Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса и постановка задачи 13
1.1 Анализ энергоэффективных технологий в высокотемпературных плавильных установках систем по производству стекла. Современное состояние вопроса. 13
1.2. Повышение энергоэффективности с использованием термохимической регенерации 16
1.2.1 .Термохимическая переработка углеводородных газов. 16
1.2.2. Процессы термохимической переработки природного газа, применяемые в промышленности 17
1.2.3. Перспективные и энергоэффективные технические решения, основанные на процессе паровой конверсии 20
1.2.4. Повышение энергоэффективности промышленных объектов с использованием термохимической регенерации 23
1.2.5. Энергоэффективные технические решения, основанные на конверсии углеводородного сырья 26
1.2.6. Анализ методов расчета процесса термохимической регенерации 28
1.3. Повышение энергоэффективности промышленных объектов путем предварительного подогрева технологического материала. Существующие способы подогрева технологического материала 30
1.4. Снижение тепловых потерь через наружные ограждения с помощью фильтруемой изоляции. Обзор различных вариантов подачи охладителя 31
1.5. Выводы по главе 32
Глава 2. Постановка задачи исследования объектов энергосбережения 33
2.1. Концептуальная модель системы термохимической регенерации 33
2.2. Математические модели системы ТХР и их программная реализация 41
2.2.1. Математическая модель прямоточного реакционного элемента 42
2.2.2. Двумерная математическая модель FLUENT 45
2.2.3. Математическая модель реакционного элемента реактора некаталитической паровой конверсии 46
2.2.4. Математическая модель реакционного элемента с двойной циркуляцией реагирующей среды 47
2.2.5. Особенности определения теплофизических свойств реагирующего газа 47
2.3. Концептуальная модель регенеративного подогревателя технологического материала 48
2.4. Математическая модель подогревателя технологического материала и её программная реализация 50
2.5. Модель фильтруемой изоляции стекловаренной печи 52
2.6. Выводы по главе 53
Глава 3. Тарировочные расчеты. Оценка пригодности предлагаемых математических моделей 55
3.1. Сравнение температур и состава смеси газов, полученных с помощью предложенной модели с распределенными параметрами, и полученных при помощи двумерной модели Fluent 55
3.2. Тарировка кинетической модели химических процессов 57
3.3. Тарировка расчета реакционного элемента с двойной циркуляцией газовой среды. Сравнение температуры смеси газов с результатами двумерной модели Fluent . 58
Глава 4 Параметрические расчеты системы термохимической регенерации 61
4.1. Шероховатости в каналах реакционного элемента 63
4.2. Повышение температуры стенки выше максимально допустимой по условию прочности 64
4.3. Оценка влияния химических и диффузионных процессов на теплообмен в реакционном элементе 67
4.4. Состав газа и степень завершения конверсии на выходе при различных режимах работы ТХР 70
4.4.1. Исследование зависимости состава конвертированного газа от соотношения пар таз в парогазовой смеси на входе 71
4.4.2. Исследование зависимости состава конвертированного газа от объемного расхода парогазовой смеси на входе 76
4.5. Температура РЭ при различных режимах работы ТХР. Влияние расхода природного газа и геометрических характеристик РЭ 81
Глава 5 Расчеты энергосберегающих мероприятий по разработанной методике 85
5.1. Расчеты системы термохимической рекуперации 86
5.2. Расчеты регенеративного подогревателя технологического материала 97
5.3. Расчеты фильтруемой изоляции наружных ограждений высокотемпературной плавильной установки 100
Глава 6 Оценка энергоэффективности предложенных схем стекловаренной установки 101
Заключение 111
Список литературы 113
Приложения 121
- Повышение энергоэффективности с использованием термохимической регенерации
- Математическая модель реакционного элемента реактора некаталитической паровой конверсии
- Тарировка расчета реакционного элемента с двойной циркуляцией газовой среды. Сравнение температуры смеси газов с результатами двумерной модели Fluent
- Состав газа и степень завершения конверсии на выходе при различных режимах работы ТХР
Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Прогнозные оценки специалистов показывают, что удвоение в России внутреннего валового продукта в первое десятилетие XXI века вызывает при сохранении энергоемкости на уровне 2000 г. рост расчетной потребности в топливо-энергетических ресурсах в 1,6 - 1,7 раза.
Расчетная потребность в энергоресурсах в 2020 году достигает в этом случае 2,67 млрд. т у.т. Предполагаемые объемы добываемых энергоресурсов значительно меньше (~ 1 млрд. т у.т. в 2010 году и 1,265 млрд. т у.т. в 2020 году). Выходом из ситуации может быть активное проведение энергосберегающей политики.'
Проблема энергосбережения актуальна и для рассматриваемых в работе плавильных процессов и установок в систехмах производства стекла, что обусловлено значительными масштабами потребления природного газа и существенным потенциалом энергосбережения, т.е. разностью между действительным удельным расходом топлива и его теоретическим минимумом.
Для стекловаренных установок характерна значительная доля тепловых потоков с газовыми отходами - Qro и теплопроводностью через ограждение рабочего пространства в окружающую среду - Q0 с. Комплексная регенерация этих тепловых отходов может дать существенный энергосберегающий эффект. В данном исследовании рассмотрены энергоэффективные решения по регенерации Qro и бос> такие как регенеративный подогрев исходного ^материала, термохимическая регенерация (ТХР) и термическая регенерация Qoc посредством фильтрувхмой изоляции (ФИ) теплонапряженных участков ограждения.
Обзор литературы показал, что взаимодействие этих энергосберегающих аппаратов в составе стекловаренной высокотемпературной установки (ВТУ) при различных нагрузках и условиях работы проанализировано недостаточно подробно. Это приводит к реализации в промышленных условиях неоптимальных конструкций и невыгодных режимов работы ВТУ и, как следствие, к появлению больших резервов снижения энергоемкости в стекловаренных теплотехнологических системах. Сказанное обуславливает актуальность исследования процессов в этих аппаратах в целях разработки методики их расчета и выработки технических мероприятий, направленных на снижение расхода топлива в стекловаренных ВТУ.
Целью настоящей работы является изучение тепломассообменных процессов в аппаратах регенерации тепловых отходов стекловаренной установки, таких как термохимическая регенерация, подогрев исходного хматериала, термическая регенерация посредством фильтруемой изоляции теплонапряженных участков ограждения, и оценка роста энергетической эффективности установки вследствие применения данных энергосберегающих мероприятий.
Для достижения поставленной цели был сформирован ряд относительно самостоятельных, но взаимосвязанных задач, в частности:
1 Данилов О. Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях . - М: МЭИ, 2004.- 64 с.
разработка математической модели тепломассообменных процессов и химического реагирования в термохимическом регенераторе - реакторе паровой конверсии (РПК);
оценка пригодности разработанной математической модели путем сравнения с имеющимися экспериментальными данными;
проведение численных исследований локальных характеристик полей концентраций газовых компонентов и температур в канале реакционного элемента (РЭ) термохимического регенератора посредством разработанной математической модели;
численное исследование подогревателя исходного материала и фильтруемой изоляции;
применение разработанной модели для оценки энергетической эффективности и экономической целесообразности использования предложенных энергосберегающих решений в составе стекловаренной установки с комплексной регенерацией тепловых отходов.
Научная новизна:
Разработана математическая модель реактора паровой конверсии, что позволяет определить эффективность термохимической регенерации при различных режимах работы РПК и использовать модель при проектной разработке РПК с учетом сложного комплекса тепло- и массообменных явлений в реакционном элементе.
Произведен расчет влияния режимных параметров РПК на эффективность ТХР в рамках тепловой схемы стекловаренной установки, работающей на природном газе.
Установлено, что главными факторами, определяющими скорость конверсии природного газа, являются температура, и содержание метана в смеси. Скорость конверсии возрастает на начальном участке реакционного элемента с увеличением температуры, и снижается близи выхода в связи с уменьшением концентрации метана в газовой смеси.
Проведенное исследование комплекса тепло- и массообменных явлений в реакционном элементе при изменении конструктивных, режимных и каталитических параметров показало, что при увеличении тепловой нагрузки или снижении расхода природного газа в реакционном элементе относительно режима, соответствующего состоянию химического равновесия наблюдалось существенное увеличение температуры газа и каталитической вставки реакционного элемента вблизи выходного коллектора. На коротком участке реакционного элемента температура газа и стенки реакционного элемента значительно возрастает до уровня температуры греюших дымовых газов, что является опасным для системы ТХР, так как может привести к пережогу стенки РЭ.
Впервые проведено численное исследование реактора паровой некаталитической конверсии, сконструированного в Газовом Технологическом Институте
(GTI), позволяющего получить конвертированный газ без использования катализатора.
5. Исследование совместного влияния рассмотренных энергосберегающих решений показало, что применение ТХР теплоты газовых отходов для стекловаренной установки может обеспечить снижение расхода топлива на 25% относительно исходной схемы с регенеративным воздухоподогревом. Комплексное использование ТХР совместно с ФИ позволяет снизить расход топлива на 50% по сравнению с исходной схемой.
Достоверность. Результаты численных исследований с использованием одномерных моделей, реализованных в среде MathCAD и двумерных моделей, созданных посредством пакета численного моделирования FLUENT, хорошо согласуются с результатами экспериментов и численных исследований других авторов.
Практическая ценность.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют расчетным путем определять энергетическую эффективность использования предложенных энергосберегающих решений в различных условиях эксплуатации и для других видов конверсии - жидких топлив и процессов отложения на поверхности теплообменных устройств.
Проведены расчеты по проектным данным высокотемпературной плавильной установки в системе производства стекловолокна с реактором паровой конверсии НПО «Техэнергохимпром», для реактора паровой конверсии природного газа.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель и программа расчета процессов тепло- и массообмена в термохимическом регенераторе - реакторе паровой конверсии;
Результаты численного исследования процессов паровой конверсии в реакционных элементах термохимического регенератора различной конструкции:
реакторы каталитической и некаталитической паровой конверсии с прямоточными реакционными элементами;
реакторы каталитической и некаталитической паровой конверсии с реакционными элементами, выполненными по типу трубок Фильда;
Математическая модель регенеративного подогревателя исходного материала и фильтруемой изоляции теплонапряженных участков ограждения стекловаренной установки;
Результаты расчета локальных характеристик (полей скорости и температуры) для регенеративного подогревателя технологического материала и фильтруемой изоляции
Результаты расчета энергетической эффективности комплексной регенерации тепловых отходов в стекловаренной установке.
2 J. Servaites; D. М. Rue Efficient Glass-Meiter: Project Supporting Development of a Next-Generation Glass-Melting System [Электронный ресурс].- Режим доступа:
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях: 11,12 и 13 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника , электротехника и энергетика (Москва, 2005-2007 гг.); Третьей Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». (Москва, 21-29 сентября 2006 г.); Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 23-27 октября 2006 г.).
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены 8 публикациями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, список литературы включает 78 наименований.
Повышение энергоэффективности с использованием термохимической регенерации
В настоящее время в связи с ростом стоимости на энергоносители, затраты энергии на процесс производства стекла составляют до 15 % от общих затрат на его выработку. Теоретически требуемый расход топлива для получения 1 кг алюмоборосиликатного стекла из шихты, включая химические реакции и нагрев расплава эквивалентен тепловой энергии, выделяющейся при сгорании 0.075 м3 природного газа. Хотя в последние несколько десятилетий затраты энергии для выработки стекла были снижены, энергия, фактически потребляемая при его производстве, все еще значительно превышает теоретически необходимое количество. Только 70 % затраченной энергии в современных стекловаренных установках используется в процессе плавления и переработки стекла. Из этих 70%, только 40 % энергии, полученной при сжигании топлива, поступает на плавление технологического материала, в то время как 60 % теряется через наружные ограждения установки и с нагретыми дымовыми газами [70].
Для стекловаренных установок характерна значительная доля тепловых потоков с газовыми отходами - QT0 и теплопроводностью через ограждение рабочего пространства в окружающую среду -Qoc[29]. Комплексная регенерация этих тепловых отходов может дать существенный энергосберегающий эффект. В данном исследовании рассмотрены энергоэффективные мероприятия по регенерации QT0 и Qox, такие как регенеративный подогрев исходного материала, термохимическая регенерация (ТХР) и термическая регенерация Qoc посредством фильтруемой изоляции (ФИ) теплонапряженных участков ограждения.
Одно из направлений энергосбережения в топливных установках -глубокая регенерация теплоты газовых отходов Qox. Термическая регенерация Qos на основе подогрева дутьевого воздуха и топлива широко используется в промышленных установках. Вместе с тем представляет интерес как эффективное энергосберегающее мероприятие иной вариант регенерации, а именно термохимическая регенерация (ТХР) теплоты газовых отходов на основе эндотермической переработки природного газа в конвертированный газ - вторичное топливо, направляемое на отопление установки. Данный вариант может обеспечить высокую степень регенерации Qo.v, так как в этом случае газовый отход используется на повышение не только физической, но и химически связанной теплоты регенерирующих теплоносителей.
Другим направлением решения проблемы энергосбережения для топливных плавильных установок является регенеративный подогрев исходного технологического материала. Данное энергосберегающее мероприятие позволяет снизить потери теплоты с тепловыми отходами производства стекла.
Одним из вариантов реализации регенеративного подогревателя технологического материала является разработанный в МЭИ (ТУ) теплотехнический принцип организации плавильного процесса на основе перфорированного слоя материала [26,31]. При этом, возможно обеспечить комплексную регенерацию теплового потока с газовыми отходами QQT и теплового потока через ограждение высокотемпературной плавильной установки в окружающую среду Qoc.
Использование теплотехнического принципа перфорированного слоя позволяет повысить температурный уровень расплава и на этой основе интенсифицировать технологический процесс, глубоко охладить газовые отходы и снизить Qoc, увеличить длительность рабочей кампании. Применение системы подогрева позволяет снизить затраты энергии и уменьшить объемы вредных выбросов [70]. Для снижения потерь теплоты через стенки ограждающих конструкций тепловых агрегатов сегодня преимущественно используются теплоизоляционные материалы. При этом, чем выше температура рабочего тела, тем жаропрочность теплоизоляционных материалов должна быть выше.
Принципиально иной метод борьбы с потерями теплоты через стенку представляет собой фильтруемая изоляция теплонапряженных участков наружных ограждений плавильной установки [3]. С ее помощью можно значительно сократить потери теплоты через стенку и при этом снизить температуру стенки с той стороны, которая непосредственно примыкает к высокотемпературному рабочему телу (продуктам сгорания). Это снижение оказывается более значительным при больших значениях регенерируемой теплоты.
Рассмотренная в данной работе фильтруемая изоляция в качестве охладителя использует холодный воздух. Проходя через проницаемые участки конструкции, воздух нагревается за счет потока тепловых потерь в окружающую среду из стекловаренной установки и подается на горелочные устройства высокотемпературной печи.
Обзор современного состояния вопроса показал, что подогрев исходного материала и регенерация Qoc посредством фильтруемой изоляции ограждения являются весьма перспективными энергосберегающими мероприятиями. Регенерация тепловых отходов с помощью подогрева шихты позволяет значительно уменьшить затраты топлива на производство единицы продукции. Фильтруемая изоляция обеспечивает термостойкость конструкций, уменьшение потерь теплоты в окружающую среду при воздействии значительных тепловых потоков.
Математическая модель реакционного элемента реактора некаталитической паровой конверсии
При проведении численного исследования реактора некаталитической паровой конверсии природного газа, разработанного Газовым Технологическим Институтом, необходимо внести ряд изменений в исходную одномерную модель, поскольку требуется учесть особенности тепломассообмена при отсутствии катализатора. Основным конструктивным отличием реактора некаталитической паровой конверсии является отсутствие катализатора на поверхности вставки (внутренней трубки). Следовательно, в отличие от каталитического реакционного элемента, где скорость химической реакции на катализаторе существенно превышала скорость реакции на стенках РЭ, здесь химическое реагирование осуществляется как на вставке, так и на внутренней поверхности трубки реакционного элемента. Поэтому для данной задачи уравнение (2.7) содержит дополнительный источник, учитывающий реагирование газовой смеси на наружной стенке:
Кроме того, отсутствие катализатора приводит к значительному росту энергии активации химической реакции паровой конверсии. Вследствие этого реакция протекает с достаточной скоростью при более высоких температурах. Данное обстоятельство учтено в кинетической модели.
Следует отметить, что при некаталитической конверсии теплопотребление на стенке, обусловленное химическим реагированием, превышает химическое теплопотребление на вставке, так как температура стенки реакционного элемента выше, чем температура каталитической вставки.
В исследуемом объекте реакционные элементы термохимического рекуператора выполнены в виде трубок Фильда. Расчет локальных характеристик реагирующего газа в элементе такой конструкции отличается от расчета прямоточной схемы движения газовой смеси, так как следует учесть ее конвективный нагрев во внутреннем канале реакционного элемента.
В этом случае уравнения (2.4-2.7) модели реактора дополнятся следующим уравнением: где Tg2, - температуры парогазовой смеси во внутреннем канале РЭ, К; Fg2 площадь поперечного сечения внутреннего канала РЭ, м2.
Кроме того, для данной задачи уравнение (2.6) содержит дополнительный источник, учитывающий конвективный нагрев газовой смеси во внутреннем канале. Вместо уравнения (2.6) при расчете локальных характеристик реагирующего газа в элементе с двойной циркуляцией следует использовать следующее уравнение:
Для того, чтобы с высокой точностью рассчитать процессы тепло- и массообмена в РЭ, необходимо определить коэффициенты теплопроводности, теплоемкости, вязкости и другие теплофизические свойства неравновесной многокомпонентной газовой смеси для каждого элементарного отрезка РЭ.
Для этого был проведен обзор и анализ существующих данных по теплофизическим свойствам индивидуальных веществ; аппроксимация зависимости этих свойств от температуры; обзор и анализ методик расчета теплофизических свойств многокомпонентных газовых смесей. В результате была разработана методика расчета теплофизических свойств реагирующей газовой смеси в зависимости от ее состава, согласно которой такие свойства, как плотность газовой смеси и ее теплоемкость определялись согласно правилу аддитивности согласно графикам термодинамических функций [6] и [44], а теплопроводность, вязкость и др. - согласно рекомендациям [8,40].
Схема подогревателя технологического материала, использующего теплотехнический принцип перфорированного слоя, показана на рис. 2.10. Отформованный технологический материал, непрерывно подаваемый сверху, представляет собой перфорированную насадку, состоящую из перегородок 1 между сквозными каналами 2 для прохода газов и периферийной оболочки 3. Оболочка опирается на дно ванны, выполняя функции несущей футеровки и вертикального ограждения плавильной камеры. В нижней части слоя газовые каналы имеют общий коллектор 4. Компоненты горения сжигаются в ванной части печи либо в коллекторе камеры и, глубоко охлаждаясь, выводятся через каналы насадки, нагревая ее до плавления.
По высоте подогреватель технологического материала может быть разделен на две зоны: нагревательную и плавильную. В пределах нагревательной зоны материал качественно сохраняет свою первоначальную геометрию, а в пределах плавильной зоны имеется лишь периферийная оболочка, по которой стекает расплавленный материал перегородок.
Тарировка расчета реакционного элемента с двойной циркуляцией газовой среды. Сравнение температуры смеси газов с результатами двумерной модели Fluent
Для учета двойной циркуляции нагреваемой среды была использована усовершенствованная модель с распределенными параметрами, позволяющая также определить температуру парогазовой смеси во внутреннем канале. Оценка пригодности результатов, полученных по этой модели, была проведена при помощи вычислительного комплекса FLUENT. С его помощью была составлена упрощенная двумерная осесимметричная модель реакционного элемента с двойной циркуляцией нагреваемой среды. Для простоты было принято, что реакция конверсии в реакционном элементе не происходит. Данная модель позволила найти распределение температуры газовой среды по длине трубки Фильда. Температуры, полученные с использованием предложенной модели с распределенными параметрами и двумерной модели FLUENT, представлены на рис. 3.3. Сравнение представленных на графике кривых 1,2 с кривыми 3,4 показало, что расхождение между результатами не превышает 15%. Следовательно, предложенная модель с распределенными параметрами может использоваться для расчета реакционных элементов с двойной циркуляцией. Проведенные тарировочные расчеты позволили оценить достоверность результатов разработанных одномерных математических моделей с распределенными параметрами. Последовательное поэтапное сравнение данных по тепло- и массообмену в реакционном элементе с имеющимися данными экспериментов и результатами двумерной модели, позволило сделать вывод о том, что модель тепломассообмена в реакторе паровой конверсии можно использовать для исследования и разработки конструкции данного аппарата. газа в кольцевом канале, найденная по предложенной модели; 3,4 температура парогазовой смеси во внутреннем канале, и реагирующего газа в кольцевом канале, найденная с использованием FLUENT; 5 - температура греющих дымовых газов
В данном разделе представлены результаты численного исследования тепло- и массообмена при паровой конверсии природного газа в реакционном элементе с цилиндрической каталитической вставкой при изменении конструктивных, режимных и каталитических параметров, и определение области их возможного варьирования. Применение процесса паровой конверсии метана для термохимической регенерации тепла в данном технологическом цикле потребовало особого конструктивного оформления и определило специфичные режимные условия его организации. Были сформулированы [24,48] следующие основные требования к термохимическому регенератору: - обеспечение условий реализации процесса при расходах водяного пара, существенно не превышающих стехиометрический; - процесс не должен сопровождаться выпадением углерода; - степень завершения процесса конверсии может быть ограничена на уровне Хсн4=0.8-0.9 от равновесной; - малые сопротивления (порядка сотен мм водяного столба) тракта реагирующей смеси, что позволит использовать сетевой газ низкого давления и пар атмосферных параметров; - надежность и простота конструкции, не требующей постоянного обслуживания при эксплуатации. При проектно-конструкторской проработке реактора паровой конверсии появляется ряд вопросов по выбору теплотехнически и экономически оправданных режимно-конструктивных параметров. Это, во-первых, характеристики реакционного элемента: - геометрические характеристики внутреннего и кольцевого канала; - скорость парогазовой смеси во внутреннем и кольцевом канале; - расход природного газа; - удельный расход водяного пара; - температура исходной парогазовой смеси; Во-вторых, необходимы рекомендации по конструкциям реактора паровой конверсии в целом: - взаимное движение дымовых газов и реагирующей парогазовой смеси; - тип конструкции с точки зрения внешнего теплообмена; - материал реакционных труб; - диаметр, длина и количество труб при компоновке конкретного аппарата, определяемые как внутренней, так и внешней задачей.
В-третьих, требуется сформулировать некоторые общие требования, ограничения и рекомендации для проектирования системы ТХР, а именно: - распределение регенерируемого тепла между энергосберегающими аппаратами; - возможность конверсии части природного газа; - целесообразность разбивки ТХР на ступени; Целесообразным является исследование взаимодействия физических и химических процессов, протекающих в реакционном элементе ТХР. Это позволит не только качественно обосновать влияние конструктивных, режимных и каталитических параметров на процесс конверсии, но и определить пути повышения эффективности и надежности ТХР. Таким образом, конечной целью является определение характеристик и закономерностей при изменении конструктивных, режимных и каталитических параметров, которые необходимы для проектирования ТХР.
Состав газа и степень завершения конверсии на выходе при различных режимах работы ТХР
Из данных иллюстраций видно, что степень завершения реакции монотонно снижается с ростом объемного расхода природного газа и увеличивается с ростом времени пребывания. Зависимость Хсн4 от расхода ПГ близка к линейной. При снижении расхода топлива на ТХР увеличивается время пребывания реагирующей газовой смеси в РЭ. Вследствие более полного протекания конверсии при уменьшении скорости, характерное время химического процесса остается неизменным. Следовательно, с ростом времени пребывания число Дамкёллера Da, представляющее собой отношение времени пребывания газа в РЭ ко времени протекания химической реакции, монотонно возрастает. Однако для данной задачи диапазон возможного изменения числа Дамкёллера невелик. При изменении расхода топлива в допустимых пределах число Da лежит в пределах 0.6-0.9. Изменение числа Дамкёллера в зависимости от времени пребывания показано на рис. 4.13. Оценка химического и диффузионного числа Дамкёллера для процесса конверсии в РЭ, проведенная ранее, показала, что химическая реакция оказывает незначительное влияние на теплообмен.
Следовательно, расчет характеристик теплообмена в РЭ допустимо производить по зависимостям для нереагирующих потоков. Помимо объемного расхода природного газа и состава парогазовой смеси на входе в реактор ТХР, еще одним фактором, существенно влияющим на процесс конверсии и состав конвертированного газа, является тепловой поток, сообщаемый реакционным элементам, определяющий температуру РЭ. На температуру стенки и каталитической вставки значительное влияние оказывает расход природного газа на ТХР. При увеличении объемного расхода природного газа возрастают скорости течения газовой смеси в канале РЭ. Вследствие этого теплоотдача от РЭ происходит более интенсивно, что приводит к понижению температуры стенки и каталитической вставки. Изменение температур стенки и каталитической вставки РЭ при увеличении расхода газа графически показано на рис. 4.14. и рис. 4.15. соответственно. Изменение температуры стенки РЭ при увеличении объемного расхода природного газа 1 4 - температуры стенки реакционного элемента при расходе природного газа 100 нм3/ч, 140 нм3/ч, 180 нм3/ч, 220 нм3/ч соответственно Из данных иллюстраций видно, что рост объемного расхода приводит к значительному снижению температуры стенки и вставки. Численные исследования показали также сильную зависимость интенсивности теплопередачи в РЭ от геометрических характеристик кольцевого канала. Исследование показало, что наиболее существенным фактором является внутренний диаметр стенки реакционного элемента, определяющий проходное сечение кольцевого канала. Изменение температур стенки и каталитической вставки РЭ при увеличении внутреннего диаметра стенки графически показано на рис. 4.16. ирис. 4.17. Из данных иллюстраций видно, что увеличение диаметра приводит к снижению температуры стенки и вставки на начальном участке длиной около 2м, а затем наблюдается рост температур. Такое поведение температур объясняется тем, что возросший диаметр снижает скорость течения газовой смеси в кольцевом канале и увеличивает время пребывания. Увеличение времени пребывания приводит к тому, что реакция протекает интенсивнее на начальном участке РЭ (0-2м), что приводит к снижению температур газовой смеси на этом участке. Вблизи выхода (2-2.8 м) реакция значительно замедляется, поскольку концентрация метана с ростом времени пребывания падает. Следствием этого становится рост температур на данном участке.
