CC BY
0
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В РЕЗЕРВУАРАХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
АВИАТОПЛИВ
И.В. Константинов, старший преподаватель К.А. Балмашнов, курсант Э.В. Бударин, курсант Д.А. Щипакин, курсант
Ульяновский институт гражданской авиации (Россия, г. Ульяновск)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-11-2-205-210
Аннотация. При длительном хранении авиационных топлив ухудшается качество хранимого продукта посредством окисления, осмоления и испарения топлива. Помимо этого, существует опасность возгорания, взрыва резервуара из-за содержания в надтопливном пространстве кислорода воздуха, что, при испарении легких фракций хранимого авиатоплива, приводит к образованию паровоздушной горючей смеси. В статье освещен способ решения данных проблем посредством заполнения воздушного пространства резервуара инертным газом, находящимся под давлением, который ранее не применялся при хранении авиационных топлив. Также был обоснован способ регенерации азота, использованного при хранении авиаГСМ. Данная статья может быть полезна специалистам в области авитопливообеспечения.
Ключевые слова: хранение авиационных топлив, авиаГСМ, инертные газы, резервуар.
Хранение авиаГСМ, таких как авиационный керосин или авиационный бензин, представляет собой важную задачу, требующую особого внимания к вопросам безопасности. Неправильное или неосторожное обращение с этими веществами может привести к серьезным последствиям, включая пожары, взрывы, загрязнение окружающей среды и угрозу жизни людей. Поэтому, в последнее время все большее значение приобретают вопросы, связанные с пожаровзрывобезопасным хранением авиаГСМ на складах ГСМ предприятий АТО.
Проблема хранения авиаГСМ заключается в том, что со временем оно может терять свои свойства, а именно могут ухудшаться показатели качества хранимых авиатоплив. Это происходит из-за нескольких факторов:
- Испарение. При хранении топлива в негерметичной таре или ёмкости, лёгкие фракции, как правило, испаряются. Особенно ярко это проявляется при внутрискладских перекачках и «больших» и «малых» дыханиях.
- Окисление. При взаимодействии топлива с кислородом, происходят процессы окисления и осмоления, полимеризации и конденсации гетероатомных соединений в топливе, что увеличивает отложения и нагар в авиационных двигателях воздушных судов [5].
- Распад присадок. Октаноповышающие присадки разрушаются при длительном хранении, так как в их составе присутствуют летучие вещества, такие как эфиры [1].
Новизна данной работы заключается в использовании инертного газа в наддопливном пространстве резервуара для хранения авиатоплива, а также в применении мембранной фильтрации для регенерации азота. Ранее данный метод хранения использовался только для хранения автомобильного топлива на складах ГСМ, некоторых НПЗ.
Хранение авиаГСМ под слоем инертного газа, нагнетаемого в надтопливное пространство резервуаров, предотвращает испарение, а следовательно, и загрязнение атмосферы углеводородами, ухудшение показателей качества авиаГСМ. Также инертный газ препятствует воспламенению топлива при попадании искр или наличия открытого огня.
Защитным газом в зависимости от условий эксплуатации резервуарных парков и марки хранимого продукта могут выступать:
- природный газ;
- попутный нефтяной газ;
- не содержащие водорода очищенные газы нефтепереработки;
- инертные газы - азот, диоксид углерода, сжатые дымовые газы.
Инертные газы не должны оказывать вредное воздействие на хранимые авиаГСМ -главное условие их применения.
Влияние азота на воспламеняемость топлива было получено в результате лабораторных и стендовых испытаниях. Результатами лабораторных и стендовых исследований показано, что азотирование топлива с соотношением расходов азота и топлива 0,8:1 и 1:1 предотвращает опасность воспламенения топлива от разрядов статического электричества [4].
Методы ограничения испарений из резервуаров делятся на создание газовой подушки и сброс избыточного давления (направленный выпуск). Рациональность выбранного метода определяется парциальным давлением паров хранимого авиаГСМ и его плотностью в сравнении с теми же характеристиками газообразного азота.
Эффективность действия газовой инертной подушки достигается созданием небольшого
избыточного давления (2,4-12 Па). Сброс избыточного давления из резервуара осуществляют выпуском азота в атмосферу. Конструкция узла, регулирующего давление инертного газа, должна обладать достаточной чувствительностью и обеспечивать сброс в атмосферу минимального количества азота. Это не только способствует сохранению экологического баланса, но и снижает потери ресурса (азота), что, в свою очередь, повышает общую экономическую эффективность системы. Кроме того, важно учитывать возможность автоматизации процесса регулирования давления, что позволит оперативно реагировать на изменения в условиях эксплуатации и обеспечивать высокую надёжность работы оборудования.
Схема хранения авиаГСМ под слоем инертного газа показана на рисунке 1. Подача азота в резервуар поддерживается постоянной при низком давлении.
Г4
т
Рис. 1. Схема хранения авиаГСМ под слоем инертного газа: 1 - нефтепродукт; 2 - пары продукта; 3 - слой газообразного азота; 4 - регулируемая подача азота под низким давлением; 5 - датчик давления; 6 - регулятор давления; 7 - электропневматический преобразователь; 8 - предохранительный клапан; 9 - регулирующий клапан; 10 - регулируемый выпуск азота.
Принципиальная схема хранения топлива с применением защитного газа приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Принципиальная схема хранения с применением защитного газа и системой улавливания
паров нефтепродуктов:
1 - резервуар со стационарной крышей; 2 - регулятор давления; 3 - датчик перепада давления; 4 - газгольдер; 5 - датчик уровня; 6 - огнепрегродители; 7 - компрессор; 8 - сепаратор; 9 -электродвигатель; 10 - клапан для выхода газов в атмосферу; 11 - анализатор кислорода; 12 -датчик расхода; I - подача защитного газа; II - в атмосферу; III - продувка;- газ;- жидкость.
Автономный регулятор срабатывает при образовании в газовом пространстве резервуара вакуума (98 Па). Защитный газ подаётся в газовое пространство резервуара, предупреждая срабатывание вакуумного дыхательного клапана, отрегулированного на давление 196 Па. Один регулятор может обслуживать несколько резервуаров. Обратный клапан служит для предотвращения загрязнения топлива парами других нефтепродуктов, находящихся в соседних резервуарах. Он срабатывает при перепаде давления в системе резервуар - газовая обвязка выше 24,5 Па.
Пары топлива с защитным газом, выходящие из резервуара, собирают в газгольдере, причём переток происходит в результате небольшой разницы в давлениях газового пространства под конической крышей резервуара и газгольдера через обратный клапан и огне-преградитель, предотвращая срабатывание предохранительных клапанов. Когда диафрагма газгольдера приближается к верхнему положению, включаются компрессор и испарительный конденсатор, и парогазовая смесь поступает в дополнительный газгольдер. Компрессор и конденсатор останавливаются при получении сигнала с реле уровня об удалении из основного газгольдера паров и опускании диафрагмы. Конденсат возвращают в
резервуары. Количество защитного газа и уловленных паров замеряют счётчиками.
Автоматическая система может работать только при контроле концентрации кислорода в газгольдере. Автоматическая продувка газгольдера защитным газом производится при достижении 10% от верхнего предела взрыва-емости [2].
Учитывая, что при хранении авиационных топлив использование газгольдера запрещено, то предпочтительным остаётся первый способ - создание газовой подушки.
В существующий метод ограничения испарений посредством создания газовой подушки для экономии азота (или другого инертного газа) предлагается установить систему регенерации азота и отделения его от паров авиа-ГСМ.
Регенерацию азота можно реализовать несколькими способами:
- дистилляция;
- криогенная регенерация;
- мембранная фильтрация.
Использование криогенной технологии для
разделения азота и паров авиаГСМ является дорогостоящим и малоэффективным методом, поэтому рассматривать его в дальнейшем не будем.
Метод дистилляции основан на разделении газовой фазы путём охлаждения или повыше-
ния давления, при котором произойдет отделение более лёгкой фазы от более тяжёлой. Легкость газов обычно определяется их молярной массой (молекулярным весом), а также их плотностью в газовой форме. Молярная масса азота - около 28 г/моль, а плотность около 1,25 кг/м3. Пары авиаГСМ могут различаться в зависимости от марки и группового и компонентного состава (например, керосин или авиационный бензин). Они, как правило, имеют более высокую молярную массу. Авиационный бензин состоит из углеводородов с молярной массой в диапазоне от 70 до 250 г/моль или даже выше, в зависимости от конкретных компонентов. Плотность паров также варьируется, но обычно она выше, чем у азота.
Исходя из этого при дистилляции азот будет подниматься вверх, а более тяжёлые пары авиаГСМ будут осаждаться. Недостатками дистилляции являются значительные энергетические затраты для поддержания процесса, дорогостоящее и сложное оборудование, а также большие потери. Применение данного метода не рационально.
Мембранные технологии могут быть использованы для повторного разделения газов. Азот может проходить через мембрану, оставляя углеводороды с большей молекулярной массой за пределами.
Преимущества мембранной фильтрации:
- Высокая эффективность: может обеспечивать значительное разделение газов при относительно низких затратах энергии;
- Компактность: мембранные установки занимают меньшую площадь по сравнению с другими методами, такими как дистилляция;
- Минимизация потерь: позволяет эффективно отделять азот с минимальными потерями;
- Гибкость: легко адаптируется к различным условиям и масштабам процессов.
Недостатки использования мембранной фильтрации:
- Селективность мембраны: неправильный выбор материала мембраны может привести к снижению селективности при разделении;
- Изменение свойств мембраны: со временем мембраны могут забиваться или деградировать, что требует их замены.
Чтобы выбрать оптимальные условия процесса, необходимо учитывать такие факторы, как температура, давление и концентрации входящих газов.
Мембранная фильтрация является перспективным методом для регенерации азота из газовых смесей, содержащих пары нефтепродуктов. Правильный выбор типа мембраны и оптимизация условий процесса могут значительно повысить эффективность разделения и чистоту получаемого продукта.
Схема хранения авиаГСМ под слоем инертного газа с использованием установки регенерации азота представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема хранения авиаГСМ под слоем инертного газа с регенерацией азота: 1 - авиаГСМ; 2 - пары продукта; 3 - слой газообразного азота; 4 - регулируемая подача азота под низким давлением; 5 - датчик давления; 6 - регулятор давления; 7 - электропневматический преобразователь; 8 - предохранительный клапан; 9 - регулирующий клапан; 10 - регулируемый выпуск азота, 11 -
установка мембранной фильтрации азота.
Таким образом, смесь азота и паров авиа-ГСМ, проходя через установку мембранной фильтрации, разделяется на очищенный азот и газообразную смесь углеводородов. Очищенный азот вновь направляется на подачу в резервуар, а конденсированная смесь углеводородов - в дренажный резервуар, а затем на переработку.
Использование инертных газов в резервуарах для хранения топлива представляет собой эффективное решение, которое обеспечивает безопасность, способствует сохранению качества хранимых авиаГСМ и способствует экономии ресурсов.
Инертные газы (азот и аргон) не поддерживают горение и могут использоваться для замещения кислорода в резервуарах, что значительно снижает вероятность возникновения пожаров и взрывов, так как авиатопливо не может воспламениться при отсутствии кислорода. Это может быть применено для защиты резервуаров складов ГСМ в приграничных районах.
Инертные газы помогают предотвратить коррозию внутренних стенок резервуаров, так как они не реагируют с металлом. Это особенно важно для хранения топлива, которое может содержать агрессивные компоненты.
позволяет увеличить срок службы резервуаров и сопутствующего оборудования, что в свою очередь снижает затраты на обслуживание и замену.
Инертные газы помогают уменьшить испарение и окисление хранимого авиаГСМ, что позволяет сохранить его качество, снизить потери и защитить от образования осадков и нежелательных веществ. Это особенно важно для высококачественных и дорогих видов топлива.
Использование инертных газов может повысить эффективность хранения, что позволяет сократить время и ресурсы, затрачиваемые на управление запасами топлива.
Таким образом, использование инертных газов в резервуарах для хранения топлива является перспективным направлением развития авиатопливообеспечения, повышающим пожарную безопасность, снижающим вероятность коррозии резервуаров и сохраняющим качество хранимых авиатоплив. Установка мембранной фильтрации, которая является наиболее эффективным и малозатратным средством, сократит расход азота, а отделенные и конденсированные пары будут использованы для бытовых нужд склада ГСМ или отправлены на переработку.
Режим доступа:
Снижение коррозии и других повреждений
Библиографический список
1. Срок хранения бензина. - [Электронный ресурс]. -https://www.drive2.rU/c/467057697146012433/ (дата обращения: 19.11.2024).
2. Коваленко П.В., Клебанова М.Н. Проектирование и эксплуатация нефтебаз и нефтехранилищ. Часть 2. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://f.eruditor.link/file/3000010/ (дата обращения: 19.11.2024).
3. Чертыковцева А.Н., Деморецкий Д.А. Гевлич Л.А. Способ снижения потерь нефтепродуктов из резервуаров и повышения их взрывопожарной безопасности. - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://yandex.ru/patents/doc/RU2693966C1_20190708 (дата обращения: 20.11.2024).
4. Сыроедов Н.Е., Петухов В.Г., Галко С.А. Влияние азотированного авиатоплива на воспламеняющую способность электрических разрядов // Научный вестник МГТУ ГА. - 2012. - №183.
5. Коняев Е.А., Немчиков М.Л., Голубева М.Г. Химмотология реактивных топлив. - М.: Московский государственный технический университет гражданской авиации, 2009 - 66 а
6. Константинов И.В. Склады ГСМ предприятий авиатопливообеспечения. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lib.uvauga.ru/disk/2019/Konstantinov_Warehouses_of_GSM_of_aircraft_fuel_supply_enterprises ._Methodological_guidance_on_discipline_2019.pdf (дата обращения: 21.11.2024).
- TexnuHecKue nayHU -
THE USE OF INERT GASES IN AVIATION FUEL STORAGE TANKS
I.V. Konstantinov, Senior Lecturer K.A. Balmashnov, Cadet E.V. Budarin, Cadet D.A. Shchipakin, Cadet Ulyanovsk Institute of Civil Aviation (Russia, Ulyanovsk)
Abstract. During long-term storage of aviation fuels, the quality of the stored product deteriorates through oxidation, tarring and evaporation of the fuel. In addition, there is a danger of fire, explosion of the tank due to the content of oxygen in the above-fuel space, which, when light fractions of stored aviation fuel evaporate, leads to the formation of a vapor-air combustible mixture. The article highlights a way to solve these problems by filling the air space of the tank with an inert gas under pressure, which has not previously been used in the storage of aviation fuels. The method of nitrogen regeneration used in the storage of aviation fuel was also justified. This article may be useful for specialists in the field of aviation fuel supply.
Keywords: storage of aviation fuels, aviation fuel, inert gases, reservoir.
