До курсового проектування за курсом "Моделювання І прогнозування стану навколишнього середовища" для студентів 4 курсу хіміко-технологічного факультету / Уклад
| Вид материала | Документы |
- Єльнікової Тетяни Олександрівни з курсу "Моделювання та прогнозування стану довкілля", 33.26kb.
- Робоча навчальна програма з раціонального використання та відтворення водних ресурсів, 401.96kb.
- Укладач О. О. Кузьменко, 590.11kb.
- Л. М. Чуніхіна Рецензент М. М. Латишева, 719.95kb.
- Комп’ютерне моделювання фізичних процесів Для студентів ІV курсу спеціальності 070100, 219.13kb.
- Юрія Федьковича «затверджую», 632.92kb.
- Програма та плани семінарських занять для студентів Філософського факультету львів, 361.9kb.
- Кабінет міністрів україни постанова від 2012 р. № Київ Про затвердження Порядку проведення, 11.23kb.
- Програма стабілізації екологічного стану навколишнього середовища та підвищення рівня, 68.98kb.
- Ї праці студентів й виконання курсової роботи з дисципліни „Загальна екологія й основи, 517.37kb.
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/(кгК) та кДж/(м3К);
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.