IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Целью данной работы является разработка методики расчета высоты слоя неактивного катализатора.

На начальном этапе необходимо предварительно определить усредненные температуры по высоте труб, если известна начальная температура смешанного газа, его расход, температура стенок реакционной трубы внизу и вверху, длина трубы,состав смешанного газа, температура газа на выходе из трубы, вид катализатора и его свойства.

Для начала необходимо определить предварительно на какой высоте будет находиться катализатор с температурой 700⁰С.Для этого определим среднюю температуру по участкам трубы по формуле:

(1)

Таблица 1 - предварительное распределение температур по высоте трубы.

H,м	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	2,75	3
t,0С	575,5	581	593	605,6	617,5	629,3	641,25	653	665	677	689	701
T K	849	854	866.75	878.6	890.5	902.3	914.25	926	938	950	959	974

Далее проведем уточненный расчет температуры по высоте трубы. Из таблицы 1 видно, что по предварительному расчету 700⁰С достигает на высоте 3м. Далее скорректируем эту цифру, применяя теоретические расчеты, используя термодинамические, газодинамические и тепловые законы и соотношения.

Расчет физических параметров смеси технологического и природного газов.

1. Плотность каждого газа, входящего в смесь при нормальных условиях в каждой зоне, кг/м³ [1, с 175]

ρ_0i=Σ(х_н*ρ_н), (2)

где х_н – объемная доля i-го компонента,

ρ_н – плотность i-го компонента при нормальных условиях

2.Плотность компонентов газовой смеси при рабочих условиях, кг/м³

ρ_i=ρ_0i*P*T_н/(Р_н*Т_в), (3)

где ρ_0i – плотность i-го компонента при нормальных условиях, кг/м³,

Р – абсолютное давление в трубах реформера,

Т_в – температура входящего в реакционную трубу смешанного газа,

Р_н и Т_н – соответственно давление и температура при нормальных условиях

3. Кинематическая вязкость газа при рабочих условиях, м²/с [1, с 176].

ν_г=100/Σ(), (4)

ν_0i– коэффициент кинематической вязкости i-го компонента,

r_i – i-ый компонент по объему в смеси в %.

4.Удельная массовая теплоемкость газа, Дж/(кг*К) [1, с 176].

С_гm=Σх_i*c_i, (5)

Удельная массовая теплоемкость i-ых компонентов смеси, , при нормальных условиях.

5. Удельная объемная теплоемкость газа, Дж/м³К[1, с 176].

С_гv=С_гm* ρ_i(6)

6. Коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м*К) [1, с 177].

λ_г=3/2*ρ_i*γ_г*Ср (7)

7. Коэффициент температуропроводности газа, м²/с[1, с 177].

а= λ_г/ С_гv, (8)

8. Расход газа при рабочих условиях, м³/с на 1 трубу-при температуреТ₁= 846 К [1, с 182].

V₁=V₀*P₀*T₁/P₁*T₀/N (9)

где V₀– расход питающего газа при нормальных условиях,N-число труб в реформере

9. Скорость газа, м/с[1, с 182].

u₀=V₁*4/ * (10)

10. Скорость газа с учетом катализаторов, м/с [1, с 182].

u=u₀/ε, (11)

где - порозность слоя неактивного катализатора;

Теплообмен за счет конвекцией в системе труба - газ.

1. Критерий Рейнольдса [1, с 185].

Re=u*h/ ν_г (12)

где h –высота участка, на котором определяется температура

2. Критерий Нуссельта для двухфазной системы, ограниченной в пространстве [1, с 185].

Nu=0,61*Re^0,67 при Re>200 (13)

3. Коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К [1, с 179].

α=Nu*ƛ/(F*K)^0,5 (14)

F=2*π*r*h - площадь стенок трубы на расчетном участке, м²;

Т_с – температура стенки трубы

где h – высота расчетного участка трубы.

К-коэффициент перекрытия трубы катализаторами

4. Тепловой поток от стенок трубы к газу конвекцией, Вт [1, с 187]

Q_ст=α*(T_c-T_в)*F*K , (15)

5. Прирост температуры за счет конвекции от стенок трубы к газу, К

ΔT_c=Q_ст/(С_гv*V₁) (16)

Теплообмен конвекцией в системе катализатор-газ.

1. Критерий Рейнольдса: [1, с 178]

Re=D*V₁/ν_г, (17)

D-эффективный катализатор трубы,м

2.Критерий Пекле

Pe=V₁*D/ (18)

3. Критерий Нуссельта для двухфазной системы, ограниченной в пространстве. [1, с 178]

Nu=0,106*Re (19)

4.Коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К [1, с 179].

α=Nu*λ_г/D (20)

5. Критерий Био [1, с 179].

Bi=α*D/λ_к (21)

где - теплопроводность катализатора;

Если Bi>0,25, то объемный коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле Китаева:

1/Kv=1/αv+d^2/72/(1-ε)/ƛ (22)

где ψ - коэффициент формы,

α_v=η*α*(1-ε)*d – коэффициент теплоотдачи на единицу объема слоя.

6. Коэффициент теплоотдачи на единицу объема слоя [1, с 180].

(23)

где - коэффициент, зависящий от формы частиц (цилиндр);

7. Площадь, занимаемая катализаторами на заданном участке трубы. Для этого необходимо определить следующие величины:

Площадь одного катализатора, м²

F_к=2*π*R_k*(R_k+H_k), (24)

где R_k – радиус катализатора,

H_k – высота катализатора.

8. Объем одного катализатора [1, с 181].

(25)

9. Объем расчетного участка трубы, м³ [1, с 181].

V_t= π*r²*h (26)

10. Объем катализаторов на расчетном участке, м³ [1, с 181]

V_kp=V_t*(1-ε) (27)

11. Количество катализаторов на расчетном участке [1, с 182].

N1=V_kp/V_k(28)

12. Таким образом, площадь, занимаемая катализатором на расчетном участке, м² [1, с 182].

F_kp=N₁* F_к (29)

Теплообмен излучением от стенок реакционной трубы и катализатора к газу.

1. Тепловой поток от катализатора к газу конвекцией [1, с 183].

(30)

где К1-это коэффициент перекрытия катализаторов

2.Прирост температуры за счет конвекции от катализатора к газу

(31)

1. Общий прирост температуры

(32)

1. Полученная температура

(33)

Исходя из предложенной методике исследовали влияние температуры питающего газа и его расхода на высоту неактивного катализатора, для этого были рассчитаны все параметры при температурах 452 510, 530, 550, 570 ,590 Расчеты проводились с использованием программы Microsoft Excel (таб.1и рис. 1).

Таблица 1 – Результаты расчета высоты неактивного катализатора, при температурах 452 510, 530, 550, 570 ,590.

Расход тыс. м3	Температура 0С	Высота кат.	Температура 0С	Высота кат.	Температура 0С	Высота кат
75	452	0,53	510	0,48	530	0,45
100	452	0,55	510	0,51	530	0,47
115	452	0,57	510	0,53	530	0,49
125	452	0,59	510	0,56	530	0,52
75	550	0,42	570	0,4	590	0,38
100	550	0,46	570	0,43	590	0,41
115	550	0,48	570	0,45	590	0,43
125	550	0,5	570	0,47	590	0,46

Рисунок 1 - Влияние температуры смешанного газа на высоту неактивного катализатора

По данным расчета, можно сделать вывод, что при увеличении температуры питающего газа, высота прогрева слоя неактивного катализатора уменьшается. Чтобы повысить эффективность работы реформера, необходимо увеличить высоту активного катализатора, т.е. уменьшить неактивного: это можно сделать за счет увеличения начальной температуры или уменьшения расхода газа. Но при уменьшении расхода газа будет уменьшаться возможное количество количество реформированного газа. Тогда необходимо находить оптимум при уменьшении расхода газа и увеличении температуры одновременно.

Список используемой литературы.

1. Тимофеева, Т.В., Тимофеев Е.С.. Теплофизические особенности производства окисленных окатышей и метализованного продукта: / А.С.Тимофеева, Тимофеев Е.С. - Старый Оскол: ТНТ, 2015. - 204с

2. Учебное пособие Тимофеева А.С., Никитченко Т.В. Физико-химические процессы реформинга газа Старый Оскол «ТНТ» 2015

Код для цитирования: Скопировать