Сосуды и аппараты для водорода

Скачать статью (1.5 MB)

Первый зарегистрированный случай получения водорода аналогичным методом в результате человеческой деятельности реализован доктором Теофрастом Парацельсом, родившемся в Швейцарии в сентябре 1493 года и погибшем в Зальцбурге в сентябре 1541 года в результате вероломного нападения во время званого обеда.

Современники считали, что напавших на доктора Парацельса бандитов нанял кто-то из лекарей – завистников ученого. Настоящее имя знаменитого алхимика, врача, естествоиспытателя и философа Филипп Авреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм.

Он первый растворил железо в серной кислоте и наблюдал выделение газа, но принял выделяющийся газ за воздух: «Воздух возникает и вырывается вверх, как ветер». Парацельс был первооткрывателем, но как это иногда бывает, не понял значения своего открытия. Он не исследовал свойства вновь открытого вещества. Это существенно позже сделали его последователи. Теодор Де Майерн повторил эксперимент Парацельса в 1650 году и обнаружил, что газ воспламеняется. Ни Парацельс, ни Де Майерн не предполагали, что исследуют новый химический элемент. Действительно, Парацельс считал, что было только три элемента: соль, сера и ртуть – и что все другие вещества являются различными комбинациями этих трех. Химии еще предстоял долгий путь, прежде чем она стала наукой. В 1670 году английский ученый Роберт Бойль добавил железо к серной кислоте и показал, что полученный газ горит только в присутствии воздуха, и что только небольшая часть воздуха (мы сейчас назвали бы эту часть кислородом) принимает участие в этом превращении. Водород был впервые признан в качестве самостоятельного вещества только в 1766 году английским ученым Генри Кавендишем. Он описал водород как «искусственный горючий воздух из металлов» и по его реакциям и его плотности установил, что это было одно и то же вещество независимо от того, какой металл и какие кислоты он использовал для его производства. Кавендиш также отметил, что когда вещество было сожжено, оно произвело воду. Все эти исследования были ограничены главенствующей в то время теорией флогистона, которая, с одной стороны, вступала в противоречие с экспериментальными данными и, с другой стороны, не позволяла ученым делать верные выводы. Только великий французский ученый Антуан Лавуазье отбросил неверные представления о флогистоне и назвал в 1783 году новый элемент словом водород, убедительно доказав, что водород при горении образует воду, а вода при разложении на железном катализаторе при высокой температуре разлагается именно на кислород и водород (GW 2015, №40, стр.30-33). Название hydrogen происходит от греческих слов hydro, что означает воду и gen, что означает создание. Слово «водород» – точный перевод термина hydrogen на русский язык. В этом же 1783 году Жак Шарль совершил первый пилотируемый полет на воздушном шаре, наполненном водородом (GW 2015, №41, стр.18-20). Причем водород для этого знаменательного полета был получен все тем же методом: химической реакцией железных опилок с серной кислотой. Вскоре был открыт метод производства водорода и кислорода электролизом воды, а затем метод производства водорода паровой конверсией природного газа и созданы топливные элементы для получения электроэнергии за счет химической реакции водорода с кислородом.

Что же это за вещество, открытое Парацельсом, – водород? Легко воспламеняется и имеет почти невидимое пламя. Образует взрывоопасные смеси в воздухе и бурно реагирует с окислителями. Является самым простым, самым распространённым и самым легким элементом. Более 90 процентов атомов во Вселенной представляют собой водород. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Водород является единственным элементом, который может существовать без нейтронов. Водород это самый легкий бесцветный газ без запаха, который существует при стандартной температуре и давлении в виде двухатомных молекул H2 . Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная и очень легкая жидкость (плотность при −253 °C 0,0708 г/ см³). Плотность твёрдого водорода 0,0807 г/см³. На Земле основные запасы водорода сосредоточены в воде (H 2 O) и углеводородах (СН 4 ). Существует крайне мало свободного водорода в атмосфере, потому что водород настолько легок, что он не удерживается под действием силы тяжести планеты. Любой водород, который образуется на Земле, в конце концов выходит из атмосферы в космос. При давлении 250 тысяч атмосфер водород становится жидким металлом. Такое давление развивается внутри газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Сильное магнитное поле Юпитера (в 14 раз больше, чем у Земли) вызвано циркуляцией электропроводного металлического водорода внутри этой планеты.

Большие количества водорода используют в процессе производства аммиака, гидрогенизации жиров и масел, при производстве метанола, гидрокрекинге нефтепродуктов, металлургии, машиностроении, энергетике, стекольной и ювелирной промышленности и в аналитике. Жидкий водород используется в качестве ракетного топлива, например, обеспечивающего подъем космического челнока на орбиту. Будущее, безусловно, за водородной энергетикой, которая должна заменить углеводородную энергетику сегодняшнего дня (вчера уголь, сейчас нефть, завтра природный газ). Будущее за электромобилями на топливных элементах. Основой этой концептуальной модели является то, что энергия вырабатывается, когда водород вступает в реакцию с кислородом и единственным продуктом такой реакции является чистая вода. На данный момент водород получают преимущественно конверсией природного газа. Однако, предполагается, что в будущем возобновляемые источники энергии, такие как, например,солнечная или ветровая могут быть использованы в массовых коммерческих масштабах для электролиза воды с выработкой водорода и кислорода и это уже будет истинной экологически чистой водородной энергетикой будущего.

Транспортируется водород в сжатом виде в баллонах и по трубопроводам или в сжиженном виде в криогенных цистернах. Массовый потребитель сталкивается чаще всего с водородом в баллонах высокого давления. При транспортировке водорода в сжатом виде следует учитывать его высокую растворимость в металлах и риски водородной коррозии. Водородная коррозия стали – это химическое взаимодействие растворенного водорода с карбидной составляющей стали, приводящее к образованию метана. Метан не растворяется в стали и поэтому вызывает микротрещины. Особенно опасно то, что водородную коррозию нельзя выявить обычным визуальным осмотром. Она может быть определена только при исследовании микроструктуры металла. Именно по этой причине при производстве водородных газовых баллонов применяют марки стали с пониженным содержанием углерода и, как следствие, с более низким пределом прочности. Это, в свою очередь, приводит к большей толщине стенки и более высокому весу, чем у аналогичных баллонов для продуктов разделения воздуха. Так, например, вес одного баллона всемирно известной компании Worthington Cylinders для продуктов разделения воздуха объемом 50 литров на рабочее давление 200 бар составляет всего 44 кг (GW 2015, №41, стр.18-20), а вес аналогичного водородного баллона этой же компании на 34% выше и составляет уже 59 кг. Безопасность при транспортировке и применении водорода всегда должна быть на первом месте. С не меньшим вниманием надо относиться к подбору материалов для водородных трубопроводов. При применении трубопроводов из аустенитных сталей рекомендуем отдавать предпочтение маркам сталей типа 316L с пониженным содержанием углерода.

Повышенная пожаро- и взрывоопасность водорода приводит к необходимости соблюдения простых, но очень важных правил при создании систем снабжения предприятий. Правила эти направлены на исключение образования взрывоопасных концентраций в помещениях:

• к оборудованию для хранения и применения водорода предъявляются повышенные требования к герметичности и надежности;
• моноблоки и баллоны с водородом обычно устанавливаются в отдельных специальных строениях или на отдельных уличных площадках;
• баллоны в ограниченных количествах допускается устанавливать у глухих стен производственных помещений в специальных металлических шкафах с разрядными рампами;
• конструктивные решения разрядных рамп и трубопроводных систем должны исключать как создание во внутренних технологических объемах пожаро- и взрывоопасных концентраций водорода, так и распространение по трубам пламени и взрывов;
• для исключения образования взрывоопасных концентраций производственные помещения следует оснащать газоанализаторами, аварийной сигнализацией и входными щитками с автоматическими отсечными клапанами.

Компания Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) специализируется на изготовлении оборудования для хранения, транспортировки и применения водорода. Со склада в Москве предлагаются стальные 50-литровые облегченные баллоны из легированной стали компании Worthington Cylinders на рабочее давление 200 бар, а также моноблоки из этих баллонов на 12 и 8 баллонов. Так же изготавливаются водородные моноблоки из металлокомпозитных баллонов третьего типа объемом 100 литров. Моноблок удобен для транспортировки водорода в относительно больших количествах. Моноблоки оснащаются вентилями заправкивыдачи, а при необходимости манометрами для контроля давления и индивидуальными вентилями на каждом из баллонов.

Для подключения водородных баллонов и моноблоков в компании MV&F разработаны и производятся специализированные наполнительные, перепускные и разрядные рампы. В конструкции разрядных рамп предусмотрен ряд специальных решений, направленных на исключение образования взрывоопасных концентраций в рабочих объемах оборудования. Это специальные схемные решения, направленные на организацию продувки внутренних полостей разрядной рампы инертным газом, и применение вакуумных насосов для эвакуации газовой среды из объема оборудования. Продувка, полоскание и вакуумирование применяются раздельно или совместно и направлены на удаление из полостей рампы кислорода перед ее заполнением водородом или на удаление водорода перед остановкой оборудования для ремонта или иных профилактических мероприятий. В качестве инертного газа чаще всего применяется азот, реже аргон или гелий. Продувка может осуществляться от встроенного в разрядную водородную рампу баллона с инертным газом или от внешнего источника инертного газа. В последнем случае рампа оснащается входным штуцером для подачи инертного продувочного газа. Схемные решения исключают попадание водорода в баллоны и трубопроводы с инертным газом. Присоединительные гибкие трубопроводы оснащаются обратными клапанами для исключения попадания в них кислорода из атмосферы во время переключения баллонов или моноблоков. Для исключения распространения пламени или взрыва от потребителя в сторону источников давления на выходе из каждой разрядной водородной рампы устанавливается специальный клапан – огнепреградитель.

При выборе соединительных трубопроводов между разрядной рампой и потребителями водорода всегда необходимо обращать внимание на правильный подбор проходного сечения трубопровода. Избыточно большие диаметры трубопроводов, принимаемые порой без всякого расчета, могут приводить не только к дополнительным затратам на материалы и монтажные работы, но к потере качества продукта и снижению безопасности системы в целом. Правильно подобранный водородный трубопровод это обеспечение необходимого расхода при заданном давлении в сочетании с максимальной герметичностью системы, минимизацией объема ее внутренних полостей и снижением опасности передачи взрывной ударной волны по трубопроводу. Что такое огнепреградитель? Это совокупность каналов малого сечения, обеспечивающих беспрепятственный проход газа, но подавляющих распространение пламени за счет отвода тепла реакции из газового потока на развитую поверхность этих каналов. Трубопровод малого диаметра как раз и является таким естественным огнепреградителем, обеспечивающим при развитой удельной поверхности хороший теплообмен между газовым потоком и окружающей средой. Ранее мы отмечали, что водород это самый легкий газ. Его плотность в 14.5 раз меньше плотности воздуха. Это приводит к тому, что даже через трубку с наружным диаметром 3.18 мм (1/8 дюйма) можно передать достаточное количество водорода для обеспечения газоаналитических лабораторных приборов. При подаче водорода в промышленных масштабах часто бывает достаточно применения труб с наружными диаметрами 3.18 мм (1/8 дюйма); 6,0; 6,35 (1/4 дюйма); 8,0; 9.52 (3/8 дюйма); 10 мм. В большинстве случаев эти трубы не позволят взрыву или пламени пройти от источника возгорания к баллонам. Толщину стенки рекомендуется выбирать на основании информации о рабочем давлении системы. На складе компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) всегда есть такие трубы из стали 316L с пониженным содержани-

ем углерода и соответственно с повышенной стойкостью к водородной коррозии. Причем для каждого из типов наружного диаметра трубы предлагается несколько типоразмеров толщины стенки. Для обеспечения 100% надежности и герметичности трубопровода мы рекомендуем при прокладке протяженных трубопроводных водородных систем применять бесшовные трубы в бухтах ведущей мировой трубной компании – Handy Tube. Обычно трубы поставляются в бухтах длиной 450 метров. Каждая бухта проверяется на заводе-изготовителе методами ультразвукового неразрушающего контроля и испытывается на прочность и герметичность. При необходимости специалисты компании MV&F осуществят нарезку и намотку на катушки бухт меньшей длины или соберут с помощью орбитальной сварки специальные бухты длиной несколько километров. Дополнительными преимуществами в применении труб в бухтах является снижение затрат на фитинги или сварку с последующим неразрушающим контролем сварных швов, а так же существенное сокращение затрат на доставку труб к месту монтажа и на сами монтажные работы. При работе с особо чистым водородом применение труб в бухтах способствует сохранности исходной чистоты транспортируемого газа. Это происходит не только за счет исключения возможности проникновения в трубопровод атмосферных микропримесей через возможные негерметичности в разъемных соединениях, но и за счет особенностей технологии производства труб (светлый отжиг в термовакуумных печах), обеспечивающей низкие значения шероховатости внутренней поверхности труб, которая приближается к уровню шероховатости электрополированных труб.

Применение труб в бухтах существенно облегчает наружный монтаж трубопроводов на стенах многоэтажных зданий и сооружений и создает возможность реализации концепции: один прибор-потребитель – один трубопровод и один источник водорода. На таком подключении часто обосновано настаивает служба эксплуатации. Цель такого решения – исключение непродуваемых тупиков и исключение влияния друг на друга разных потребителей. При проектировании трасс водородных трубопроводов надо избегать транзита водорода через помещения, в которых отсутствуют потребители водорода, и всегда отдавать предпочтение наружной прокладке труб с индивидуальными вводами труб в каждое из помещений с потребителями водорода.

Особенно ответственным является вопрос об исключении даже минимальной вероятности создания в производственном помещении взрывоопасной концентрации водорода, так как в ходе цепной реакции при взрыве гремучего газа выделяется колоссальная разрушительная энергия. Набор отработанных специалистами компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) профилактических защитных мероприятий включает газоанализаторы для контроля концентрации горючих примесей в воздухе рабочей зоны, светозвуковую сигнализацию и специальные входные газовые щиты с автоматической блокировкой подачи в помещение водорода по сигналу от газоанализатора. Блокирующий сигнал подается в случае обнаружения концентрации водорода свыше 20% от НКПР (нижний концентрационный предел распространения пламени), сбоев электропитания, а так же при выходе из строя или отключении аварийных газоанализаторов, при поступлении внешних аварийных сигналов и т.п.

При работе с особо чистым водородом (микроэлектроника, аналитика, ювелирная промышленность) мы всегда предусматриваем в составе входных газовых или финишных регулирующих щитов установку картриджей финишной очистки водорода всемирно известной компании Scientific Glass Technology (SGT). Это прстое, бюджетное и эффективное решение позволяет обеспечить финишную хемосорбционную или адсорбционную очистку водорода от вредных примесей (кислород, углеводороды, влага и углекислота) и защитить ваш технологический процесс от сбоев и брака.

Если вы создаете новое производство с применением водорода или не уверены в безопасности и надежности существующего оборудования, если для вас существенно качество выпускаемой вами продукции или надежность и достоверность выполняемых вами аналитических или научных исследований, вы всегда можете обратиться за помощью к инженерам компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F). Мы всегда предлагаем надежные и оптимальные по цене технические решения, как конечным потребителям водорода, так и проектным и монтажным организациям.

Источник