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 Н2О : 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 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:
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 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.
Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Разработан метод оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора.
При выводе эндотермического генератора с газовым обогревом реторты ЭН-60Г на оптимальные рабочие параметры, значение доли метана, поступающего на обогрев реторты, равняется 0,25 (х = 0,75), балансовая температура 1000 оС.
Для эндогенераторов, с электрическим обогревом реторты - ЭН-60 и ЭН- 125, при оптимальных рабочих параметрах, удельный расход электроэнергии для ЭН - 60 составил 0,475 (экономия электроэнергии - 22 %) и для ЭН - 125 - 0,32 кВт-ч/м3продуктов конверсии (экономия электроэнергии - 11 %). Балансовая температура 910 и 940 оС соответственно.
Перевод трубчатой печи ОАО «ОЭМК» на оптимальные рабочие параметры обеспечит увеличение доли метана, поступающей на обогрев печи с 0,365 до 0,395, а балансовая температура возрастет на 200 оС. При этом восстановительный потенциал атмосферы возрастет с 8,8 до 13,9, обеспечив требуемое качество восстановительной атмосферы.
2. Разработан метод определения полного состава продуктов реакции конверсии метана водяным паром, по высоте слоя катализатора, при соотношении Н2О : СН4 = 1 : 1. Метод удовлетворительно согласуется с экспериментальными исследованиями.
3. На основании метода определения полного состава продуктов реакции конверсии метана водяным паром, по высоте слоя катализатора, при соотношении Н2О : СН4 = 1 : 1 и уравнения теплового баланса определены оптимальные рабочие параметры трубчатой печи, где доля метана, поступающего на обеспечение эндотермической реакции и подогрев продуктов этой реакции (1-х) равняется 0,38 (х = 0,62), балансовая температура составляет 900 оС.
При соотношении Н2О : СН4= 2:1 оптимальные рабочие параметры трубчатой печи составят: доля метана, поступающего на обеспечение эндотермической реакции и подогрев продуктов этой реакции (1-х) - 0,413 (х = 0,587), балансовая температура 950 оС.
4. Исследованием установлено, что самым энергоэффективным способом получения водорода, по удельному расходу условного топлива, является паровая конверсия метана на алюмоникелевом катализаторе при соотношении Н2О : СН4 = 2 : 1 с последующей конверсией оксида углерода водяным паром на железохромовом катализаторе. Здесь расходуется - 4,75 кг у.т. на получение 1 кг водорода (2 - 2,5 дол. США). Самым затратным, по топливу, и себестоимости является - электролиз воды. Для получения 1 кг Н2этим способом требуется 19,6 кг у.т. (или 8,0 - 10 дол. США).
5. Разработан двухзонный реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного алюмоникелевого катализатора для производства водорода паровой конверсией метана и проведена оптимизация его рабочих параметров на основе разработанного метода. Оптимальное значение доли (1-х) составляет 0,37 (х = 0,63), балансовая температура - 870 оС.
6. Разработан реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного железохромового катализатора для осуществления экзотермической реакции водяного газа и теоретически определена величина оптимальной температуры реакции водяного газа составляющая 400 оС. Эта величина хорошо согласуется с экспериментальными данными других исследователей.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
