Финк, Анатолий Викторович. Разработка метода оптимизации рабочих параметров установок для конверсии метана

brief description

Финк, Анатолий Викторович. Разработка метода оптимизации рабочих параметров установок для конверсии метана : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.04 / Финк Анатолий Викторович; [Место защиты: Ур. федер. ун-т имени первого Президента России Б.Н. Ельцина].- Екатеринбург, 2013.- 150 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/1199

Уральский Федеральный Университет
имени первого президента России Б.Н. Ельцина
На правах рукописи
Финк Анатолий Викторович
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ
УСТАНОВОК ДЛЯ КОНВЕРСИИ МЕТАНА
05.14.4. - «Промышленная теплоэнергетика»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Научный руководитель: д.т.н., профессор А.М. Дубинин
Екатеринбург - 2013 
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 8
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 25
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 2.0ПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ
ГЕНЕРАТОРОВ С ЦЕЛЬЮ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА 37
2.1. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с
газовым обогревом 37
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 ЮЗ
ГЛАВА 6. РАЗДЕЛЕНИЕ С02 и Н2 108
6.1. Отделение С02 от продуктов конверсии в абсорбере 108
6.2. Отделение С02 от продуктов конверсии в центрифуге 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 111
Приложение 1. Расчет полупромышленной установки с кипящим
слоем для производства водорода. Расчет параметров среды в
эндотермическом реакторе при оптимальных параметрах 122
Приложение 2. Расчет геометрических размеров эндотермического реактора и определение расходов метана, водяного пара, воздуха и
продуктов конверсии 127
Приложение 3. Расчет параметров среды в экзотермическом реакторе
и определение его геометрических размеров 130
Приложение 4. Отделение углекислого газа от водорода в
абсорбционной установке 136
Приложение 5. Отделение углекислого газа от водорода в
центрифуге 143
Приложение 6. Расчет экономической эффективности от оптимизации работы эндогенераторов 146
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Индексы:
пк - продукты конверсии;
пг - природный газ, метан;
пс - продукты сгорания.
а - удельная поверхность насадки в абсорбере (кольца Рашига), м2/м3;
спк, Отс, спг, СВ - удельные теплоемкости продуктов конверсии, сгорания, природного газа (метана) и воздуха, кДж/(кг-К);
D~ - коэффициент диффузии СОг в Н2, м2/с;
d - диаметр центрифуги, м;
dr - диаметр частицы катализатора, м;
СПк _ производительность реактора на полное сечение, кг/с;
h - высота центрифуги, м;
К - коэффициент теплопередачи, кВт/ (м2-К);
Ki - 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;
А'з - константа скорости обратной реакции конверсии СО водяным паром, м3/(с-м2), на железохромовом катализаторе, при реальных параметрах, при реальных параметрах;
К2 и Kg - константа скорости прямой и обратной реакции конверсии СО водяным паром на алюмоникелевом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;
(КЪс)ъ - коэффициент газообмена пузыря с частицами в облаке и шлейфе, 1/с;
Ку - коэффициент массопередачи от углекислого газа к абсорбенту, м/с;
L - высота слоя, м;
п - частота вращения центрифуги, 1/с;
Р - абсолютное среднее давление смеси в центрифуге, Па;
Р0- парциальное давление Ы2 на оси, Па;
PQ - атмосферное давление, Па;
Рг-парциальное давление Н2 на стенке центрифуги, Па;
Qр - теплота сгорания метана, кДж/м3;
QpnK - теплота сгорания продуктов конверсии, кДж/м3;
Ях1 > Чх2 , Ях3 ~ теплота химических реакций, кДж/кг; q3 и q5 - потери теплоты с химическим недожогом и в окружающую среду;
R - газовая постоянная, Дж/(кг-моль К);
R0 - универсальная газовая постоянная, 8314, Дж/(кг-моль К);
гп°г и г„г - концентрация метана на входе в реактор и на выходе из него,
м3/м3;
I'm, rco2,rco, Гпг, ГС02, Гео ~ концентрация СН4, СОг, СО - текущие и равновесные, м3/м3;
г0 - средняя концентрация Н2 на оси центрифуги, м3/м3;
7> - средняя концентрация Н2 на стенке центрифуги, м3/м3;
S - удельная поверхность частиц катализатора в объеме реактора, м2/м3; S0 - удельная поверхность катализатора, занятая восстановленным никелем, м2/м3;
S* - площадь сечения обечайки абсорбера, м2;
Г - температура, К;
V - расход, м3/с;
19 - количество, м3, продуктов конверсии, образующихся из 1 м3 метана;
v* - объемный расход продуктов реакции (смесь Н2 и С02) в абсорбер,
м3/с;
V** - объемная производительность центрифуги по исходной смеси, м3/с; wbfi- скорость пузырей в реакторе І, м/с; wbl-2 - скорость пузырей в реакторе 2, м/с;
wmfi - минимальная скорость псевдоожижения кипящего слоя катализатора при реальных параметрах в реакторе, м/с;
wmf - минимальная скорость псевдоожижения частиц железохромового катализатора диаметром 0,5 мм в реакторе - 2, м/с;
wnKi- 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;
wnK2 * скорость продуктов реакции на полное сечение реактора 2, принимается в два раза больше wmf2, 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 десорбера, кг/м3;
Ук - конечная концентрация С02 в смеси на выходе из абсорбера, кг/м3;
Ун - начальная концентрация С02 в смеси на входе в абсорбер, кг/м3; z - координата, отсчитываемая от нижней границы кипящего слоя, м;
Д і,2,з - 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;
- избыточная порозность кипящего слоя для прохода пузырей в реакторе 1;
Де2 - избыточная порозность для прохода пузырей в реакторе 2;
At - средняя логарифмическая разность температур, °С;
ДКср- движущая сила массопередачи от С02 в смеси к абсорбенту (воде);
ДР- избыточное давление, создаваемое центрифугой (разность давлений на стенке и у оси) (кПа);
£nKi, £mfi ■ порозности кипящего слоя при рабочей и минимальной скоростях псевдоожижения в реакторе 1;
т - время, с;
Т] - коэффициент полезного действия центрифуги;
г|пр - КПД привода центрифуги (относительные единицы);
тікПТ - КПД конверсии метана при оптимальном значении *(ін2Ь + Гео), %;
Рсо2<Рн2 - молекулярные массы С02 и Н2, 44 и 2, г/моль, соответственно;
рпк - плотность продуктов конверсии, кг/м3;
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 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 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.
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.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
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 °С.
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/м3 продуктов конверсии (экономия электроэнергии -11 %). Балансовая температура 910 и 940 °С 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 °С. 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 Н20 : 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 Н20 : 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 °С.
При соотношении Н20 : 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 °С.
4. Исследованием установлено, что самым энергоэффективным способом получения водорода, по удельному расходу условного топлива, является паровая конверсия метана на алюмоникелевом катализаторе при соотношении Н20 : 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 Н2 этим 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 °С.
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 °С. Эта величина хорошо согласуется с экспериментальными данными других исследователей.