СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА, СЕПАРАТОР ГАЗОВ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ, РУДНИЧНЫЙ СЕПАРАТОР С СЕТКОЙ
METHOD FOR AIR CONDITIONING, SEPARATOR OF COAL BED GASES, MINE SEPARATOR WITH NET

Область техники, к которой относится группа изобретений
Группа изобретений относится к кондиционированию воздуха (газов), в том числе к отделению углеводородов при подземной разработке полезных ископаемых.
Уровень техники
Условимся, в рамках настоящего рассмотрения, именовать геометрическую фигуру, образованную вращением вытянутого полуэллипса вокруг оси, параллельной оси полуэллипса, лежащей в плоскости полуэллипса, но его не пересекающей, - тороидом, если вершина полуэллипса находится дальше от оси вращения, чем его ось.
Кондиционирование воздуха (газа) - приведение его в состояние более благоприятное для жизнедеятельности человека, работы машин и механизмов.
Сепаратор (<лат.separator - отделитель] - аппарат для отделения механической силой одних веществ от других или выделения их из смеси.
3
Известен способ кондиционирования воздуха полостей подземных выработок, основанный на применении специальных газоотсасывающих установок. Сущность этого способа состоит в том, что для кондиционирования воздуха применяют газоотсасывающие установки, нагнетающие воздух выработки в трубопроводную газоотводящую систему. При этом применяют высоконапорные (до 1500 даПа) и высокопроизводительные (до 1800 нм/мин) газоотсасывающие вентиляторы, технические характеристики которых позволяют отводить метановоздушные смеси с концентрацией метана 0-100% (см. «Основы горного дела», А.В.Ремезов и др. Кузбассвузиздат, 2006, С.255) (прототип п.1 формулы).
Этот способ в силу своей экономичности и достигаемого эффекта вышел на лидирующие позиции. Однако произошедшие в последние годы аварии в системах газоотсоса поставили под сомнение его безопасность. «При его применении …отсасываемая газовоздушная смесь может приобрести свойства, приводящие ее к самовоспламенению и даже взрыву» (там же, с.258-259). Кроме того, отведение из выработки метановоздушной смеси требует ее замещения атмосферным воздухом, который подается по выработанному пространству. Однако скорость воздушного потока в выработке ограничена.
В качестве аналога изобретения можно указать авторское свидетельство SU 1793067 А1, в котором описан способ очистки рудничного воздуха от пыли и вредных газов при производстве взрывных работ и устройство для его осуществления. Сущность способа сводится к созданию вращающегося потока загрязненного воздуха, при этом его многократно обрабатывают диспергированной активной жидкостью и пропускают через фильтр с катализатором. В качестве активной жидкости используют водный раствор перекиси водорода, а в качестве катализатора для фильтра - гранулы железной руды. Недостатком способа является введение в полость выработки активных веществ, сравнительно низкая производительность и эффективность.
Машину для сжатия и перемещения газов под давлением будем именовать компрессором. По виду действующих сил компрессоры будем подразделять на центробежные и центростремительные, которые будем различать по направлению движения газового потока их действием. Например, находит достаточно широкое применение радиальный центробежный компрессор, в котором движение газа направлено от оси вращения крыльчатки к концам лопастей. В качестве примера его применения можно назвать «веялку», используемую для отделения зерен от плевел (прототип п.2 формулы). В ней круговым движением лопастей крыльчатки воздух приводят во вращение. У концов лопастей давление действием центробежных сил повышается, а в приосном снижается. Лопасти размещены в круговом цилиндрическом кожухе. Через торцы кожуха поступает воздух в приосное пространство. В обечайке кожуха вырезают прямоугольное окно напротив сыплющегося сорного зерна. Зерна меньше изменяют направление своего движения действием потока воздуха, а плевела и пыль выносятся за пределы «веялки».
В качестве аналога можно указать авторское свидетельство SU 1729601 А1, в котором описан центробежный сепаратор. Увеличение степени очистки в нем достигается за счет увеличения «фактора разделения», которое создается переводом суспензии в аэрозоль и действием центробежных сил.
Аналогом можно считать и изобретение США по патенту US 4145197 А, в котором описано устройство для отделения частиц пыли от воздуха, в котором пыль улавливается распыляемой водой.
Общим недостатком этих аналогов является использование водных аэрозолей для улавливания пыли.
Существенным моментом компрессоров является наличие, наряду с радиальным движением газа, одновременного его смещения в направлении, параллельном оси вращения. Такое смещение у центростремительных машин можно наблюдать. Оно результат нагнетания газа в приосевую область, потому можно говорить о радиально-осевом центростремительном компрессоре. Радиально-осевые центробежные компрессоры заявителю неизвестны. Осевое движение воздуха в веялке, по его мнению, не противоречит последнему утверждению, так как вызвано не сжатием, а разрежением воздуха, что формально не соответствует принятому нами определению радиально-осевого центробежного компрессора.
Центробежные силы задействованы и в таком устройстве, как центрифуга, которое можно рассматривать как разновидность радиального центробежного компрессора.
При кондиционировании газов в условиях шахтной выработки приходится одновременно решать задачу отделения газа от взвешенных частиц - пыли и тумана. Подобного рода задача решена в патенте RU №2293761 Рожкова И.С. (прототип п.3 формулы), где показано, что применение подвижной сетки позволяет достичь приемлемой степени очистки газа от аэрозолей.
В качестве аналогов можно указать авторские свидетельства SU 1731298 А1 (Центробежный классификатор), SU 450418 A3 (Вихревой очиститель), SU 670731 (Центробежный пылеотделитель). Их недостатками являются сравнительно низкая производительность и эффективность в отношении углеводородов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения по п.1 формулы является создание способа кондиционирования воздуха в полости рудничной выработки.
Технический результат решения состоит в: улучшении условий труда горняков и их безопасности; сокращении энергозатрат на перемещение воздуха для проветривания подземных выработок, устранении ограничения нагрузки на очистной забой по газовому фактору («газовый барьер»).
Указанную задачу решает способ кондиционирования воздуха в рудничной выработке, при котором его ведут в выработке, воздух которой выводят по газопроводу и замещают атмосферным. При этом кондиционирование ведут в отношении углеводородов, которые выводят по газопроводу и замещают выведенный объем атмосферным воздухом.
Задачей изобретения по п.2 формулы является создание сепаратора, обеспечивающего разделение газа, извлекаемого из угольных пластов, на тяжелую и легкую фракции.
Технический результат решения состоит в том, что достигается повышение концентрации легких углеводородов в метановоздушной смеси, извлекаемой из угольных пластов отсосом, впервые применено механическое отделение углеводородов.
Указанную задачу решает сепаратор газов угольных пластов. Он включает в себя корпус, расположенные на нем патрубки ввода и отвода газов, двигатель, радиально-осевые центробежный и центростремительный компрессоры, их крыльчатки, лопасти которых вращают вокруг оси полым движителем. При этом лопасти крыльчатки центробежного радиально-осевого компрессора выполняют полыми. Их снабжают прорезями во фронтальной и тыльной поверхностях. Прорези простирают от движителя до тороидальной полости компрессора. Концы лопастей заглушают. В заглушках выполняют радиально ориентированные каналы регулируемого сечения. Верхние кромки лопастей отгибают в направлении вращения, нижние и концевые - в противоположную сторону. Ввод и вывод газов в полость вращения крыльчатки ведут через пластинчатые решетки в форме круговых колец шириной от кромок тороида до поверхности движителя, не касаясь его. Радиальные и круговые пластины решеток устанавливают под острым углом к оси вращения. Движитель закрепляют на трубчатом удлинителе вала двигателя, сочлененным с корпусом посредством двух подшипников. К внутренней поверхности движителя крепят лопасти радиально-осевого центростремительного компрессора. Полость трубчатого удлинителя сообщают с полостью движителя и патрубком отвода относительно легких компонентов. Относительно тяжелые компоненты отбирают через патрубок с регулируемым сечением, который врезают в наиболее удаленном от оси вращения месте тороида. Ввод газа в этот патрубок осуществляют через тупиковый тоннель.
Задачей изобретения по п.3 формулы является создание рудничного сепаратора с сеткой для разделения воздуха выработки на группы компонентов.
Техническим результатом решения задачи является расширение арсенала технических средств кондиционирования воздуха полости рудничной выработки, в частности, создание возможности для вывода из полости выработки углеводородов и иных групп компонентов воздуха выработки.
Решение указанной задачи достигается созданием рудничного сепаратора с сеткой. Известными признаками устройства являются центробежные и центростремительные радиально-осевые компрессоры, движитель, двигатель и арматура. При этом в одном агрегате компонуют от двух до восьми центробежных и два центростремительных радиально-осевых компрессора. Лопасти крыльчаток всех компрессоров крепят на общем движителе. Входную полость сверху защищают зонтом, в котором крепят патрубок с фланцем отвода легких газов, а по периметру - ограждающей решеткой, соединяющей зонт с тороидом верхнего радиально-осевого центробежного компрессора. Лопасти входного радиально-осевого центростремительного компрессора плавно изгибают в направлении вращения от концов до начала круговой пластинчатой решетки. Верхние кромки лопастей по всей протяженности крепят к круговому кольцу. Нижние кромки тоже крепят к круговому кольцу шириной от концов до начала круговых пластинчатых решеток, а далее (до поверхности движителя) их отгибают в направлении, противоположном вращению. На концах лопастей входного радиально-осевого центростремительного компрессора закрепляют мелкоячеистую сетку в форме круглого цилиндра.
Краткие пояснения таблиц и схематических чертежей.
В таблице 1 представлен примерный состав рудничной атмосферы, причем количественные характеристики их содержания приведены для атмосферы Земли. Для газов, характерных горным выработкам, их количественное содержание отличается за счет углеводородов. В подстрочных примечаниях приведены дополнительные сведения. Таблица содержит 19 строк и 8 столбцов. В первой из строк даны наименования столбцов, в последующих - количественные характеристики газов.
Таблица 2 иллюстрирует дифференциацию газов в полостях лопастей крыльчаток в зависимости от их плотности и удаленности от оси вращения сопоставлением градиентов давлений [grad p = плотность х ускорение). В примечании к таблице указан градиент давления атмосферы у поверхности Земли.
Фиг.1 - форма лопасти радиально-осевого центробежного компрессора; положение сечений, заглушки и канала в ней, расположение фронтальной и тыльной прорезей. Иллюстрация п.2 формулы. Фиг.2, 3, 4 - форма сечения лопасти по АА', ВВ' и СС'. Иллюстрации п.2 формулы. Фиг.5 - сепаратор газов угольных пластов. Иллюстрация п.2 формулы. Фиг.6 - рудничный сепаратор с сеткой, иллюстрация пункта 3 формулы.
Осуществление группы изобретений
3
3
1. Преимущества предлагаемого способа кондиционирования воздуха подземного выработанного пространства рассмотрим на примере выемочного участка 24-47 ОАО «Шахта им. С.М.Кирова» в Кузбассе («Основы горного дела», с.312, таблица 11). При замерах в вентиляционной скважине 24-46 07.04.2005 г. из скважины откачивалось 660 м/мин воздуха. При этом метанообильность составила 15,97 м/мин, что равно 2,42% от объема воздуха, выведенного из шахты.
3
Объем подаваемого в выработку замещающего воздуха не может быть сколь угодно большим. Если увеличить скорость воздуха, то «работать в очистном забое будет невозможно из-за высокой запыленности и нулевой видимости» (там же, с.253-254). С возрастанием глубины шахт возрастает и их «метанообильность», достигая 60 и более м/мин, что позволяет говорить о «газовом барьере» росту производительности и возрастанию глубин выработок. Отделение углеводородов непосредственно в выработке и вывод их из ее полости, при оставлении в ней азота и кислорода, сокращает объем воздуха, нагнетаемого в выработку, существенно снижает «газовый барьер», повышает безопасность труда горняков и производительность техники, улучшает экологию, формирует дополнительный объем энергоносителя.
2. В 1940-1941 годах в Англии и США начаты работы по изучению и применению методов отделения изотопа урана-235. Конечным результатом этих работ явилось формирование набора технологий отделения изотопов, в котором есть и механическое разделение. Его называют методом масс-центрифугирования («Справочник по ядерной физике», перевод с английского под редакцией акад. Л.А.Арцимовича, М.: Госиздат, 1963, с.355).
Там же на с.353 дано определение коэффициента разделения:
,
где ζ - коэффициент разделения;
1
1
n' - число атомов в одном грамме с массой m после разделения;
2
2
n' - число атомов в одном грамме с массой m после разделения;
1
1
n - число атомов в одном грамме с массой m до разделения;
2
2
n - число атомов в одном грамме с массой m до разделения.
Помимо коэффициента разделения составители «Справочника…» указывают и на другие параметры процессов, среди которых отмечены: 2) выход разделенных продуктов; 3) общее количество материала, находящегося в процессе разделения; 4) время, необходимое для достижения стационарных рабочих условий или равновесия процесса; 5) эффективность процесса.
6
Для отделения изотопов урана-235 применяют центрифуги с очень большими скоростями, «что вызывает много механических трудностей», а коэффициент разделения зависит от «разницы в массах изотопов». Судя по формуле (1), он непосредственно связан с разницей значений относительных масс. «Способ с успехом применяют для разделения изотопов урана, используя для этого шестифтористый уран» (UF). Молекулярный вес шестифтористого урана-235 составляет 349 а.е.м. От стабильного шестифтористого урана-238, молекулярный вес которого 352 а.е.м., его отделяет всего 3 а.е.м. или примерно 0,86% от масс молекул.
Масса молекулы аргона 39,948, кислорода - 31,9968 а.е.м. (см. таблицу 1). Разница масс составляет 7.9512 а.е.м. По отношению к массе кислорода разница относительных масс составляет 24,85%, а по отношению к массе аргона - 19,90%, что в 23,1-28,9 раз больше, чем при отделении урана-235. Соответственно снижаются требования к числу оборотов и механическим свойствам материалов центрифуг. Это обстоятельство вводит метод масс-центрифугирования в разряд общедоступных технологий.
Предлагаемый сепаратор газов угольных пластов включает в себя радиально-осевые центробежный и центростремительный компрессоры, различить которые на представленных фигурах 5 и 6 можно по стрелкам на лопастях их крыльчаток, указывающих направления движения газов. Будем, кроме этого, различать фронтальные и тыльные поверхности лопастей крыльчаток. Поскольку лопасти крыльчаток радиально-осевого центробежного компрессора полые, то возникает необходимость различения внутренних фронтальных и внутренних тыльных поверхностей. Во фронтальных и тыльных поверхностях лопастей выполнены радиальные прорези для забора и перепуска газов, площади и форма сечений которых, их расположение и протяженность должны соответствовать решаемой технической задаче.
Фронтальное движение лопастей всех компрессоров при их вращении обеспечивает захват, сжатие, осевое перемещение и расслоение газа, при котором, чем тяжелее молекулы, тем они ближе к поверхности лопасти. Относительно легкие молекулы вне полости лопасти продолжают свое движение в направлении, определяемом импульсами, полученными от верхней ее кромки и фронтальной поверхности. Прошедшие через фронтальную прорезь 1 в полость лопасти молекулы теряют осевую скорость. Действием внутренней поверхности тыльной ее стороны направляются в низ полости, где, расслаиваясь, достигают верха, сбрасывают легкую фракцию в разреженную тыльную область лопасти через тыльную прорезь 2, откуда она подхватывается очередной лопастью и ее действием направляется вниз на лопасти выходного радиально-осевого центростремительного компрессора.
Газ в полости принужден вращаться вместе с лопастью. Центробежной силой он ускоренно смещается к концу лопасти, который заглушен. Следствием этого является формирование в полости лопасти радиального газового столба, простирающегося от заглушки 3 до начала тыльной прорези. Соответственно происходит его расслоение в радиальном и вертикальном направлениях и перепуск легких газов через тыльную прорезь. Заглушку торца лопасти снабжают каналом 4 с регулируемым сечением для прохода заданного количества газа при достижении установленного для него давления.
Очевидно, что диаметр канала заглушки задает время истечения из полости лопасти газа в объеме столба газа. Это время должно быть достаточным для «всплытия» действием силы Архимеда молекул отделяемых легких газов. В противном случае они понизят коэффициент разделения, пройдя в тороидальную полость 5. Это время не должно и превышать «достаточное» в степени, выходящей за рамки, определяемые разностью молекулярных масс, иначе будет происходить сброс тяжелой фракции. Соответственно снизится и коэффициент разделения.
-6
В таблице 2 (с четвертого по седьмой столбец) приведены данные по градиенту давлений в слоях столба газа полости лопасти при закрытом канале заглушки и вращении лопасти со скоростью 50 об/сек. Из таблицы видно, что криптон, при достаточном количестве ксенона не сможет занять в столбе место не только на уровне 0,5 м, но и на любом другом уровне, и потому должен покинуть полость. Ксенона в воздухе 10%, а вот бутан, изобутан и пропан могут превышать 3-4%. Их отделять можно от следующих за ними газов, причем вместе с ксеноном, криптоном и озоном, содержание которых вместе не превышает тысячной доли процента. Моль пропана равен 44,068, моль аргона  39,948, их разность - 4,12. Разность относительных масс около 10%. Моль кислорода равен 31,9968. Разность с пропаном равна 12,1. Разность относительных масс около 30-38%. Так как аргон инертен и его содержание незначительно, то для упрощения настройки можно пренебречь его присоединением к той или иной фракции.
Таким образом, интересующее нас время задается градиентом давления, разницей относительных молекулярных масс, объемом столба газа в лопасти, площадью сечения канала в заглушке лопасти и балансом смеси газов. Управлять им мы можем с учетом этих величин.
Представим себе, что мы имеем вращающуюся горизонтально трубку, в которую вложен шарик. На шарик в трубке действует центробежная сила, направленная к ее открытому концу, благодаря чему в отсутствие трения радиальная скорость шарика возрастает. На выходе из трубки шарик продолжит свое движение в направлении результирующей двух составляющих: по касательной к траектории конца трубки в месте отрыва шарика и в радиальном направлении. Можно констатировать: газ, выйдя из полости лопасти крыльчатки в тороидальную полость компрессора, будет способствовать расслоению газа в этой полости.
Находящийся в концах лопастей газ сжат, причем процесс сжатия практически изотермический, благодаря тому, что лопасти металлические и интенсивно обдуваются потоками воздуха. Выходя из полостей, газ расширяется, следствием чего является снижение температуры. Сжатие, расширение и снижение температуры может повлечь конденсацию части пара, которая стекает в накопитель конденсата 6.
Газ в выходном радиально-осевом центростремительном компрессоре тоже сжимают, пар, конденсируясь, попадает в накопитель конденсата.
В тороидальной полости собирается относительно тяжелый газ, отбор которого ведут через тупиковый тоннель патрубка 7 с регулируемым сечением. Эта регулировка позволяет вытеснять легкие газы из тороидальной полости в нижнюю полость 8 сепаратора, где они захватываются лопастями 9, нижние кромки которых отогнуты в направлении вращения радиально-осевого центростремительного компрессора в полости движителя 10 и направляются в полость трубчатого удлинителя вала двигателя 11 и далее в газоотводящий патрубок с фланцем 12. При этом радиальные и круговые пластины решеток устанавливают под острым углом к оси вращения лопастей для гашения вращения газа при вводе в полости.
Таким образом, газы, введенные в верхнюю полость 13 сепаратора посредством патрубка с фланцем 14, действием крыльчатки прогоняют через круговые пластинчатые решетки 15, разделяют на тяжелую и легкую фракции. Кроме названных выше элементов на фиг.5 показана форма сечения тороида 16, отогнутые концы лопастей 17, нижний подшипник 18, сочленяющий трубчатый удлинитель вала с дном 19 нижней полости компрессора, двигатель 20 и верхний сочленяющий подшипник 21.
Известно, что метан является основным компонентом природного и рудничного газов, где его концентрация колеблется от 60 до 99%. Его молекулярный вес около 16 а.е.м. и мы относим его к легким газам. Сепаратор, рассмотренный выше, не составит труда настроить на отделение метана, гелия и водорода из того газа, который отсасывают из угольных пластов, и тем самым обеспечить стабильную работу котельных.
Однако кроме метана природный газ может содержать бутан, изобутан, пропан, этан, этилен и другие углеводороды, которые мы относим к тяжелым. Их содержание может достигать 30-40% и представлять известную энергетическую ценность и опасность (см. таблицу 1 и примечания к ней). Их сброс в атмосферу вместе с тяжелыми компонентами воздуха нежелателен и по экологическим основаниям.
3. Рудничный сепаратор с сеткой представляет собой устройство, скомпонованное из нескольких (от двух до восьми) радиально-осевых центробежных и двух центростремительных. В качестве примера рассмотрим действие сепаратора с четырьмя радиально-осевыми центробежными компрессорами. Такой выбор обусловлен тем, что состав воздуха по разнице масс молекул, с учетом условий угольных шахт целесообразно разделить на 5 групп. В примечаниях к таблицам указаны свойства конкретных газов, с учетом которых в качестве побочного продукта можно извлекать и иные, что потребует или увеличения числа групп, или применения сепараторов по п.2 или 3 для групп газов.
Иллюстрирует п.3 формулы схема, представленная на фиг.6. Здесь мы видим, что над входной полостью сепаратора простерт зонт 22, в котором закреплен патрубок с фланцем для отвода легких газов. С патрубком через подшипник сочленен трубчатый удлинитель вала двигателя, на котором аналогично п.2 формулы закреплен движитель с навешенными на нем лопастями всех задействованных компрессоров. Зонт прикреплен к верхней кромке круглой цилиндрической решетки 23, которая своей нижней кромкой закреплена на тороиде верхнего радиально-осевого центробежного компрессора, через патрубок отбора газа которого 24 отводят самые тяжелые из них. Как указано выше (см. п.2), эта группа газов включает в себя, кроме ксенона, криптона, озона, двуокиси углерода и аргона, и тяжелые углеводороды - бутан, изобутан, пропан. Их содержание в группе может превысить 90%.
Вторая группа - кислород с массовым числом, большим или равным 32 а.е.м., отводится через патрубок 25.
Третья группа - молекулы изотопов кислорода, азота и окиси углерода с массовыми числами меньшими 32, но большими 28 отводится через патрубок 26. Количественное содержание этих изотопов очень мало, но в условиях горной выработки в состав этой группы войдут этан и этилен.
Четвертая группа - азот и окись углерода с массовыми числами, равными или меньшими 28, отводится посредством патрубка 27.
Пятая группа - неон, водяной пар, гелий и водород - легкие газы, отводится посредством патрубка с фланцем, закрепленного на зонте. В условиях горной выработки основной компонент группы - метан.
Отличает рудничный сепаратор от сепаратора газов угольных пластов и наличие входного радиально-осевого центростремительного компрессора 29. Этот компрессор обеспечивает некоторое увеличение давления перед круговой решеткой верхнего и последующих компрессоров и расслоение газа во входной полости, при этом газы располагаются в порядке возрастания их массовых чисел в радиальном направлении, тем самым сокращая время расслоения в полостях лопастей компрессоров. Для этого лопасти входного радиально-осевого центростремительного компрессора плавно изогнуты от концов до начала круговой пластинчатой решетки, их верхние кромки по всей протяженности крепят к круговому кольцу. Нижние кромки тоже крепят к круговому кольцу шириной от концов до начала круговых пластинчатых решеток, а далее до поверхности движителя кромки отгибают в сторону, противоположную направлению вращения. Как и в предыдущем случае, сепаратор снабжен накопителем конденсата 6. Отличается рудничный кондиционер и наличием металлической мелкоячеистой сетки 30 в форме круглого цилиндра, который закрепляют на концах лопастей входного радиально-осевого центростремительного компрессора.
Примем, что удаленность сетки от оси вращения равна 0,5 м. При числе оборотов двигателя 3000 об/мин = 50 об/сек возникающая при этом центробежная сила исключает возможность налипания взвесей на сетку, то есть сетке присуще самоочищение.
3
3
2
-4
-3
-6
-6
-5
Для оценки ее очищающего действия газа от взвесей примем дополнительно, что объем пропускаемого через нее воздуха равен 600 м/мин = 10 м/сек («Основы горного дела. С.311, таблица 10); высота круговой сетки 0,3 м. При этом площадь сетки S≈0,94 м и соответственно нормальная скорость движения воздуха относительно сетки будет около 10 м/сек. Линейная скорость движения любой ячейки сетки составит 157 м/сек. При толщине проволоки сетки 5-10 м и таком же размере окна ячейки для ее смены потребуется 1·10 м / 157 м/сек = 6,4·10 сек. За это время взвесь продвинется на 10 м/сек × 6,4·10сек = 6,4·10 м, то есть она не пройдет путь, равный половине толщины проволоки сетки, и будет отброшена. Даже если взвесь будет иметь размер меньше одного микрона, сетка будет для нее непреодолимой преградой. Чтобы пройти внутрь сетки, взвесь должна увеличить составляющую скорости, нормальную направлению скорости сетки.
-6
-4
-10
Примем скорость взвеси равной 40 м/сек. При этом, находясь в начальный момент у передней по ходу движения сетки проволоки ячейки, она продвинется на 40 м/сек × 6,4·10=2,56·10 м, то есть взвесь пройдет в полость сетки, причем для нее ширина прохода будет значительно меньше ширины окна ячейки сетки, благодаря чему сетка сепарирует взвеси по размерам. Размеры молекул, как правило, не превышают 5·10 м, а скорость может достигать сотен м/сек. Для них сетка не представит значимого препятствия.
Таблица 1
Компонент
Моль µ
Объемн. %
ρ, г/л
t<sub>крит</sub>, °С
p<sub>крит</sub>, ат.
ρ<sub>крит</sub>, г/см<sup>3</sup>
1. Ксенон<sup>2</sup> Хе
131,30
8·10<sup>-6</sup>
5,85899
16,59
60,16
1,105
2. Криптон<sup>3</sup> Kr
83,80
11·10<sup>-5</sup>
3,74
-63,8
55,9
0,908
3. Бутан<sup>4</sup> С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
58,52
2,73204
152,01
37,47
0,228
4. Изобутан
58,52
2,73204
134,98
36,00
0,221
5. Озон<sup>5</sup> О<sub>3</sub>
47,9982
2·10<sup>-6</sup>
2,1418
-12
54,6
0,54
6. Двуокись углерода<sup>6</sup> СО<sub>2</sub>
44,1079
3,3·10<sup>-2</sup>
1,977
31,0
75,2
0,468
7. Пропан<sup>7</sup>
44,068
1,9664
96,8
42,0
0,220
8. Аргон Ar
39,948
0,934
1,783
-122,43
49,6
0,531
9. Кислород<sup>8</sup> O<sub>2</sub>
31,9968
20,95
1,429
-118,84
49,71
0,41
10. Этан<sup>9</sup>
30,068
1,342
32,27
48,3
0,203
11. Этилен<sup>10</sup>
28,05
1,2603
9,50
50,65
0,227
12. Азот<sup>11</sup> N<sub>2</sub>
28,0134
78,09
1,251
-147,0
33,5
0,311
13. Окись углерода<sup>12</sup> СО
28,01055
1,25
-140,2
34,6
0,301
14. Неон<sup>13</sup> Ne
20,183
1,6·10<sup>-3</sup>
0,9004
-228,6
27,75
0,484
15. Вода H<sub>2</sub>O (пар)
18,01534
0,484 (0,80)<sup>14</sup>
374,2
218,5
0,32
16. Метан<sup>15</sup> CH<sub>4</sub>
16,04303
0,7159
-82,5
45,8
0,162
17. Гелий Не
4,0026
4,6·10<sup>-4</sup>
0,1785
-268°
2,26
0,0693
18. Водород
2,01594
5·10<sup>-5</sup>
0,08988
-240
12,8
0,031
<sup>2</sup> Атомный радиус 2,18 Å, получают из воздуха, используют в электровакуумной технике и газосветных лампах.
<sup>3</sup> Атомный радиус 1,98 Å, получают из воздуха, используют в электровакуумной технике для заполнения ламп накаливания, тиратронов, рекламных трубок (чисто белый свет).
<sup>4</sup> Смеси с воздухом, содержащие 1,5-8,5% бутана [СН<sub>3</sub>(СН<sub>2</sub>)<sub>2</sub>СН<sub>3</sub>] или 1,8-8,4% изобутана [(СН<sub>3</sub>)<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>] взрывоопасны. Бутаны содержатся в природном газе. Среднее содержание этана, бутана и пропана в составе угольных газов колеблется от 1 до 10%, увеличиваясь по отдельным пробам до 15-20%. Эти газы отмечаются и в породах, начиная с глубин 10-20 м.
<sup>5</sup> Очень токсичен, концентрация в 10<sup>-5</sup>% может вызвать головные боли, раздражение дыхательных путей и глаз, применение озона обусловлено его окислительным, дезинфицирующим и бактерицидным действием.
<sup>6</sup> При содержании в воздухе свыше 4% вызывает раздражение дыхательных путей, шум в ушах, головокружение, головную боль. Наблюдается выделение из горных пород.
<sup>7</sup> Температура воспламенения 465°С; пределы взрываемости в смеси с воздухом 2,1-9,5 об.%; при давлении 1 атм и 0°С - разлагается.
<sup>8 </sup>На получение 1 нм<sup>3</sup> 99%-ного кислорода расходуется не менее 0,5 кВт·ч электроэнергии. Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Скорость реакций окисления возрастает с повышением температуры. Особую роль в качестве катализатора играет вода. Пламя окиси углерода, горящей во влажном кислороде, при внесении в атмосферу сухого кислорода тотчас гаснет.
<sup>9</sup> Пределы взрываемости с воздухом 3,22-12,45%; получают из нефтяных и природных газов, где его содержится до 5-10%; обладает слабым наркотическим действием.
<sup>10</sup> Пределы взрываемости с воздухом 3-34 об.%; в медицине этилен применяют для общего наркоза при хирургических вмешательствах; содержится в природном газе.
<sup>11</sup> На получение 1 нм<sup>3</sup> азота расходуется 0,25 кВт·ч электроэнергии.
<sup>12</sup> Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом 12,5-74%. Горные породы, в особенности каменный уголь, иногда включают значимые количества окиси углерода, вызывая их «самовозгорание» при вскрытии.
<sup>13</sup> Атомный радиус 1,6 Å, получают из воздуха, используют для заполнения экономичных ламп накаливания, газосветных и сигнальных ламп (красное свечение), в вакуумной технике.
<sup>14</sup> В скобках указана плотность 1 моля пара в пустоте.
<sup>15 </sup>Пределы взрываемости от 5 до 15%. При меньших концентрациях - поддерживает горение, при больших - горит. Воспламеняется при 695-742°С. Используют как топливо и как сырье для промсинтеза.
Таблица 2<sup>16</sup>
Компонент
ρ кг/м<sup>3</sup>
r=0,5 м
r=0,4 м
r=0,3 м
r=0,2 м
1. Ксенон Хе
5,85899
289129,4
231303,5
173477,6
115651,8
2. Криптон Kr
3,74
184561,5
147649,2
110736,9
73824,6
3. Бутан С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
2,73204
134820,7
107856,6
80892,4
53928,3
4. Изобутан
2,73204
134820,7
107856,6
80892,4
53928,3
5. Озон О<sub>3</sub>
2,1418
105693,5
84554,8
63416,1
42277,4
6. Двуокись углерода СО<sup>2</sup>
1,977
97561,0
78048,8
58536,6
39024,4
7. Пропан
1,9664
97037,9
77630,3
58222,7
38815,2
8. Аргон Ar
1,783
87987,5
70390,0
52792,5
35195,0
9. Кислород O<sub>2</sub>
1,429
70518,3
56414,6
42311,0
28207,3
10. Этан
1,342
66225,0
52980,0
39735,0
26490,0
11. Этилен
1,2603
62193,3
49754,6
37316,0
24877,3
12. Азот N<sub>2</sub>
1,251
61734,3
49387,4
37040,6
24693,7
13. Окись углерода СО
1,25
61685,0
49348,0
37011,0
24674,0
14. Неон Ne
0,9004
44433,0
35546,4
26659,8
17773,2
15. Вода H<sub>2</sub>O (пар)
0,484 (0,80)
23884,4
19107,5
14330,6
9553,8
16. Метан CH<sub>4</sub>
0,7159
35328,2
28262,6
21196,9
14131,3
17. Гелий Не
0,1785
8808,6
7046,9
5285,2
3523,4
18. Водород Н<sub>2</sub>
0,08988
4435,4
3548,3
2661,2
1774,2
<sup>16</sup> Таблицей 2 демонстрируется дифференциация, достигаемая применением предлагаемых способов и устройств. Примечания к таблице дополнены сведениями о радиоактивном газе радоне. Именно:1) Четвертая и последующие графы таблицы, судя по размерностям представленных в них величин, являются градиентами давлений в полостях лопастей компрессоров, многократно превышающими таковые в поле гравитации Земли. В частности, на уровне моря давление приближенно падает на 12 Па при увеличении высоты на 1 м, что примерно в 5000 раз меньше градиента этилена на расстоянии 0,5 м от оси вращения при 3000 об/мин.2) Известные газы, присутствующие в атмосфере, дифференцированы по плотности. Так плотность самого тяжелого газа ксенона равна 5,85899 кг/м<sup>3</sup>, наиболее легкого - водорода - 0,08988 кг/м<sup>3</sup>, то есть отношение их плотностей примерно равно 65. Это природное явление. Применение центробежного радиально-осевого компрессора, как видно из таблицы, позволяет увеличить эту дифференциацию. Чтобы убедиться, разделим градиент давления ксенона из 4-го столбца на градиент давления водорода 7-го столбца. 289129,4/1774,2=163, т.е. произведено увеличение в 2,5 раза.3) В состав атмосферы Земли входит радиоактивный газ радон. Известно 19 изотопов радона с массовыми числами 204 и 206-224. Наиболее долгоживущий изотоп с массовым числом 222 имеет период полураспада 3,8229 суток. В 1 м<sup>3</sup> воздуха при нормальных условиях содержится 7·10<sup>-6</sup> г радона. На холодных поверхностях радон легко конденсируется в бесцветную фосфоресцирующую жидкость. Несмотря на свою химическую инертность, радон является одним из наиболее токсичных и опасных ядов, что обусловлено его радиоактивностью. Радон широко применяется в медицине (радоновые ванны) и при поисках в природе радиоактивных элементов. Известные методы получения и очистки радона основаны на связывании сопутствующих ему газов, после чего радон замораживают в жидком азоте, а гелий и водород откачивают. Чтобы получить 1 моль радона при механическом разделении нужно пропустить через сепаратор примерно 222/7·10<sup>-6</sup>=31714286 нм<sup>3</sup> воздуха. При производительности сепаратора по воздуху 10 нм<sup>3</sup>/сек, такой результат достигается через 36,7 суток работы сепаратора. Этот газ обладает уникальными свойствами, и потому является ценным побочным продуктом механического разделения.