Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор процессов конверсии природного газа 8
1.1 Обоснование необходимости научного изыскания 8
1.2 Обзорные сведения по паровой конверсии природного газа 11
1.2.1 Реализация аппаратурно-технологического оформления процесса конверсии природного газа 20
1.2.2 Физико-химические основы процесса конверсии в зернистом слое катализатора труб печи 28
1.2.3 Существующие расчетные методы тепломассообменных процессов при прохождении теплоносителя труб печи 38
2. Методика расчета тепломассообменных процессов при паровой конверсии природного газа
2.1 Порядок расчета труб печи конверсии 44
2.1.1 Ввод начальных данных 45
2.1.2 Расчет массообменных процессов на участке трубы 47
2.1.3 Определение теплофизических свойств потока теплоносителя 49
2.1.4 Расчет теплообменных процессов на участке трубы 50
2.2 Оценка расчетов процессов тепломассообмена в трубе печи 52
2.3 Новая система конверсии и конвертор-теплообменник 54
2.4 Порядок расчета нового конвертора-теплообменника 60
3. Экспериментальные исследования процессов тепломассообмена в слое катализатора труб печи конверсии 67
3.1 Методика проведения эксперимента 67
3.2 Таблицы и графики полученных экспериментальных данных 72
4. Модели процессов тепломассообмена в зернистом слое катализатора при паровой конверсии природного газа 78
4.1 Построение модели тепломассообмена для труб печи 78
4.1.1 Входные данные 79
4.1.2 Показатели массообмена 80
4.1.3 Изменение теплофизических свойств теплоносителя по длине труб
4.1.4 Показатели теплообмена 86
4.2 Исследование тепломассообмена в новой системе конверсии природного газа и конверторе 90
5. Разработка рекомендаций к инженерному проектированию нового конвертора 109
Основные выводы и результаты работы 118
Список используемой литературы 120
- Обзорные сведения по паровой конверсии природного газа
- Существующие расчетные методы тепломассообменных процессов при прохождении теплоносителя труб печи
- Новая система конверсии и конвертор-теплообменник
- Изменение теплофизических свойств теплоносителя по длине труб
Введение к работе
На протяжении последних столетий развитие мировой экономики определяется наличием доступных и удобных для использования энергоресурсов. В течение почти всего XX века роль основного мирового энергоресурса играла нефть. Спад мировой добычи нефти уже не является предметом дебатов и прогнозируется не позже 2010 г.
Несмотря на огромные усилия в области альтернативных источников энергии, их вклад в мировую энергетику не превышает 1% и по всем серьезным прогнозам даже к концу столетия не превысит нескольких процентов. Из-за низкой плотности потока солнечной энергии на земной поверхности ни солнечная энергетика, ни тем более производство «возобновляемого биотоплива» сельскохозяйственными методами при нынешнем уровне энергопотребления не смогут дать серьезного вклада в мировую энергетику. [12].
Энергетика и промышленность в XXI веке могут рассчитывать на имеющиеся запасы природного газа, который в настоящее время является наиболее прогрессирующим первичным источником энергии. Природный газ по запасам, экономичности добычи, возможности использования и экологическим свойствам является наиболее перспективным энергоресурсом, способным обеспечить потребности человечества в энергии и углеводородном сырье в течение текущего столетия.
Основные запасы природного газа сосредоточены с районах крайнего севера России, а области потребления природного газа за тысячи километров от места добычи, поэтому проблема транспортировки природного газа выходит на первый план.
При разработке малых и средних месторождений природного газа стоимость прокладки трубопровода и тратспортировки природного газа будет соизмерима по стоимости со всем объемом добытого природного газа.
Технологии перевозки сжиженного природного газа затратны, поэтому растет интерес к технологиям GTL (Gas То Liquid), процессам переработки
5 природного газа и жидкие продукты. GTL - это сложные многостадийные
энергоемкие процессы, требующие больших капиталовложений [55].
Природный газ является дешевым и удобным сырьем для перерабатывающей промышленности, но доля природного газа в России, используемого в качестве сырья для переработки, не превышает 1,5%, остальная часть сжигается, в качестве топлива. Необходимость в новых инновационных технологиях, а также повышение доли газа, подвергающейся химической переработке, в сочетании с возможностью аккумулирования капиталов от экспорта энергоносителей, позволяет Российской промышленности стать мощным катализатором инновационных процессов в стране. Основной применяемый в настоящее время в промышленных масштабах путь переработки природного газа - его предварительная конверсия в смесь оксида углерода и водорода (синтез-газ). На получение синтез-газа затрачивается от 50 до 75% энергии и общей стоимости всего производства [67]. Классическая схема конверсии природного газа, реализуется в две или три стадии в пререформере, печи первичной конверсии огневого типа и автотермичном конверторе вторичной конверсии. Схема конверсии выполнена по энерготехнологическому принципу, где избыточное тепло технологических потоков используется для образования пара и подогрева питательной воды, то есть технологические стадии тесно связаны с системой парообразования. Это приводит к низкой гибкости системы при управлении, возникают сложности при пуске и остановке агрегата.
Основная часть природного газа конвертируется в печи конверсии, имеющей неудовлетворительные показатели энергетической эффективности, в соответствии с современными требованиями. Печь имеет ряд конструкционных, эксплуатационных недостатков, в частности низкое использование тепла дымовых газов, большие удельные размеры и массу, высокие потери тепла через стенки в окружающую среду.
Кроме глобального решения энергопотребления человечества должна быть рассмотрена и энергетическая эффективность переработки природного
газа во вторичное сырье. Главным фактором, определяющим жизнедеятельность отрасли и конкурентоспособность продукции, является уровень сырьевых и топливно-энергетических затрат в производстве продукции.
Значительная часть производственного потенциала перерабатывающей отрасли России характеризуется низким техническим уровнем, неудовлетворительными параметрами ресурсосбережения, не обеспечивающих необходимых предпосылок для выпуска конкурентоспособной продукции. Поэтому проблема рационального использования сырьевых ресурсов приобретает особую значимость, как фактор определенной компенсации опережающих темпов роста цен и тарифов на продукцию естественных монополий [34].
Цель работы. Исследование тепломассообменных процессов при каталитической паровой конверсии природного газа в синтез-газ и жидкое топливо для разработки нового способа и конструкции конвертора паровой конверсии.
Методы исследования. Расчетно-экспериментальные. Научная новизна работы:
Впервые разработана математическая модель процессов тепломассообмена в зернистом слое катализатора при паровой конверсии природного газа в трубах печи конверсии с учетом: зависимости теплофизических свойств теплоносителя от различных параметров процесса при решении уравнений теплового баланса; тепломассообменных процессов в слое катализатора, находящегося в части труб, которая не обогревается дымовыми газами; изменения состава потока теплоносителя на входе в трубы печи после смешения потока природного газа и водяного пара.
На основе экспериментальных исследований работы отделения конверсии природного газа агрегата синтеза аммиака установлены закономерности изменения температуры, состава и давления теплоносителя в трубах печи конверсии в зависимости от распределения температуры наружной поверх-
7 ности стенок труб по их длине, при различных общих параметрах ведения
процесса.
Практическая ценность и результаты.
Результаты моделирования реализованы в виде процедур в технологиях Mathcad 12 (Mathsoft Engineering & Education, Inc).
Исследования с помощью программного комплекса позволили: разработать новый способ конверсии природного газа в синтез-газ; новые оригинальные конструкционные технические решения конвертора-теплообменника; выдать рекомендации для инженерного проектирования системы конверсии и пластинчатой теплообменной насадки конвертора-теплообменника.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на III, IV-й международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, ВоГТУ, 2002, 2004г.), на IV и V межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, ЧГУ, 2003, 2004г.), V международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, ЧГУ, ОАО «Северсталь», 2005г.), международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов оборудования».
Публикации. Основная часть диссертации изложена в 8 публикациях.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (83 наименования), 3-х приложений и содержит 145 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков и 13 таблиц.
Обзорные сведения по паровой конверсии природного газа
Паровая конверсия - один из самых распространенных способов переработки природного газа в синтез-газ, имеющий множество вариантов осуществления. Паровую конверсию углеводородсодержащего сырья ведут различными способами исходя из конечной цели конверсии. Объединяет все способы паровой конверсии то, что целевым продуктом являются газовые смеси, содержащие водород и соединения углерода. В промышленности водород получают и используют как в чистом виде, так и в смеси с другими газами, например, в виде азото-водородной смеси для синтеза аммиака или смеси Нг, СО и СОг для синтеза метанола [58].
Производство метанола является крупным потребителем синтез-газа. Метанол служит сырьем для получения большого количества продуктов. Метанол расходуется на производство формальдегида, на основе которого вырабатываются синтетические смолы и пластмассы, уксусной кислоты и растворителей. Установки по производству метанола являются энерготехнологическими и могут выдавать тепловую энергию в виде пара на сторону. Компоненты синтез-газа используется в процессах очистки от сернистых соединений нефтяных фракций, гидрокрекинга, гидрирования бензола, гидродеалкилирования, гидростабилизации и других.
В металлургии широко применяются восстановительные газы, состоящие из водорода и оксида углерода. Замена части кокса в доменной печи на восстановительный газ увеличивает ее производительность и приводит к экономии кокса.
Основными разновидностями паровой конверсии являются: высокотемпературная конверсия углеводородов, автотермическая каталитическая конверсия углеводородов, паровая конверсия в трубчатых печах [62].
1) Высокотемпературная конверсия углеводородов [68,71]. Процесс представляет собой неполное окисление углеводородов с образованием СО и Н2. Конверсия может проводиться кислородом, воздухом, обогащенным кислородом, и парокислородной смесью. Реакции протекают в свободном объеме при температуре 1300-1500С. В связи с практически полным превращением углеводородов при таких температурах давление процесса составляет 8-9МПа. Особенностями процесса, влияющими на технико-экономические показатели, являются: необходимость использования технически чистого кислорода при получении водорода; высокая температура газов на выходе, требующая высокотемпературных установок для использования тепла газов; в процессе конверсии образуется сажа, и требуются аппараты очистки конвертированного газа. В качестве сырья для высокотемпературной конверсии могут быть применены любые углеводороды, начиная от метана и кончая высокосернистыми мазутами. Способы высокотемпературной конверсии природного газа и мазута при давлении 3,0 МПа получили некоторое распространение в промышленности. Перспективной является газификация этим способом сернистых мазутов и нефтяных остатков, так как легкие углеводороды могут конвертироваться более экономичными каталитическими способами. 2) Автотермическая каталитическая конверсия углеводородов.
Этим способом перерабатываются природный, коксовый и некоторые другие газы. Процесс осуществляется в конверторе с неподвижным слоем никелевого катализатора, куда подается предварительно перемешенная смесь газа, пара и кислорода. Разработанные в 50-х годах процессы проводятся под давлением до бМПа при температуре на выходе из реактора 800..860С. Этот вид конверсии получил довольно широкое распространение. В промышленности России использовался до середины 70-х годов, затем подобные агрегаты были демонтированы и построены более экономичные, с применением конверсии в трубчатых печах. 3) Паровая конверсия в трубчатых печах [71]. Этим способом конвертируются природный газ и бензиновые фракции с температурой кипения до 200С. Смесь углеводородов и паров воды подается в реакционные трубы, находящиеся в топке печи и воспринимающие от нее тепло. Процесс ведется под давлением до 4,0 МПа при температуре газа на выходе 760-900С в зависимости от требуемого состава газовой смеси. В аммиачном производстве природный газ конвертируют в две ступени. Процесс проводится на никелевых катализаторах. Этот способ конверсии развивается, начиная с 1930 г., к концу 20-го века он достиг значительного совершенства и является преобладающим во всем мире.
Природный газ может конвертироваться до синтез-газа любым из рассмотренных выше способов. Сравнение расходных коэффициентов показывает, что самой экономичной по расходу энергии является паровая конверсия под давлением.
Для получения 1 т водорода требуется 3,5-4,5 т (5,0-6,6 тыс.м) природного газа в зависимости от производства (аммиак, метанол, водород), технологической схемы и других факторов. Общие энергетические затраты составляют 180,0-230,3 млн. кДж или 6,1-8,0 т условного топлива на 1 т водорода. Для парокислородной каталитической конверсии природного газа под давлением энергетические затраты составляют 213,5-272,2 млн. кДж, т.е. выше приблизительно на 20%. Примерно такие же затраты и при высокотемпературной конверсии. Но в этих процессах несколько ниже удельные капитальные вложения. Технико-экономический анализ показывает [49,67], что наиболее экономичным является способ паровой конверсии. Несколько хуже, но в некоторых случаях вполне приемлемы, показатели каталитической парокислородной конверсии. Другие способы значительно менее экономичны.
Технология получения ситез-газа из природного газа четко отрабатывалась с начала 20-го века на основе производств аммиака и метанола. Возникнув перед второй мировой войной, производство синтетического аммиака превратилось в крупную отрасль современной промышленности.
Производство аммиака и метанола отличается большой энергоемкостью. На современных установках с паровой конверсией природного газа для получения одной тонны аммиака необходимо 35,6-41,9 млн. кДж тепловой энергии при теоретическом расходе энергии 18,5 млн. кДж [6,57]. Это достаточно высокая эффективность использования сырья (природного газа). Но она может быть еще повышена путем разработки более экономичных энерготехнологических схем, новых конструкций машин и аппаратов и внедрения более совершенных катализаторов.
Существующие расчетные методы тепломассообменных процессов при прохождении теплоносителя труб печи
При одновременном протекании в зерне катализатора химических превращений и массопереноса в нем возникают градиенты концентраций и температур. При анализе процессов используются капиллярная, квазигомогенная и глобулярная модели пористого тала. С точки зрения описания процесса все эти модели идентичны. Наиболее распространенная модель слоя зерен катализатора в трубах квазигомогенная. Процессы паровой конверсии проводятся в реакционных цилиндрических трубах с неподвижным слоем катализатора.
Число независимых уравнении і по (1.31),(1.32) равно п - 1, где п - число компонентов газовой смеси. Проверка показала [15], что в промышленных аппаратах с высоким отношением длинны труб к их радиусу (1/г = 100-150) продольный перенос вещества и тепла не существенен и его можно не учитывать.
Решить дифференциальные уравнения практически очень сложно. Для возможности решения данной системы уравнений необходимо ввести большое количество допущений упрощающих расчет, что ведет к погрешности вычислений. Обычно при переходе от расчета процессов в зерне катализатора к процессам в ядре потока теплоносителя пренебрегают градиентами температур и концентраций и рассчитывают изменение свойств только по одной из осей координат. Такие расчетные методы трудно применить для реальных объектов, обычно они применяются для аналитического исследования вклада отдельных процессов в весь процесс конверсии в целом.
На основе рекомендаций [27,32] для обеспечения требуемой точности расчета процессов тепломассообмена в трубчатой печи считается достаточным представить движение газа через зернистый слой как модель идеального вытеснения - квазигомогенную, без градиента температур и концентраций в поперечном сечении потока. По рекомендациям достаточно 200 участков разбиения [63-65]. С учетом современных условий применения ЭВМ [34] и возможности решения сложных уравнений, учитывающих изменения физических свойств смеси и других коррекций, число достаточных разбиений можно уменьшить. Достигается это благодаря решению уравнений тепловых и материальных балансов с учетом изменения теплофизических свойств теплоносителя.
По данным А.В. Степанова, Л.А. Кадыгроба и Ю.К. Безуглого [71] порядок расчета элементарного участка следующий: 1) Определяется изменение состава газовой смеси при прохождении расчетного участка. Конверсия метана рассчитывается с помощью кинетических уравнений с дальнейшим учетом влияния процессов диффузии. Принято, что гомологи метана конвертируются паром на первом расчетном участке. Конверсия оксида углерода учитывается через равновесный состав газа, то есть реакция достигает равновесия. 2) Учитываются изменения теплофизических свойств потока газа с изменением состава при температуре и давлении входа на расчетный участок. 3) Определяется коэффициент теплопередачи от внешней поверхности труб к потоку теплоносителя с учетом передачи тепла конвекцией, излучением и контактной теплопроводностью катализатора, количество тепла подведенного от внешнего источника к теплоносителю, температура выхода теплоносителя с расчетного участка, через закон сохранения энергии, с учетом общего теплового эффекта реакций конверсии. 4) Изменения давления процесса, за счет гидравлического сопротивления катализатора.
Недостатком указанного расчетного метода процессов тепломассообмена в слое катализатора труб печи является то, что он не достаточно точен. Учет конверсии гомологов метана водяным паром ведется на первом расчетном участке, но на практике такая конверсия походит до поступления теплоносителя в трубы печи, что ведет к погрешности расчета. Изменение свойств смеси для решения уравнения сохранения энергии на расчетном участке рассчитывается отдельным блоком. А.В. Степанов и др. не указывают каким именно способом и при каких условиях рассчитывают теплофизические свойства смеси газов. Возможно ввести изменение пеплофизических свойств в виде зависимости от параметров процесса непосредственно в уравнение сохранения энергии расчетного участка, что повысит точность расчета.
Аналитический обзор литературы показал, что необходимо создание новой системы паровой конверсии природного газа. Для исследования новой системы необходима методика расчета процессов тепломассообмена при паровой конверсии природного газа. На текущий момент времени нет общепринятых методики расчета и уравнений тепломассообменных процессов в слое катализатора при конверсии природного газа, обеспечивающих необходимую точность расчетов, поэтому необходимо разработать методику расчета процессов в слое катализатора адаптированную к процессам на реальном объекте. Исходя из аналитического обзора литературы следуют задачи научного исследования. Выводы по главе:
1. Для обеспечения потребителей энергоносителями требуется разработка новых эффективных способов переработки природного газа в жидкое топливо, позволяющих обеспечить рентабельность освоения удаленных малых и средних месторождений природного газа в России.
2. Из всех рассмотренных способов конверсии природного газа паровая каталитическая конверсия с утилизацией тепла конвертированного газа для обеспечения необходимым количеством тепла первой стадии конверсии природного газа является наиболее перспективным способом по экологическим, энергетическим, эксплуатационным показателям.
3. Приведенные оценки существующих расчетных методик тепломассообменных процессов в смеси пара и природного газа движущейся в реакционных трубах печи показали, что необходимо составить четкий алгоритм расчета с применением уравнений процессов, происходящих в слое катализатора, обеспечивающих наибольшую точность вычислений.
4. Для разработки новой системы паровой каталитической конверсии природного газа необходима методика расчета тепломассообменных процессов в слое катализатора, адаптированная к реальным процессам на промышленном объекте.
Новая система конверсии и конвертор-теплообменник
Упростить способ конверсии природного газа возможно при снижении общей производительности системы конверсии, за счет уменьшения количества технологических единиц и оформления многостадийной конверсии в одном конверторе-теплообменнике. Приведенные требования к системе конверсии в главе 1 могут быть решены путем совершенствования существующих технических решений. В соответствии с поданной заявкой на изобретение (№2005131397) можно частично учесть указанные требования.
В соответствии с поданной заявкой на получение патента на изобретение сущность способа и конвертора заключается в следующем.
Каталитическую конверсию углеводородов ведут при давлении 2-ЗМПа преимущественно на никелевом катализаторе при температурах 550-1750С, при начальном соотношении потоков водяного пара к углеводородам от 2,5 до 3,5 к 1. Природный газ (см рис. 2.2) с температурой от 0-170С подают в теплообменник (1), 0,15-0,24% СН4 920С.
Предложенная конструкция изолирует двойным кольцевым пространством футерованный корпус конвертора от тепловых воздействий и позволяет уменьшить толщину футеровки и размер конвертора. Насадка из гофрированных пластин располагается во внутреннем стакане. Каналы образованы насадкой из гофрированных пластин и имеют квадратный профиль (см. рис. 2.3). Каналы в верхней части перфорированы для преимущественного прохода через них конвертированного газа после первичной конверсии природного газа, то есть для смены направления потока с идущего вверх на нисходящий. Каналы частично заполнены катализатором так, что имеются части каналов, заполненные катализатором, для предварительной, первичной и вторичной конверсии природного газа, и части каналов без катализатора. Катализатор для предварительной паровой конверсии углеводородов расположен в нижней части каналов, в которых поток газа направлен вверх. Далее по ходу теплоносителя в верхней части теплообменной насадки расположен катализатор первичной конверсии. Катализатор для вторичной паровой конверсии углеводородов расположен в верхней части каналов теплообменной насадки, в которых поток газа направлен нисходяще. Каналы с потоком теплоносителя направленного вверх, и каналы, в которых поток направлен нисходяще, расположены таким образом, что в поперечном сечении имеют шахматный порядок.
В верхней части теплообменной насадки, над катализатором вторичной конверсии, расположено устройство ввода обогащенного кислородом воздуха. Устройство представляет собой совокупность перфорированных вставок квадратного профиля из жаропрочного металла, имеющих проход в виде отверстия в верхней части вставок для подвода обогащенного кислородом воздуха внутрь вставок.
Конвертор-теплообменник с теплообменной насадкой пластинчатого типа Перфорация устройства предназначена для прохода во внутреннюю часть вставок части конвертированного газа после первичной паровой конверсии углеводородов и его окисления кислородом воздуха.
Предлагаемый способ конверсии углеводородов обеспечивает: 1) высокую эффективность технологического процесса паровой конверсии природного газа за счет большего использования тепла конвертированного газа для нагрева компримированного природного газа; 2) достижение высокой степени конверсии углеводородного сырья; 3) избежание образования свободного углерода на поверхностях нагрева и катализаторе.
Предлагаемый конвертор обеспечивает простоту конструкции. Теплообменная насадка является пакетом гофрированных пластин, где невозможна замена отдельного канала (трубы) и замена пакета осуществляется вся разом, такая конструкция удобна при выгрузке катализатора и замене отработавшей срок службы теплообменной насадки. Масса теплообменной насадки в 25-30 раз меньше, чем масса реакционных труб печи конверсии той же производительности. Масса предлагаемого конвертора, совмещающего в себе технологические функции печи конверсии, шахтного конвертора, теплообменника подогрева парогазовой смеси и пререформер, в 4,5-5 раз меньше, чем суммарная масса указанных аппаратов той же производительности, за счет уменьшения массы реакционных труб, поверхности футеровки и корпуса.
Изменение теплофизических свойств теплоносителя по длине труб
Изменение теплофизических свойств теплоносителя при прохождении зернистого слоя катализатора труб печи обусловлено в большей степени происходящими массообменными процессами, чем изменением температуры.
Изменение теплопроводности и вязкости теплоносителя, имеет одинаковый характер и с учетом изменения состава по длине трубы печи конверсии приведен на рис. 4.5. Теплоемкость газовой смеси с повышением температуры (от 450 до 800С) по расчетным данным должна для усредненного состава смеси возрасти на 4-5%, но из-за образования большого количества водорода и расхода водяного пара и метана падает на 9,8%.
Изменение критерия Re по длине труб показано на рис. 4.8 и является функцией трех кривых рис. 4.5 4.6, 4.7. Возрастание Re к концу трубы объясняется замедлением роста динамической вязкости при возрастающей линейной скорости потока газовой смеси.
Кривые распределения коэффициента теплоотдачи, теплопередачи и отношения теплопроводности материала стенки труб к ее толщине стенки по длине труб печи конверсии представлены на рис. 4.9.
Разница в расчетных и опытных данных для температуры выхода газового потока из труб печи конверсии может быть объяснена как погрешностью расчета, так и погрешностью опыта, но прежде всего эту разницу можно объяснить погрешностью преобразования сигнала вторичных приборов и погрешностью термопар, занижающих температуру суммарно, в среднем на 10С.
Эти выводы подтверждаются также анализом работы системы газоподготовки [10,57] фирм поставщиков катализатора «ICI Synetix», Великобритания и «Haldor Topsoe», Дания в период 1997-2003г.
Средний разбег величины степени приближения к равновесию от среднего значения по опытным данным составил 4,35С (см. табл. 4.2), что несколько меньше по сравнению с данными анализа работы катализатора фирм поставщиков, где средний разбег величины степени приближения к равновесию составил 0-21 С. Расчетная степень приближения к равновесию 15,1С ближе к теоретически возможному для катализатора отработавшего 8 лет, нежели опытное значение 4,3С, характерное для нового катализатора. Значения коэффициента теплоотдачи в печи конверсии природного газа составили порядка 350..1400 Вт/м К (он включает в себя передачу тепла излучением, контактной теплопроводностью катализатора, теплоотдачу от стенки к газу).
Рассчитанная по рекомендуемой формуле (1.23) [1-3] скорость конверсии метана, оказалась выше экспериментальной на 10%, что указывает либо на погрешность расчетной формулы, либо на меньшую нанесенную поверхность никеля катализатора паровой конверсии, заявленную поставщиком катализатора, либо на сужение пор катализатора или его износ в процессе эксплуатации.
Итоговый состав и температура теплоносителя на выходе из труб в расчете связаны друг с другом, условия теплопередачи напрямую влияют на состав теплоносителя. Математическая модель дает результаты расчетов, близкие к практическим, средняя погрешность математической модели составляет ±2,9% по составу и -1,6% по степени разогрева теплоносителя на выходе из труб печи конверсии (см. табл. 4.3).
Расчеты процессов тепломассообмена для новой системы конверсии и конвертора проводились для определенного диапазона условий ведения процесса конверсии. Синтез-газ, исходя из вида производства (аммиака, метанола, водорода, полимеров, эфиров, жидкого топлива), может содержать азот в различных пропорциях. Для производств аммиака - основного потребителя синтез-газа в России, соотношение H2:N2 в синтез газе - 2,9..3,0:1. Для других производств азот является инертом, от него избавляются продувкой в циклах синтеза. Таким образом обогащенный кислородом воздух для горения водорода частично конвертированного газа должен содержать кислорода столько, чтобы обеспечить нужное содержание азота в синтез-газе и тепловой режим системы паровой конверсии природного газа.
Для расчета процессов тепломассообмена системы конверсии и конвертора паровой конверсии природного газа с внутренней теплообменной насадкой пластинчатого типа применена схема конверсии и конвертор в рамках технических решений поданной заявки на получение патента, для наиболее близкого к экспериментальным исследованиям случая, когда синтез-газ содержит азот для производства аммиака.
Степень утилизации тепла конвертированного газа тем больше, чем меньше разность температур конвертированного газа и смеси водяного пара и природного газа. На рис. 4.10 приведены зависимости необходимого содержания кислорода в обогащенном воздухе от параметров процесса. Чем меньшее содержание кислорода тем это выгоднее с точки зрения меньшего использования дополнительного кислорода, полученного криогенным способом или на молекулярных ситах. При меньшем давлении вести процесс с точки зрения термодинамики реакции конверсии природного газа более выгодно, поскольку конверсия идет с увеличением объема газа. Ведение конверсии природного газа при более низких давлениях не выгодно по причинам увеличения объема газа при меньшей степени сжатия газов, что увеличивает размеры аппаратов конверсии. Как видно из рис. 4.10, чем больше степень утилизации тепла конвертированного газа, тем меньшее количество кислорода требуется для горения водорода.
Похожие диссертации на Исследование тепломассообмена и совершенствование способа паровой конверсии природного газа
