5.2. Оборудование для получения контролируемых атмосфер

Существует несколько групп контролируемых атмосфер: аммиачная, древесноугольная, экзотермическая, эндотермическая, экзо- и эндо- водородная, аргоновая, гелиевая и паровая.

Аммиачная группа включает атмосферы ДА, получаемые при диссоциации аммиака (2NH₃ 2H₂+N₂) и содержащие до 7% водорода, а также атмосферы ПСА-0,8, получаемые при сжигании аммиака с коэффициентом избытка воздуха  = 0,7…0,9 и содержащие 1…15 % водорода, остальное азот. Атмосферы ДА взрывоопасны, а ПСА-0,8 невзрывоопасны.

Для уменьшения влажности атмосферы аммиачной группы сушат. Чем меньше влаги в газовой атмосфере, тем ниже точка росы. Температура начала конденсации водяных паров из газовой смеси называется точкой росы.

В установках (генераторах) экзотермического типа реакция горения газо-воздушной смеси сопровождается выделением большого количества тепла и протекает без внешнего подогрева реторты (камеры сжигания) генератора. Температура в реторте достигает 1200…1300 °С, в связи с чем экзотермические установки имеют водоохлаждаемую камеру сжигания. В экзотермических установках получают экзотермические газы (экзогазы) ПСА-08, ПС-06, ПСС-06 и другие.

Технико-экономические показатели установок для приготовления контролируемых атмосфер приведены в табл. 5.1.

Для получения контролируемой атмосферы из аммиака необходимо произвести испарение жидкого аммиака, его диссоциацию, частичное сжигание диссоциированного аммиака в смеси с воздухом, охлаждение и осушку продуктов горения.

Таблица 5.1

Технико-экономические показатели установок для приготовления

контролируемых атмосфер

На рис. 5.2. приведена схема установки для получения контролируемой атмосферы частичным сжиганием газообразного аммиака.

Рис. 5.2. Схема приготовления контролируемой атмосферы

с частичным сжиганием диссоциированного аммиака. Атмосфера ПСА

Приготовление атмосферы производят в следующем порядке: из баллонов 1 жидкий аммиак под давлением поступает в испаритель 3. В испарителе 3 он превращается в газ. Дальше газообразный аммиак поступает в диссоциатор 2, где он при температуре 650…850 °С в присутствии катализатора (железных стружек) распадается на водород и азот. Дальше диссоциированный аммиак направляют в смеситель, где его смешивают с необходимым количеством воздуха. Из смесителя газо-воздушная смесь подается газодувкой в камеру сжигания 4, где реакция частичного сжигания аммиака происходит при 900…950 °С в присутствии катализатора (смеси шамотного и никелевого порошка). На пути к камере сжигания установлен пламегаситель для предохранения от проскакивания пламени из горелки в трубопровод и газодувку.

В зависимости от коэффициента избытка воздуха  футерованную огнеупорным кирпичом камеру сжигания утепляют, либо она имеет снаружи водоохлаждаемый кожух для поддержания необходимого теплового режима в камере сжигания. Затем продукты горения поступают в трубчатый водоохлаждаемый охладитель 5, где их охлаждают до температуры 20…25 °С. Здесь же в охладителе одновременно с охлаждением происходит первичная осушка продуктов горения до 2,5 %-ного содержания паров Н₂О. Такое содержание влаги соответствует точке росы +20 °С. Далее продукты горения направляют в рефрижератор 6, где их температуру понижают до +2…4 °С. Это соответствует содержанию паров Н₂О в продуктах горения до 0,7 %. Из рефрижератора продукты горения поступают в адсорбер 7. Адсорбер состоит из двух колонок, заполненных адсорбентом (силикагелем или алюмогелем). Колонки адсорбера работают попеременно. Одна работает на осушке газа, другую в это время продувают горячим воздухом (250…300 °С) для восстановления адсорбента.

В адсорбере влага из продуктов горения поглощается до ее содержания в газе 0,01 %, что соответствует точке росы минус 40…50 °С.

Выходящая из адсорбера атмосфера почти полностью осушена и при  = 0,7…0,9 содержит только водород (7…20 %) и азот (93…80 %). Дальше атмосфера поступает через расходомер и регулятор в печь.

Контролируемые атмосферы применяются при различных видах как термической, так и химико-термической обработок. Подробные сведения по этому вопросу приведены в табл. 5.2.

Применение контролируемых атмосфер повышает качество термообработки, не требуется дополнительных операций и оборудования для очистки деталей от окалины, что снижает себестоимость термообработки. Из технологического процесса исключаются вредные для здоровья человека операции: травление в растворах кислот, нейтрализация, пескоструйная обработка и т.п.

Однако, следует всегда пояснить, что некоторые контролируемые атмосферы взрывоопасны и вредны для здоровья человека. Главная опасность исходит от оксида углерода, действующего на кровь. Поскольку оксид углерода не имеет запаха, он особенно опасен и его действие обнаруживается только после того, как проявилось само отравление. Почти одинаковая плотность оксида углерода и воздуха еще больше увеличивает опасность отравления. При утечке оксида углерода она не поднимается и не опускается, а смешивается с воздухом и удаляется из помещения только при обновлении в нем воздуха.

Аммиак является сильно раздражающим газом и для него установлена, как и для оксида углерода, максимально допустимая концентрация на рабочем месте 0,005 %. Но степень опасности от аммиака меньше, т.к. уже при очень малых концентрациях (0,0005 %) аммиак можно распознать по запаху.

Таблица 5.2

Применение контролируемых атмосфер

Примечание:

ДА - диссоциированный аммиак;

ПСА - продукт сжигания аммиака;

ПСС - продукты сжигания, сухие;

ПСО - продукт сжигания очищенный;

ГГ-С - генераторный газ сухой;

ГГ-ВО - генераторный газ с внешним обогревом реторты;

ГГ-О - генераторный газ очищенный;

ПС-Э - продукт сжигания очищенный, по эндотермической реакции;

ПСС-Э - продукт сжигания сухой;

КГ-ВО - крекинг-газ, внешний обогрев;

КГН - крекинг-газ из нефтепродуктов;

ПГН - пиролизный газ из нефтепродуктов (керосина)

Все летучие углеводороды при соответствующей концентрации оказывают наркотическое действие и могут парализовать центральную нервную систему.

Характеристика некоторых газов приведена в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Характеристика некоторых газов

Типовой контролируемой атмосферой является эндогаз КГ-ВО (примерный состав: 20% CO; 40% H₂; 40% N₂).