мембранного элемента:

I, IV - напорный и дренажный каналы; II - селективный слой мембраны; III - пористая подложка; XI, г - координатные оси; и, и - составляющие скорости газового потока в каналах; |1;~, т ¡,¥ с\~ с ¡,¥, - химические потенциалы и концентрации компонента в газовой фазе в центре напорного и дренажного каналов; т ¡,ю С ¡,ш - аналогичные характеристики газовой фазы вблизи

стенки каналов; С^т С ¡т С ¡п - концентрация компонента в мембране и каналах подложки

Аппараты с мембранами в виде полых волокон или капилляров занимают особое место, так как имеют очень высокую плотность укладки полупроницаемых мембран, равную 20000-30000 м2/м3. Это достигается использованием мембран в виде полых волокон малого диаметра (45-200 мкм) с толщиной стенки 10-50 мкм. Полые волокна-мембраны способны выдержать рабочее давление, равное десяткам мегапаскалей, поэтому аппараты с такими мембранами не требуют дренажных и поддерживающих устройств, что значительно снижает капитальные затраты, упрощает их сборку и эксплуатацию. В аппаратах с мембранами в виде полых волокон предусматривается подача исходного раствора с наружной поверхности волокон или внутрь капилляра полого волокна. Следовательно, фильтрат в данных аппаратах отводится по капилляру полого волокна или собирается с наружной поверхности волокон. Аппараты с мембранами в виде полых волокон компактны и высокопроизводительны. Например, один аппарат диаметром 240 мм и длиной 1220 мм

с Ц-образными мембранными элементами в виде полых волокон позволяет получать 50 м3 в сутки чистой воды, что недостижимо при таких габаритах в аппаратах других типов.

Рис. 2. Общий вид мембранного картриджа и принцип его работы Применение мембранных установок получения азота в сфере авиатопливообеспечения

Систему наддува надтопливного пространства азотом (рис. 3) целесообразно применить в совокупности с системой улавливания и конденсации паров нефтепродукта. Так как коэффициент совпадения технологических операций по приему и выдаче авиатоплива небольшой (К <0,2), то в системе предусматривается установка газосборника (газгольдера), который регулирует подачу и прием газовоздушной смеси при неравномерной откачке и закачке нефтепродукта в резервуары. При перетекании газовоздушной смеси и изменении температуры в трубопроводе может появляться конденсат. Для сбора конденсата предусмотрен конденсато-сборник 16. В качестве конденсатосборника можно использовать один из заглубленных резервуаров заправочного комплекса. В газоуравнительную систему можно подключать резервуары, залитые только нефтепродуктом одного химического состава или разрешаемыми для смешивания. Газовую обвязку выполняют из труб, диаметр которых позволяет проходить газовоздушной смеси с минимальными гидравлическими сопротивлениями при максимальном расходе нефтепродукта при опорожнении или закачке. Газопроводы укладывают с уклоном для обеспечения свободного стекания конденсата в конденсатосборники.

Система наддува с помощью автоматики поддерживает давление 1,4-1,5 кПа в надтоплив-ном пространстве всех резервуаров склада. При опорожнении резервуара или при "малых дыханиях" освобождающийся объем будет заполняться азотом из системы наддува или из заполняемого резервуара через газоуравнительную систему. При наполнении резервуара при отсутствии в данный момент опорожняемого резервуара газовая смесь вытесняется в газосборник при достижении давления в газоуравнительной системе 1,9-2,0кПа. По мере опорожнения резервуаров газовая смесь из газосборника подается на вход азотной установки, т.е. происходит циркуляция газовой смеси по замкнутому контуру без выброса углеводородов в атмосферу. При отсутствии газа в газосборнике установка питается атмосферным воздухом.

В случае неисправности системы наддува резервуары могут использоваться в обычном режиме - с дыхательными клапанами без наддува.

Применение предложенной схемы позволит: повысить пожарную безопасность средств хранения; обеспечить физическую и химическую стабильность авиатоплива при хранении; улучшить некоторые эксплуатационные характеристики авиатоплива; снизить скорость коррозии элементов конструкции резервуара при нарушениях антикоррозионного покрытия; исключить потери авиатоплива от испарения.

11 12

\—м-

I

Азот Азот+пары авиатоплива Атмосферный воздух Конденсат

Рис. 3. Принципиальная схема наддува и улавливания паров нефтепродуктов резервуаров:

1 - фильтр грубой очистки атмосферного воздуха; 2 - компрессор; 3 - фильтр предварительной очистки; 4 - фильтр тонкой очистки; 5 - адсорбирующий фильтр; 6 - система контроля фильтрующей системы;

7 - мембранные картриджи; 8 - ресивер; 9 - аппаратура контроля состава газовой смеси; 10 - автоматика поддержания постоянного давления в ресивере; 11 - автоматика поддержания постоянного давления в системе наддува азотом; 12 - трубопроводы системы наддува резервуаров азотом; 13 - резервуары;

14 - трубопроводы газоуравнительной системы; 15 - газосборник типа «дышащий баллон»; 16 - конден-сатосборник; 17 - автоматика регулирования максимального давления в резервуарах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. - М.: Химия, 1991.

2. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Федоров Е.П. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. - М.: Химия, 1985.

3. Яновский Л.С., Дубовкин Н.Ф., Галимов Ф.М. и др. Горюче-смазочные материалы для авиационных двигателей. - Казань: Мастер Лайн, 2002.

4. Шапошник В.А. Мембранная электрохимия // Соросовский образовательный журнал. - 1999. - Т 2.

APPLICATION OF DIAPHRAGM FOR GENERATION OF NITROGEN IN AVIATION

Tsirkunov E.S.

The article examines method of drainage and cleaning of air above the fuel in aviation with application of diaphragm. Key words: fuel quality, membrane separation of air, nitrogen pressurization.

Сведения об авторе

Цыркунов Евгений Сергеевич, 1985 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант кафедры авиатопли-вообеспечения и ремонта ЛА, автор 3 научных работ, область научных интересов - повышение качества авиатоплива.