Разработка метода оптимизации рабочих параметров установок для конверсии метана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат наук Финк, Анатолий Викторович

• Финк, Анатолий Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Финк, Анатолий Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.0Б30Р ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 .Эндотермические генераторы и трубчатые печи

1.1.1.Эндотермические генераторы с электрическим обогревом

1.1.2.Эндотермические генераторы с газовым обогревом

1.1.3. Трубчатые печи

1.2. Кинетические закономерности процесса воздушной и паровой конверсии природного газа и оксида углерода

1.2.1. Паровая конверсия метана

1.2.2. Паровая конверсия оксида углерода (реакция водяного газа)

1.3. Равновесные концентрации продуктов паровой и воздушной конверсии природного газа (метана) и оксида углерода водяным

паром

1.4. Гидродинамика кипящего слоя. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем

1.4.1. Гидродинамика кипящего слоя

1.4.2. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем

1.5. Окисление и восстановление дисперсного алюмоникелевого катализатора в кипящем слое реактора

1.6. Кинетические закономерности при гетерогенных химических процессах на поверхности дисперсного катализатора в кипящем

слое

1.7. Альтернативные способы подвода теплоты в реакционный объем каталитических промышленных аппаратов

1.7.1. Реакторы с вторичным сжиганием части продукта

1.7.2. Реакторы с циркулирующим дисперсным теплоносителем

1.8. Разделение газовых смесей в абсорберах и центрифугах

1.8.1. Разделение газовых смесей в абсорберах

1.8.2. Разделение газовых смесей в центрифугах

Задачи исследования

ГЛАВА 2.0ПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ

ГЕНЕРАТОРОВ С ЦЕЛЬЮ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА

2.1. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с

газовым обогревом

2.2. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с электрическим обогревом

2.3. Погрешность экспериментальной методики

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ С

ЦЕЛЬЮ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА

3.1. Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве восстановительного газа

3.2. Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве водорода

ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЯДА

СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ АППАРАТОВ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА

5.1 Оптимизация параметров работы реактора с кипящим слоем дисперсного катализатора и частичным дожиганием продуктов конверсии метана

5.2. Оптимизация параметров реактора с кипящим слоем катализатора

для проведения реакции паровой конверсии оксида углерода

ГЛАВА 6. РАЗДЕЛЕНИЕ С02 и Н2

6.1. Отделение СОг от продуктов конверсии в абсорбере

6.2. Отделение С02 от продуктов конверсии в центрифуге

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложение 1. Расчет полупромышленной установки с кипящим

слоем для производства водорода. Расчет параметров среды в

эндотермическом реакторе при оптимальных параметрах

Приложение 2. Расчет геометрических размеров эндотермического реактора и определение расходов метана, водяного пара, воздуха и

продуктов конверсии

Приложение 3. Расчет параметров среды в экзотермическом реакторе

и определение его геометрических размеров

Приложение 4. Отделение углекислого газа от водорода в

абсорбционной установке

Приложение 5. Отделение углекислого газа от водорода в

центрифуге

Приложение 6. Расчет экономической эффективности от оптимизации работы эндогенераторов

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Индексы:

пк - продукты конверсии; пг - природный газ, метан; пс - продукты сгорания.

а - удельная поверхность насадки в абсорбере (кольца Рашига), м2/м3; с пк, сПс, сиг, св - удельные теплоемкости продуктов конверсии, сгорания, природного газа (метана) и воздуха, кДж/(кг-К); В~- коэффициент диффузии СОг в Н2, м2/с; ¿/-диаметр центрифуги, м;

- диаметр частицы катализатора, м; ^пк ~ производительность реактора на полное сечение, кг/с; к - высота центрифуги, м; ^ - коэффициенттеплопередачи, кВт/ (м -К);

Кл - константа скорости взаимодействия метана с водяным паром, С02 или их смесью на алюмоникелевом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;

К2 - константа скорости прямой реакции конверсии СО водяным паром на железохромовом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;

Л"3 - константа скорости обратной реакции конверсии СО водяным паром, м3/(с-м2), на железохромовом катализаторе, при реальных параметрах, при реальных параметрах;

К2 и К3 - константа скорости прямой и обратной реакции конверсии СО водяным паром на алюмоникелевом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;

(-Кьс)ь - коэффициент газообмена пузыря с частицами в облаке и шлейфе,

1/с;

Ку - коэффициент массопередачи от углекислого газа к абсорбенту, м/с;

Ь - высота слоя, м;

п - частота вращения центрифуги, 1/с; Р - абсолютное среднее давление смеси в центрифуге, Па; Р0- парциальное давление Н2 на оси, Па; Р0* _ атмосферное давление, Па;

Рт- парциальное давление Н2 на стенке центрифуги, Па; фр - теплота сгорания метана, кДж/м3;

~ теплота сгорания продуктов конверсии, кДж/м3; Чх!> Чх2> Ях3 - теплота химических реакций, кДж/кг;

и <75 - потери теплоты с химическим недожогом и в окружающую

среду;

<?в, <7„, дпг - теплоты, вносимые в реактор воздухом, водяным паром и природным газом в расчете на 1 кг исходного метана, кДж/кг; Я - газовая постоянная, Дж/(кг-моль-К); До - универсальная газовая постоянная, 8314, Дж/(кг-моль-К); гп°г и Тпг _ концентрация метана на входе в реактор и на выходе из него,

м3/м3;

гт, т"со2>гсО' 7Ьг. гсо2' гсо ~ концентрация СН4, С02, СО - текущие и равновесные, м3/м3;

о о

г0 - средняя концентрация Н2 на оси центрифуги, м /м ;

о О

гг - средняя концентрация Н2 на стенке центрифуги, м /м ;

2

$ - удельная поверхность частиц катализатора в объеме реактора, м /м ; 5о - удельная поверхность катализатора, занятая восстановленным никелем, м2/м3;

5* - площадь сечения обечайки абсорбера, м2; Т- температура, К; У-расход, м3/с;

д - количество, м3, продуктов конверсии, образующихся из 1 м3 метана;

у* - объемный расход продуктов реакции (смесь Н2 и С02) в абсорбер,

м3/с;

V** - объемная производительность центрифуги по исходной смеси, м3/с; и>Ьг1- скорость пузырей в реакторе 1, м/с; и>Ьг2 - скорость пузырей в реакторе 2, м/с;

- минимальная скорость псевдоожижения кипящего слоя катализатора при реальных параметрах в реакторе, м/с;

минимальная скорость псевдоожижения частиц железохромового катализатора диаметром 0,5 мм в реакторе - 2, м/с;

шПК1- скорость продуктов конверсии на полное сечение реактора 1, м/с, или рабочая скорость, принимается в два раза больше минимальной по конечным продуктам при реальных условиях;

шПКг - скорость продуктов реакции на полное сечение реактора 2, принимается в два раза больше м/с;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

Хк - конечная концентрация С02 в абсорбенте на выходе из абсорбера,

кг/м3;

Хи - начальная концентрация С02 в абсорбенте на входе в абсорбер из

л

десорбера, кг/м ;

о

Ук - конечная концентрация С02 в смеси на выходе из абсорбера, кг/м ; Ун - начальная концентрация С02 в смеси на входе в абсорбер, кг/м ; г - координата, отсчитываемая от нижней границы кипящего слоя, м; Д 1,2,3 - коэффициент массообмена между газом в пузыре с частицами в облаке, шлейфе и плотной фазе;

ус - доля частиц в облаке и шлейфе от объема пузырей в слое; &£г - избыточная порозность кипящего слоя для прохода пузырей в реакторе 1;

Де2 - избыточная порозность для прохода пузырей в реакторе 2; - средняя логарифмическая разность температур, °С;

ДУср- движущая сила массопередачи от С02 в смеси к абсорбенту (воде); ДР- избыточное давление, создаваемое центрифугой (разность давлений на стенке и у оси) (кПа);

£ПК1,£ГП51 - порозности кипящего слоя при рабочей и минимальной скоростях псевдоожижения в реакторе 1; т - время, с;

г] - коэффициент полезного действия центрифуги;

г|пр - КПД привода центрифуги (относительные единицы);

г|°пт - КПД конверсии метана при оптимальном значении

+ гсо)>

М^со2» М^н2 " молекулярные массы С02 и Н2, 44 и 2, г/моль, соответственно;

рпк - плотность продуктов конверсии, кг/м3;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода оптимизации рабочих параметров установок для конверсии метана»

ВВЕДЕНИЕ

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:

- разработать метод 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 : 1 и 2 : 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:

1. 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.

2. 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 железохромового катализатора 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:

1. О разработанном методе оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора, основанном на системе, состоящей из уравнений кинетики и теплового баланса;

2.0 моделировании термохимических процессов в аппаратах, для конверсии метана, с псевдоожиженным слоем алюмоникелевого дисперсного катализатора;

3. Об энергетической эффективности получения водорода паровой конверсией метана в сравнении с другими способами;

4. 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:

1. Региональной научно-технической конференции «Наука-образование-производство: опыт и перспективы развития. Энерго - и ресурсосбережение» (9 февраля 2007 года, г. Нижний Тагил).

2. 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 15 печатных работах [71 - 80, 95 - 98, 114]. Из них 11 статей изданы в журналах рецензируемых ВАК [71,72,73,77 - 80,95,96,98,114]. Получен 1 патент РФ на изобретение [81].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, включающего 115 наименований. Она содержит 146 страниц, 24 рисунка и 18 таблиц по тексту.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эндотермические генераторы и трубчатые печи

Трубчатые печи и эндотермические генераторы широко используются для получения технологических атмосфер. В промышленности такие атмосферы используют в качестве безокислительной, восстановительной или науглераживающей среды в промышленных печах.

Основным процессом проходящим в вышеуказанных аппаратах является конверсия метана (природного газа), которая может быть воздушной, паровой, парокислородной, паровоздушной или углекислотной.

Как трубчатые печи, так и эндотермические генераторы, для обеспечения своей работы могут оснащаться электрическими или газовыми обогревателями реторты.

1.1.1. Эндотермические генераторы с электрическим обогревом

Эндотермические генераторы с электрическим обогревом используют для получения защитной среды с высоким содержанием Н2 и СО, проводя воздушную конверсию метана (природного газа) с коэффициентом расхода воздуха 0,25 (рис. 1.1) [1,2,28,39,].

С целью уменьшения неравномерности температуры в слое катализатора предусмотрено использование теплоты эндогаза в реакционном объеме (эндогенераторы с рекуперацией теплоты); применяют кольцевые реторты с размещением в центре реторты электронагревателей; используют в нижней части реторты малоактивный никелевый катализатор [1,2].

Рис. 1.1 Принципиальная схема эндотермического генератора с электрическим обогревом реторты:

1 - реторта с катализатором; 2 - электрообогреватели; 3 - тепловая электрическая станция; 4 -охладитель продуктов конверсии; 5 - ротаметр расхода метана; 6 - ротаметр расхода воздуха; 7 - ротаметр расхода продуктов конверсии; 8 - отбор продуктов конверсии на анализ; 9 - датчик контроля температуры продуктов конверсии; 10 - датчик контроля температуры воздуха; 11 - датчик контроля температуры метана (природного газа); I - ввод метана (природного газа); II - ввод воздуха; III - вывод продуктов конверсии; IV - охлаждающая вода; В - расход топлива; х - доля топлива, идущего в реторту; (1-х) - на тепловую электрическую станцию; ^ ; ¿пг ; спк - температуры воздуха, природного газа на входе в эндогенератор и продуктов конверсии на выходе;

- ваттметр; ^ - ротаметр; н- термометр сопротивления (термопара).

В эндотермическом генераторе протекают две реакции: первая и стремительная - с экзотермическим эффектом (= 12500 кДж на 1 кг поданного метана):

СН4 + 0,5(02 + 3,76К2) = 0,75СН4 + 0,25С02 + 0,5Н20 + 1,881*2 (1.1)

с образованием С02 и Н20 и вторая - медленная, протекающая на алюмоникелевом катализаторе, с эндотермическим эффектом

{цХг = 10412 кДж на 1 кг поданного метана):

0,75СН4 + 0,25 С02 + 0,5Н20 + 1 ,881Ч2 = СО + 2Н2 + 1,88К2 (1.2)

с образованием СО и Н2.

Суммарный экзотермический эффект реакций (1.1) и (1.2) равен Чхг ~ Ях2 - 12500 — 10412 = 2088 кДж на 1 кг поданного в реакцию (1.1) метана.

Продукты, на выходе из реторты, промышленного эндогенератора ЭН-60 с рекуперацией теплоты содержат (%, объемн.): СН4 - 0,32; Н20 - 0,23; Н2 - 40,3; СО - 20,15; С02 - 0,17; N2 - 38,83.

Температурное поле в объеме эндотермического генератора показано на рисунке 1.2 [39,43,47].

Мощность электронагревателей и понижающих трансформаторов (согласно техническим характеристикам установок [1]) равна 37 и 45 кВт для ЭН-60 и ЭН-125, а удельный расход электроэнергии составляет 37/60 = 0,61 и 45/125 = 0,36 кВт-ч/м3продуктов конверсии соответственно. Здесь 60 и 125 -максимальная производительность эндотрмических генераторов ЭН-60 и ЭН-125 соответственно, м3/ч.

Сс

Рис. 1.2. Распределение температуры в реакционном объеме эндотермического генератора ОКБ-724А (ЭН-30). Производительность 25 м3/ч, а = 0,25

1.1.2. Эндотермические генераторы с газовым обогревом

Аналогично эндотермическим генераторам с электрическим обогревом реторты, эндогенераторы с газовым обогревом реторты используют для получения контролируемых атмосфер с высоким содержанием водорода и оксида углерода, также осуществляя воздушную конверсию метана с коэффициентом расхода воздуха 0,25 (рис. 1.3) [1,2, 48].

На выходе из реторты эндогенератора ЭН-60Г атмосфера содержит (%, объемн.)- СН4 - 0,32; Н20 - 0,23; Н2 - 40,3; СО - 20,15; С02 - 0,17; N2 - 38,83. Такую атмосферу используют в качестве защитной или восстановительной в промышленных печах.

с газовым обогревом: 1 - реторта с катализатором; 2 - камера сгорания; 3 - газовые горелки; 4 - трубчатый пальчиковый рекуператор двойной циркуляции; 5 - охладитель; 6 - рекуператор; 7 -ротаметр расхода продуктов конверсии; 8 - ротаметр расхода общего воздуха; 9 - ротаметр расхода воздуха на конверсию; 10 -ротаметр расхода метана на конверсию; 11 - ротаметр расхода метана на обогрев реторты; 12 - ротаметр расхода воздуха на обогрев реторты; 13 - отбор продуктов конверсии на анализ; 14 - отбор продуктов сгорания на анализ; 15 - датчик контроля температуры продуктов конверсии; 16 - датчик контроля температуры отходящих дымовых газов на выходе из камеры сгорания; 17 - датчик контроля температуры стенки установки; 18-датчик контроля температуры стенки реторты; 19 - датчик контроля температуры воздуха до подогревателя; 20 - датчик контроля температуры воздуха после подогревателя;

21 - датчик контроля температуры отходящих дымовых газов после подогревателя;

22 - датчик контроля температуры метана (природного газа); I - вход природного газа; II - вход воздуха; III - выход продуктов конверсии; /У-выход продуктов сгорания в дымовую трубу; У-подача к горелкам газовоздушной смеси; ^; ; £Пк " температуры воздуха, природного газа на входе и продуктов конверсии на выходе; х - доля природного газа, поступающего на конверсию; (1 - х) - на обогрев

реторты; Ф - ротаметр; I— термометр сопротивления (термопара).

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 И 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 + 3,76Ы2) = С02 + 2Н20 + 7,521Ч2 (1.3)

с экзотермическим эффектом qXí = 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.

1.1.3. Трубчатые печи

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 + С0)/(С02 + Н20) должен быть не менее 10, температура около 1000 °С. Отношение Н20 : СН4 на входе в печь -1:1.

Рис. 1.4 Принципиальная схема трубчатой печи: 1 - камера сгорания; 2 - реторта с катализатором; 3 - паровой котел-утилизатор; 4 - питательный насос; 5 - воздухоподогреватель; 6 - воздуходувка; 7 - подогреватель метана; 8 - газовый компрессор; 9 - дымовая труба; I - ввод метана (природного газа); II - ввод воздуха; III - вход питательной воды; /У-выход продуктов конверсии; У-выход продуктов сгорания; £пк- температуры

воздуха, питательной воды, природного газа на входе в печь и продуктов конверсии; х - доля метана, подаваемого на конверсию; (1 - х) - доля метана, подаваемого на

сгорание

Реакция конверсии метана водяным паром

протекает через образование углекислого газа из СО и Н20 по прямой реакции водяного газа

и одновременное его реагирование с Н2 по обратной реакции водяного газа [19]

СН4 + Н20 СО + ЗН2

(1.4)

ЗН2 + СО + Н20 ^ С02 + 4Н2

(1.5)

к*

С02 + 4Н24с0 + Н20 +ЗН2

(1.6)

с суммарным эндотермическим тепловым эффектом qX2 = 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 = 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].

130012001100-

Z.M

Рис. 1.5 Распределение температур по высоте трубчатой печи «ICI» 1 - температура в слое катализатора; 2 - температура реторты; 3 - температура

дымовых газов в топочной камере.

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].

1.2. Кинетические закономерности процесса воздушной и паровой конверсии природного газа и оксида углерода

1.2.1. Паровая конверсия метана

О л

Константа скорости взаимодействия метана с Н20 К\, м /(с-м ), реакции (1.4) на кусковом алюмоникилевом катализаторе рассчитывается по формуле [5]:

*1 = 87f5«p(-^).

(1.7)

Конверсия метана водяным паром протекает по первому порядку по метану во всей исследованной области температур 700 - 900 °С[49,66]

= , (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 ^з С02 + н2

Результирующая скорость описывается уравнением [2]

W^ = -K2-S-rco (Ж)0'5 ■ £ + S ■ К3' гСОг ■ Е. (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 м2/м3, описывается уравнением, м3/(с-м2):

К2 = 40 - ехр (1.10)

3 2

Константа скорости обратной реакции, м /(с-м ):

(1.11)

Кр

где Кр - константа равновесия реакции водяного газа, значение которой при разных температурах приведены в [19] и табл. 1.4.

1.3. Равновесные концентрации продуктов воздушной и паровой конверсии природного газа (метана) и оксида углерода водяным паром

Равновесный состав газовой смеси, в зависимости от температуры при воздушной конверсии метана (а = 0,25) [27] приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Равновесный состав газовой смеси, в зависимости от температуры при

воздушной конверсии метана (а = 0,25)

Компоненты газа Равновесный состав газа (%) п ри температуре, °С

600 700 800 900 1000

н2 31 36 38,85 40 41

СО 6 16 19,5 20,5 21

СН4 4,4 2,0 0,75 0,3 0,1

С02 4,6 2,0 0,4 0,1 0,01

н2о 9 3 1,0 0,3 0,03

N2 45 41 39,5 38,8 37,86

Равновесный состав продуктов паровой конверсии метана при Н20 : СН4= = 1 : 1 и давлении 0,1 МПа [19, 24, 25] приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Равновесный состав продуктов паровой конверсии метана при

Н2Р : СН4 = 1:1 и давлении ОД МПа

Компоненты газа Равновесный состав газа (%) при температуре, °С

500 600 700 800 900 1000

н2 34,1 52,2 65,7 71,8 73,8 74,6

СО 2,0 9,4 18,7 23 24,4 24,7

СН4 32 19,2 7,8 2,5 0,9 0,2

со2 7,0 6,0 2,4 0,7 0,2 0,1

н2о 27,9 13,2 5,4 2,0 0,7 0,4

Равновесный состав продуктов паровой конверсии метана при температуре 800 °С, давлении ОД МПа в зависимости от соотношения Н20 : СН4 [19, 25], приведен в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Равновесный состав продуктов паровой конверсии метана при температуре 800 °С, давлении ОД МПа

в зависимости от соотношения Н20 : СН4

Компоненты газа Равновесный состав продуктов конверсии (%) при отношении Н20 : СН4

1Д 1,3 1,5 2,0

н2 73,27 70,96 68,61 65,59

СО 23,70 21,87 20,17 16,5

СН4 0,29 0,09 0,05 0,01

со2 0,54 1,33 2,03 4,0

Н20 2,20 5,75 9,14 13,9

Равновесный состав продуктов паровой конверсии оксида углерода (Н20 + СО + ЗН2 ^ С02 + 4Н2) в зависимости от температуры[19] приведен в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Зависимость равновесного состава продуктов реакции

СО + Н20 + ЗН2^С02 + 4Н2 от температуры

и °С ГС0,% ГНгО>% ГС02>% гН2,%

227 126 3,2 3,2 16,8 76,8

327 27 8,08 8,08 11,92 71,92

427 9 9,21 9,21 10,79 70,79

527 4 11,81 11,81 8,19 68,19

627 2,2 13,71 13,71 6,29 66,29

727 1,4 15,09 15,09 4,9 64,92

827 0,95 16,13 16,13 3,87 63,87

927 0,7 16,85 16,85 3,15 63,15

1227 0,37 18,05 18,05 1,95 61,95

Таблица 1.5

Зависимость равновесного состава продуктов паровой конверсии метана (Н20:СН4 = 2:1) от температуры [24]

Состав, % Температура, °С

427 527 627 727 827 927

со2 7,98 9,22 7,69 5,25 4,0 3,25

СО 0,206 2,77 9,43 14,8 16,5 17,36

Н2 32,294 45,55 59,35 65,17 65,614 66

СН4 28,36 17,46 6,29 0,95 0,086 0,0095

н2о 31,16 25 17,24 13,83 13,8 13,3805

1.4. Гидродинамика кипящего слоя. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем

1.4.1. Гидродинамика кипящего слоя

Определение критерия Архимеда выполняется по уравнению [6, 66, 68]:

Аг = (1.12)

где рг - плотность частиц катализатора;

р*к - плотность продуктов конверсии, кг/м3;

<¿г- диаметр частиц катализатора, м;

Упк - кинематическая вязкость продуктов конверсии, м2/с;

д — ускорение свободного падения, 9,81, м/с2.

Расчет минимальной скорости псевдоожижения [6, 66], м/с, на пустое сечение реактора при реальных параметрах:

* __У-Аг_

™тГ ~ (1400+5,22^ }

Порозность кипящего слоя катализатора при и^ [6]:

Аг

0,21

(1.14)

Расчет скорости витания частиц катализатора, м/с, ведется по формуле [6]

Ут-Аг

^вит - (18+о,б1л/1?>сгг'

(1-15)

Рабочая скорость, м/с, продуктов конверсии м/,*к(и/р*) в расчете на пустое сечение реактора [6, 66], при реальных параметрах:

<ит > <к > И^;

(1-16)

Порозность кипящего слоя при рабочей скорости [6]:

=

Аг

0,21

(1.17)

Скорость подъема пузырей [15]:

^Ьг

(1.18)

1.4.2.Теплообмен поверхностей с кипящим слоем

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К), от кипящего слоя к поверхности

трубного пучка 0 10 — 60 мм атах определяется по формуле [28, 69, 70] «шах = ^(0,85ЛгОД9 + 0,006Лг°'5 • Рг0'33) + 7,3сг0 • £г • £ст • Гст (1.19)

"г

Оптимальную (по теплообмену) скорость псевдоожижения подсчитывают по формуле [6]

^ = Упк-Аг ^ 20)

(18+5,22 лДг)йг

где с1г - диаметр частиц в слое, м;

(Т0 - постоянная Больцмана;

£г, £ст - степень черноты частиц и стенки пучка;

Тст - температура стенки, К;

Рг - критерий Прандтля;

Япк - теплопроводность продуктов конверсии, Вт/(м-К);

Упк - кинематическая вязкость продуктов конверсии, м2/с.

1.5. Окисление и восстановление дисперсного алюмоникелевого катализатора в кипящем слое реактора

В [4] рассматривается случай, когда дисперсный алюмоникелевый катализатор циркулирует между двумя окислительными зонами (внизу и вверху) и восстановительной (в середине). В окислительных зонах никель окисляется, в восстановительной зоне - восстанавливается.

Авторами предложено описывать зависимость поверхности катализатора, м2/м3, занятой восстановленным никелем от текущей координаты выражением

^тЧ1-!)-2 (1.21)

где Б0 - поверхность катализатора, занятая восстановленным никелем в

восстановительной зоне, м2/м3; ъ - координата, м; Ь - высота кипящего слоя, м.

1.6. Кинетические закономерности при гетерогенных химических процессах на поверхности дисперсного катализатора в кипящем слое

Кунии - Левеншпиль [16] разработали метод пересчета константы скорости для плотного слоя катализатора К на условия кипящего слоя

(эффективная константа скорости):

(ТС •£)•/?,

здесь К - константа скорости гетерогенной реакции для плотного слоя

о л

каталитической насадки, м /(с-м ); 5 - удельная поверхность частиц катализатора, м2/м3.

Коэффициент:

/?= , 1 а--- (1-22)

(Къс)ь Ус+—57Г-Г

где (А'ьсЗь " коэффициент газообмена между газом в пузыре и частицами в облаке и шлейфе, он определяет конвективную и диффузионную составляющие в обмене газа, находящегося в пузыре с частицами катализатора в его облаке и шлейфе, 1/с

(Къс)ъ = 4,5^+ 5,87^^ (1.23)

(^се)ь ~ коэффициент, определяющий диффузионную составляющую обмена газа, находящегося в облаке и шлейфе пузыря и частицами катализатора, находящимися в плотной фазе, 1/с

(^се)ь = 5,87(^ь£)1/2 (1.24)

ус - определяет отношение объема частиц катализатора, находящихся в облаке и шлейфе пузыря, к объему пузырей в слое.

Ус = (1 - £тг)

3и/тГ + 0,05 [ (1.25)

Ы-ьг-Й

уе - определяет отношение объема частиц катализатора, находящихся в плотной фазе к объему пузырей в кипящем слое

Уе = (1 - + 0,01). (1.26)

Скорость подъема пузыря, м/с

_ Ор-М/тг)(1-£тГ) п

^Ьг —-г—р->

где - порозность кипящего слоя при рабочей скорости и

минимальной скорости псевдоожижения [6]. Диаметр пузыря [29], см

йъ = 0,853[1 + 0,272(шр - wmf)]1/з • (1 + 0,0684 • И)1'21. (1.28) Здесь Ь - высота кипящего слоя, см;

Б - коэффициент молекулярной диффузии газа, см /с;

-л

g - ускорение свободного падения, 980 см/с ;

1Ур, и>тГ - см/с.

1.7. Альтернативные способы подвода теплоты в реакционный объем каталитических промышленных аппаратов

1.7.1. Реакторы с вторичным сжиганием части продукта

Восстановительные газы получают в крупнотоннажных реакторах шахтного типа, производя конверсию природного газа водяным паром и добавляя кислород к исходной смеси, который расходуется на полное сжигание определенной части метана, что позволяет осуществлять процесс автотермично, без подвода тепла извне [24].

Однако добавление кислорода к исходной смеси не только приводит к удорожанию получаемой атмосферы, но и ухудшается её состав продуктами полного сгорания метана, что требует для ряда технологических процессов очистки газа от С02 и Н20 дорогостоящими способами. Добавление к исходной смеси СН4 : Н20 = 1:1 кислорода в количестве 0,6 объема на один объем исходного СН4, как требуют условия теплового баланса автотермического процесса для поддержания в реакционном объеме температуры 1000 °С, изменяет состав в худшую сторону (табл. 1.6). Восстановительный потенциал атмосферы уменьшается более чем в 20 раз [83,84].

Большое количество окисляющих компонентов С02 + Н20 > 10 % в горючем восстановительном газе не позволяет использовать его для прямого восстановления железорудных окатышей[83,84].

Таблица 1.6

Состав равновесной газовой смеси при паровой и парокислородной конверсии метана при 827 °С и атмосферном давлении [25, 83, 84].

Состав исходной смеси Состав влажного конвертированного газа, об. % Восстановительный потенциал

н2 СО С02 н2о СН4

СН4: Н20 =1:1 72,56 23,58 0,45 1,47 1,94 50

СН4 : Н20 : 02 = 1 : 1 : 0,6 52,21 17,69 7,29 22,77 0,04 2,32

Как показали опыты, проведенные на промышленном эндогенераторе ОКБ-724 А (рис. 1.6), применение химически инертного мелкодисперсного материала, ожиженного в межкусковых объемах каталитической насадки в шахтных реакторах в сочетании с локальным сжиганием части полученного восстановительного газа в кипящем слое в условиях, исключающих смешивание продуктов полного сгорания с получаемой восстановительной атмосферой, позволяет отказаться от кислородного дутья, повысить качество и уменьшить стоимость восстановительной атмосферы [83,84].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Финк, Анатолий Викторович, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Маергойз И. И. Установки для приготовления контролируемых атмосфер / И. И. Маергойз - М.: ВНИИЭМ, 1964. - 42 с.

2. Эстрин Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали) / Б. М. Эстрин. - 2-е изд., - М.: Металлургия, 1973. - 322 с.

3. A.C. 992079 СССР, МКИ с 2/dl/74. Генератор эндотермических атмосфер / A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, (СССР)// Открытия. Изобретения. 1983 г, № 4.

4. Боковиков Б.А., Жуков Ю.С., Коршунова Н.Г. Перспективы производства водорода в процессе производства железорудных окатышей / Б.А. Боковиков и др. // Сталь - М., 1995. - Выпуск 4, - с. 76-78.

5. Бодров И.М. Кинетика реакции метана с водяным паром, катализируемой никелем на пористом носителе / И. М. Бодров и др. // Кинетика и катализ. - М., 1967. - Т. 8. - № 4. - с. 821-828.

6. Тодес О. М. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы / О. М. Тодес, О. Б. Цитович - Л. : Химия, 1971.-296 с.

7. Фальбе Ю. Химические вещества из угля. Пер с нем./ Под ред. И.В. Калечица - М.: Химия, 1980. - 616 е., ил.

8. Процессы тепло-и массопереноса в кипящем слое / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, А. Ф. Рыжков, Н. Ф. Филиповский. -М. :Металлургия, 1978. -с. 95. - 175 с.

9. Иоффе В. Б. Основы производства водорода / В. Б. Иоффе // Гостехиздат. - Л., 1960. - 427 с.

10. Якименко М. М. Электролиз воды / М. М. Якименко, И. Д. Мотылевская, 3. Я. Ткачек. - М.: Химия, 1970. - 318 с.

11. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А. Г. Касаткин - М.: Химия, 1973. - 752 с.

12. Алексеев Ю.И., Дубинин A.M. Оптимизация режимов работы и параметров аппаратов для производства технологических атмосфер из природного газа и твердого топлива; Федер. Агентство по образованию, ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Нижнетагил. Технол. Ин-т (фил.). - Нижний Тагил : НТИ(ф) УГТУ-УПИ, 2009.-216 с.

13. Обогащение урана/ Под ред. С.Виллани: Пер. с англ. под ред. И.К. Кикоина. -М.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 е., ил.

14. Дубинин A.M. Получение водорода из природного газа / Дубинин A.M., Кагарманов Г.Р., Финк A.B. // Промышленная энергетика. - М.: НТФ Энергопресс, 2007. - №5 - С. 32-37.

15. Kehoc P.W. and Davidson J.F. Pressure fluctuations in slugging fluidized beds. A.I.Ch.E.Sump.Sep.,1973y. Vol.69,№ 128, p.p. 34-40.

16. Д. Кунии, О. Левеншпиль, Промышленное псевдоожижение. - Пер. с англ. - М.: Химия, 1976. - 448 е., ил.

17. Крейт Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блейк. - М.: Мир, 1983.512 с.

18. Rose Frits. Errergurgvor Reduktions gasen in modornen Gasreduktions verfauren «Stehl und Eisen», № 22, стр 1012 - 1017, 1975 г.

19. Жоров Ю. М. Термодинамика химических процессов (нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа) / Ю. М. Жоров. -М.: Химия, 1985. - 464 с.

20. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1971. - 247 с.

21. Тез.докл. Всесоюзного совещания «Термия-75»; секция теоретических проблем с. 21-22; 89-91; 92-101; секция печей КС с. 3-10; 30-32; 45-47; 8788; 107-109; Л.: ЛенНИИгипрохим, 1975.

22. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы работы. - Д.: Химия, 1981. - 296 е., ил.

23. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник / Под ред. И.П. Мухленова, Б.П. Сажина, В.Ф. Фролова. - Л.: Химия, 1986. - 352 с.

24. Лейбуш А.Г. Производство технологического газа для синтеза аммиака и метанола из углеводородных газов. - М.: Химия, 1971, с 23 - 27.

25. Трубчатые печи. Выпуск 5. Редактор Бахшиянц A.B. - М.: Химия, 1969, 310 с.

26. Справочник азотчика. 2-е изд. перераб.- М.: Химия, 1986. - 512 с, ил.

27. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, В.А. Киракосян, Г.Я. Захарченко. Расчет полей температур и концентраций в эндогенераторах. Журнал прикладной химии. Том XLVIII, 1975, с. 1995 - 1999.

28. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов И.В. Котлы и топки с кипящим слоем- М.: Энергоатомиздат, 1996. - 352 е.: ил.

29. Новое в теории и практике псевдоожижения: избранные труды 2-ой международной конференции по псевдоожижению / ред. И. Дэвидсон, Д. Крейнз ; пер. с англ. под ред. С. М. Забродского. - М. : Мир, 1980.-190 с.

30. Лавров Н.В. Физико-химические основы горения и газификации топлива. - М.: Металлургиздат, 1957, 286 с, ил.

31. Жуховицкий АЛ., Шварцман Л.А. Физическая химия: Учебник для студентов вузов. М.: Металлургия. 2001. 688 с.

32. Шорин С.Н. Теплопередача. «Высшая школа».- М.: 1964 с. 114-115.

33. Дубинин A.M., Баскаков А.П, Шойбонов В.Б. Генератор эндотермических атмосфер. Авторское свидетельство на изобретение № 992079. Бюллетень № 4, 1983 г. 30 01.

34. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970, 75 с.

35. Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепломассообменных процессов. - Казань: Изд.Казанск. ун-та, 2007, 500 с.

36. Отчет по хоз. договорной теме: «Техническое задание на разработку и проектирование реактора с самообогревом для производства восстановительной атмосферы конверсией метана оборотным газом для ОЭМК», гос. Регистр №66.071 УПИ им. С.М. Кирова, Свердловск, 1984, УПИ.

37. A.M. Дубинин, Б.Л. Чойнзонов, A.M. Жикин. Улучшение работы эндотермических генераторов в промышленных условиях. Журнал прикладной химии. № 1, 1985, с. 112- 116.

38. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков. Усовершенствование промышленных эндогенераторов путем применения кипящего слоя. Журнал «Электротермия». Выпуск 9 (145), 1974, с. 5 - 6.

39. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков. Эндогенератор защитной атмосферы. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 395452. Бюллетень №35,28.VIII. 1973 г.

40. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков. Осевая и радиальная теплопроводность кипящего в насадке слоя. Журнал «Электротермия». Выпуск 4 (152), 1975, с. 22-23.

41. A.M. Дубинин, В.Б. Шойбонов, В.А. Мунц. Влияние распределения парогазовой смеси по объему катализатора на работу реактора для производства восстановительных атмосфер. Журнал «Цветные металлы». Выпуск 9, 1979, с. 35 - 36.

42. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, В.Б. Шойбонов, И.Б.Маргулис. Получение восстановительных газов в установке с циркулирующим дисперсным теплоносителем. Журнал «Электротермия». Выпуск 2 (210), 1980, с. 20 -21.

43. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков. Осевая и радиальная теплопроводность кипящего в насадке слоя. Журнал «Электротермия». Выпуск 4 (152), 1975, с. 22-23.

44. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, В.Б. Шойбонов, И.Б. Маргулис. Исследование теплопереноса в насадке с форсированным слоем дисперсного теплоносителя. Журнал «Энергетика». Выпуск 1, 1981, с. 110-113.

45. В.Б. Шойбонов, A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, И.Б. Маргулис. Гидродинамическая устойчивость работы реактора с форсированным в насадке слоем дисперсного теплоносителя. Журнал «Химическая промышленность». Выпуск 8, 1982, с. 55 - 56.

46. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, В.Б. Шойбонов. Экспресс-анализ работы промышленных установок для производства контролируемых атмосфер. Журнал прикладной химии. Том LUI, 1980, с. 2270 - 2274.

47. Чеканский В.В., Шейндлин Б.Е., Забродский С.С. «Изв. АН БССР, Сер. Физико-энергетических наук», 1970, №3, с 67-71 с ил.

48. Лейбуш А.Г. Людковская М.А. Труды ГИАП, Вып. II, Госхимиздат,

1953, стр. 62-77.

49. Обледенцев Р.Д., Рождественский В.П. Ж.П.Х. Вып. 12, 1956, стр. 1861.

50. Антрощенко В.И., Звягинцев Г.Л. Хим.пром. №1, 1970, стр.36-37.

51. Корнилов Б.П., Лейбуш А.Г. Труды ГИАП, Вып.Ш, Госхимиздат, 1954, стр. 71-86.

52. Альтшуллер B.C., Шариф Г.С., Шевцов В.П. Газовая промышленность. №7, 1964, стр. 38.

53. Шполянский М.А., Лейбуш А.Г. Труды ГИАП, Вып. V. Госхимиздат,

1954, стр. 70-81.

54. Шполянский М.А., Лейбуш А.Г. Труды ГИАП, Вып. V. Госхимиздат, 1956, стр. 126-192.

55. Шполянский М.А., Лейбуш А.Г. Труды ГИАП, Вып. VI. Госхимиздат, 1958, стр. 114-164.

56. Клюквин Н.А., Клюквина С.С. Журнал химической промышленности. № 11-12, 1930, стр. 743; № 13 стр. 877, 1930.

57. Лавров Н.В., Коробов В.В., Филлипова В.И., Черенков И.И. Термодинамика реакций газификации топлива. Изд. А.Н.СССР. М. 1959. Труды института горючих ископаемых. Т. II.

58. Лейбуш А.Г., Грузинцева А.Н., Фадеева Г.В. Хим.пром., № 1, 1970, стр. 18.

59. Бодров И.М., Апельбаум Л.О., Темкин И.М. Кинетика и катализ, 9, № 5, 1968, стр.1065.

60. Семенова Л.Б., Федосеев С.Д. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева, вып. 48, 161, 1965.

61. Рождественский В.П., Ерофеева В.И. Нефтехимия, 5, № 2, 204,1965.

62. Лейбуш А.Г., Людковская Б.Г. и др., Хим.пром. № 2, 90, 1961.

63. Темкин М.И. Кинетика и катализ, 3, № 4, 509, 1962.

64. Темкин М.И., Киперман С.Л., Лукьянова Л.И., Д.А.Н.СССР, 74, № 4, 763, 1950.

65. Некрич Е.М. Ж.П.Х., 43, № 2, 1970, стр. 366-372.

66. А.П. Баскаков. Скоростной безокислительный нагрев и термическая обработка в кипящем слое. М.: Металлургия, 1968, 223 с. с ил.

67. Авторское свидетельство СССР № 696237 кл. Е23 В 1/32, 1976. «Газораспределительное устройство».

68. С.С. Забродский. Перенос тепла псевдоожиженным слоем зернистого материала. Вып. XII, Минск, изд. АНБССР, 1958, 126 с. с ил.

69. А.П. Баскаков, Б.В. Берг., О.К. Витт и др. Гидродинамика, тепло- и массообмен в псевдоожиженном слое. Иваново, изд. МВ и ССОСССР, 1971. С 168-178 с ил.

70. Ross I.B., Davidson J.F.// Trans Institution. Chem. Eng. 1981.V.59 P. 108114.

71. Дубинин A.M. Получение водорода из природного газа / Дубинин A.M., Кагарманов Г.Р., Финк A.B.// Промышленная энергетика. - М.: НТФ Энергопресс, 2007. - №5 - С. 32-37.

72. Дубинин A.M. Получение водорода из твердых топлив / Дубинин A.M., Кагарманов Г.Р., Финк A.B.// Промышленная энергетика. - М.: НТФ Энергопресс, 2008. - №7 - С. 39-45.

73. Дубинин A.M. Оптимизация параметров трубчатых печей с целью экономии топлива / Дубинин A.M., Финк A.B., Кагарманов Г.Р., Дубинина Н.Р. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - М.: МИСиС, 2008. - №1 - С. 53-55.

74. Алексеев Ю.И. Перспективы получения водорода конверсией оксида углерода в угольном генераторе с самообогревом / Алексеев Ю. И., Дубинин А. М., Кривошеенко В. К., Финк A.B. // Энерго - и ресурсосбережение. Наука-образование-производство: опыт и перспективы развития: Сборник материалов Региональной научно-технической конференции. 9 февраля 2007 г. - Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2007 - Т2. - С. - 105-110.

75. Дубинин A.M. Получение водорода в угольном генераторе с самообогревом / Дубинин A.M. Финк A.B. // Проблемы теплоэнергетики: Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 21-23 апреля 2009 г. -Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - С. - 64-67.

76. Дубинин A.M. Получение водорода из природного газа / Дубинин A.M. Финк A.B. // Проблемы теплоэнергетики: Сборник материалов Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. 21-23 апреля 2009 г. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - С. - 67-70.

77. Дубинин A.M. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с электрическим обогревом / Дубинин A.M. A.B. Финк, Г.Р. Кагарманов // Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Издательский дом «Фолиум», 2009. - №7 (649). - С. - 39-42.

78. Дубинин A.M. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с газовым обогревом / Дубинин A.M. A.B. Финк, Г.Р. Кагарманов // Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Издательский дом «Фолиум», 2009. - №10 (652). - С. - 49-51.

79. Дубинин A.M. Энергетическая эффективность ряда способов получения водорода / Дубинин A.M., Г.Р. Кагарманов, A.B. Финк // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. - Иваново.: ИГХТУ, 2009, Т52, Вып.2 С. - 52-56.

80. Дубинин A.M. Оптимизация параметров реакции водяного газа / Дубинин A.M., Финк A.B., Кагарманов Г.Р. // Промышленная энергетика. - М.: НТФ Энергопресс, 2010. - №10 - С. 43-46.

81. Тупоногов В.Г., Дубинин A.M., Штуца P.C., Грицук С.А., Финк A.B. Газогенератор с кипящим слоем для газификации твердых топ лив. Патент на изобретение № 2341551. Бюллетень № 35. 20.12.2009 г.

82. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, Б.Л. Чойнзонов, А.П. Лумми. Шахтный реактор восстановительных атмосфер с вторичным дожиганием. Журнал «Энергетик». Выпуск 8, 1982, с. 71 - 74.

83. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков. Генератор восстановительных атмосфер с самообогревом. Журнал «Металловедение и термическая обработка металлов». Выпуск 1, 1983, с. 38 - 39.

84. А.П. Баскаков, A.M. Дубинин, О.М. Панов, В.А. Мунц, В.Г. Карелин. Заторможенный кипящий слой как средство для осуществления безкислородной паровой конверсии метана. Сборник научных трудов «Вопросы сжигания органических топлив в каталитических генераторах тепла». Новосибирск 1985, с. 133 - 139.

85. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, Б.Л. Чойнзонов, О.М. Панов. Бескислородная паровая конверсия метана. Инженерно-физический журнал. Том 52, 3 1, Минск,1987, с. 80 - 86.

86. A.M. Дубинин, Б.Л. Чойнзонов, А.П. Баскаков, О.М. Панов. Реактор с циркулирующим дисперсным теплоносителем для конверсии природного газа. Журнал химической промышленности. № 4, 1989, стр. 791-796.

87. A.M. Дубинин, А.П. Баскаков, В.Г. Карелин, О.М. Панов, Б.Л. Чойнзонов. Реактор для паровой бескислородной конверсии природного газа. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - М.: МИСиС, 1984. - №1, с. 129 - 132.

88. A.M. Дубинин, А.П, О.М. Панов, Б.Л. Чойнзонов. Тепловые характеристики эндогенератора с циркулирующим дисперсным теплоносителем. Журнал «Цветные металлы». №9, 1983, с. 20 - 22.

89. A.M. Дубинин. Производство восстановительного газа в реакторе с циркулирующим дисперсным теплоносителем. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - М.: МИСиС, 1989. - №8, с. 114-118.

90. А.П. Баскаков. Нагрев и охлаждение металлов в кипящем слое. М.: Металлургия, 1974. 272 с.

91. А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.K. Витт и д.р. Теплотехника: Учебник для вузов / под ред. A JI. Баскакова. - М: Энергоиздат, 1982 - 262 с.

92. Шпильрайн Э.Э. Введение в водородную энергетику/ Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов; под ред. В.А. Легасова. - М.: Энергомашиздат, 1984 - 264 с.

93. Подгорный A.M. Водород и энергетика/ A.M. Подгорный, И.Л. Варшавский, А.И. Приймак. - Киев: Наукова думка, 1984 - 144 с.

94. Водород. Свойства, получение, транспортирование, хранение, применение. Справ, изд./ Д.Ю.Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова. Под ред. Д.Ю.Гамбурга и Н.Ф. Дубовкина. - М.: Химия, 1989-672 е.: ил.

95. Дубинин A.M., Кагарманов Г.Р., Щеклейн С.Е., Фиик A.B. Природный газ как основа для производства водорода // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 4, С. 2-5

96. Дубинин A.M., Тупоногов В.Г., Финк A.B., Иконников И.С. Оптимальные параметры термохимического процесса производства водорода из природного газа // Альтернативная энергетика и экология. 2012. №8 (112), С. 10-13.

97. Дубинин A.M., Кагорманов Г.Р., Финк A.B. Моделирование паровой конверсии метана // Проблемы энергетики 2012 г. № 3-4, с. 14-19.

98. Дубинин A.M., Тупоногов В.Г., Финк A.B.. Повышение восстановительного потенциала атмосферы и энергоэффективности paooibi iрубчатой печи //Известия вузов. Черная металлургия. 2012 №11, с. 34-37.

99. Мещеряков В.Г., Клочков А.Н., Кишкинская М.А. Конверсия природного газа в условиях ограниченности запасов углеводородного сырья. Башкирский химический журнал, 2009. Том 16, №4, с. 121-124.

100. Мещеряков В.Г., Комиссаров Ю.А. Конверсия природного газа для совместных производств метанол - водород, метанол - аммиак. Вестник МИТХТ, 2011. Том 6, №4, с. 72-76.

101.Махмутов P.A., Хасанов Р.Г., Жирнов Б.С., Муртазин Ф.Р. Термодинамика паровой конверсии метана. Башкирский химический журнал, 2010. Том 17, №4, с. 137-139.

102. Писаренко Е.В., Писаренко В.Н. Энерго- и ресурсосберегающий процесс получения синтез-газа из природного газа в производстве метанола. Теоретические основы химической технологии (ТОХТ), 2011. Том 45, №1, с. 371-377.

103. Пащенко Д.И. Определение максимальной степени конверсии метана продуктами полного сгорания природного газа. Вестник Самарского государственного университета, 2010. Том 3, №1, с. 143-150.

104. Садыков A.B., Смолин Н.Г., Елизаров В.И. Решение внутренней задачи конверсии природного газа в трубчатой печи. Вестник Казанского технологического университета, 2009, №6, с. 224-231.

105. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Пер. с англ. Под ред. A.B. Лыкова/М.-JI.: Госэнергоиздат. 1961. 690 с.

106. Нормативная методика теплового расчета трубчатых печей. РТМ 2602-40-77. - М.: ВНИИНефтемаш, 1978. - 644 с.

107. Вольтер Б.В. Устойчивость режимов работы химических реакторов / Б.В. Вольтер, И.Е. Сальников. - М.: Химия, 1972. - 192 с.

108. Степанов A.B. Получение водорода и водородосодержащих газов. -Киев.: Наукова думка, 1982. 312 с.

109. Тарасов Б.П. Лотоцкий М.В. Водородная энергетика: прошлое, настоящее, виды на будущее // Российский хим. журнал. 2006 Т.1. №6. с. 5-8.

110. Махлин В.А., Цецерук Я.Р. Современные технологии получения синтез-газа из природного и попутного газа // Химическая промышленность сегодня. 2010. №3. с. 6-17.

Ш.Вакк Э.Г., Семенов В.П. Каталитическая конверсия углеводородов в трубчатых печах. - М.: Химия, 1973. 192 с.

112. Гущин А.Д., Семенов В.П. Каталитическая конверсия природного газа. -М.: Химия, 1970. 186 с.

113. Fernandez J.R., Abanades J.C., Murillo R. Modeling of sorption enhanced steam methane reforming in an adiabatic fixed bed reactor// Chem. Eng. Sei. 2012. V.84.P.1.

114. Дубинин A.M., Тупоногов В.Г., Финк A.B. Оптимальные параметры производства восстановительной атмосферы. Тепловые процессы в технике. 2013 г, т. 5, №3. с. 119 - 123.

115. Дубинин A.M., Кагарманов Г.Р., Обожин O.A. Моделирование газификации углей водяным паром. Химия твердого топлива. 2012. №3. с. 29-33.

Расчет полупромышленной установки с кипящим слоем для

производства водорода Расчет параметров среды в эндотермическом реакторе при оптимальных параметрах

Доля выхода полезного продукта х = 0,63.

Температура / рассчитывается преобразованием уравнения (5.1), °С

[(1 - 0,63) • [63056 • (1 - 0,03 - 0,05)]] + 5343 + 1095 4-1126 - 12908 (1 - —)

С --^-^= 870°С.

0,63-9,8 + 0,37-25,96

л

Кинематическая вязкость продуктов конверсии [32], м /с

Рпк , = (137,8 + 318'7"137'8 ■ (870 - 700)) • 10~б = 190,3 • 10~б.

"кприЬ=870 ^ 1300-700 )

Критерий Архимеда (1.12):

ЛГ = 9,81-(1-10~3)3-(2000 —0,0972) = . 3

(190,3-10-б)2-0,0972

Расчет минимальной скорости псевдоожижения и^£п в расчете пустое сечение реактора, при реальных параметрах (1.13), м/с

190,3 • 10~6 • 4,93 • 10:

ш = -- -= 0,530.

(1400 + 5,22л/4930) • 1 • 10"3

3/. .3

Порозность кипящего слоя катализатора при (1.14), м /м

W„

-3\ 2

18. f0'530-1-10"3) + о,зб ■ г0-530-1-10;)

V 190,3-Ю-6 ) \ 190,3-Ю-6 /

4,93 • 103

0,21

= 0,386.

Скорость витания частиц катализатора (1.15), м/с

190,3 ■ Ю-6 • 4,93 ■ 103

w* = --, -= 15,42.

(18 + 0.61V4930) • 1 • 10~3

Задавая рабочую скорость продуктов конверсии и/„*к в расчете на пустое сечение реактора м?*ит > \м*к > иw*к = 2ш^т- Получим, м/с

(х)*лк = 2 • 0,530 = 1,060.

Зи.З

Расчет порозности кипящего слоя при рабочей скорости (1.17), м /м

w*nK -

-Яч 2

18 . А.060-М0-»Ч . /1,060-М0-»Ч

Ч 190,3-10~б J V 190,3-Ю-6 У

4,93 • 103

0,21

= 0,451

о о

Избыточная порозность для прохода пузырей [15], м /м

Д£ = £\w* - S\w• = 0,451 - 0,386 = 0,065.

I wllk I wmln

Скорость пузырей (1.18), м/с:

(1,060-0,530)(1-0,386)

W" =-5^65-=5"

Константа скорости К1 (1.7), м3/(м2 • с)

/ 7882 \ Кл = 87,5ехр ■(-——— = 0,091. 1 н V 273 + 870/

Концентрация природного газа на выходе из плотной фазы г^ (5.5), м3/м3, принимается равной равновесной (табл. 1.5) при 870 °С, - 0,53Т0"3.

Коэффициент к константе скорости реакции в плотном слое К1 при реагировании в пузырях (1.22):

с1ъ = 0,853[1 + 0,272(106 - 53,0)]1/з . (1 + 0,0684 • 100)1-21 = 25

53,0 (0,5 • Ю~3)0'5 • 9810'25 (Кьс)ь = 4,5 • — + 5,85 • ^--= 9,6

01*=О,63 ~ 0,091.9,42-103 ~ °'01

9,6 0,3

Концентрация природного газа на выходе из пузырей фазы г^вг (5.6):

0,5

. . (1 _ . V] -1= 0Д21

Усреднение состава гпг (5.7), м3/м3:

0,530 • 0,53 ■ 10~3 + (1,060 - 0,530) • 0,121

1,060

гпг =--------= 0,0605

Концентрация водяного пара гп (3.30), м3/м3

гп = -•(! + 0,0605-7) = 0,285

п -2

Концентрация оксида углерода гс0 (3.31), м /м

(1 - 3-0,0605) гсо = --=-- = 0,164

-2 О

Концентрация водорода в продуктах конверсии гНг (3.32), м /м

тЦ2 — 1 — (0,0605 + 0,285 + 0,164) = 0,4905

Произведение х • (гсо + г„2),%

0,63 • (0,164 + 0,4905) • 100 = 41,9.

Теплота сгорания продуктов конверсии (¿р, кДж/м3

= (126,4 • 0,164 + 108 • 0,4905 + 358,2 • 0,0605) • 100 = 9543.

Химический коэффициент полезного действия конверсии, %

9543-5 0,63 лппп/ со -

^ ---Ю0 % = 83,7.

1К 35820 '

Термический КПД установки, %

пн 5-22,4 _ _

_ рпк ' 16 'х С"с' ух с"к ' р _ _ __ _

4- с • t 4- с • £' 4- г • £'

„ > спв "-пв ' "-в *-в ' ''ПГ

Рпг

9543 • 7 ■ 0,63 - 26,96 • 160 - 9,9 • 554 35820 - ._ _____ _____= °'63 (63 О/о).

0,714

+ 9,42 • 105 4-17,16 • 5 + 2,816 • 5

Уменьшение потребления метана при переводе установки с х = 0,59 на 0,63, %,

V 0,59 )

Результаты расчетов приведены в таблице П1.1.

Таблица П1.1

Сводная таблица расчетов

Параметр Единица измерения Значение при х= 0,63

Т °С 870

Ar - 4,93-Ю3

^min м/с 0,530

- 0,386

^вит м/с 15,42

Шпк = 2 (D*min - 1,060

м /м 0,451

ДЕ - 0,065

м/с 5,0

к, м7(с-м2) 0,091

'пг — ^пг м"7м3 0,53-10J

г1вг 'пг - 0,121

Гпг - 0,0605

ßl - 0,209

¥ - 0,285

f 'со - 0,164

г '»7 - 0,491

0" Р ПК кДж/м 9543

ЮО % 41,9

Лк % 83,7

nt % 63,0

Расчет геометрических размеров эндотермического реактора и определение расходов метана, водяного пара, воздуха и продуктов

конверсии

Расчет произведен на оптимальные параметры: х = 0,63, м^ = 1,06 м/с. Найдем плотность продуктов конверсии при нормальных условиях, кг/м3

18 + 28 + 6

При 870 °С р*к = 0,464 2736 = 0,11

г ' 273+870

О

Найдем плотность продуктов сгорания при нормальных условиях, кг/м

44 + 72 + 211,68 12,56-22,4

Рпс = „„^ = 1Д66.

При 870 °С рп*с = 1,166 2736 = 0,278

^ 273+870

Массовый расход продуктов конверсии Спк зададим 0,0055, кг/с, на все

сечение.

Рассчитаем массовый расход природного газа (метана), кг/с

16 16 Сиг = СПК1 ■ ^ = 0,0055 • — = 0,0017.

Определим массовый расход водяных паров, кг/с

2-18 2-18 —— = 0,0055 ■—-52 52

Сп - СПК1 • = 0,0055 ■ = 0,0038.

Определим массовый расход воздуха, кг/с

276 276

Св-х = СПК1 ' (1 " х) • = 0,0055 • 0,37 • — = 0,0108.

Расчет диаметра, м, эндотермического реактора в зоне подачи природного газа и водяного пара на расчетные массовые расходы:

, 4 -£пк 4-0,0055

I _ _пк _ |_•_ _ „ -улс

р1 ~ > • Рпк • <к ~ л ЗД4 • 0,11 - 1,060 " '

Диаметр фурмы, м, для отвода полезного продукта:

¿ф = ар1 • у[х = 0,245 ■ V0,63 = 0,194.

Диаметр реактора, м, в зоне выхода продуктов сгорания:

свг

_52_ ""Р* _

^'И'пс'Рпс 4

4-(1-0,63)-0,0055-6,27 , 7г0,2452 _ АГГ.

Л--= 1),4оУ.

7г-0,936-0,278

Спк = Спк-х = 0,0055 • 0,63 = 0,003465.

Полученные результаты сведены в таблицу П2.1.

Таблица П2.1

Сводная таблица расчетов массового расхода компонентов и диаметров реактора

спк бпк бпг сн2о *Р ¿ф йвг

кг/с кг/с кг/с кг/с м м м

0,003465 0,0055 0,00258 0,0029 0,0164 0,245 0,194 0,469

Расчет параметров среды в экзотермическом реакторе и определение его

геометрических размеров

Кинематическая вязкость продуктов конверсии при температуре 400 °С [32], м2/с

400

= (39,

8 + 137'8"39'8 . 200) • Ю-6 = 79,0 • Ю-6.

700-200 )

Критерий Архимеда (1.12):

_ 9,81 • (0,5 • 10~3)3 • 2000 _ АГ " (79,0 ■ Ю-6)2 • 0,188 " 2090

Расчет минимальной скорости псевдоожижения в расчете на

пустое сечение реактора (1.13), м/с

=

79,0 • 10~6 • 2090

(1400 + 5,22л/2090) • 0,5 • 10~3

= 0,201.

3/. з

Порозность кипящего слоя катализатора при (1.14), м /м

. /0.201-0,5-10 Л . /0,201.0,5-10-»Л

V 79,0-Ю-6 / V 79,0-10 /

2090

0,21

= 0,218

Скорость витания частиц катализатора (1.15), м/с

79,0 • 10"6 • 2090

м/;„т = ---г = 11,841.

. 1 п-з

(18 + 0,61л/2090) • 0,5 • 10

Задавая рабочую скорость продуктов конверсии \м*к в расчете на пустое сечение реакторам/^ > м/п*к > = м/с

1<к = 2-0,201 = 0,402

тогда

11,841 > 0,402 > 0,201

Зл .3

Порозность кипящего слоя £1^* при рабочей скорости и>п*к (1.17), м /м

=

-зч 2

. /0,402-0,5-10~3 \ ^ (0,402-0,5-!0-ЗЧ

V 79,0-Ю-6 ) V 79,0-Ю-6 /

2090

0,21

= 0,276

3/. .3

Избыточная порозность для прохода пузырей [16], м /м

Д£ = 0,276-0,218 = 0,058

Скорость пузырей (1.18), м/с

(0,402- 0,201)(1 -0,218) 0,058

=-тгттт^- - 2,7.

Константа скорости К2 (1.10),м3/(м2 • с)

К2

( 6600 \ = 40ехр ■ - ——— = 2,2 • Ю-3. н V 400 + 273/

Площадь поверхности катализатора в 1 м3 объема с порозностью 8

5 = N • 5Ш , м2

»г С1-5^)

где N - количество частиц катализатора, шт, N = --— ,

-5

где Уш - объем одной частички катализатора, м ,

Уш = - • 7Г • (-)3 = - ■ с?3 = . (0,5 • 10"3)3 - 0,0654 • 10"9.

4 \2/ 6 6

(1 - 0,276)

N = Л.г, ./о = 11,067 • 109, шт. 0,0654-Ю-9

5Ш - площадь поверхности одной частицы катализатора, м2, 5Ш = = 7Г • ¿2 = 3,14 • (0,5 • 10"3)2 = 0,785 • 10"6,

5 = 11,067 • 109 • 0,785 • 10"6 = 8,687 • 103.

Поправочные коэффициенты /?2, /?3(1.22):

Р2 = | 1'

СкЪс)ъ Ус

Рз — 1 •

{Чс)ъ Ус

где Б - площадь поверхности катализатора в 1 м3 объема с порозностью £1^,

йъ = 0,853 • [1 + 0,272 • (м/п*к - 1<гп)]0'333 • (1 + 0,0684 • Г)1-21 аъ = 0,853 • [1 + 0,272 • (40,2 - 20Д)]0'333 • (1 + 0,0684 • 100)1'21 = 29,4 см.

К2 2,2-10-3 _ _ . . з 2ч

^з = тг = ^— = 0,24 • 10 3, м /(с-м ).

Кр У

, ч - 20,1 - - (0,5-10"~3)0'5-9810,25

скъс)ъ = 4,5 • — + 5,85---= 3,07, 1/с.

ус = (1 - 0,218) • + 0,05) = 0,90.

В2 =--з-= 0,177,

^ 2,2-10 3-8,687-Ю3 1 ' '

3,07 0,9

Вч =-г,—--1-= 0,66.

в-24'103-8,687-Ю3 1 '

3,07 0,9

Концентрация С02 на выходе из пузырей фазы г^ (5.11):

Гьег = 1 . ЪЪ ГХ _ (^МёМ = 0Д2 5 К2-рг+Кгр3 I г V у/Ъг )\

Концентрация углекислого газа гС02 , на выходе из плотной фазы

п о о

принимается равной (см.табл. 1.4) г£0г = 0,116 м /м .

3,3

со2

Средняя концентрация С02, м 7м3, (%)

0,201-0,116+(0,402—0,201)-0,12 , .

Гс„ = - = 0,16 (16 %).

2 0,402

Ъ, 0,16 = 0,04(4%:

Пьо = гсо = 0,04 (4 %).

Концентрация водорода гн , %

г„2 = 100 - (4,5 + 4,5 + 11) = 80.

Площадь экзотермического реактора, м2,

F =

1 экз.р.

Спк'Х

М>пк ' Р,

ПК

_ 0,0055-0,63 _ _ п . , "эю.р.Спк=0,0055 - 0,402-0,188 ~

Диаметр реактора, м

а - 1±Е^= _ 0 242.

экз.р ^ п ^ ЗД4

Тепловая мощность, отводимая из экзотермического реактора (5.17), кВт

?экзм/пк=0,0055 — (ях3 (Спк * ^р спк ' ^р)) ' ^пк ' х '

52 16

= (2576 + (9,93 • 554 - 9,8 • 400)) • 0,0055 • 0,63 • — = 4,3.

3 41

Поверхность теплообмена, м , встроенного охлаждающего пучка, необходимая для отвода выделяющейся теплоты (5.18):

4,3

^пучкавпк=0,0055 = 0 3.380 =

Выход водорода, м3/ч, при нормальных условиях:

„ Х-Г|Ь-4-22,4-3600 „ „ „ ___,__„ „ „

= Спк • 2 „-= 3126 • Спк = 3126 • 0,0055 = 17,2.

2 52

Отделение углекислого газа от водорода в абсорбционной