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

Вид материала

Содержание

6. Приклад виконання розрахунків
6.1. Розрахунок і аналіз схем каталітичного газоочищення з реакторами, що працюють у стаціонарному режимі
6.1.1. Розрахунок схеми з автотермічними умовами проведення процесу
Параметр \ Компонент
6.1.2. Розрахунок схеми з додатковим підігрівом суміші
6.1.3. Розрахунок схеми з підживленням суміші, що очищається
Суміш компо-нентів
Продовження таблиці 6.4
Підживлен-ня пальним компонен-том

Подобный материал:

1 ... 6 7 8 9 10 11 12 13 14

6. ПРИКЛАД ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКІВ

Завдання: Дослідити різні схеми очищення повітряного газового викиду, що містить шкідливі домішки: бутан – 0,02% (об), толуол – 0,015% (об), фенол – 0,017% (об) зі ступенем очищення (99,5±0,1)%. Об'ємний потік викиду 5000 м³/годину (на норм. умови). Температура потоку, що надходить на очищення, 20 С.

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

Схема газоочищення з реактором, що працює в стаціонарному режимі, характеризується більш високими економічними показниками і меншими витратами на очищення в тих випадках, коли вдається проводити процес в автотермічних умовах. Якщо автотермічні умови не реалізуються для заданої суміші, то переходять до схем з додатковою витратою палива. У курсовій роботі виконують розрахунок і аналіз трьох відомих схем каталітичного газоочищення з реактором, що працює в стаціонарному режимі: з автотермічним режимом, з додатковим джерелом тепла і з додаванням у суміш необхідної кількості продуктів, що окисляються.

6.1.1. Розрахунок схеми з автотермічними умовами проведення процесу

Схема установки відповідає схемі, приведеної на мал. 3.1, але додаткове джерело тепла 3 виключається або не використовується.

Основний технологічний процес газоочищення – повне окислювання домішок на каталізаторі розраховують на ЕОМ за допомогою програми GAZO (керуючий файл GAZO.EXE), у якій використовуються кінетичні моделі окислювання окремих компонентів, оскільки не існує надійних моделей процесу з багатокомпонентними сумішами. У початкових даних задана багатокомпонентна газова суміш, у цьому випадку технологічні параметри процесу, що гарантують повне окислювання всіх домішок, знаходять за максимальним часом контакту зі знайдених для кожного компонента окремо. Розрахунки виконують по приведених концентраціях компонентів, обумовленим по формулі (3.12).

Адіабатичний розігрів реальної суміші при повному окислюванні всіх компонентів розраховують по формулі (3.11), використовуючи величини адіабатичного розігріву заданих компонентів при концентрації 1% (об) з табл. 3 додатка (бутан – 864 К/1%; толуол – 1318 К/1%; фенол – 1021 К/1%)

Т_ад = 8640,02 + 13180,015 + 10210,017 = 54,4 К

Приведені концентрації компонентів складуть:

для бутану С₀ = 54,4/ 864 = 0,063 %

для толуолу С₀ = 54,4/ 1318 = 0,041 %

для фенолу С₀ = 54,4/ 1021 = 0,053 %

У припустимому інтервалі робочої температури газоочищення каталізатора ІКТ-12-8 250–750 С, можна реалізувати кілька режимів:

низькотемпературний з температурою суміші на вході в шар каталізатора 300–350 С,

б) середньотемпературний із середньою температурою в шарі 500–550 С;

в) високотемпературний з температурою суміші на виході із шару каталізатора 650–725 С.

низькотемпературний: приймають Т_вх=350⁰С, при цьому Т_вых = 350 + 54,4 = 404,4 С;
середньотемпературний: приймають Т_ср = 525 С, тоді Т_вх = 525 – 54,2 / 2 = 497,6 С; округляємо до Т_вх = 500 С;
високотемпературний: приймають Т_вых = 700 С, тоді Т_вх= 700 – 54,4 = 645,6 С; округляємо до Т_вх = 640 С.

По рекомендаціях, викладеним у розділі 3.1, визначають необхідне число шарів каталізатора N

N = Т_ад / Т_доп= 54,4 / (750–250) = 0,109.

Отже, процес газоочищення можна проводити, використовуючи один шар.

Розрахунки процесу газоочищення виконують, використовуючи програмний комплекс GAZO по приведених концентраціях компонентів і прийнятою температурою суміші на вході в шар для кожного режиму, ступінь перетворення повинна бути в межах (99,5±0,1)%. Результати розрахунків приведені в табл.6.1–6.3.

Таблиця 6.1

Результати розрахунків низькотемпературного режиму з Т_вх=350 С

Параметр \ Компонент	Бутан	Толуол	Фенол
Ступінь перетворення, частки	0,996	0,995	0,995
Температура на виході, С	402,6	403,8	404,6
Час контакту, с	2,00	1,20	0,20

Технологічні параметри низькотемпературного режиму, що рекомендуються:

температура суміші на вході в шар 350 ⁰С;
температура суміші на виході із шару 402,6 ⁰С;
час контакту 2,0 с.

Таблиця 6.2

Результати розрахунків середньотемпературного режиму з Т_вх=500⁰С

Параметр \ Компонент	Бутан	Толуол	Фенол
Ступінь перетворення, частки	0,995	0,996	0,995
Температура на виході, ⁰С	554,4	553,8	552,6
Час контакту, с	0,19	0,248	0,04

Технологічні параметри, що рекомендуються, середньотемпературного режиму:

температура суміші на вході в шар 500 ⁰С;
температура суміші на виході із шару 553,8 ⁰С;
час контакту 0,25 с.

Таблиця 6.3

Результати розрахунків високотемпературного режиму з Т_вх=640⁰С

Параметр \ Компонентів	Бутан	Толуол	Фенол
Ступінь перетворення, частки	0,996	0,995	0,995
Температура на виході, ⁰С	694,5	693,8	692,5
Час контакту, з	0,045	0,088	0,014

Технологічні параметри високотемпературного режиму, що рекомендуються:

температура суміші на вході в шар 640 ⁰С;
температура суміші на виході із шару 693,8 ⁰С;
час контакту 0,088 с.

Завантаження каталізатора в реактор визначають по (3.8).

Для режиму 1 V_к = 2,00  5000 / 3600 = 2,78 м³

Для режиму 2 V_к = 0,25  5000 / 3600 = 0,35 м³

Для режиму 3 V_к = 0,088  5000 / 3600 = 0,12 м³

Для аналізу можливості роботи розглянутої схеми в автотермічному режимі визначають температуру суміші після рекуператора по рівнянню (3.18а).

Прийнявши температуру початкової суміші на вході установки рівної 20⁰С (по вихідним даним) для рекомендованих параметрів шару, знаходять температуру очищеної суміші на виході рекуператора:

– для низькотемпературного режиму Т_к = 402,6 – 1,03(350–20) = 62,7 ⁰С;

– для середньотемпературного режиму Т_к = 553,8 – 1,03(500–20) = 59,4 ⁰С;

– для високотемпературного режиму Т_к = 693,8 – 1,03(640–20) = 55,2 ⁰С.

Для всіх режимів роботи температура охолоджуваного газового потоку після рекуператора вище початкової температури вихідної суміші 20 ⁰С, але набагато менше, що рекомендується для досягнення економічної ефективності. На підставі цього можна зробити висновок про те, що схема може працювати в автотермічних умовах із трьома температурними режимами в шарі каталізатора, але витрати на очищення виявляться значними, тому що в схемі використовується теплообмінник-рекуператор з низькою інтенсивністю процесу і, отже, з великою поверхнею теплопередачі, від якої пропорційно залежить його вартість. До аналогічного висновку про недоцільність проведення процесу в автотермічних умовах приходять, порівнявши адіабатичний розігрів суміші 54,4 ⁰С з інтервалом, що рекомендується, для досягнення автотермічности 150–300 С.

У таких випадках більш економічними виявляються схеми з додатковим підігрівом суміші, що працюють у неавтотермічних умовах, чи з додаванням компонентів у суміш, що очищається. Після розрахунку теплообмінника цей висновок обґрунтовується.

6.1.2. Розрахунок схеми з додатковим підігрівом суміші

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

З обліком приведених раніше рекомендацій (розд. 3.4) для створення достатньої інтенсивності теплопередачі в теплообміннику-рекуператорі приймаємо температуру очищеної суміші на виході рекуператора рівну 175 ⁰С і визначимо температуру суміші після рекуператора (Т_пр). Розрахунок проводиться по рівнянню теплового балансу теплообмінника-рекуператора (3.18 б). Обчислюємо температуру вхідної суміші, що нагрівається, на виході з рекуператора (Т_пр) по вже визначених параметрах роботи шару каталізатора для трьох режимів при заданому складі суміші. У результаті розрахунків отримані наступні значення температури суміші після рекуператора:

– для низькотемпературного режиму (режиму 1) Т_пр = 20 + (402,6–175)/1,03 = 241 ⁰С;

– для середньотемпературного режиму (режиму 2) Т_пр = 20 + (553,8–175)/1,03 =388 ⁰С;

– для високотемпературного режиму (режиму 3) Т_пр = 20 + (693,8–175)/1,03 =524 ⁰С.

Далі по рівнянню (3.21) визначають теплові навантаження рекуператора і печі.

Масову подачу суміші знаходять по заданій об'ємний, густину суміші можна прийняти рівну густині повітря, що для нормальних умов складає 1,29 кг/м³:

G_см = (50001,29) / 3600 = 1,792 кг/с.

Теплоємність суміші з достатнім ступенем точності можна прийняти рівну теплоємності повітря при середній температурі суміші в апараті.

Для режиму 1 теплове навантаження рекуператора

Q_р = 1,792  1011  (241–20) = 400400 Вт = 400,4 кВт,

корисне теплове навантаження печі

Q_п,кор = 1,792  1033  (350–241) = 201774 Вт = 201,8 квт.

Для режиму 2 теплове навантаження рекуператора

Q_р = 1,792  1019  (388–20) = 671986 Вт = 672,0 квт,

корисне теплове навантаження печі

Q_п,кор = 1,792  1053  (500–388) = 211341 Вт = 211,3 кВт.

Для режиму 3 теплове навантаження рекуператора

Q_р = 1,792  1042  (524–20) = 941100 Вт = 929,4 кВт,

корисне теплове навантаження печі

Q_п,кор = 1,792  1068  (640–524) = 222000 Вт = 222,0 кВт

Додаткову витрату палива (природного газу) у печі розраховують по формулі (3.22).

Витрата природного газу в печі на додатковий розігрів суміші

в режимі 1 G_т = 201,8/(0,648557) = 0,00693 кг/с = 24,94 кг/год,

у режимі 2 G_т = 211,3/(0,648557) = 0,00725 кг/с = 26,11 кг/год,

у режимі 3 G_т = 222,0/(0,648557) = 0,00762 кг/с = 27,43 кг/год.

У перерахуванні на умовне паливо його витрата складе

в режимі 1 G_у.т.= 24,941,57 = 39,16 кг/год,

у режимі 2 G_у.т.= 26,111,57 = 40,99 кг/год,

у режимі 3 G_у.т.= 27,431,57 = 43,07 кг/год.

Як показують виконані розрахунки, параметри печі для трьох режимів роботи відрізняються незначно, значніше відрізняється величина теплового навантаження і, відповідно, необхідної поверхні рекуператорів. Для оцінки витрат на очищення визначимо необхідна кількість каталізатора і витрата додаткового палива для різних режимів.

Тому що режими роботи шару каталізатора не змінилися, то обсяги каталізатора залишаються такими ж, як і в попередньому випадку (див. 6.1.1). Витрата палива в печі 3 визначена вище. Отримані результати приведені нижче:

для режиму 1 V_к = 2,78 м³ G_у.т.= 39,16 кг/год ;

для режиму 2 V_к = 0,35 м³ G_у.т.= 40,99 кг/год ;

для режиму 3 V_к = 0,12 м³ G_у.т.= 43,07 кг/ч.

Як видно витрати на каталізатор максимальні для режиму 1 і мінімальні для режиму 3, а витрати на додаткове паливо навпаки – мінімальні для режиму 3, але порівнювати економічність газоочищення при різних режимах можна тільки по сумі витрат.

6.1.3. Розрахунок схеми з підживленням суміші, що очищається

У цьому варіанті схеми економічний автотермічний режим досягається за рахунок того, що в суміш, що очищається, додають таку кількість продуктів (газоподібного чи рідкого палива), що окисляються, щоб адіабатичний розігрів збільшився до прийнятних значень 150–300 С, а температура очищеної суміші після рекуператора була в межах 150–200С. Склад суміші, що надходить у реактор газоочищення після введення в неї додаткового палива, буде відрізнятися від заданого у початкових даних складу, тому його необхідно визначити і для нового складу знову розрахувати технологічні параметри каталітичного реактора (аналогічно розрахунку реактора в автотермічному режимі).

Необхідний адіабатичний розігрів вибираємо з інтервалу, що рекомендується, рівний 170 С. Збільшувати його значно недоцільно, тому що це спричинить за собою велику витрату додаткового палива і, крім того, потребує збільшення завантаження каталізатора в реактор.

Для суміші заданого складу вище розраховано адіабатичний розігрів 54,4С, отже за рахунок каталітичного окислювання компонентів підживлення температура суміші повинна підвищитися на 116,6 С.

При додаванні в суміш природного газу (метану), що очищається, концентрація метану повинна збільшитися на 116,6/ 297 = 0,392 % об. при нормальних умовах (297 К/1% – адіабатичний розігрів на 1% для метану). При цьому кількість природного газу, що додається, на задану потужність установки складе

V_г = 5000  0,00392 = 19,6 м³/год при нормальних чи умовах

G_г = 19,6  0,71 = 13,92 кг/год,

де 0,71 – густина метану при нормальних умовах.

У перерахуванні на умовне паливо витрата складе

G_у.т.= 13,92  1,57 = 21,8 кг/ч.

Приведені концентрації компонентів для розрахунків реактора з такою сумішшю:

бутан 170 / 864 = 0,197 % об.;

толуол 170 / 1318= 0,129 % об.;

фенол 170 / 1023= 0,166 % об.;

метан 170 / 297 = 0,572 % об.

При використанні як підживлення бензину концентрація його парів у суміші на вході в реактор повинна збільшитися на 116,6/1179=0,099 % (основним компонентом бензину в розрахунку прийнятий пентан, для якого адіабатичний розігрів на 1% дорівнює 1179 К).

Об'ємна подача пар бензину

V_б = 5000  0,00099 = 4,95 м³/год при нормальних умовах.

Кількість бензину, що додається, для заданої продуктивності складе

G_г = 4,95  3,21 = 15,9 кг/год,

де 3,21 – густина пентану при нормальних умовах.

У перерахуванні на умовне паливо витрата складе

G_у.т.= 15,9  1,37 = 21,8 кг/ч.

Приведені концентрації компонентів для розрахунків реактора з такою сумішшю:

бутан 170 / 864 = 0,197 % об.;

толуол 170 / 1318= 0,129 % об.;

фенол 170 / 1023= 0,166 % об.;

пентан 170 / 1179= 0,144 % об.

Як підживлення можна використовувати й інші рідкі палива, наприклад, гас. У цьому випадку концентрація пар гасу в суміші на вході в реактор повинна збільшитися на 116,6/1495=0,078 % (основним компонентом гасу в розрахунку прийнятий гептан, для якого адіабатичний розігрів на 1% дорівнює 1495 К).

Кількість гасу, що додається, складе

V_к = 5000  0,00078 = 3,9 м³/год при нормальних чи умовах

G_г = 3,9  4,46 = 17,4 кг/год,

де 4,46 – густина гептану при нормальних умовах.

У перерахуванні на умовне паливо витрата складе

G_у.т.= 17,4  1,37 = 23,8 кг/ч.

Приведені концентрації компонентів для розрахунків реактора з такою сумішшю:

бутан 170 / 864 = 0,197 % об.;

толуол 170 / 1318= 0,129 % об.;

фенол 170 / 1023= 0,166 % об.;

гептан 170 / 1495= 0,114 % об.;

При прийнятому адіабатичному розігріві 170 С інтервали робочої температури для трьох розглянутих режимів складуть:

низькотемпературний: приймають Т_вх=350 С, при цьому Т_вых = 350 + 170 = 520 С;
середньотемпературний: приймають Т_ср = 525 С, тоді Т_вх = 525 – 170 / 2 = 440 С;
високотемпературний: приймають Т_вых = 700 С, тоді Т_вх= 700 – 170 = 530 С.

З зазначеними вхідними температурами і приведеними концентраціями компонентів за допомогою програми GAZO розраховані технологічні параметри процесу газоочищення заданої суміші з додаванням трьох видів палива: із природним газом (суміш А), з бензином (суміш Б) і з гасом (суміш У), ступінь перетворення, як і раніше прийнята (99,5 ± 0,1)%. Результати розрахунків приведені в табл.6.4.

Таблиця 6.4

Значення часу контакту (_к), ступеня перетворення (х_вих) і температури (Т_вих) на виході з реактора для різних режимів

Суміш компо-нентів	Режим 1 (350 ⁰С)	Режим 2 (440 ⁰С)	Режим 3 (530 ⁰С)
х_вих	Т_вих,⁰С	_к, с	х_вих	Т_вих,⁰С	_к, с	х_вих	Т_вих,⁰С	_к, с
Суміш А
Бутан	0,995	520,2	0,57	0,995	610,2	0,155	0,995	701,0	0,056
Толуол	0,995	519,1	0,47	0,995	609,2	0,20	0,995	699,6	0,101
Фенол	0,996	514,6	0,077	0,995	604,5	0,033	0,996	694,7	0,018
Метан	0,996	519,3	2,20	0,996	609,2	0,48	0,995	699,1	0,146
Суміш Б
Бутан	0,995	520,2	0,57	0,995	610,2	0,155	0,995	701,0	0,056
Толуол	0,995	519,1	0,47	0,995	609,2	0,20	0,995	699,6	0,101
Фенол	0,996	514,6	0,077	0,995	604,5	0,033	0,996	694,7	0,018
Пентан	0,995	518,9	0,485	0,996	609,1	0,177	0,995	699,0	0,076

Продовження таблиці 6.4

Суміш компо-нентів	Режим 1 (350 ⁰С)	Режим 2 (440 ⁰С)	Режим 3 (530 ⁰С)
х_вих	Т_вих,⁰С	_к, с	х_вих	Т_вих,⁰С	_к, с	х_вих	Т_вих,⁰С	_к, с
Суміш В
Бутан	0,995	520,2	0,57	0,995	610,2	0,155	0,995	701,0	0,056
Толуол	0,995	519,1	0,47	0,995	609,2	0,20	0,995	699,6	0,101
Фенол	0,996	514,6	0,077	0,995	604,5	0,033	0,996	694,7	0,018
Гептан	0,996	516,8	0,131	0,996	606,7	0,060	0,995	696,6	0,032

Параметри, що рекомендуються, у кожному випадку приймаємо по компоненту з найбільшим часом контакту (тобто з найменшою швидкістю окислення) – табл. 6.5. Завантаження каталізатора в реактор визначають по формулі (3.8). Результати приведені в табл. 6.5. Витрата кожного виду палива для підживлення суміші визначена вище.

Таблиця 6.5

Параметри часу, що рекомендуються, контакту ₍к), температури на виході з реактора (Т_вих) і завантаження каталізатора (V_к) для різних режимів

Підживлен-ня пальним компонен-том	Режим 1 (350 ⁰С)	Режим 2 (440 ⁰С)	Режим 3 (530 ⁰С)
_к, с	Т_вих,⁰С	V_к,м³	_к, с	Т_вих,⁰С	V_к,м³	_к, с	Т_вих,⁰С	V_к,м³
Природний газ	2,20	519,3	3,06	0,48	609,2	0,67	0,15	699,1	0,21
Бензин	0,57	520,2	0,79	0,20	609,2	0,28	0,10	699,6	0,14
Гас	0,57	520,2	0,79	0,20	609,2	0,28	0,10	699,6	0,14

При заданій температурі початкової суміші на вході в установку для параметрів шару, що рекомендуються, знаходять температуру очищеної суміші на виході рекуператора. Оскільки температури виходу із шару каталізатора для кожного з температурних режимів при різних компонентах підживлення приблизно однакові, то розрахунок проводять для одного з варіантів, наприклад, для бензину.

По (3.18а) знаходимо Т_к:

– для низькотемпературного режиму Т_к = 520,2 – 1,03(350–20) = 180,3⁰С;

– для середньотемпературного режиму Т_к = 609,2 – 1,03(440–20) = 176,6 ⁰С;

– для високотемпературного режиму Т_к = 699,6 – 1,03(530–20) = 174,3 ⁰С.

Для всіх режимів роботи температура охолоджуваного газового потоку після рекуператора відповідає діапазону, що рекомендується. На підставі цього можна зробити висновок про те, що схема з підживленням може працювати в автотермічних умовах із трьома температурними режимами в шарі каталізатора.

Як видно при порівнянні розглянутих варіантів, витрати на каталізатор максимальні для низькотемпературних режимів і мінімальні для високотемпературних. Підживлення рідким паливом по цьому показнику переважніше, ніж підживлення природним газом. Витрата різних видів палива (у перерахуванні на умовне паливо) відрізняється незначно 21,8–23,8 кг/ч.

На цій підставі можна зробити попередній висновок про те, що підживлення рідким паливом має деякі переваги в порівнянні з підживленням природним газом, але остаточний висновок про економічність розглянутих дев'яти варіантів схеми газоочищення з підживленням при різних режимах можна зробити тільки по сумі витрат і вартості очищення одиниці об'єму початкової суміші, тобто в результаті техніко-економічного аналізу.