Файл: Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие.pdf

Осуществление конверсии метана с малым расходом окислителя при получении эндогаза предъявляет жесткие требования к катали­ затору. Наиболее целесообразным в этих условиях является ката­ лизатор ГИАП-3, представляющий собой таблетки размером при­ мерно 15 мм из активной у-окиси алюминия, на которые наносится окись никеля. Восстановленный водородом никель — катализатор, а окись алюминия — промотор (усилитель) катализа [78], повышаю­ щий каталитическое действие Ni.

При использовании катализатора ГИАП-3 в исходной смеси недопустимы сернистые соединения. Поэтому в эндогенераторах

Рис. 9.1. Схема эндотермического генератора

используют блоки сероочистки, через которые пропускается угле­ водородный газ (сырье). Сероочистка представляет собой обогре­ ваемую камеру, заполненную катализатором ГИАП-10. Очистка от сернистых соединений производится при температуре 350° С. Для нагрева камеры сероочистки обычно применяют электронагреватели сопротивления.

Общая принципиальная схема эндотермического генератора приведена на рис. 9.1. Генератор состоит из следующих узлов: системы смесеприготовления 5, системы обогрева реторты 6, самой

состоит из газодувки 10, смесителя 5 и регулятора нулевого давле­ ния 4. Газодувка создает разрежение на линии смесителя и нульрегулятора. Под действием этого разрежения в смеситель через фильтр 8 поступает воздух. Смеситель 5 включает корпус, внутри которого смонтирован мембранный регулятор и устройство с ре­ гулируемым зазором для установки соотношения газ — воздух.

232

Регулятор нулевого давления 4 поддерживает постоянное давление газа, равное давлению воздуха на входе в смеситель.

Смесь газа с воздухом поступает в реторту 7 (реактор), нагре­ тую примерно до температуры 900—950° С. Реторта представляет собой вертикальную трубу, снабженную решеткой, на которую уло­ жены таблетки катализатора. Для уменьшения перепада температур по сечению реторты и увеличения удельной поверхности теплообме­ на реактор делают кольцевым.

Помещенная в футерованную камеру реторта обогревается на­ гревателями сопротивления или продуктами горения топлива. Выходящий из реторты газ попадает в трубчатые холодильники 2, а затем направляется к ротаметру 3 и потребителю.

Во избежание проскока пламени на трубопроводе смеси перед ретортой устанавливается предохранительная пламенная заслон­ ка 9, перекрывающая газ при проскоке.

Состав эндогаза регулируется автоматически изменением соот­ ношения газ — воздух. Импульс отбирается от газоанализатора, измеряющего содержание в эндогазе СОг или НгО.

В настоящее время разработаны типовые конструкции эндотер­ мических генераторов, выпускаемые серийно [98, 73].

Расчет эндотермического генератора заключается в составлении материального баланса в соответствии с приведенными выше реак­ циями приготовления эндогаза при заданной температуре, опреде­ лении необходимого количества тепла, расчете теплообмена в ре­ торте, выборе горелок, расчете холодильников, гидравлическом рас­ чете трубопроводов и т. д. Объем катализаторов определяется исходя из допустимой объемной скорости реакции ш0б и заданной производительности генератора:

не превышает 2290 ч-1, а при расчетах рабочего пространства ре­ торт ее, как правило, принимают равной 1050— 1100 ч-1 [98]. В связи с плохой теплопроводностью неподвижной засыпки ее толщина,

Но при этом возрастает его гидродинамическое сопротивление, кото­ рое для случая беспорядочно уложенных частиц можно определить по формуле

где рг и шг — соответственно плотность и скорость газа;

233

hи e — высота слоя и его порозность; d — эквивалентный диаметр частиц;

Re — критерий Рейнольдса для среды, отнесенный к разме­ ру частиц:

V — коэффициент кинематической вязкости газа.

Увеличение высоты реторты более 1 —1,5 м нецелесообразно, так как это не только приводит к большому гидравлическому сопро­ тивлению, но и значительно усложняет конструкцию генератора.

Повышение производительности реторты возможно в том слу­ чае, если реакцию вести не в неподвижном слое катализатора, а в псевдоожиженном [99]. Как показали эксперименты [100], в этом случае реакция заканчивается на высоте 200 мм при объемной ско­ рости 17000 ч~1 и температуре 1000° С. Для реакции использовался сферический алюмоникелевый катализатор с размером частиц 0,4—0,6 мм.

Если при работе на неподвижном катализаторе основная на­ грузка приходится на его нижние слои, вследствие чего они посте­ пенно теряют активность, науглероживаются и разрушаются, то в кипящем слое перемешивание частиц приводит к выравниванию активности по объему. Кроме того, применение мелкодисперсных частиц приводит к повышению активной поверхности. Поэтому в ки­ пящем слое высота засыпки катализатора определяется не его ак­ тивностью, а условиями обеспечения достаточной площади поверх­ ности, через которую тепло подводится в слой. Вследствие высокой теплопроводности кипящего слоя возможно создать реакторы прак­ тически любого размера без заметных перепадов температур в слое. Гидравлическое сопротивление кипящего слоя при изменении рас­ хода остается постоянным.

9.2. ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Получение экзогаза основано на сжигании углеводородного сырья (топлива) с коэффициентом избытка воздуха 0,6—0,98 и по­ следующей переработке продуктов горения. В зависимости от коэф­ фициента избытка воздуха дымовые газы могут иметь многокомпо­ нентный состав и содержать СО, С02, Н2, Н20, СН4, N2 и т. д.

Переработка продуктов сжигания заключается в их охлаждении и очистке от С02 и Н20 . Атмосферу, состоящую из охлажденных и частично осушенных продуктов сжигания при а = 0,9—0,98 и содер­ жащую около 10% С02 и примерно 2,4% Н20, называют неочищен­ ным бедным экзогазом. Такая атмосфера применяется в основном для снижения углеродного потенциала в цементационных печах, продувки печей, отжига некоторых сплавов на медной основе и т. д. В зависимости от степени очистки и коэффициента избытка воздуха из продуктов сжигания может быть получен бедный очищенный, богатый очищенный и богатый неочищенный экзогаз (их составы

234

приведены в табл. 7.6). В экзогенераторах газ сжигают в топках, а последующее охлаждение продуктов горения производят в холо­ дильниках контактного типа (скрубберах) или трубчатых теплооб­ менниках. Топки генераторов обычно работают под некоторым из­ быточным давлением (до 1000— 1500 мм вод. ст.), равным сумме сопротивлений внутреннего тракта генератора, трубопроводов от генератора до печей и газовых вводов. Для приготовления газовоз­ душной смеси применяют такие же смесители, как в эндогенерато­ рах (с мембранным устройством и поворотным стаканом), смесители инжекционного типа (инспираторы) и др.

В зависимости от требований к конечному влагосодержанию газа применяют различные методы осушки. Охлаждение проточной водой в трубчатых холодильниках и скрубберах (последние приме­ няются также в тех случаях, когда нужно отмыть газ) обеспечивает влагосодержание, соответствующее температуре точки росы пример­ но 15—20° С. Более глубокое охлаждение возможно при использова­ нии фреоновых холодильников. Чтобы получить экзогаз с отрица­ тельной температурой точки росы, обычно используют колонки с адсорбентами.

Процессы адсорбции обратимы и избирательны. Поглощающая способность на границе газ — адсорбент обусловлена неуравнове­ шенностью сил молекулярного притяжения. Поверхность адсорбен­ та — пористого вещества очень велика. Поверхность 1 г силикагеля достигает 500 м2. Адсорбция — экзотермический процесс. При опре­ деленном времени контакта адсорбента с газом наступает адсорб­ ционное равновесие. Соотношение между концентрацией влаги в газе и адсорбенте при равновесии зависит от температуры и дав­ ления. Адсорбция ускоряется при понижении температуры и повы­ шении давления. На процесс десорбции эти же факторы влияют в обратном порядке. Десорбция применяется для восстановления поглотительной способности адсорбента.

В качестве адсорбентов в экзогенераторах используют силика­ гель или активную окись алюминия. Силикагель (продукт обезвожи­ вания геля кремниевой кислоты) представляет собой стекловидную массу с высокой однородной пористостью. В зависимости от вели­ чины пор насыпной вес силикагеля изменяется от 400—500 кг/м3 для крупнопористых частиц и до 700 кг/м3 для мелкопористых. Размер зерен силикагеля может быть различным (обычно менее 6—7 мм).

Зернистый адсорбент помещают в адсорберы — вертикальные теплоизолированные колонки, снабженные решетками для укладки зерен и водоохлаждаемыми трубами для отвода тепла после реге­ нерации нагретым до температуры десорбции воздухом или готовым (осушенным) газом. Влажный газ на адсорбцию подается сверху вниз, а нагретый (регенерирующий) — в обратном направлении. При непрерывной работе генератора применяют два адсорбера: один находится на рабочем режиме, другой — на регенерации.

Очистку газов от СОг в экзогенераторах часто осуществляют жидкими сорбентами. В качестве поглотителя может использоваться

235

водный раствор моноэтаноламина (МЭА), который образует с дву­ окисью углерода нестойкие соединения:

кает справа налево, С02 выделяется и удаляется. Регенерированный раствор после охлаждения может быть вновь использован для ад­ сорбции углекислоты. Следует отметить, что раствор моноэтанола­ мина применяют также для очистки газа от сероводорода. Очистка моноэтаноламином производится в абсорбционных колонках, запол­ ненных насадкой (в качестве насадки применяют фарфоровые коль­ ца Рашига или высокоглиноземистые седла Берля). Газ движется снизу, а сверху по насадке стекает водный раствор моноэтанола­ мина. Для определения объема насадки можно воспользоваться соотношением [78]

„(xi—xz) V?

У нас— > (9.8)

где Xj и а'2— объемные доли С 02 в газе до и после абсорбции;

Ѵг — расход газа, подлежащего очистке;

k&— коэффициент абсорбции СО?, равный количеству С02 в 1 м3/ч, приходящемуся на 1 м3 раствора при_средне-

логарифмической движущей силе адсорбции Дра, рав­ ной 1 ати.

Величина ka равна 200—300 1/ч-ати при использовании колец Рашига и 7— 10%-ного раствора МЭА; 1000—1200 1 /ч-ати — для седловидной насадки с применением 28—30%-ной концентрации раствора [78].

Средняя движущая сила абсорбции

Вследствие малости величины рж' и рж" можно считать равны­ ми нулю.

В последнее время получают распространение экзотермические генераторы, в которых очистка от С02 и одновременно глубокая осушка производится цеолитами или, как их иногда называют, моле­ кулярными ситами. Такой метод очистки проще, чем метод очистки ' жидким сорбентом, а основанные на этом способе генераторы отли­ чаются компактностью и сравнительно небольшими габаритами.

236