Реферат: До курсового проектування за курсом "Моделювання І прогнозування стану навколишнього середовища" для студентів 4 курсу хіміко-технологічного факультету / Уклад

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Одеський національний політехнічний університет

ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ





до курсового проектування за курсом

"МОДЕЛЮВАННЯ І ПРОГНОЗУВАННЯ СТАНУ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА"

для студентів 4 курсу хіміко-технологічного факультету


Одеса – 2003

Методичні вказівки до курсового проектування за курсом "Моделювання і прогнозування стану навколишнього середовища" для студентів 4 курсу хіміко-технологічного факультету / Уклад. В.І. Луговський, В.М. Білоус, В.В.Брем, К.А.Васютинська – Одеса: ОНПУ, 2003 – 50 с.



Укладачi:

доц. кафедри ОФТ, к.т.н. Луговський Валентин Іванович,

доц. кафедри ОФТ, к.х.н. Білоус Віктор Михайлович,

доц. кафедри ТНРЕ, к.х.н. Брем Володимир Вікторович

доц. кафедри ТНРЕ, к.х.н. Васютинська Катерина Анатолівна



^ Відповідальний за випуск д.т.н., проф. Кожухар В.Я.


Затверджено методичною комісією хіміко-технологічного факультету ОНПУ


Спонсор видання Одеський припортовий завод




ЗМІСТ


ВСТУП 5

^ 1. СТРУКТУРА КУРСОВОЇ РОБОТИ 5

2. ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКІВ НА ПЕОМ 7

3. МОДЕЛЮВАННЯ І АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ КАТАЛІТИЧНОЇ ОЧИСТКИ в СТАЦІОНАРНИХ УМОВАХ 9

3.1. Математична модель і методика розрахунку каталітичного процесу 9

3.2. Визначення параметрів теплообмінника-рекуператора 14

3.3. Аналіз автотермічного режиму 15

3.4. Аналіз схеми з додатковим підігрівом суміші 16

3.5. Аналіз схеми з підживленням пального компонента 17

^ 4. НЕСТАЦІОНАРНИЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ГАЗІВ (РЕВЕРС-ПРОЦЕС) 18

4.1. Особливості реверса-процесу 18

4.2. Математичний опис реверс-процесу 22

4.3. Вплив технологічних параметрів на характеристики реверс - процесу 24

^ 5. ОЦІНКА ЕКОЛОГО-ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ ГАЗООЧИЩЕННЯ 26

5.1. Розрахунок екологічного ефекту 26

5.2. Розрахунок витрат на впровадження та економічної ефективності очисних споруджень 27

Кожухотрубчастий теплообмінник 29

^ 6. ПРИКЛАД ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКІВ 31

6.1. Розрахунок і аналіз схем каталітичного газоочищення з реакторами, що працюють у стаціонарному режимі 31

6.1.1. Розрахунок схеми з автотермічними умовами проведення процесу 31

6.1.2. Розрахунок схеми з додатковим підігрівом суміші 34

6.1.3. Розрахунок схеми з підживленням суміші, що очищається 35

6.2. Розрахунки теплообмінників-рекуператорів 40

6.2.1. Вибір стандартних теплообмінників 40

6.2.2. Перевірочні розрахунки стандартних теплообмінників 41

6.3. Порівняння схем каталітичного газоочищення з реакторами, 44

працюючими в стаціонарному режимі 44

6. 4. Розрахунок і аналіз схем каталітичного газоочищення з реакторами, що працюють у нестаціонарному режимі (реверс-процес) 45

6.5. Розрахунок еколого-економічної ефективності схем каталітичного газоочищення 49

6.5.1. Розрахунок екологічного ефекту 49

6.5.2. Розрахунок економічної ефективності очисних споруджень 50

7. Рекомендована література 54

ДОДАТКИ 55



ВСТУП

Курсова робота присвячена моделюванню і аналізу процесу каталітичного очищення газових викидів промислових підприємств. Виконуючи дану роботу, студенти проводять основні розрахунки на ЕОМ, використовуючи програмні модулі розрахунків по математичним моделям основних типів хімічних реакторів, а також інших апаратів і хіміко-технологічних схем.

У процесі виконання курсової роботи вирішуються наступні задачі.

Перша – моделювання процесу очистки в каталітичному реакторі, що працює в стаціонарному режимі. Розглядаються варіанти автотермічного і неавтотермічного здійснення процесу з додатковим підігрівом, а також при додаванні у вхідну суміш різних компонентів, що окислюються. З досліджених трьох варіантів вибирається той, котрий має найкращі техніко-економічні показники.

Друга задача полягає в моделюванні роботи установки для очистки газових викидів, що працює в нестаціонарному режимі, дослідженні впливу основних параметрів реверс-процесу на умови його здійснення і виборі оптимального варіанта.

У висновку необхідно порівняти два способи каталітичного очищення промислових газових викидів у стаціонарних умовах і в нестаціонарному режимі по основним характеристикам установок.

Знайомлячись із сучасними методами, студенти закріплюють навички практичного застосування методів математичного моделювання для прогнозування стану навколишнього середовища, методів обчислювальної математики, а також банку прикладних програм в інженерних розрахунках, навчаються аналізувати та узагальнювати отримані результати при рішенні конкретних задач по використанню каталітичних методів захисту повітряного басейну.

Курсова робота виконується за індивідуальними завданнями.


^ 1. СТРУКТУРА КУРСОВОЇ РОБОТИ

При виконанні курсової роботи студенту необхідно:

розглянути можливі варіанти здійснення процесу каталітичного очищення газових викидів заданого складу; підібрати математичні моделі, що описують процеси в апаратах; ознайомиться з необхідними прикладними програмами;

по початковим даним, виданим у завданні, розрахувати приведені концентрації і вибрати компонент, який окислюється з найменшою швидкістю;

провести математичне моделювання установки очистки газових викидів з реактором газоочищення, що працює в стаціонарному режимі; розглянути і порівняти варіанти неавтотермічного здійснення процесу з додатковим підігрівом і автотермічного режиму з додаванням у вхідну суміш різних компонентів, що окислюються. Для кожного з варіантів оцінюються основні характеристики установки, додаткові витрати палива та інших показників для обґрунтування вибору найкращого варіанта. Розрахунки проводяться для двох із трьох температурних режимів (за вказівкою викладача). Для всіх варіантів здійснення процесу газоочищення в стаціонарних умовах необхідно визначити основні показники реактора при ступені перетворення 0,995 ± 0,001. Як підживлення використовуються задані види палива;

провести математичне моделювання установки очистки газових викидів з реактором газоочищення, що працює в нестаціонарному режимі, досліджувати вплив основних характеристик реверс-процесу (лінійна швидкість суміші, час переключення, висота шарів каталізатора й інертного засипання) на умови його здійснення і вибрати найкращий варіант;

виконати оцінку еколого-економічної ефективності різних систем газоочищення;

порівняти два способи каталітичного очищення газових викидів з використанням каталітичних реакторів, що працюють у стаціонарних умовах і в нестаціонарному режимі по основним характеристикам установок.

Курсова робота оформляється у вигляді пояснювальної записки відповідно до вимог, прийнятими в ОНПУ.

Пояснювальна записка повинна містити в собі: титульний лист; завдання на проектування; зміст; вступ; короткий опис основних методів очистки газових викидів і принципових схем каталітичних методів очистки [1–5]; математичні моделі апаратів [6–10], характеристику розрахункових методів, алгоритмів і використаних прикладних програм; результати математичного моделювання всіх схем з докладним аналізом отриманих результатів і обґрунтуванням запропонованих рішень; визначення основних характеристик реактора і теплообмінника-рекуператора для різних варіантів; оцінку еколого-економічної ефективності різних систем газоочищення; висновок; список використаних джерел; додатка (по необхідності). У тексті пояснювальної записки, що розбивається на розділи і підрозділи, докладно описуються результати моделювання роботи установки для кожного з розглянутих варіантів реалізації процесу, їх аналіз, порівняння та аргументація обираних рішень на всіх етапах, приводяться принципові схеми установок, графіки зміни температури і ступеня перетворення від часу контакту для обраних варіантів. У графічній частині необхідно привести технологічні схеми реалізації процесу каталітичного очищення газових викидів у стаціонарних і нестаціонарних умовах; графіки зміни температур і ступенів перетворення від часу контакту для стаціонарно працюючих схем газоочищення; профілі температур і ступенів перетворення для різних моментів часу в реакторі реверс-процесу. При описі результатів моделювання не потрібно приводити рекомендації з методичних указівок, а конкретно показати в тексті пояснювальної записки, як і з якою метою змінювалися керуючі параметри. Основні результати розрахунків на ЕОМ приводяться в таблицях. Однак приведення одних таблиць недостатньо. У тексті пояснювальної записки обов'язково повинні бути пояснені отримані результати і прийняті рішення в результаті аналізу.

Наприкінці кожного розділу приводяться висновки, що підкреслюють найбільш важливі технологічні параметри і розміри каталітичного шару, установлювані на кожнім етапі розрахунків.

Об'єм пояснювальної записки — 35–50 аркушів рукописного чи 20–30 аркушів машинописного тексту


^ 2. ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКІВ НА ПЕОМ

Для виконання розрахунків на ПЕОМ використовуються програмні комплекси “GAZO.EXE”, “EKTEPL.EXE” і “REVERS.EXE”.

GAZO.EXE — програмний комплекс, призначений для розрахунку адіабатичного реактора процесу очищення газових викидів на окисному мідно-хромовому каталізаторі ИКТ-12-8 для 18 токсичних компонентів. Вихідні дані вводяться з головної панелі. Спочатку вибирається компонент, що окисляється. Для цього курсор встановлюють у поле «РЕЧОВИНА», після чого натискають «ENTER». У головному меню з'являється додаткова панель зі списком компонентів. Вибравши потрібну речовину й установивши на нього курсор, знову натискають «ENTER». У головній панелі в поле «РЕЧОВИНА» фіксується обраний компонент. Після цього вводяться у відповідні поля наступні вихідні дані:

температура на вході, С;

концентрація на вході, % об'ємні;

час контакту, с.

У файлі результатів на екран видаються профілі температур, концентрацій і ступенів перетворення по реактору в залежності від часу контакту.


EKTEPL.EXE — програмний комплекс, призначений для розрахунку теплообмінників типу ТН, ТК, ХН, КН, КК, а також типу "труба в трубі". У даній курсовій роботі використовується програма CALFT1. Ця програма дозволяє розрахувати теплообмінник у тих випадках, коли агрегатний стан теплоносіїв не змінюється. Використовувані в розрахунку позначення величин наступні:

^ Характеристика теплоносія у трубному просторі

G1

Масова витрата

Кг/с










Т1Н

Початкова температура

К

Т1К

Кінцева температура

К

RO1

Густина

Кг/м3

DM1

В'язкість

Пас

AL1

Теплопровідність



C1

Питома теплоємність

Дж /

(кгК)


^ Характеристика теплоносія у міжтрубному просторі

G2

Масова витрата

Кг/с










Т2Н

Початкова температура

К

Т2К

Кінцева температура

К

RO2

Густина

Кг/м3

DM2

В'язкість

Пас

AL2

Теплопровідність



C2

Питома теплоємність

Дж /

(кгК)

^ Характеристики теплообмінника

F

Площа поверхні

м2

NT

Число трубок

шт

DH

Зовнішній діаметр трубок

м

DEL

Товщина стінок трубок

м

TL

Довжина трубок

м

DK

Внутрішній діаметр

м

ST

Шаг між трубками

м

NP

Число перегородок

шт

NX

Число ходів

шт










SUMR

Сумарний термічний опір забруднень

м2К/Вт

KT

Коефіцієнт, що визначає напрямок руху теплоносіїв


При відсутності перегородок у міжтрубному просторі вводиться NP=0, при відомому значенні числа перегородок вводиться їхнє число. Якщо задано NP=1, число перегородок розраховується, виходячи з відстані між ними рівному 0,4–1,0 м.

Для визначення обраного напрямку руху теплоносіїв використовується коефіцієнт KT. Для прямотока KT=0, для противотока KT=1.


REVERS.EXE — програмний комплекс, призначений для розрахунку процесу каталітичного газоочищення в нестаціонарному режимі. Вихідні дані для розрахунків записуються в окремому файлі WWOD.DAT. Для спрощення уведення вихідної інформації можна використовувати такий спосіб. З диска Z директорії LABS\KR_GAZO на свій робочий диск Т копіюється файл WWOD.DAT. У нього вносяться свої вихідні дані.

Для обраного компонента з табл. 3 додатка в перший рядок вносяться значення: константа швидкості ДО10Ц = ДО20Ц — 1/с; енергія активації Е1Ц=Е2Ц — ккал/моль. У передостанньому рядку вводиться значення температури початкового розігріву шару ТНАЧ – C.

В останньому рядку вводяться наступні значення:

час переключення (напівциклу) ТПЕР – хв;

адіабатичний розігрів DTAD1 = DTAD2= ΔТад / 2 – град;

лінійна швидкість суміші UЛИН – м/с;

температура входу ТВХ – C;

висота шару каталізатора НКАТ – м;

загальна висота шару інертного засипання НІ – м.

Інші значення не змінюються.

Після підготовки вихідних даних необхідно запустити програму на виконання. Для цього в командному рядку варто набрати

revers.exe wwod.dat (ім'я файлу з результатами)

На початку файлу результатів друкуються уведені вихідні дані. Потім розміщається таблиця, у якій для кожного напівциклу друкуються:

температура на виході з реактора (ТВЫХ) – C,

максимальна температура (ТМАХ) – C,

середня за напівцикл ступінь перетворення (Х1ВИЫХ) – частки,

гідравлічний опір реактора (ММ.Н2ПРО) – мм. вод. ст., а також інша інформація.

Через визначену кількість переключень, що задається у вихідних даних змінної PRINT, на друк видаються профілі температур і ступенів перетворення по реактору. У таблицю результатів варто вносити значення цих параметрів для режиму, що встановився.

Програмні комплекси “GAZO.EXE”, “EKTEPL.EXE” і “REVERS.EXE” знаходяться на Z диску в директорії LABS. Для їхнього використання необхідно скопіювати на свій робочий диск (T).

У пояснювальній записці повинно бути приведено докладний опис програм, що використовуються в роботі – математична модель, використаний розрахунковий метод, алгоритм рішення чи блок-схема.


^ 3. МОДЕЛЮВАННЯ І АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ КАТАЛІТИЧНОЇ ОЧИСТКИ в СТАЦІОНАРНИХ УМОВАХ
У технології очистки газових викидів широко використовується каталітичний процес на нерухомому зернистому каталізаторі, що протікає в стаціонарних умовах з незмінними в часі параметрами в кожній точці реакційного простору. У залежності від складу газової суміші, що очищається, стаціонарний процес можна здійснити в найбільш економічному автотермічному режимі без використання додаткових джерел тепла чи в режимах, що вимагають витрат палива на нагрівання суміші в печі або введення його в газову суміш.

^ 3.1. Математична модель і методика розрахунку каталітичного процесу

Основну реакцію глибокого окислювання компонентів газоповітряних сумішей можна проводити на промислових каталізаторах з достатньою швидкістю в інтервалі температур від 200–250 С до граничної температури термостійкості каталізатора, що знаходитися в межах 650–750 С.

Для мідно-хромового каталізатора ИКТ-12-8, що широко використовується в різних установках газоочищення, припустимий інтервал роботи складає 250–750 С.

Каталітичний процес як правило здійснюється в адіабатичних умовах, коли за рахунок тепла, що виділяється під час реакції, температура суміші в шарі каталізатора поступово підвищується і на вході складає

Твих = Твх + Тад x,

(3.1)

де Твх ,Твих – температури на вході і на виході із шару каталізатора, С;

х – ступінь перетворення, частки;

Тад = (–H)c0i/(cpcм  см) – адіабатичний розігрів реакційної суміші при ступені перетворення х = 1;

H – зміна ентальпії реакції глибокого окислювання, Дж /моль;

c0 – концентрація компонента у вихідній суміші , моль /м3;

cpcм – питома теплоємність вихідної суміші, Дж/ (кг  К);

см– густина вихідної суміші, кг/м3.

Температурний режим процесу (Твих і Твх) вибирають з урахуванням обмежень – температура на вході в шар повинна бути вище нижньої межі, а температура на виході не повинна перевищити межу термостійкості каталізатора. Температурний режим у шарі умовно називають низькотемпературним, якщо температура входу близька до нижньої межі, і високотемпературним, коли температура виходу близька до верхньої межі.

Основною ланкою системи газоочищення є контактний вузол, що складається з каталітичного реактора адіабатичного типу з нерухомим шаром каталізатора і теплообмінника-рекуператора. Як правило для процесу каталітичного знешкодження використовується одношаровий адіабатичний реактор. Необхідне число шарів каталізатора визначається з відношення сумарного адіабатичного розігріву вихідної реакційної суміші до припустимого температурного інтервалу роботи каталізатора. У рекуперативному теплообміннику вихідну суміш нагрівають реакційною сумішшю, що виходить з реактора, і в таким чином корисно використовують велику частину теплоти реакції, що виділяється в реакторі.

Технологічна схема каталітичного знешкодження приведена на мал. 3.1.

Автотермічне проведення процесу очистки без використання підігрівника (3) можливо при вмісті пальних домішок порядку 5–10 г/м3 (адіабатичний розігрів таких сумішей дорівнює 150–300 С), а при меншому їхньому вмісті для прогріву суміші до температури початку реакції окислювання необхідно використовувати постійне додаткове підведення тепла від стороннього теплоносія в апараті (3).

Можна виключити додаткове джерело тепла (3) і при низькому вмісті пальних компонентів, але в цих випадках для забезпечення автотермічного проведення процесу в суміш, що очищається, додають який-небудь пальний компонент (природний газ або рідке паливо) у такій кількості, щоб при каталітичному окислюванні забезпечило б необхідний адіабатичний розігрів (потік палива на підживлення).

Технологічні параметри основних апаратів схеми (1, 2, 3) різні для кожного з розглянутих режимів, отже, і витрати на очистку суміші будуть неоднаковими.





^ Рис. 3.1. Принципова технологічна схема процесу каталітичної очистки:

1 — газодувка; 2 — рекуперативний теплообмінник; 3 — джерело тепла; 4 — каталітичний реактор; A — газ на очистку; Б — очищений газ; В — паливо


Для вибору найбільш економічного режиму роботи схеми потрібно виконати розрахунки виробничих витрат з обліком капітальних і експлуатаційних витрат, для чого необхідно мати додаткові вихідні дані по вартості палива, каталізатора, устаткування та ін.

Для розрахунку стаціонарних режимів у шарі каталізатора використовується модель ідеального витиснення. Рівняння матеріального та енергетичного балансів мають вид:

,


(3.2)

,


(3.3)

де U – лінійна швидкість суміші, м/с;

W– швидкість хімічного перетворення, 1/с;

T, Ci – поточні значення температури і концентрації i-го компонента, відповідно, К та % об.;

Ср, Са – теплоємність газової суміші і реакційного об’єму, відповідно, кДж/(кгК) та кДж/(м3К);

ρ – густина газової суміші, кг/м3;

ΔΗ – зміна ентальпії, кдж/м3;

t – час, с;

Z – поточна координата, м.

Рівняння кінетики в загальному випадку виражається наступною залежністю:



(3.4)

де – вектор концентрації {C1, C2, ..., Cn}.

У математичну модель РІВ входять також граничні і початкові умови, а також обмеження. Граничні умови для РІВ – умови протікання процесу на вході в шар:

Z = 0: C = Cвx; T = Tвx

(3.5)

Початкові умови встановлюють значення концентрації і температури в реакторі в початковий момент часу.

t = 0: C = C(Z); T = T(Z)

(3.6)

Обмеження:

Tmin < T < Tmax ; Cmin < C < Cmax; і ін.

(3.7)

Система рівнянь (3.2–3.7) являє собою математичний опис РІВ у розмірній формі. При описі стаціонарних режимів у рівняннях балансів (3.2 і 3.3) похідні за часом (праві частини) прирівнюються нулю.

Розрахунок процесу газоочищення проводиться з використанням програмного комплексу GAZO.

Система рівнянь (3.2–3.7) вирішується методом Рунге–Кутта четвертого порядку точності з автоматичним вибором величини кроку по координаті. Індекс процесу в програмі GAZO вибирається по обраному компоненту, вводяться вихідні дані і розраховуються поля концентрацій і температур у шарі каталізатора.

За результатами розрахунків на ЕОМ підбирають параметри роботи шару каталізатора – температуру суміші на вході (Твх) і час контакту (к) при яких досягається потрібний ступінь окислювання, створюється той чи інший температурний режим (високо- чи низькотемпературний) і обов'язково виконується умова по термостійкості каталізатора (Твих<Тдоп).

При виконанні розрахунку в тому чи іншому режимі у вихідних даних вводитися орієнтований час контакту для адіабатичного шару. Його варто задавати на початку свідомо більшим, ніж потрібно, наприклад 1,0 с. У подальших розрахунках використовують точну величину часу контакту. Такий підхід дозволяє зменшити кількість розрахунків і більш точно визначати параметри роботи шару каталізатора. При аналізі отриманих результатів для адіабатичного шару вибирається такий час контакту, при якому досягається заданий ступінь перетворення для даного шару. При цьому необхідно пам'ятати, що температура в шарі каталізатора не повинна перевищувати припустиму величину по термостійкості каталізатора. Розрахунок кожного наступного варіанта потрібно виконувати, проаналізувавши результати попереднього. Якщо для розглянутого варіанта температура в адіабатичному шарі перевищує припустиму, необхідно продовжити розрахунки варіантів, зменшуючи вхідну температуру, а якщо температура в шарі виявляється набагато нижче припустимою – збільшуючи її.

Завантаження каталізатора в реактор визначають за часом контакту (к) і заданій об'ємній подачі суміші (Vсм)

Vк = к Vсм .

(3.8)

При моделюванні процесу очистки газоповітряних сумішей, що містять цілий ряд компонентів, варто враховувати наступне. При окислюванні можливий їхній різний вплив на швидкість хімічного перетворення. Через різноманіття сполучення різних компонентів у більшості випадків не представляється можливим побудова надійних кінетичних моделей. У той же час маються кінетичні рівняння окислювання окремих компонентів.

Моделювати процес очистки багатокомпонентної суміші можна на спрощеній моделі – однокомпонентної суміші. Подібність між реальним процесом і моделлю буде зберігатися, якщо будуть однакові поля температур. Для процесу, що протікає в адіабатичному шарі каталізатора, справедливе співвідношення (3.1).

Як випливає з (3.1), при однакових значеннях температур на вході Твх для досягнення рівних температур виходу необхідно, щоб:

(Тад x) р.с. = (Тад x) м ,

(3.9)

де індекс р.с. відноситься до реальної суміші, а індекс м. – до модельної суміші.

Тому що потрібно домогтися практично повного ступеня перетворення, то можна прийняти х=1. Тоді замість (3.9) одержимо:

(Тад) р.с. = (Тад) м.

(3.10)

Адіабатичний розігрів реальної суміші при повному окислюванні всіх n компонентів реальної суміші розраховується по формулі

() р.с.= ,


(3.11)

де Тад i,о– адіабатичний розігрів реакційної суміші при повному окислюванні і-го компонента при його концентрації, рівної 1 % (об.);

Тад i – адіабатичний розігрів реакційної суміші при заданому ступені перетворення i-го компонента xi,

с i,o– концентрація і-го компонента у вихідній суміші, % (об.).

Потім визначається концентрація одного компонента c0 (приведена концентрація), що забезпечувала б таку ж величину адіабатичного розігріву реальної суміші) р.с.:

с0i =) р.с. / ТАД i,0

(3.12)

Тепер реактор газоочищення можна розраховувати як апарат для повного окислювання кожного компонента при його початковій концентрації, рівній знайденому значенню c0,i. Часи контакту, розраховані по різним компонентам, можуть відрізнятися. Як остаточний приймають його максимальне значення для компонента, швидкість окислювання якого мінімальна.
^ 3.2. Визначення параметрів теплообмінника-рекуператора

Поверхню теплопередачі можна визначити з рівняння теплопередачі для поверхневих теплообмінників

F = Q / (кт  tср)

(3.13)

де Q – тепловий потік, Вт;

Кт– коефіцієнт теплопередачі, Вт/ (м2  К);

tср– середня різниця температур гарячого і холодного теплоносія, К.

Тепловий потік (кількість переданої теплоти) дорівнює

Q = Uo  Ср  ρ  Т

(3.14)

де Т – зміна температури теплоносія, К.

Для визначення Т и tcp необхідно знати початкові і кінцеві температури двох потоків у теплообміннику, що зв'язані рівнянням теплового балансу

   (– ) = 1,03     ( – ),

(3.15)

де Uo – об'ємна витрата газової суміші, м3/с;

cр – питома теплоємність газової суміші, кДж /(кг  K);

Твх,Твих – температури на вході і виході, К;

ρ – густина вихідної суміші, кг/м3;

1,03 – коефіцієнт, що враховує тепловтрати в навколишнє середовище.

Індекси Т і МТ позначають трубний і міжтрубний простір теплообмінника відповідно.

У розглянутому випадку практично одна і та сама кількість газу проходить по трубному і міжтрубному простору, тому з достатньою точністю можна вважати, що

    

Тоді рівняння (3.15) прийме вигляд

– = 1,03 ( – ),

(3.16)

Використовуючи позначення температур потоків на рис 3.1; можна записати:

= Твих ,

= Тк ,

= Т0 ,

= Твх при роботі без нагрівача (3),

= Тпр при роботі з нагрівачем (3).

Тоді

Твих – Тк = 1,03(Твх – Т0)

(3.17 а)

чи

Твих – Тк = 1,03(Тпр – Т0)

(3.17 б)

З рівнянь (3.17а чи 3.17б) знаходять будь-яку температуру, знаючи інших три.

Середню різницю температур (tср) знаходять як середню арифметичну різниць температур на обох кінцях теплообмінника.




(3.18 а)

чи




(3.18 б)

Для даного випадку значення коефіцієнта теплопередачі від газу до газу знаходитися в межах 10–60 Вт/(м2К). Для первісного вибору теплообмінника значення КТ приймають у зазначеному інтервалі, після виконання перевірочного розрахунку за допомогою програми САLFT1 значення коефіцієнта теплопередачі можна уточнити. Визначивши необхідні величини по основному рівнянню теплопередачі (3.13) знаходять необхідну поверхню.

По знайденій поверхні теплопередачі вибирають найближчий стандартний одноходовий теплообмінник. При виборі також варто керуватися величиною швидкості теплоносія, що рекомендується, у трубках: для газів при невеликому тиску w = 4–15 м/с. Лінійна швидкість потоку дозволяє визначити межі прохідного перетину трубного простору для заданого потоку

Sтр = U0 / w.

Варто вибирати такий теплообмінник, для якого табличне значення прохідного перетину більше розрахункового Sтр.

У табл. 1 додатків приведені параметри стандартних теплообмінників типу ТН, ТК, ХН, ХК з трубками 252. При виконанні розрахунків використовуються теплофізичні властивості суміші для повітря, що приведені в табл. 2 додатків.

Використовуючи програму CALFT1 із програмного комплексу EKTEPL.EXE проводять перевірочний розрахунок обраного теплообмінника і визначають запас поверхні. Якщо запас поверхні менш 5–10% і більше 40–50%, то теплообмінник обрано невдало і слід уточнити вибір і повторити перевірочний розрахунок.


^ 3.3. Аналіз автотермічного режиму

Автотермічний режим роботи схеми без додаткового нагрівача, наприклад печі (3) можливий, якщо суміш на виході з реактора має досить високу температуру. Рекуперація тепла виявляється більш економічна, ніж вогневе нагрівання в печах, якщо в теплообмінниках-рекуператорах теплопередача здійснюється з високою інтенсивністю, що визначається значенням питомого теплового навантаження чи теплонапруженості порядку 2000 Вт/м2. У схемі газоочищення в рекуператорі відбувається теплопередача між двома газовими потоками, значення коефіцієнта теплопередачі в такому випадку досить мало 10–60 Вт/(м2К) і висока інтенсивність процесу досягається тільки при досить високій його рушійній силі – середній різниці температур. Тому в рекуператорах таких схем при реальних величинах поверхні теплопередачі неможлива повна рекуперація тепла і гарячі потоки газів охолоджуються у них до температур не нижче 150–200 С, а з метою подальшої рекуперації тепла потоку з такою кінцевою температурою (Тк) установлюють додаткові теплообмінні апарати.

Для оцінки можливості здійснення процесу в автотермічному режимі по заданому складу суміші розраховують параметри каталітичного шару і знаходять вхідну і вихідну температури (Твх і Твих). Прийнявши по вихідним даним початкову температуру суміші, що очищається, (Т0 = 20–60С), спочатку по рівнянню (3.17а) розраховують температуру суміші після рекуператора і порівнюють із тою, що рекомендується. Якщо температура суміші після рекуператора достатня для того, щоб рекуперація була ефективною, знаходять інші параметри, вибирають рекуператор і виконують для нього перевірочний розрахунок. У противному випадку автотермічний режим використовувати недоцільно.


^ 3.4. Аналіз схеми з додатковим підігрівом суміші

У схемі установки (мал. 3.1), додаткове джерело тепла (3) використовується для підігріву суміші від температури, що досягається в рекуператорі (Тпр) до необхідної на вході в шар. Склад суміші, що надходить у реактор у цій схемі відповідає заданому.

У порівнянні з попередньою схемою в цій з'являється додатковий технологічний параметр – температура суміші після рекуператора (Тпр). Її розраховують по рівнянню теплового балансу теплообмінника-рекуператора (3.17 б) по уже відомих параметрах роботи шару каталізатора при заданому складі суміші.

Для досягнення високих температур (більш 250 С) на практиці використовують вогневе нагрівання в трубчастій печі. Таким чином, вихідну суміш нагрівають від початкової температури Т0 до необхідної температури на вході в шар у двох послідовно працюючих апаратах – теплообміннику-рекуператорі (2) і печі (3).

Основним параметром теплообмінних апаратів, який визначать його розміри і всю технічну характеристику, є теплове навантаження, яка зв'язана з призначенням апарата. У даному випадку теплові навантаження рекуператора і печі розраховують по параметрах газової суміші, що нагрівається

Q = Gсм  Cсм (tсм, кін – tсм, нач),

(3.19)

де Gсм – масова подача суміші, кг/с;

Cсм – середня питома теплоємність суміші,Дж/(кгград);

tсм, кін – tсм, нач – температурний інтервал розігріву суміші в кожнім апараті. Для рекуператора це Тпр – Т0, для нагрівача Твх – Тпр.

Масову подачу суміші знаходять по заданій об'ємній. Густину суміші можна прийняти рівної густині повітря, що для нормальних умов складає 1,29 кг/м3 Додаткову витрату палива (Gт) у печі розраховують по формулі

Gт = Qп,кор / (  Qт, н)

(3.20)

де  – к.п.д. печі, рівний 0,6 – 0,8;

Qп, кор – корисне теплове навантаження печі, що визначається по (3.19);

Qт,н – нижча теплотворна здатність палива (для природного газу Qт,н = 48557 кДж/кг).

Параметри рекуператора розраховують за вищевказаною методикою, використовуючи рівняння (3.18 б).


^ 3.5. Аналіз схеми з підживленням пального компонента

Особливість цих схем полягає в тому, що в суміш, що очищається, уводять додаткове газоподібне чи рідке паливо в такій кількості, щоб установка з прийнятними параметрами теплообмінника-рекуператора працювала в автотермічному режимі. Вище показано, що для цього необхідно, щоб температура очищеної суміші після рекуператора була приблизно 150–200 С. Склад суміші, що надходить у реактор каталітичного газоочищення після введення в неї додаткових продуктів (компонентів палива), що окисляються на каталізаторі, буде відрізнятися від складу вихідної суміші.

Для аналізу розглянутої схеми необхідно визначити величину адіабатичного розігріву за умовою ефективності теплопередачі в рекуператорі. Для цього по рівнянню теплового балансу теплообмінника-рекуператора (3.17а) розраховують температуру виходу з реактора, задавшись температурою входу в нього для низькотемпературного режиму, або температуру суміші на вході в реактор, задавшись температурою виходу в нього для високотемпературного режиму.

Для подальших розрахунків схеми необхідно прийняти робочу величину адіабатичного розігріву (ТАД р), при якій рекуперація тепла стає ефективною. Різниця між прийнятою величиною та адіабатичним розігрівом, розрахованим для суміші заданого складу () і визначає величину адіабатичного розігріву за рахунок каталітичного окислювання компонентів підживлення (ТАД під). Потім визначається концентрація компонента підживлення в суміші

Спод = ТАД під / ТАД о,

об'ємні і масові витрати різних видів палива (рідкого і природного газу), а також витрата умовного палива для різних видів палива, що додається, Параметри газоочищення зокрема, кількість палива, істотно змінюються не тільки в зв'язку зі зміною вигляду палива, але і при роботі реактора в різних режимах, тому при аналізі схеми доцільно розглянути варіанти температурних режимів з різними видами підживлення.

З урахуванням речовини, що додається для підживлення, визначаються приведені концентрації компонентів по (3.12) із заміною (р.с.на ТАД р. Вибравши температури входу для різних режимів і використовуючи ці дані, визначаються параметри процесу газоочищення заданої суміші з додаванням різних видів палива

Параметри реактора і рекуператора визначають за загальною методикою. Як і раніше, параметри, що рекомендуються, в кожному випадку приймаємо по компоненту з найбільшим часом контакту. Завантаження каталізатора в реактор визначають по рівнянню (3.8).

Після знаходження основних показників можна зіставити різні варіанти схем з підживленням вихідної суміші по витратах на очистку. Варто враховувати витрати на устаткування, каталізатор і витрату палива.


^ 4. НЕСТАЦІОНАРНИЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ГАЗІВ (РЕВЕРС-ПРОЦЕС)

В останні роки був запропонований принципово новий спосіб здійснення гетерогенних каталітичних процесів у штучно створюваних нестаціонарних умовах. Реалізація цього способу дозволила розробити високоекономічний і ефективний метод проведення каталітичних реакцій у нерухомому шарі каталізатора при періодичній зміні напрямку подачі реакційної суміші в шарі – так званий реверс-процес. Принципова технологічна схема приведена на мал. 4.1.




Рис. 4.1. Принципова технологічна схема нестаціонарного процесу знешкодження газів:

1, 2 — перемикаючі пристрої; 3 — контактний апарат; К — шар каталізатора; А — газ на очищення; Б — очищений газ.


^ 4.1. Особливості реверса-процесу

На мал. 4.2 приведені розрахункові профілі температури і ступеня перетворення по безрозмірній довжині шару каталізатора (ξ) у процесі пуску реактора знешкодження на основі реверса-процесу. У відповідності зі схемою (мал. 4.1) процес знешкодження здійснюється таким способом.


0

1 2 3 3 2 1

Р





а б
ис. 4.2. Профілі температури і ступеня перетворення по безрозмірній координаті шару каталізатора (ξ) протягом першого (а) і другого (б) напівциклів:

a — t, с: 0 (0), 180 (1), 720 (2), 1200 (3);

б — t, с: 1380 (1), 1920 (2), 2400 (3).


Спочатку шар каталізатора чи його частину нагрівають до температури, при якій каталітична реакція може протікати зі значною швидкістю (приблизно 300–350°С). Потім у реактор подається холодна реакційна суміш з температурою, при якій швидкість хімічного перетворення може бути дуже малою (приблизно 30°С). Ділянка шару каталізатора, що прилягає до входу, почн