Файл: Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 117
Скачиваний: 0
Принимая, что тепло передается от поверхности только реагирующей смеси, и учитывая, что в этом слу чае коэффициенты теплоотдачи н массоотдачи выража ются через критерий Нуссельта a— и Шервуда
/о ShD \
р = , соответственно получаем
T n - T r |
= ^-.-^qAC, |
|
(V-40) |
|
|
Nu |
X |
|
|
что тождественно уравнению |
|
|||
Тп—Тг |
= — |
. — |
. ^ , |
(V-41) |
|
Nu |
ат |
Ср р |
|
где D —коэффициент диффузии кислорода; Я —теплопроводность газовой смеси;. ср —теплоемкость ее; р — плотность ее;
а?— коэффициент температуропроводности.
Величина Л^£- представляет собой максимально воз-
можную температуру газа Та при адиабатном |
протека |
|||||||
нии процесса. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение |
(V-41) |
можно поэтому написать так: |
|
|||||
Т п - Т г = |
^ - . - ^ - Т а . |
|
|
|
|
(V-41') |
||
|
Nu |
ат |
|
|
|
|
|
|
Критерии |
Нуссельта |
и Шервуда связаны |
с критериями |
|||||
Рейнольдса и Прандтля |
зависимостью |
|
|
|
||||
Nu(Sh) = kRemPr". |
|
|
|
|
|
(V-42) |
||
Приняв in, k и а одинаковыми для условий |
теплопе |
|||||||
редачи (Nu) и диффузии |
(Sh), получим |
|
|
|
||||
Nu = k Rem |
|
( |
^ |
- |
J |
( |
г |
) |
Sh = kRe" |
|
|
|
|
|
|
(д) |
|
Тогда уравнение. (V-41) можно |
переписать |
следую |
||||||
щим образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а - Т г = |
(—)1~"та. |
|
|
|
|
|
(V-43) |
|
6* |
|
|
|
|
|
|
83 |
|
Значение ti зависит от гидродинамических |
условий. |
|||||||||||||
В большинстве случаев [25] оно |
может быть |
|
принято |
|||||||||||
близким к '/з, т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Тп~Тг= |
( - ^ ) 7 |
Х - |
|
|
|
|
|
|
|
|
(V-44) |
|||
Оценим, например, температуру на поверхности ка |
||||||||||||||
тализатора |
при |
содержании |
в азоте 3% |
кислорода и |
||||||||||
при |
температуре |
Тн газовой |
смеси на входе в слой, рав |
|||||||||||
н о й - 1 0 0 ° С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Температура |
газа в результате |
протекания |
реакции |
|||||||||||
(V-37) |
составит |
при |
средней |
объемной |
теплоемкости |
|||||||||
реакционной смеси 0,322 ккал/ |
(м3 -°С) |
|
|
|
|
|||||||||
|
5180-0,03 = |
|
4 8 5 о С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
0,322 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда средняя температура |
газа в конце начального слоя |
|||||||||||||
катализатора |
составит |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
т = |
(485 + |
100) + |
100 _ |
3 4 3 0 |
с |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Коэффициент |
диффузии |
D кислорода |
в |
азоте при |
|||||||||
температуре 343°С равен |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
D = |
0,181 -0,36 |
/ 2734-_343 3/-2 _ |
|
2 |
2 . |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
I, |
273 |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
Температуропроводность |
|
азота |
при |
343°С |
равна |
|||||||||
0,278 м2 /ч и поэтому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Тл |
= 343 + (-b£L )2 / 3 485 = |
758° С. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
\ 0,278 / |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Верхний |
|
предел |
температуры для |
Pd-катализатора |
|||||||||
составляет |
500° С, а |
для |
никелевого |
350—400° С [26]. |
||||||||||
Поэтому использование этих катализаторов в рассмат
риваемом |
случае |
(3% 0 2 ) |
приведет к их дезактивации. |
Это наглядно |
выявлено |
на реакционном аппарате |
|
агрегата |
типа THN-400 с |
палладиевым катализатором |
|
(рис. 23). Из кривых распределения температур в слое, снятых после года и полутора лет работы, видно, что
начальный слой перемещается |
в направлении |
движе |
ния газа. |
|
|
Несмотря на то что проектом |
Стальпроекта |
преду |
смотрен десятикратный запас, 35—40% катализатора в верхней части аппарата не участвуют в реакции [27].
84
В агрегатах типа THN-800 конструкции Стальпроекта с целью увеличения срока службы палладиевого катали затора предусмотрена система циркуляции готового газа, которая подключается в работу при значениях концентрации кислорода в техническом азоте, превыша ющих 2%. Это определяется оптимальной температурой для палладиевого катализатора (250—350°С), что соот-
Температура, X
Рис. 23. Иллюстрация процесса дезактивации |
катализатора: |
|
|
||||||||
А, |
Б — распределение |
температуры |
|
по |
высоте |
реакционного |
аппарата |
||||
производительностью -100 м3 /ч после |
1,5 |
лет |
работы; В — т о |
ж е , |
после |
||||||
года работы; с о д е р ж а н и е |
кислорода |
в |
техническом азоте |
во время |
опы |
||||||
та |
соответственно 1,1; |
2,0 |
и 2,0%; |
Л' |
— у р о в е н ь |
засыпки |
катализатора |
||||
ветствуетсодержанию 1,5—2,2% кислорода в техничес ком азоте.
Кратность циркуляции выбирается с учетом получе
ния указанной оптимальной |
температуры. Так, уже при |
|||||
содержании в |
техническом |
азоте 3% 0 2 |
и |
производи |
||
тельности |
800 |
м3 /ч через контактный |
аппарат, |
холо |
||
дильник |
и газодувку должно проходить |
1380 |
м3 /ч |
газа |
||
(из них 580 м3 /ч газа циркулирует). В этом случае тем пература в слое катализатора будет на уровне 300°С. Использование системы циркуляции намного увеличива ет габариты оборудования, поскольку возникает необ ходимость в обеспечении транспортирования, очистки и охлаждения больших количеств газа. Заметно удорожа ются при этом капитальные вложения.
Этим обстоятельством был вызван поиск других пу тей, позволяющих избежать циркуляцию очищенного газа при повышенных концентрациях кислорода.
8S
Центр оэнер гочер м ето м |
р а з р аботаны |
Ni—Си |
катали- |
||||||||
заторы |
[28] |
(ЦЭЧМ-И) |
и |
Ni—Сг |
катализаторы |
||||||
|
|
|
|
(ЦЭЧМ-Ш), для ко |
|||||||
|
|
|
|
торых |
верхний |
пре |
|||||
|
|
|
|
дел |
|
температуры |
|||||
|
|
|
|
составляет |
900 |
и |
|||||
|
|
|
|
1100°С |
|
соответст |
|||||
|
|
|
|
венно. Катализаторы |
|||||||
|
|
|
|
ЦЭЧМ-П |
и |
ЦЭЧМ- |
|||||
|
|
|
|
I I I |
можно |
использо |
|||||
|
|
|
|
вать в широком диа |
|||||||
|
|
|
|
пазоне |
|
концентра |
|||||
|
|
|
|
ций |
кислорода |
в |
га |
||||
|
|
|
|
зах. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
газов, |
со |
|||||
|
|
|
|
держащих |
более 2% |
||||||
|
|
|
|
кислорода, |
|
Центро- |
|||||
|
|
|
|
энергочерметом |
раз |
||||||
|
|
|
|
работаны |
и |
освоены |
|||||
|
|
|
|
специальные |
|
реак |
|||||
|
|
|
|
ционные |
аппараты. |
||||||
|
|
|
|
На |
рис. 24 |
показан |
|||||
|
|
|
|
реакционный |
|
аппа |
|||||
|
|
|
|
рат |
производитель |
||||||
|
|
|
|
ности 450 м3 /ч. |
|
|
|||||
|
|
|
|
Внутренняя |
тру |
||||||
|
|
|
|
ба |
с |
дросселирую |
|||||
|
|
|
|
щей |
заслонкой |
поз |
|||||
|
|
|
|
воляет |
в |
зависимо |
|||||
|
|
|
|
сти |
от |
содержания |
|||||
|
|
|
|
кислорода в очищае |
|||||||
|
|
|
|
мом |
газе |
регулиро |
|||||
|
|
|
|
вать |
отвод |
тепла |
из |
||||
|
|
|
|
зоны реакции. |
|
|
|||||
|
|
|
|
Кроме того* в ре |
|||||||
|
|
|
|
акционных |
|
аппара |
|||||
|
|
|
|
тах |
|
конструкции |
|||||
|
|
|
|
Центроэнергочерме- |
|||||||
|
|
|
|
та |
применена |
ори |
|||||
|
|
|
|
гинальная |
|
засыпка |
|||||
Рис. 24. Реакционный аппарат с регулируе |
катализатора. |
|
На |
||||||||
чальный слой (лобо-» |
|||||||||||
мым теплоотводом: |
|
|
|||||||||
I — труба |
с дросселем для просасывания |
вая |
часть)f |
разбав |
|||||||
холодного |
воздуха; |
2 — реактор; 3 — к а т а |
лен |
крупными |
зер- |
||||||
лизатор |
|
|
|
||||||||
86
нами шамота или другого инертного керамического но сителя. Этим повышается температуропроводность слоя, [см. уравнение (V-34)] и удлиняется протяженность ре акционной зоны (снижается объемная тепловая напря женность). Размещение катализатора в кольцевом слое также способствует увеличению температуропроводно сти слоя.
Всовокупности реакционные аппараты с указанным заполнением катализатора позволяют интенсифициро вать теплоотвод из зоны реакции и, следовательно, сни зить температуру газа в объеме и связанную с ней тем пературу на поверхности катализатора.
Вслучае применения аппаратов подобной конструк ции и принципа разбавления катализатора в начальном слое можно также расширить диапазон допустимых
концентраций |
кислорода |
в газе при |
использовании Pd, |
|||||
Pt или Ni катализаторов. |
|
|
|
|
|
|||
В табл. 9 приведены |
показатели |
работы |
реакционно |
|||||
го аппарата, |
заполненного |
катализатором |
ЦЭЧМ-П |
в |
||||
момент пуска и после полуторагодичной работы. |
|
|||||||
Показатели работы реакционного |
аппарата |
|
Т а б л и ц а |
9 |
||||
|
|
|
||||||
с катализатором ЦЭЧ1У\ |
|
|
|
|
|
|||
|
Содержа |
Макси |
Содержание |
|
|
|
||
Произво |
ние кис |
мальная |
|
|
|
|||
дитель |
л о р о д а |
в |
темпера |
кислорода |
|
|
|
|
ность, |
т е х н и ч е с |
тура |
после р а з |
Время работы |
|
|||
м'/ч |
ком азоте . |
в объеме, |
бавленного |
|
|
|
||
|
% |
|
"С |
слоя, % |
|
|
|
|
120 |
3,1 |
|
580 |
0,0052 |
Начало |
работы |
|
|
180 |
2,5 |
|
480 |
0,0052 |
» |
» |
|
|
140 |
3,7 |
|
|
0,0052 |
После 1,5 лет работы |
|
||
Данные таблицы подтверждают, что катализатор сохранил свою термоустойчивость (отсутствует переме щение лобовой зоны реакции).
Определение объема катализатора. Объем катализа тора определяют по уравнению (V-16) и удваивают для обеспечения надежности при многолетней работе.
Коэффициент массопереноса |3 вычисляют: для чисел i?e>30 по уравнению
= 0.395Я е"'6" Sc°'3\ |
(V-45) |
aD
87