Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. Обзор литературных источников. задачи исследований 12
1.1.Эндотермические генераторы и трубчатые печи 12
1.1.1. Эндотермические генераторы с электрическим обогревом 12
1.1,2.Эндотермические генераторы с газовым обогревом 15
1.1.3. Трубчатые печи 17
1.2. Кинетические закономерности процесса воздушной и паровой
конверсии природного газа и оксида углерода 20
1.2.1. Паровая конверсия метана 20
1.2.2. Паровая конверсия оксида углерода (реакция водяного газа) 21
1.3. Равновесные концентрации продуктов паровой и воздушной конверсии природного газа (метана) и оксида углерода водяным паром 22
1.4. Гидродинамика кипящего слоя. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем 24
1.4.1. Гидродинамика кипящего слоя 24
1.4.2. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем
1.5. Окисление и восстановление дисперсного алюмоникелевого катализатора в кипящем слое реактора 26
1.6. Кинетические закономерности при гетерогенных химических процессах на поверхности дисперсного катализатора в кипящем слое 27
1.7. Альтернативные способы подвода теплоты в реакционный объем
каталитических промышленных аппаратов 29
1.7.1. Реакторы с вторичным сжиганием части продукта 29
1.7.2. Реакторы с циркулирующим дисперсным теплоносителем зі
1.8. Разделение газовых смесей в абсорберах и центрифугах 33
1.8.1. Разделение газовых смесей в абсорберах 33
1.8.2. Разделение газовых смесей в центрифугах 34
Задачи исследования 36
ГЛАВА 2. Оптимизация параметров эндотермических генераторов с целью экономии топлива 37
2.1. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с газовым обогревом
2.2. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с электрическим обогревом 49
2.3. Погрешность экспериментальной методики 62
ГЛАВА 3. Оптимизация параметров трубчатых печей с целью экономии топлива 64
3.1. Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве восстановительного газа 64
3.2. Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве водорода 80
ГЛАВА 4. Энергетическая эффективность ряда способов получения водорода 88
ГЛАВА 5. Оптимизация параметров аппаратов с кипящим слоем катализатора для производства водорода 96
5.1 Оптимизация параметров работы реактора с кипящим слоем
дисперсного катализатора и частичным дожиганием продуктов
конверсии метана 96
5.2. Оптимизация параметров реактора с кипящим слоем катализатора для проведения реакции паровой конверсии оксида углерода
ГЛАВА 6. Разделение С02 и Н2 108
6.1. Отделение СОг от продуктов конверсии в абсорбере 108
6.2. Отделение СОг от продуктов конверсии в центрифуге 108
Заключение 109
Библиографический список
- Эндотермические генераторы с электрическим обогревом
- Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с электрическим обогревом
- Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве водорода
- Оптимизация параметров реактора с кипящим слоем катализатора для проведения реакции паровой конверсии оксида углерода
Введение к работе
Актуальность работы. Аппараты для производства эндотермических атмосфер давно и широко используются в металлургии и машиностроении в процессах термической и химико-термической обработки металлов и сплавов, сварке и пайка металлических изделий, для защиты лаков и красок от окисления при их длительном хранении и т.д. В последнее время, установки конверсии метана водяным паром применяют в процессах получения жидких топлив.
Технология получения атмосфер, как правило, связана с переработкой углеводородных газов, таких как природный газ, путем его конверсии воздухом или водяным паром. Эти процессы осуществляются в высокотемпературных установках различных конструкций, как с неподвижным, так и с псевдоожиженным слоем катализатора.
Процессы, протекающие в таких установках достаточно сложны. Типовые технологии производства технологических атмосфер из природного газа не всегда отвечают современным требованиям к эффективности использования углеводородного сырья. Поэтому оптимизация рабочих параметров установок для получения максимального выхода восстановительных газов при минимальном расходе топлива на эндотермические реакции и нагрев продуктов является на сегодня весьма актуальной задачей.
Цель работы:
разработка метода оптимизации рабочих параметров в установках с плотным и псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора;
оптимизировать параметры реакторов по максимальному выходу восстановительных газов при минимальном расходе топлива на осуществление эндотермических реакций и подогрев продуктов этих реакций;
разработать метод определения полного состава продуктов реакции конверсии метана водяным паром, по высоте слоя катализатора, при соотношениях Н20:СН4=1 : 1и2: 1;
исследовать энергетическую эффективность ряда способов получения водорода с целью определения наименее энергозатратного;
разработать аппараты с псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора, используемых в технологической схеме производства водорода конверсией метана водяным паром, и применить к ним метод оптимизации рабочих параметров.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором на основе системы из нелинейных уравнений кинетики и теплового баланса разработаны:
-
Метод оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора: эндотермических генераторов с газовым и электрическим обогревом реторты; трубчатых печей для производства восстановительной атмосферы и водорода.
-
Двухзонный реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного алюмоникелевого катализатора для производства водорода паровой конверсией метана и проведена оптимизация параметров его работы на основе разработанного метода.
3. Реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного железохромовым катализатором для осуществления экзотермической реакции водяного газа и теоретически определена величина оптимальной температуры реакции водяного газа.
Практическая значимость работы. Результаты работы легли в основу оптимизации параметров эндотермических генераторов предприятий машиностроительной отрасли, трубчатых печей на электрометаллургических комбинатах и химических производствах. Практическая ценность работы определяется использованием ее результатов при решении ряда прикладных задач, положенных в основу разработки и создания высокоэффективных аппаратов для получения технологических атмосфер конверсией метана.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается применением предлагаемой методики расчета, обоснованной на сложившихся законах природы и глубокой проработкой методики исследований; использованием при выполнении работы результатов экспериментов, проведенных по отработанной методике; сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными на промышленных аппаратах и результатами других исследователей.
Автор защищает следующие положения, выносимые на защиту: о разработанном методе оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора, основанном на системе, состоящей из уравнений кинетики и теплового баланса;
о моделировании термохимических процессов в аппаратах, для конверсии метана, с псевдоожиженным слоем алюмоникелевого дисперсного катализатора; об энергетической эффективности получения водорода паровой конверсией метана в сравнении с другими способами;
о моделировании установок с псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора использующихся в промышленном производстве водорода и определении их оптимальных рабочих параметров по разработанному методу;
Личный вклад автора. Постановка задач исследований, разработка методик экспериментов и конструкций аппаратов; организация и проведение экспериментов; анализ и обобщение экспериментальных данных; разработка моделей; участие в испытаниях промышленного оборудования.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на:
-
Региональной научно-технической конференции «Наука-образование-производство: опыт и перспективы развития. Энерго - и ресурсосбережение» (9 февраля 2007 года, г. Нижний Тагил).
-
Всероссийской научно — технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Проблемы теплоэнергетики» (21-23 апреля 2009 года, г. Челябинск).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 14 изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных
исследований, из них 11 публикаций в журналах, реферированных ВАК, 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований. Она содержит 146 страниц, 24 рисунка и 18 таблиц по тексту.
Эндотермические генераторы с электрическим обогревом
Реторта эндогенератора заполнена катализатором ГИАП-3, 8 или КСН-2. С целью уменьшения неравномерности температуры в слое катализатора предусмотрено использование теплоты эндогаза в реакционном объеме (эндогенераторы с рекуперацией теплоты), посредством применения кольцевой реторты.
В объеме катализатора идет очень быстрая реакция неполного горения метана с образованием водяных паров й диоксида углерода (1.1), реакция протекает без изменения объема продуктов, а на катализаторе протекает медленная реакция (1.2) конверсии оставшегося метана с водяным паром и диоксидом углерода с образованием оксида углерода и водорода: реакция идет с увеличением объема продуктов в 1,44 раза.
В камере сгорания, предназначенной для обогрева реторты, происходит реакция горения метана с коэффициентом расхода воздуха, близким к единице: СН4 + 2(02 + 3,76N2) = С02 + 2Н20 + 7,52N2 (1.3) с экзотермическим эффектом qXi — 50000 кДж/кг поданного метана. Согласно техническим характеристикам установок для приготовления эндотермической атмосферы [1] установленная мощность газовых горелок для эндогенератора ЭН-60Г равна 43,4 (60 - максимальная производительность эндогенераторов, м3/ч). Доля метана, подаваемого на конверсию в реторту (х) составляет 0,733, а на обогрев реторты 0,267.
Трубчатые печи с газовым обогревом (рис. 1.4) предназначены для производства технологического газа, используемого для синтеза аммиака, метанола, водорода и в качестве восстановленного газа. Содержание окисляющих компонентов в восстановленном газе (С02 + Н20) не должно превышать 10 %, метана - 5 %, содержание серы недопустимо, восстановительный потенциал (Н2 + СО)/(С02 + Н20) должен быть не менее 10, температура около 1000 С. Отношение Н20 : СН4 на входе в печь -1:1. 2_ Рис. 1.4 Принципиальная схема трубчатой печи: с суммарным эндотермическим тепловым эффектом 7х2 = 12912 кДжна 1 кг поданного в реакцию(1.4) метана, с увеличением объема продуктов в 2 раза.
В камере сгорания, предназначенной для обогрева реторты, протекает реакция горения метана с коэффициентом расхода воздуха, близким к единице (1.3), с тепловым экзотермическим эффектом qx = 50000 кДж/кг метана.
При производстве аммиака и водорода в трубчатую печь [25] подают водяной пар и метан в соотношении 2 : 1 и более. Состав влажного конвертированного газа (%, объемн.): С02 - 6,99; СО - 7,86; Н2 - 49,05; СН4 - 7,11; N2 - 0,28; Н20 - 28,89. Поле температур в реторте трубчатой печи показано на рисунке 1.5. Доля метана подаваемого в реторту на конверсию - 0,551, на сгорание для обогрева реторты - 0,449 [25]. С целью получения максимально возможного количества водорода на единицу затрачиваемого метана разрабатываются новые схемы и реакторы для конверсии природного газа при отношении Н20:СН4 = (3-6): 1 как с плотным, так и с псевдоожиженным слоями дисперсного катализатора [99,100]. Показано, что выход продукта в таких реакторах выше на 15 % по сравнению с паровой и на 25 % с парокислородной конверсией.
Имеются расчетные выражения [101] зависимости равновесных выходов СН4, Н20, СО и С02 при паровой конверсии метана (Н20:СН4 = 6:1) от температуры и давления. Подтверждено, что концентрация продуктов на выходе из реактора описываются нормальным законом распределения.
Согласно экспериментальным данным [102,113] каталитического процесса паровой конверсии метана в трубчатом реакторе при отношении Н20:СН4 = (2-2,2): 1 и температурах от 750 до 1050 С, разработана модель каталитического реактора, основанная на уравнениях теплового и материального балансов. Показана хорошая сходимость эксперимента с расчетами по модели состава продуктов конверсии.
Так, в статье [103], на основе уравнений материального баланса и закона действующих масс при отношении СН4:Н20:С02 = 1:1,3:0,7 теоретически определена степень конверсии метана (при 727 С она равна 0,8, а при 927 С -0,975).
На основе уравнений теплового и материального балансов при отношении Н20:СН4 = 3,5:1 и температуре 850 С рассчитывается состав продуктов конверсии. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными на трубчатой печи [104].
Константа скорости взаимодействия метана с Н20 К\, м3/(с-м2), реакции (1.4) на кусковом алюмоникилевом катализаторе рассчитывается по формуле [5]: Kl = 87,Sexp (-). (1.7) Конверсия метана водяным паром протекает по первому порядку по метану во всей исследованной области температур 700 - 900 С[49,66] -w = K1-S-S-rnr , (1.8) где, w - скорость продуктов конверсии в расчете на свободное сечение реактора, м/с, при рабочих параметрах. Реакция протекает во внутреннедиффузионной области при t 800 С. 1.2.2. Паровая конверсия оксида углерода (реакция водяного газа) СО + Н20 «sjj С02 + Н2 Результирующая скорость описывается уравнением [2] W = -K2-S-rC0 ()0 5 + S -К3 гСОг Qf 8. (1.9) При избытке водяного пара обратной реакцией пренебрегают. Скорость прямой реакции немного тормозится образующимся водородом, обратной -водяным паром. В дальнейшем этим влиянием пренебрегаем в силу незначительности. Константа скорости прямой реакции (1.5) на частицах промышленного железохромового катализатора с S = 327 м /м , описывается уравнением, м3/(с-м2):
Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с электрическим обогревом
Уменьшение подаваемой электрической мощности с 45 до 40 кВт (11,1 %) не повлияло на состав продуктов конверсии. Избыточная электрическая мощность идет на увеличение потери в окружающую среду и перегрев продуктов конверсии метана.
С целью получения минимальной электрической мощности на обогрев реторты при любой другой производительности эндогенератора с электрическим обогревом строилась зависимость подводимой электрической мощности Q3, кВт, от расхода метана в реторту на конверсию V , м3/ч, рисунок 2.7. Там же нанесены экспериментально полученные точки при паспортных и оптимальных параметрах.
Расход метана на конверсию V = V -0,2049 , м3/ч, подводимую электрическую мощность, кВт, рассчитывали по уравнению G„r - расход природного газа на конверсию, кг/с; с„кТ " оптимальная температура, берется из рисунка 2.6, степень конверсии метана (і —J рассчитывается при с"т. Каждая точка на кривой рисунка 2.7 соответствует оптимальным параметрам при любой производительности. На ЭН-125 следует регулировать не температуру стенки реторты 40 (tCT = 1050 С), а удельный расход электроэнергии Э = — = 0,32 кВт ч/м продуктов конверсии. Для этого установить ваттметр. Оценка погрешности экспериментального определения экономии электроэнергии ДЭ от оптимизации параметров реакторов, определялась по методике, изложенной в [34].
Если точное значение результата косвенных измерений обозначить через z = т. ± Lz — /(а) = /(а + Да), где а - среднее значение измеряемой величины; Да - величина абсолютной погрешности прямых измерений, то абсолютная погрешность результата косвенных измерений для функции нескольких переменных z = f(a,b,...) определяется из выражения
Здесь z - среднее значение результата косвенных измерений. Проведем расчет относительной погрешности экономии электроэнергии Є (ДЭ) для эндогенератора с электрическим обогревом реторты ЭН-60. Абсолютная экономия электроэнергии от оптимизации параметров:
При производстве восстановительного газа, используемого для прямого получения железа из обогащенной руды, для обеспечения высокого восстановительного потенциала в трубчатую печь подают смесь водяного пара и метана в соотношении 1:1. (при производстве водорода и аммиака это соотношение доводят до 2 : 1 и больше) [24,25].
Процесс паровой конверсии метана при отношении НгО :СН4 = 1:1 представляют в виде трех реакций (1.4; 1.5; 1.6). Скорость продуктов конверсии увеличивается с уменьшением концентрации метана и описывается зависимостью wj(l+2rm), где w0 = w (273 4- tnr) -—— а средняя расчете на пустое сечение реторты при нормальных условиях, м/с; PQ - атмосферное давление, Р - в реакторе.
В уравнения (1.4 - 1.6) входят пять химических элементов и соединений, концентрации которых по ходу реакций надо предварительно рассчитать. диоксид углерода по реакции (1.5) со скоростью 0,25 5 Кехр zj, который, соединяясь с водородом, по реакции (1.6) снова превращается в оксид углерода со скоростью S Щ гсо . На основании рассуждений составим уравнение материального баланса для оксида углерода.
Для проверки достоверности результатов моделирования были проведены эксперименты в кольцевой реторте промышленного эндотермического генератора ЭН-30 наружным диаметром 180 мм и внутренним диаметром 100 мм (ширина канала - 40 мм) с рекуператором, заполненной промышленным алюмоникелевым катализатором КСН-2. Теплота в зону реакции подводилась от электронагревателей снаружи и горячими продуктами конверсии изнутри. Температура по высоте была равномерна и равнялась 900 С. Средняя скорость продуктов w - 1,67 м/с. Температура в реакционной зоне замерялась Х-А термопарой, перемещаемой по высоте слоя катализатора в тонкостенной трубке, заваренной с нижнего торца. Расходы метана и водяного пара в эксперименте равнялась 6,15 м /ч и 4,94 кг/ч соответственно. Расход метана измерялся ротаметром, водяного пара - заранее протарированной дроссельной шайбой. Состав продуктов реакции по высоте определяли забором проб посредством газозаборных трубок с последующим анализом на хроматографе.
Объемную долю водяного пара в продуктах конверсии определяли через расходы водяного пара FHz0 , м3/ч, продуктов конверсии VnK, м3/ч, и концентрации гс 0 и гс 0г, замеренные на хроматографе в сухом газе. Затем концентрацию компонентов в сухом газе пересчитывали на влажный газ.
Сравнение расчетов с экспериментом показано на рисунке 3.1. Константа скорости прямой реакции водяного газа (1.5) К1 = 1,9ехр определена из [115] и при температуре 900 С равна 0,00684 м3/(с-м2). Константа равновесия Кр принята из [19] и составляет, при температуре 900С - 0,7295 (табл. 1.4). Поэтому К; = К}/Кр = = 0,00937 м3/(с-м2). Известны значения константы скорости К2 на частицах промышленного железохромового катализатора с удельной внешней поверхностью 327 м2/м3 [2] (см. 1.10.).
Удовлетворительное совпадение данных, рассчитанных по модели, с экспериментом дает основание использовать разработанный метод для оптимизации параметров процесса паровой конверсии метана в трубчатых печах при отношении Н20 : СН4 =1:1.
Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве водорода
qB,qn,qnr - теплота, вносимая в реактор воздухом, водяным паром и природным газом, кДж, в расчёте на 1 кг исходного метана; q},qs - потери теплоты с химическим недожогом и в окружающую среду, принятые 0,02 и 0,05 (2 и 5 %) соответственно. В верхнюю зону кипящего слоя вводится воздух для сгорания части получаемого продукта и обеспечения автотермичности процесса по реакции Н20 + СО + ЗН2 + 2(02 + 3,76N2) = С02 + 4Н20 + 7,52N2 (5.2) с тепловым эффектом qXi = 63056кДж на 1 кг исходного метана. При этом Яи = са- tB, Япг — пг міг tB, tn = 250С, tnr - температуры воздуха, водяного пара за КУ и природного газа (метана) на входе в реактор после теплообменников, С. tyx = 160, С; С = 258, С; t p = 738, С; = 400, С; tp = 554, С (получены из тепловых балансов теплообменных аппаратов тепловой схемы (рис. 5.1)).
Каждому значению t соответствует своя доля х в кипящем слое и соответственно состав продуктов конверсии, который определяется из следующих уравнений материального баланса (реакция (3.24) идёт с увеличением объёма продуктов в 1,66 раза).
Принципиальная технологическая схема производства водорода из природного газа 1- реактор с самообогревом для паровой конверсии метана в кипящем слое; 2 - реактор с кипящим слоем для конверсии оксида углерода водяным паром; 3 - абсорбер для разделения водорода и углекислого газа; 4 - десорбер; 5 - центрифуга для разделения водорода и углекислого газа; 6 - парогенератор утилизатор; 7 - подогреватель воздуха; 8 - экономайзер парогенератора (ЭКО); 9 - компрессор природного газа; 10 - питательный насос; 11 - воздушный компрессор; 12 и 13 - утилизатор абсорбера и подогреватель десорбера; 14 - теплообменник для отведения теплоты реакции и поддержания температуры в кипящем слое; 15 и 16 - насосы; 17 - компрессор водорода; 18 - баллоны для водорода; 19 - подогреватель природного газа; 20 -редуктор; 21 - зонтик [81]; 22 - охладитель. Для пузырей:
Диффузионными потоками массы в силу их незначительности пренебрегаем. Дисперсный никелевый катализатор циркулирует между двумя окислительными зонами (внизу и вверху) и восстановительной (в середине). Зависимость поверхности катализатора, м2/м3 , занятой восстановленным никелем, от текущей координаты - z описывается выражением (1.21) [4]. 50=103 м2/м3 - поверхность катализатора, занятая восстановленным никелем в восстановительной зоне; L - высота слоя, м\ z - текущая координата, м.
Параметры с индексом «1» относятся к конечным продуктам реакции (3.24). Интегрирование уравнений (5.3) и (5.4) при граничном условии (5.5) и возрастающей скорости продуктов конверсии (реакция протекает с увеличением объема в 1,66 раза) _ Vi WA _ і+2Гпг W T2V где wri- скорость подъема пузырей (см. 1.18), w f - минимальная скорость псевдоожижения (см. 1.13) дает следующий результат по высоте слоя в плотной фазе: rnr(z) 2,5ехр где /?х - коэффициент, учитывающий процессы, происходящие в пузырях (1.22). При z = L получаем концентрацию метана на выходе из плотной фазы
Расчеты показали, что продукты конверсии на выходе из плотной фазы имеют состав близкий равновесному (рис.5.2 и табл. 1.5). Поэтому в уравнение (5.8) вместо Гщ. можно с большой точностью подставлять r v (равновесная концентрация природного газа в продуктах реакции (см. табл. 1.5).
Концентрации водяного пара, окиси углерода и водорода находятся из уравнения материального баланса реакции (3.24): Задавая ряд значений температуры в слое - t, рассчитываем состав продуктов на выходе реактора, долю - х и произведение х(гн + гсо) . Результаты таких расчетов представлены на рис. 5.2, 5.3, 5.4.
С увеличением доли х от 0,6 до 0,72 температура в слое уменьшается от 1025 до 530 С, концентрации водорода и оксида углерода уменьшаются, метана и водяных паров увеличиваются, а теплота сгорания продукта растет от 9,5 до 10,5 МДж/м из-за возрастания концентрации метана.
Проведена оптимизация параметров реактора с кипящим слоем по выходу водорода и окиси углерода х{г +7с"0) от доли х . С увеличением доли х количество полезно отводимого продукта растёт, но с одновременным уменьшением температуры в слое. Концентрации водорода и окиси углерода уменьшаются, а произведение х{? 2 + г 0) проходит через максимальное значение 42,5 % при х = 0,63 (рис.5.4).
Зависимость произведения х(гн + гсо), коэффициента полезного действия конверсии г]к и экономии метана ДЬ от доли полезно отводимого продукта - х при оптимизации параметров. Диаметр частиц катализатора dp = 1 мм. Определяем химический коэффициент полезного действия конверсии, %, в зависимости от доли х по формуле г)к = рШп 100 = 0,837 %, где СрПГ V0 - количество м3 продуктов конверсии, образующихся из 1 м3 метана. Экономию метана при оптимизации параметров реактора рассчитывали по (2.12).
При переводе реактора с работы при х = 0,59 на работу при х = 0,63 экономия метана составит 6,8 % (рис. 5.4) из-за устранения перегрева продуктов [95,71].
Итак, получены оптимальные параметры реактора: х - 0,63, температура в кипящем слое 870С, рабочая скорость продуктов конверсии - 1,06 м/сна полное сечение реторты при указанной температуре, диаметр частиц катализатора 1 мм, L = 1м. При таких параметрах моделированием получены продукты на выходе из реактора следующего состава (%, объемн.): Пгг = 6,7rt = 28,5,fcL0 = 16,4, rk2 = 49,1.
Затем продукты, полученные в реакторе /, направляются в реактор 2 с кипящим слоем железохромового катализатора, где протекают реакции (3.25 - 3.26), без изменения объема продуктов. Поскольку реакция экзотермична, то для поддержания температуры в кипящем слое на уровне 400 С необходимо отводить избыточную тепловую мощность из реактора встроенным пучком - 14 (рис. 5.1).
Оптимизация параметров реактора с кипящим слоем катализатора для проведения реакции паровой конверсии оксида углерода
Принципиальная схема отделения углекислого газа от водорода показана на рисунке П4.1. Рабочим телом (абсорбентом) может быть вода, моноэтаноламин, горячий раствор поташа, раствор аммиака или гидроксид натрия. Смесь С02 и Н2 поступает в абсорбер 1 и поднимается вверх навстречу абсорбенту. Абсорбент подается в верхнюю часть абсорбера. Абсорберы подразделяют на насадочные (с кольцами Рашига) и безнасадочные. Абсорбент охлаждается в охладителе 4. Концентрация в нем С02 минимальна. Абсорбент поглощает С02, водород выходит из абсорбера. Абсорбент, насыщенный СОг поступает в утилизатор теплоты 3, частично нагревается за счет теплоты горячего абсорбента, вытекающего из десорбера. Затем абсорбент нагревается водяным паром до температуры кипения в подогревателе 5 и поступает в десорбер 2, где из абсорбента происходит выделение СОг и удаление его из десорбера. Процесс протекает непрерывно.
Метод расчета [35] насадочного абсорбера с керамическими кольцами Рашига с порозностью = 0,78, а = 140 м2/м3 для абсорбции смеси С02 + 4Н2 водой при температуре 20 С и давлении Р = 765 мм.рт. ст. Начальная концентрация С02 в водороде у„ = 1/(1+4) = 0,2 кмольСо2/кмольсм, конечная концентрация С02 в водороде ук - 0,02 кмольСо2 / кмольсм (задается). Массовый расход газовой смеси задается GH = 0,00939 кг/с производительность одного модуля каталитического реактора.
Начальная концентрация С02 в абсорбенте (воде) на входе в абсорбер из десорберах,, = 0. Фж - коэффициент смачиваемости насадки из колец Рашига, Фж =0,513; Дж - коэффициент диффузии С02 в абсорбент (воду), Дж = 1,71 Ю-9; 5ЖД - динамическая задержка жидкости в абсорбере где CO2 J"H2 - молекулярные массы углекислого газа и водорода, 44 и 2; RQ - универсальная газовая постоянная, R0 = 8314 Дж/(кг моль К);
О принятии к внедрению результатов работы Финк А.В. «Разработка метода оптимизации рабочих параметров промышленных установок для конверсии метана»
На ОАО «НІЖ «Уралвагонзавод» используются эндотермические генераторы с газовым и электрическим обогревом реторты для производства защитной атмосферы используемой в проходных нагревательных печах одного из цехов предприятия. При эксплуатации таких установок необходимо четко соблюдать режимы их работы, чтобы исключить получения некачественной атмосферы и перерасхода топлива и энергии на ее получение.
В связи с постоянно растущими ценами на органическое топливо, увеличивается потребность в технике и технологиях, позволяющих снизить его расход и одновременно улучшить основные технико-экономические показатели производства. Одним из перспективных и быстрореализуемых способов улучшения технологии получения защитных атмосфер, без замены основного оборудования является проведение оптимизации его работы с целью экономии топлива.
Финк Анатолием Викторовичем проведены исследования режимов работы эндотермических генераторов ЭН-60, ЭН-60Г и ЭН-250, ЭН-250Г, установленных в одном из цехов предприятия. В процессе выполнения исследований определено, что вышеуказанные генераторы имеют значительные резервы экономии топлива, заключенные в сокращении расходов природного газа и электроэнергии на обогрев реторты. При этом производительность эндогенераторов сохраняется.
В ходе выполнения работы важным результатом явилось то, что определены факторы, влияющие на повышение энергетической эффективности работы эндогенераторов, кроме того предложены варианты модернизации эндотермических генераторов с целью экономии топлива.
Выполненные Финк Анатолием Викторовичем исследования работы эндотермических генераторов приняты к внедрению на ОАО НГЖ «Уралвагонзавод» и сулят экономию природного газа на уровне 6-30 %, что приведет к снижению доли энергозатрат в себестоимости продукции цеха и снижению цены изделий предприятия.
Директор технологического инста об использовании результатов работы Финк А.В. «Разработка метода оптимизации рабочих параметров промышленных установок для конверсии метана»
ОАО «ИЦЭУ» предприятие УралОРГРЭС имеет большой опыт наладочных работ эндотермических генераторов, промышленных печей и установок с кипящим слоем различных конструкций. Использование квалифицированных методик при производстве таких работ является залогом стабильного функционирования установок в процессе эксплуатации.
Цены на топливо постоянно растут, поэтому снижение его расхода, при производстве защитных атмосфер является актуальной задачей, решение которой заключается не столько во внедрении современной техники, сколько в разработке методов, позволяющих улучшить существующие технологии их производства.
Именно такие методы и предложены Финк А.В. как наиболее быстрореализуемые способы улучшения технологии получения защитных атмосфер, без замены основного оборудования.
Важным результатом работы является определение факторов, влияющих на повышение энергетической эффективности работы эндогенераторов, приоритетность получения водорода паровой конверсией метана в сравнении с другими способами, эффективность применения газовых центрифуг для разделения С02 и Нг в сравнении с абсорбционными установками, кроме того диссертантом предложены варианты модернизации действующих эндотермических генераторов с целью экономии топлива.
Проведенные диссертантом исследования режимов работы эндотермических генераторов ЭН-60, ЭН-60Г и ЭН-250, ЭН-250Г определяют значительные резервы экономии топлива от сокращения расходов электроэнергии и природного газа на обогрев реторты, при сохранении их производительности.
Разработанные Финк Анатолием Викторовичем методы оптимизации параметров работы, эндотермических генераторов, как с газовым, так и электрическим обогревом реторты, методики оптимизации параметров трубчатых печей для производства водорода и восстановительного газа приняты к внедрению для использования специалистами предприятия «УралОРГРЭС» в энергетических обследованиях энергообъектов промышленных предприятий и наладочных работах на оборудовании данного типа.
