Газ для воздухоплавания

Газ для воздухоплавания

ГАЗ ДЛЯ ВОЗДУХОПЛАВАНИЯ. Для наполнения воздухоплавательных аппаратов применяются: водород, светильный газ, гелий, нагретый воздух и азот.

В таблице приведены данные для химически чистых газов; получаемый технический газ содержит обычно, в зависимости от способа его добывания, аппаратуры и пр., не менее 1—3% примесей, соответственно чему его подъемная сила уменьшается. Для наполнения привязных аэростатов и дирижаблей чаще всего применяется водород, как имеющий наибольшую подъемную силу, редко - гелий, вследствие трудности добывания его и сравнительно большой стоимости. Светильный газ, вследствие дешевизны, часто служит для свободных полетов на сферических аэростатах; для дирижаблей и привязных аэростатов его подъемная сила недостаточна. Нагретый воздух имеет ряд преимуществ (простота и дешевизна добывания, возможность пополнения в любом месте посадки и пр.), но вследствие незначительной подъемной силы применяется очень редко и только для специальных сферических аэростатов (тепловых, монгольфьеров).

Азот, как нейтральный газ, применяется, с целью уменьшения опасности возгорания водорода, только в специальных аэростатах, имеющих двойную оболочку (промежуток между внутренней и внешней оболочками и заполняется азотом).

Данные для химически чистых газов

Водород добывается способами: заводскими и полевыми - нормальными и быстродействующими. Общие требования к различным способам для сравнительной оценки: 1) чистота получаемого газа (не ниже 97% Н2) и отсутствие в нем вредных примесей; 2) дешевизна добывания, связанная с малым расходом химических материалов, употреблением наиболее дешевых из них и легко получаемых, с простотой аппаратуры и обслуживания ее; 3) безопасность работ. В частности, для полевых способов имеют значение: 4) небольшие размеры и вес установки, удобство монтировки ее на повозки и автомобили; 5) небольшой вес исходного материала и удобство его перевозки; 6) кратковременность подготовки аппарата к работе; 7) сравнительная скорость добывания газа. Как общее правило, водород не должен содержать примеси фосфористого и мышьяковистого водорода; присутствие сероводорода, хлора и хлористого водорода может быть допускаемо только в неизмеримо малых количествах, не дающих ясной реакции (с соответствующими реактивами), так как эти примеси сильно влияют на сохранность оболочки аэростата.

1. Заводские способы добывания водорода: 1) способ Дельвик-Флейшера (контактный), основанный на разложении паров воды раскаленным железом, причем накаленная окись железа восстанавливается водяным газом (методически повторяющиеся процессы восстановления и окисления железа); 2) электролиз, основанный на разложении электрическим током водного раствора хлористых солей, перерабатываемых в едкие щелочи; 3) способ Линде-Франк-Каро, основанный на получении водяного газа и освобождении содержащегося в нем водорода от примесей: окиси углерода и углекислого газа; 4) способ Вольтер-Ринкера, основанный на разложении паров нефти при высокой температуре.

Водород, получаемый заводским путем, компримируется в трубы (баллоны), представляющие собой цилиндры из цельнотянутой стали с внутренним диаметром около 180 мм, наружным - от 198 до 200 мм и емкостью в 36—36,5 л. Водород содержится в трубах обычно под давлением 165—167 atm, что дает возможность в одну трубу вместить 5,5—5,8 м3 газа. Вес трубы 52—56 кг, длина с навинченным колпачком - 1,6 м. Применяются трубы и большей емкости. Водород доставляется в воздухоплавательные части в трубах и может храниться там продолжительное время. При подсчете стоимости водорода, добытого заводскими способами, следует иметь в виду стоимость доставки труб к месту употребления и обратно на завод, причем следует принять в расчет, что в товарный вагон укладывается 220—250 труб, на 3-т грузовик - 55, на парную повозку - 10—15, на двуколку - 6—8 труб.

Из заводских методов наибольшее распространение имеют контактный и электролитический, дающие газ чистотой 97—99%. Способ электролиза распространен на Западе и в Америке; он выгоден там, где имеется дешевая электрическая энергия. В воздухоплавании часто пользуются водородом с заводов химического производства, на которых он получается как побочный продукт.

2. Нормальные полевые способы: 1) кислотный, 2) щелочно-алюминиевый, 3) щелочно-кремниевый (силиколевый).

Кислотный способ основан на действии серной кислоты на железную стружку; этим способом наполнялись первые шарльеры (см. Воздухоплавание) еще с 1783 г. В настоящее время он почти не применяется, так как получаемый газ недостаточно чист (~95%) и содержит в себе углеводороды, сернистый и фосфористый водород, иногда и мышьяковистый водород, очищение же газа от этих примесей обходится дорого. На получение 1 м3 газа расходуется 7—8 кг химических материалов; реакция протекает по формуле:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + Н2.

Установки для добывания водорода обычно монтировались на повозках и состояли из нескольких генераторов, холодильника, очистителей и сушителей газа. Не считая расходов по очистке водорода, этот способ является наиболее дешевым из полевых способов. Производительность установки 50—100 м3/ч.

Щелочно-алюминиевый способ представляет собой в основе процесс взаимодействия алюминия и раствора едкого натра; уравнение реакции:

2 Аl + 2 NaOH + 2 Н2O = 2 AlNaO2 + 3 Н2.

Этот способ впервые введен в воздухоплавательных частях с 1904 года (в русско-японскую войну) и применяется до последнего времени, хотя и не является рациональным вследствие примитивности установки, дороговизны алюминия и значительного расхода исходных материалов (на 1 м3 водорода уходит алюминия 0,81—1,0 кг, едкого натра 1,5—2,4 кг). Достоинство этого способа - чистота газа (98%), имеющего примесь, главным образом, воздуха. Установка смонтирована на двуколках (фиг. 1) и состоит из генераторов для получения газа, холодильника для его охлаждения, двуколки для подачи воды, моторного насоса и повозок для химических материалов.

Установка смонтирована на двуколках и состоит из генераторов для получения газа, холодильника для его охлаждения, двуколки для подачи воды, моторного насоса и повозок для химических материалов

Генератор состоит из железного ящика, закрытого сверху железной крышкой 1 с отверстием в ней для прохода газа через патрубок 2, соединяющий генератор с холодильником. В генераторе подготавливается раствор едкого натра, затем в него постепенно погружается, посредством валиков 3, соединенных железными цепями, и рукоятки для вращения 4, железная проволочная сетка, в которую накладывается алюминий. Для выпуска промывной воды в дно ящика вделан кран 5, для выпуска алюминатов - люк 6. Вес генератора - 500 кг. Холодильник представляет собой железный ящик, соединяющийся патрубком 7 с генератором; ящик разделен внутри вертикальными перегородками на четыре камеры, в которых циркулирует водород, охлаждаемый водой, подаваемой насосом через шланг 8. Водород через патрубок 9, вделанный в крышку, поступает из холодильника по шлангу в газгольдер. В каждый генератор опускается 250 кг едкого натра и наливается 250—300 л воды. При помощи двух генераторов и одного холодильника добывается ~100 м3 водорода в час. Щелочно-алюминиевый способ, как нерациональный, на Западе не применяется.

Щелочно-кремниевый (силиколевый) способ основан на химическом взаимодействии щелочи (едкого натра) и ферросилиция или силиколя, представляющих собой сплав кремния (85—92%) с железом. Примерный состав силиколя: кремния (Si) 90%, титана (Ti) 0,6%, железа (Fe) 4,3%, алюминия (Аl) 4,58%, кальция (Са) 0,15%, углерода (С) 0,2%, водяного пара (Н2О) 0,15%, мышьяка (As) и фосфора (Р) 0,2%. Этот способ, при котором реакция протекает по уравнению:

Si + 2 NaOH + Н2О = Na2SiO3 + 2 Н2.

разработан в 1903 г. во Франции и до сего времени является наиболее рациональным и распространенным способом полевого добывания водорода; он широко применялся в войну 1914—1918 годов. Добываемый газ имеет чистоту ~98%. На получение 1 м3 водорода теоретически требуется 0,6 кг чистого кремния и 1,79 кг едкого натра; практически расход материала находится в зависимости от содержания чистого кремния в силиколе: обычно силиколя идет 0,8—0,9 кг и едкого натра 1,3—1,6 кг. До войны силиколь вырабатывался только во Франции, теперь его изготовляют и в других странах. Для получения его нужны: чистый кварцевый песок, уголь, железные стружки и электрическая энергия. Силиколь употребляется в виде мелкого темно-серого порошка, слегка блестящего; упаковывается в железные барабаны, обычно по 65 и 130 кг в каждом. Под влиянием атмосферной влажности силиколь выделяет ядовитые газы - фосфористый и мышьяковистый водород; поэтому при перевозке его и при работах по добыванию газа необходимы особые меры предосторожности. Едкий натр употребляется с содержанием щелочи ~95% и соды не более 3%; хранится в герметически закупоренных и осмоленных железных барабанах по 50—200 кг в каждом.

Силиколевые установки строятся полустационарного типа и подвижные (автомобильные и на повозках); производительность аппаратов - от 100 до 1000 м3 водорода в час. Полустационарная установка дает приблизительно 600—800 м3 газа в час.

Силиколевые установки строятся полустационарного типа и подвижные (автомобильные и на повозках); производительность аппаратов - от 100 до 1000 м3 водорода в час

Она состоит (фиг. 2): из генератора 1; бака для раствора едкого натра 2; бака для силиколя 3; распределителя 4 с мешалкой, механизмом и распределительными приборами; газового коллектора 5 с предохранительными гидравлическими и механическими клапанами; двух промывателей с горячей 6 и холодной 7 водой, с распределительными и сливными трубами; испарителя 8; вентилятора 9; насоса 10; подъемного крана, двигателя, трансмиссии, трубопроводов и пр. При работе в сетчатый ящик бака 2 помещается едкий натр, с помощью лопаточек мешалки 11 вода в баке приводится в движение. В бак 3 помещается силиколь; находящийся под баком распределитель 4 способствует проходу силиколя в генератор, причем скорость пропускания регулируется механически или от руки; раствор едкого натра поступает в генератор через впускной клапан 12. Крыльчатый сальник 13 дает доступ смазочному маслу для уничтожения пены; четырехлопастная вращающаяся мешалка 14, приводимая в действие с помощью трансмиссии 15, производит равномерное смешивание смеси. Температура в генераторе поддерживается водяным инжектором 16. Образовавшийся в генераторе газ поступает из него через коллектор 5, снабженный предохранительным клапаном 17 и автоматическим гидравлическим затвором 18, в промыватели (Леларжа) с циркулирующей водой - сначала в горячий 6, с температурой воды около 50°, а затем в холодный 7. Температура газа, выходящего из генератора, выше 100°; газ содержит в себе приблизительно 80% водяных паров. При прохождении газа вода в промывателе частью испаряется, частью охлаждается в испарителе 8, устроенном наподобие промывателя. В промывателе 6 температура газа понижается до 55°. Пройдя затем через холодный промыватель, газ освобождается от примеси воды в особом водоотделителе 20 и выходит через волюмометр 21. Вода в испарителе охлаждается струей холодного воздуха, поступающего в испаритель через центробежный вентилятор 9 и трубу 19. Баки загружаются едким натром и силиколем при помощи подъемного крана; для опоражнивания генератора после реакции служит выпускной клапан 22. Для приведения в действие всей установки требуется мотор мощностью 10—12 л. с. На фиг. 3 показана схема установки для работы. Обслуживающий персонал 10—15 чел. Существуют и более мощные установки, с производительностью до 1000 м3/ч и выше.

Силиколевая установка - схема

Наибольшее распространение в условиях фронта получили подвижные силиколевые аппараты французского типа «Оксилит», требующие небольшого обслуживающего персонала и дающие значительное количество газа в непродолжительное время. Эти аппараты устанавливаются на двух повозках (на одной - генератор и баки, на другой - промыватели) или на автомобиле и на прицепной тележке. Схема аппаратов и их работы аналогична полустационарному типу; отличие состоит только в размерах, весе и расположении отдельных частей. В автомобильной установке электрическая энергия для работы механизма и для освещения получается от динамо машины, приводимой в действие передачей от автомобильного двигателя. Для единовременной зарядки баков установки требуется 220 кг силиколя и 500 кг едкого натра, что дает около 300 м3 водорода через 1—2,5 ч. работы; последующие 300 м3 получаются приблизительно через 1 час. Для приготовления раствора едкого натра в бак наливается столько воды, чтобы плотность раствора была 39—40° Вé; температура раствора перед пуском в генератор д. б. не ниже 70°.

К началу образования газа, наступающему вскоре после опускания силиколя в генератор, температура реакции достигает ~110°; в случае ее значительного повышения в генератор добавляется при помощи инжектора вода. Расход холодной воды для промывки газа - 10 л на 1 м3 водорода. Вес автомобиля с установкой - 5,5 т, прицепной тележки с промывателями и пр. - 3,4 т. Команда в 18 чел., работая посменно, может добыть 6500 м3 газа в сутки, что позволяет одной установке обслуживать несколько воздухоотрядов. Немецкие аппараты фирмы Шуккерт по своему устройству аналогичны аппаратам типа «Оксилит». Подвижные установки, смонтированные на двух повозках, позволяют добывать 200—220 м3 газа в час; автомобильная установка (фиг. 4) дает 300—350 м3 водорода в час.

Автомобильная установка дает 300—350 м3 водорода в час

Быстродействующие полевые способы применяются в тех случаях, когда надо в короткое время получить большое количество газа; вследствие большей стоимости добывания газа эти способы, при обычной работе воздухоплавательных частей, большого распространения не имеют. Наиболее часто применяются способы: 1) активного алюминия, 2) гидролита и 3) гидроженита.

1) Активный алюминий получается из сплава алюминия (89—97%) и олова (11—3%). Сплав подвергается специальной химической и механической обработке с целью повышения способности алюминия вступать во взаимодействие с водой, при котором и выделяется водород. Изготовленные из сплава пластинки покрываются амальгамой, состоящей из трех весовых частей ртути и одной цинка, и прокаливаются затем в особой нагревательной печи. Атмосферная влага действует на активный алюминий медленно, но при продолжительном действии его активность уменьшается, поэтому алюминий хранится в герметической упаковке. Реакция протекает по формуле:

2 Аl + 6 Н2O = 2 Аl(OН)3 + 3 H2.

При соприкосновении активного алюминия с водой реакция начинается с его поверхности, причем выделяется теплота, ускоряющая процесс образования водорода, проходящий вообще очень интенсивно. Для получения 1 м3 газа требуется около 0,9 кг активного алюминия. Газ получается очень высокой чистоты (выше 99%). Добывание водорода производилось на опытном заводе системы японского профессора Уено, а также в обычных генераторах щелочно-алюминиевых аппаратов.

1) Вторым из быстродействующих способов является способ добывания водорода при помощи гидролита - водородистого кальция, легко вступающего в реакцию с водой. Для получения гидролита приготовляют, путем электролиза расплавленного хлористого кальция, металлический кальций в полосах, которые затем помещают в муфельные печи и нагревают до высокой температуры. Над нагретыми полосами пропускают чистый водород, который ими и поглощается. Металлический кальций при этом видоизменяется, превращаясь в куски мышиного цвета. Гидролит хранится в герметичной укупорке.

Полевые аппараты для получения водорода из гидролита

Полевые аппараты для получения водорода из гидролита (фиг. 5), построенные во Франции в войну 1914—1918 гг., очень просты; они устанавливаются на одной повозке и состоят из генератора 1, холодильника 2, коллектора 3 и трубопроводной арматуры. Аппарат дает ~1500 м3 газа в час. Процесс получения водорода заключается в последовательном действии на гидролит сперва водой, а затем образующейся смесью водяных паров и уже выделившегося газа. Реакция протекает по формуле:

СаН2 + 2 Н2О = Са(ОН)2 + 2 Н2.

Добываемый газ - высокого качества, сухой и почти без примесей. На получение 1 м3 газа идет 0,95 кг гидролита.

2) Третий из быстродействующих способов заключается в применении гидроженита, порошкообразной смеси из ферросилиция, едкого натра и извести. При действии воды на эту смесь она выделяет водород. Реакция протекает по формуле:

Si + Са(ОН)2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + СаО + 2 Н2.

Выделяющийся газ проходит через очиститель и сушитель. Существующие аппараты Жобера очень удобны; они дают газ чистотой 99%, но для получения 1 м3 водорода расходуют 3 кг гидроженита, вследствие чего применяются мало. Аппараты других систем (Майерта и Рихтера, Якоби) требуют еще большего расхода исходных материалов.

Из всех перечисленных способов добывания водорода наиболее рациональными являются: для наполнения дирижаблей (даже в условиях военных действий, в тылу) - заводские способы, как наиболее дешевые и дающие возможность сосредоточить большое количество газа в одном месте; для наполнения аэростатов в мирное время - заводские, а в военное - заводские и полевые (нормальный - силиколевый и быстродействующие - активного алюминия и гидролита).

Для перевозки газа, помимо труб, применяются также и газовые поезда, состоящие из платформ с установленными на них газовыми цистернами. Газ в цистернах находится под давлением 100—200 atm; на одной платформе перевозится в цистернах 1750—2500 м3 газа.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.

Избранное