В области обработки промышленных газов существуют фундаментальные технические различия между сжатием обычного воздуха и сжатием специальных газов. Согласно международным стандартам ISO 7396-1:2016 «Системы трубопроводов для медицинских газов» и API 618 «Поршневые компрессоры для нефтяной, химической и газовой промышленности», уникальные физико-химические свойства различных газов требуют специального инженерного проектирования и технической адаптации компрессоров. Правильный выбор типа компрессора не только влияет на эффективность работы оборудования, но и является важной предпосылкой обеспечения безопасного производства, особенно при работе с промышленными газами, обладающими опасными свойствами. Необходимо строго соблюдать строгие стандарты безопасности и нормативные требования.
Специальные требования и технические решения для сжатия кислорода
Самая большая проблема при сжатии кислорода — это риски безопасности, связанные с его сильными окислительными свойствами. Согласно стандарту Американской ассоциации сжатых газов CGA G-4.1, когда парциальное давление кислорода превышает 0,21 бар, воспламеняемость материалов значительно увеличивается; когда концентрация кислорода превышает 23%, может произойти самовозгорание и взрыв при контакте с маслами. Поэтому кислородные компрессоры должны быть абсолютно безмасляными, а все материалы, контактирующие с кислородом, должны быть специально выбраны. Испытания на совместимость материалов должны проводиться в соответствии со стандартом ASTM G94, чтобы обеспечить безопасность в условиях высокого давления кислорода.
В качестве технического решения предпочтительны безмасляные винтовые компрессоры и лабиринтные поршневые компрессоры. Безмасляные винтовые компрессоры используют специальный профиль, зазор между роторами контролируется в пределах 0,05–0,15 мм, что гарантирует завершение процесса сжатия без контакта между мужским и женским роторами, в сочетании с покрытием из тефлона, полностью исключающим искрообразование от трения металла. Лабиринтные поршневые компрессоры, в свою очередь, используют специальную лабиринтную уплотнительную структуру, которая через серию точно обработанных кольцевых канавок создает извилистый путь утечки, обеспечивая бесконтактное уплотнение, что особенно подходит для сжатия кислорода высокого давления от 20 до 50 МПа. Для применений, требующих сверхвысокой чистоты кислорода, также необходима обработка всех поверхностей потоковых каналов электронополировкой (ЭП), обеспечивающая шероховатость поверхности Ra ≤ 0,4 мкм, что снижает накопление примесей и риск возгорания.
Технические трудности и решения для сжатия водорода
Основные проблемы сжатия водорода связаны с его наименьшим молекулярным диаметром (0,289 нм) и низкой плотностью, что делает его крайне склонным к утечкам и проникновению. Согласно техническим стандартам Министерства энергетики США (DOE), коэффициент диффузии водорода в 3 раза выше, чем у метана, что значительно увеличивает риск утечки. Кроме того, взрывной диапазон смеси водорода с воздухом очень широк (4–75%), что предъявляет крайне высокие требования к герметичности оборудования. Явление водородного охрупчивания также требует особого внимания: в условиях высокого давления и температуры атомы водорода проникают в металлическую решетку, вызывая снижение пластичности материала.
Для учета характеристик водорода обычно используются ионно-жидкостные компрессоры и специальные поршневые компрессоры. Ионно-жидкостные компрессоры используют несжимаемую ионную жидкость в качестве поршневой среды, обеспечивая практически изотермический процесс сжатия с контролем повышения температуры в пределах 10°C, эффективно снижая риск утечки. Специальные поршневые компрессоры используют многоступенчатую конструкцию сжатия, межступенчатое охлаждение обеспечивает температуру на выходе ниже 100°C и оснащены системой сухого газового уплотнения двойного действия, при котором давление уплотняющего газа всегда на 0,2–0,3 МПа выше давления технологического газа. Для крупных систем сжатия водорода рекомендуется использовать мембранные компрессоры, в которых металлическая мембрана полностью изолирует технологический газ от гидравлического масла, обеспечивая 100% сжатие без утечек.
Соображения безопасности и выбор оборудования для сжатия хлора
Хлор, как высокотоксичный и сильно коррозионный газ, требует особого внимания к мерам безопасности и коррозионной стойкости материалов в процессе его сжатия. Согласно стандарту Американского института хлора Pamphlet 6, утечка хлора не только вызывает коррозию оборудования, но и может привести к серьезным авариям. При содержании воды более 50 ppm хлор образует соляную кислоту, вызывающую сильную коррозию углеродистой стали, поэтому необходимо строго контролировать точку росы газа ниже -40°C.
Предпочтительным решением для сжатия хлора являются жидкостно-кольцевые компрессоры, которые используют концентрированную серную кислоту в качестве рабочей жидкости, формируя защитную пассивирующую пленку для предотвращения коррозии хлором. Корпус компрессора изготавливается из хастеллоя C-276 (UNS N10276) или титана (Grade 2), рабочее колесо — из нержавеющей стали с сверхнизким содержанием углерода 316L (UNS S31603) или дуплексной нержавеющей стали 2205 (UNS S32205). Конструкция системы должна включать двойное механическое уплотнение: первичное уплотнение из коррозионно-стойкого материала PTFE, вторичное уплотнение из специального сплава. Уплотнительная полость постоянно продувается азотом для поддержания slight positive pressure (0.1–0.2 бар), гарантируя отсутствие утечек хлора. Все трубопроводы и клапаны, контактирующие с хлором, требуют специальной обработки, внутренние поверхности отполированы до Ra ≤ 0,4 мкм для уменьшения осаждения хлора и коррозии.
Технические требования и стандарты безопасности
Проектирование и изготовление компрессоров для специальных газов должны соответствовать строгим техническим нормам и стандартам. Для кислородных систем необходимо соответствие стандартам ISO 21789 «Газовые турбины — безопасность комбинированных установок газовых турбин» и EIGA IGC 33/18 «Системы кислородных трубопроводов», все компоненты перед сборкой должны проходить строгую процедуру обезжиривания с использованием специальных растворителей, таких как трихлорэтан или ацетон, обеспечивая содержание масел ниже 25 мг/м². Водородные системы должны соответствовать требованиям ASME B31.12 «Системы трубопроводов и труб для водорода», все сварные соединения должны подвергаться 100% рентгеновскому контролю и испытаниям на твердость для предотвращения водородного растрескивания. Системы для хлора должны соответствовать стандарту API 681 «Нефтяная, нефтехимическая и газовая промышленность — Жидкостно-кольцевые компрессоры», быть оборудованы双重系统 сброса давления, сбросные газы должны направляться в установку нейтрализации щелочным раствором.
Для установки и эксплуатации оборудования также существуют special requirements: помещения кислородных компрессоров должны быть строго свободны от масел, оснащены специальными системами пожаротушения, использующими двуокись углерода или инертные газы, запрещается использование воды или пенообразующих огнетушителей; помещения водородных компрессоров требуют принудительной вентиляции с кратностью воздухообмена не менее 12 раз в час и должны быть оборудованы системами обнаружения и сигнализации концентрации водорода, расстояние между датчиками не должно превышать 5 метров; помещения хлорных компрессоров должны иметь системы вытяжной вентиляции с отрицательным давлением и аварийные абсорбционные установки, обеспечивающие немедленную обработку хлора в случае утечки, производительность абсорбционных установок должна быть не менее 150% от максимально возможного объема утечки.
При сжатии специальных газов безопасность бесценна. Мы обладаем богатым опытом проектирования и производства компрессоров для различных специальных сред, от выбора материалов и технологий уплотнения до систем безопасности, гарантируя абсолютную надежность вашего технологического процесса. Наша инженерная команда может предоставить комплексные customized solutions в соответствии со стандартами ASTM, ASME, ISO и другими соответствующими нормами, учитывая ваши конкретные рабочие условия. Немедленно проконсультируйтесь, чтобы получить профессиональные технические рекомендации и варианты подбора оборудования.
Примечание: Описанные технические решения основаны на международных общепринятых инженерных стандартах, конкретный выбор оборудования требует профессиональных расчетов и оценок с учетом фактических параметров рабочих условий. Проектирование, установка и эксплуатация систем сжатия специальных газов должны выполняться квалифицированными специалистами со соответствующими разрешениями и строго соответствовать требованиям национальных технических регламентов безопасности для специального оборудования TSG 21-2016 «Правила технического надзора за безопасностью стационарных сосудов под давлением» и TSG R0001-2019 «Правила технического надзора за безопасностью трубопроводов под давлением». Все компрессоры для специальных газов перед вводом в эксплуатацию должны пройти анализ опасностей и эксплуатационной пригодности (HAZOP study), и должны быть разработаны комплексные планы действий в чрезвычайных ситуациях.
