Сжатые газы: риск сжатия смесей CO2 и H2O
В инженерной сфере сжатие газовых смесей является распространенным, но сложным процессом, требующим глубокого понимания свойств и поведения газов, участвующих в процессе. Сегодня мы рассматриваем специфику сжатия углекислого газа (CO2) при смешивании с водой (H2O) – процесса, сопряженного с уникальными сложностями и рисками.
Характер CO2
CO2 – это невидимый газ без запаха, который тяжелее окружающего воздуха.
При комнатной температуре (20 °C) и давлении (1 бар (абс.)) он имеет газообразную форму, но его поведение меняется при сочетании с водой. Если концентрация H2O превышает 2,33% объема, вода начнет конденсироваться и образовывать капли жидкости.
Конденсация газообразного H2O также происходит, например, при охлаждении горячей насыщенной газовой смеси промежуточным или концевым охладителем после сжатия.
В присутствии жидкой H2O смесь образует углекислоту (H2CO3), представляющую собой баланс между ионами CO2, жидкой H2O и HCO3. На это равновесие влияет парциальное давление CO2, определяющее количество CO2, которое остается в газообразной форме или преобразуется в ионы HCO3 в конденсате.
Чем больше ионов HCO3, тем более кислотным становится конденсат.
Риски воздействия кислоты
Основной риск при сжатии смеси CO2 и H2O заключается в образовании кислот. Когда CO2 вступает в контакт с водой, он образует углекислоту, которая может оказывает коррозионное воздействие на материалы, используемые в камере сжатия или другом месте, где возможна конденсация.
Именно поэтому использование нержавеющей стали в конструкции компрессоров и связанных с ними компонентов имеет решающее значение. Нержавеющая сталь обеспечивает устойчивость к коррозионному воздействию кислот, образующихся при сжатии и охлаждении, что гарантирует долговечность и надежность оборудования.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь известна своей устойчивостью к коррозии, которая в первую очередь обусловлена наличием хрома. По определению, нержавеющая сталь должна иметь содержание хрома не менее 10,5% по массе. Коррозионная стойкость нержавеющей стали может быть дополнительно улучшена за счет добавления других легирующих элементов, таких как никель, молибден, азот и титан.
Например, стандартный тип, нержавеющая сталь AISI 304L, содержит 18,111% хрома и 8,074% никеля, что обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и механические свойства, с пределом текучести 351 Н/мм² и прочностью на растяжение 619 Н/мм². Также отмечается низкое содержание углерода, что помогает предотвратить межгранулярную коррозию после сварки.
Эти свойства делают нержавеющую сталь идеальным материалом для многих областей применения, включая медицинскую, пищевую и строительную промышленность, где долговечность и гигиена имеют первостепенное значение.
Риски, связанные с жидкостью
Во-вторых, что не менее важно, при работе с газовыми смесями, включающими H2O, необходимо учитывать риск образования капель жидкости перед сжатием. Эти капли жидкости сжимаются намного меньше, чем газ. Когда они попадают в камеру сжатия объемного компрессора, усилия, необходимые для их сжатия, могут значительно превосходить возможности газового компрессора.
Это может привести к отказам коленчатого вала, повреждению штока поршня или другим механическим поломкам.
Для снижения рисков, связанных со сжатием влажного CO2 – и особенно насыщенного CO2 , необходимо использовать
сепаратор на впуске.
- Это устройство предотвращает попадание воды в камеру сжатия, защищая цилиндры, клапаны и поршни от повреждений.
- Он также гарантирует надежную работу газового компрессора в тяжелых условиях эксплуатации.
Риски, связанные с температурой
Еще один аспект, который следует учитывать, – удельная теплоемкость газовой смеси. Удельная теплоемкость показывает, сколько энергии требуется для изменения температуры газа. Сжатие такого же количества окружающего воздуха или чистого CO2 приведет к изменению температуры газа при таком же давлении на выходе.
Для точной настройки процесса сжатия и соответствующих требований к охлаждению необходимо тщательно изучить это свойство, чтобы избежать рисков, связанных с колебаниями температуры.
Правильно выбранный промежуточный и концевой охладитель обеспечит наиболее эффективную работу компрессора и сократит эксплуатационные расходы до минимума.
Заключение
Сжатие смесей CO2 и H2O – это задача, требующая уважительного отношения к свойствам соответствующих газов.
Используя подходящие материалы, такие как нержавеющая сталь, и применяя меры безопасности, такие как впускные сепараторы, инженеры могут эффективно управлять рисками и обеспечивать безопасность и эффективность работы.