Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

22.10.2023

Размер:

15.83 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 397 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

верхности	катализатора		будет		близка к	температуре
внутри его объема,		во втором случае — ниже ее.
Усвоение	тепла	в слое	катализатора.			Предположим,
что реакция	(V-1)	протекает		в	области	внешней диф
фузии, а температура в объеме					всего слоя поддержива
ется на заданном уровне			в	результате		подвода тепла
извне.
Анализ уравнения (V-16) показывает,						что в этом слу
чае примерно 90%		необходимого для разложения аммиа

ка количества тепла должно быть реализовано в неболь шом, начальном по ходу газа слое катализатора (35%

толщины

всего

слоя). Так, если

концентрация

аммиака

на

выходе из начального

слоя принять равной 5%, а на

выходе

из

реактора

0,02%,

то, согласно

уравнению

(V-16),

g (100/0,02) ^

H l g (100/5,0)

Далее,

если

тепло, расходуемое

при разложении

взято

го

количества

аммиака,

принять,

за

1, то при остаточ

ном количестве

аммиака,

составляющем

г/%, количество

k расходуемого тепла

(в долях от 1) будет

равно

k =

1 — л-0,76,

где

п=

2 М

у .

(V-21>

#+100

При у=5%,

n=0,126,

£ « 0 , 9 ,

т. е. 90%.

Внешний

теплообмен.

Внешний теплообмен

между

внутренней

поверхностью

рабочего

пространства

печи

FT,, на которой размещены нагревательные элементы, и

поверхностью реактора

Fp описывается

уравнением

<3 =

4,9

1 п - У _

(Л.

(V-22)

Fр

/ 1

100 }

100

U "

где

е р

и еп — коэффициенты

черноты

(относительные

коэффициенты

лучеиспускания)

соответ

ственно для реактора и печи;

4,9— коэффициент излучения абсолютно черно

го тела,

ккал/(м 2 - ч - °

К 4 );

Т„ — температура печи, °К;

Тр —температура

на

поверхности

реактора, °К.

Рис. 14. Иллюстрация к идентификации опреде ления ТП:

1 — диаметр, по которомурасположены нагревате ли; 2— реактор; 3—внут ренняя поверхность фу теровки; Т — термопара

Проанализируем понятие температуры печи и связь ее с тем пературой на нагревательных элементах, а также с температурой,,

фиксируемой		регулирующей		термопарой,		устанавливаемой		между
реактором и нагревательными элементами. Если							выражение \	100 /
обозначить через 0 (фактор температуры), то							(см. рис 14)	взаи
мосвязь между			величинами	0П , 9\|	и Оз	может	быть представлена
[21]	выражением
Оп =	61 .3 01 +	6з.2	03 .				(V-23>
	Для регулирующей термопары				справедливо		равенство
в г =	& п . т в п +	*2	.тВ 5-				(V-24)

Коэффициенты b зависят от взаим ного расположения и размеров элемен тов рабочего пространства печи. Напри мер, коэффициент &2. т, учитывающий влияние температуры реактора иа тем пературу регулирующей термопары, бу дет тем больше, чем больше диаметр реактора и чем ближе к реактору рас положена термопара.

По условиям внутреннего теплооб мена (см. ниже) определенной конст рукции реактора соответствуют своя температура на его поверхности и со ответствующий тепловой поток, погло щаемый этой поверхностью. Согласно выражению (V-22), эти величины одно значно определяют температуру печи. Из выражения (V-23) видно, что тем пературу нагревателей можно снизить увеличением коэффициента й,.2 (что и данном случае равноценно увеличению поверхности нагревателей) или повыше нием температуры внутренней поверх ности футеровки (03) в результате улуч шения теплоизоляции.

Учтя эти положения при проекти ровании агрегатов типа ДАЦ (описаны ниже), представилось возможным, во-

первых, максимально приблизить к температуре реактора показания регулирующей термопары, т. е. сделать показания ее наиболее пред ставительными, и, во-вторых, существенно снизить температуру на гревателен, что заметно повысило срок службы их.

Внутренний теплообмен. Исследование арегатов дис социации аммиака типа ДА (конструкции Стальпроекта, Гипромеза, ВНИИЭТО) подтвердило, что их показатели

* В этих выражениях цифровые индексы и буквенный индекс 7" соответствуют позициям на рис. 14.

<?1

(низкая производительность катализатора, высокое со держание остаточного аммиака) обусловлены малоэф фективным внутренним теплообменом в реакторах типа «труба в трубе».

На основе исследования условий внутреннего тепло обмена Центроэнергочерметом было предложено выпол нить реактор в виде труб [22]. При таком размещении катализатора, как будет показано в дальнейшем, внут ренний теплообмен перестал быть лимитирующим. Кро ме того, реактор, выполненный в виде труб, позволил получить наиболее развитую поверхность, что резко снизило значения абсолютных температур Т„ и Тр, а так же AT=T„—TV.

Внутренний теплообмен, осложненный реакцией раз ложения аммиака, изучался нами в трубах, заполнен ных катализатором ЦЭЧМ-1, приготовленным на корун довом носителе сферической формы.

За участок теплообмена был принят начальный слой V„ катализатора.

Температурный напор Д^с р между трубой и газом определяли по интегральной разности. Для этого поверх ность теплообмена 5 разбивали на п равных частей. Величину а принимали постоянной в каждой части.

Ниже представлен ряд уравнении, позволяющих определить ко личество тепла Q, переданного поверхности теплообмена,

d Q

dS — или adt

« - 2 AS' aAt;

	S'	п	S'a	п.
AS' =		\-ч S'		} At.
	— ;	Q = \ — а Д /	= —

Откуда

(V-25)

Величину А^ср определяли по кривым (рис. 15), по строенным на основании экспериментальных данных.

Критериальная зависимость теплообмена имеет вид

Na = k Re'" (TJT„)»,	(V-26)
где Гц — температура	в центре слоя, °К-

I			\\
woo			\\
1200			\
800		2	J)
800
1			а
1			а
1			t,°C
500	600	700	t,°C

\| 1200
I 800
S WO
1		.	У
		.	У
500	600	700	800 {„'С

Рис. 15. Распределение температур по продольной оси (кривая 2) и на на

ружной	поверхности (кривая	1)	трубы реактора агрегата типа	ДАЦ-150:
а — п р и	производительности	160	м3 /ч; 6 — при производительности	300 м3 /ч

Для слоя, состоящего из сферических частиц, дейст вительная скорость газа wr связана со скоростью ку0б, отнесенной к общему сечению F трубы, зависимостью

wr=wo6'F.

(V-27)

Эквивалентный диаметр трубы при диаметре d шарика можно определить или по формуле

d3 = — .	d	(V-28)
3	1 — F	к '

или же выразить через параметр а, представляющий со бой наружную поверхность шариков в единице объема слоя, и тогда

d3 =

4Fja.

(V-29)

Следовательно,

/je =

!i!EPd =

(V-30)

•П

где

р г — плотность

газа;

т| — динамическая вязкость газа.

Заметив, что wr

рг

является

массовой скоростью дом,

получаем

Re=^-. аг|

(V-31)

Критерий

Нуссельта для

рассматриваемого

случая

примет вид

Afa = j £ L

- ( V - 3 2 )

где К — коэффициент теплопроводности

газа.

За поверхность теплообмена принималась наружная

поверхность частиц

катализатора.

Значения

коэффициента

k и показателей

степеней

т и п в уравнении

(V-26),

вычисленные

корреляцион

ным

методом,

равны

соответственно

7,38-Ю- 3 ;

0,810 и

1,0.

Показатель

степени

m » 0 , 8

характерен

для

описа

ния теплообмена при турбулентном движении

газов.

Сообразно с изложенным можно наметить порядок расчета аг

регата диссоциации с реактором в виде труб.

1. Задавшись

производительностью

(при нормальных

условиях)

Q агрегата, температурой на поверхности реактора ГР , температурой

печи

Тп, отношением

FvjF^

(F$ — внутренняя

поверхность футе

ровки), по уравнению (V-22) находят

поверхность реактора Fv на

участке теплообмена

(начальный участок).

Fp/Fj,

Пример: Q=400 м3 /ч;

Г Р = 998°К;

Г П = 1 1 9 4 ° К ;

=0,775.

Решая уравнение Кирхгофа

г2

64	т,

Для реакции разложения аммиака, находим общее выражипе теплового эффекта как функции температуры:

ДЯ =	— 19105 — 9,92 Г — 1,15-10" -з 7-2 _[_о,33-10- 5 7"'							(V-33)
Количество тепла, необходимое на разложение аммиака, вычис
ленное по уравнению				(V-33), составляет 120000 ккал/ч.
Допустим, что реакция					(V-1) в начальном слое		протекает в об
ласти	внешней диффузии.				Тогда	Q = 0,9-120000= 108000 ккал/ч, и
поверхность		реактора		по формуле		(V-22) получается равной
		108000			1194	998у
		4,9			100	2,16 л<2 .

	— +0,7751		„
	0,9	10,9
2.	Выбрав диаметр трубы, задавшись температурой							в	слое,
содержанием		NH3	на	выходе из начального слоя			(принимают		ус
ловно	равным 5 % ) , по уравнению					(V - 16) находят	объем	катализа
тора	Vh, предварительно				определив по уравнению		(V - 17)	значение

коэффициента массопередачи В. Если принятая температура отве чает кинетической области, то объем VB находят по уравнению (V-6).

При	выборе диаметра трубы следует иметь в виду, что поток
в слое	катализатора даже при малых скоростях имеет тенденцию

переходить в турбулентную форму движения, при которой темпе ратуропроводность а слоя связана со скоростью w потока в сво

бодном		поперечном		сечении	и диаметром		частиц		d	зависимостью
a =	wd/8,									(V - 34)
из	чего	следует, что с уменьшением диаметра трубы								тепловая инер
ционность слоя катализатора					падает.
	Однако с		уменьшением		диаметра	возрастают				гидравлическое
сопротивление			и необходимое количество				труб (следовательно, ко
личество стыков в реакторе).
	Совместный анализ факторов, влияющих на выбор диаметра
трубы, показал, что наиболее рациональное значение этого показа
теля для реакторов				производительностью			100 и	более ы3/ч состав
ляет 50 мм (внутренний диаметр).
	3. Задавшись количеством труб в реакторе, зная Уп и Fv, оп
ределяют два значения высоты и берут большее								из них.
	4.	Далее	следует убедиться в том, что слоем катализатора, ог
раниченным участком теплообмена, будет усвоено тепло Q, т. е.
удостовериться в том, что процесс не лимитируется									условиями внут
ренней теплоотдачи.
	Проверку ведут по критериальному уравнению								(V-2fJ).
	Определив значение Re, зная температуру слоя и на поверхно
сти реактора, находят значение критерия Нуссельта, а по нему вы
числяют коэффициент теплоотдачи а.
	Величину 5 и соответствующий ей объем VH							катализатора в на
чальной зоне находят по формуле
Q = a ( T p - T 4 ) S .										(V-35
Если VH окажется				больше	У н тогда	принимают		V н .

5—391

5. На	основе зависимости (V-20) определяют общий объем ка;
тализатора Vn.
Для	обеспечения устойчивой работы катализатора в течение
5 лет найденный объем увеличивают в 1,5 раза.
Идентификация формы, движения
в слое	катализатора

При движении газа в слое катализатора переход из ламинарной формы движения в турбулентную происхо дит при относительно малых значениях чисел Рейнольдса и в довольно широком диапазоне их значений, вслед ствие чего они перестают быть характерным показате лем формы движения. В этом случае более представи тельным оказывается значение показателя степени в уравнении

Ар = CHw''0							(V-36)
где	Ар — потеря давления, кгс/м2 ;
	С— постоянная			величина;
	Н — высота слоя, м;
	wM	— массовая скорость,			отнесенная к	свободному
		сечению трубы реактора, кг/(м2 -ч).
	Экспериментальные			данные, полученные		при	темпе
ратуре		в слое,	равной	900° К,	при среднем	диаметре зе
рен	5,7	мм и	порозностн 0,41,		были обработаны		в соот

ветствии с уравнением (V-36). Показатель степени п (тангенс угла наклона прямой) составлял 1,675, что свидетельствовало о существовании в слое переходной

формы движения	( 1 < / г < 2 ) , близкой		к турбулентной.
Коэффициент	С	для указанных	условий равен
2,7-Ю-3 .
АГРЕГАТЫ ДИССОЦИАЦИИ АММИАКА ТИПА ДАЦ
Перейдем к рассмотрению крупных			промышленных
агрегатов диссоциации		аммиака типа	ДАЦ [23, с. 133—

141], созданных в Центроэнергочермете на основе опи


санных выше	результатов исследования. Основным уз
лом агрегата	является диссоциатор			(рис.	16),	состоя
щий из электропечи и реактора,			выполненного			из труб
60X5 мм, расположенных по		внутреннему			периметру
печи и объединенных вверху и внизу двумя					коллектора
ми. Через нижний коллектор		в	двух	местах	подводится

предварительно подогретый

в теплообменнике (рис. 17)

газообразный

аммиак,

через верхний — отводится смесь

Н 2 — N 2

стехиометрического

состава

(75%Н2 , 25%N2 ).

Электропечь снабжена нагревателями открытого из

лучения,

выполненными

в виде

объемного зигзага из

проволоки

диаметром

10 мм сплава

Х20Н80. В соответ

ствии с потреблением

тепла

в слое

катализатора (см.

выше)

в той части печи,

где расположена

начальная зо

на, имеется

самостоятельно

регулируемая

тепловая зо

на с потребляемой мощностью W, равной

W > QP

<2ф +

QnoT

ккал'ч,

где

Qp—все

количество

тепла, необходимое

на раз

ложение

аммиака;

С}ф—количество

тепла, необходимое

на

подогрев

газообразного аммиака

до температуры

слое;

QIIOT — тепловые

потери через

кладку на участке

начальной

зоны.

Для

концентрированного

подвода

тепла

в зону наи

более интенсивного

протекания

реакции

разложения ам

миака

часть

нагревательных элементов размещена внут

ри реактора

(рис. 16).

Регулирование температуры

в печи

осуществляется

бесконтактным

методом

(рис. 18). Т. э. д. с. термопары

поступает

автоматический

электронный потенциометр

с реостатным

датчиком,

сигнал

которого

передается

Т а б л и ц а

Показатели работы агрегата ДАЦ-150

Произво

ди т е л ь

ность по

диссоци ирован ному ам миаку, м 7 ч

Температура печн, °С

верхняя зона

нижняя зона

Содержа ние оста

точного

аммиака на выхо д е , % (объемн.)

200	800	760	0,011
260	810	790	0,014
300	810	790	0,017

Потребляемая мощность в зонах, кВт

верхней	СУ	испарив теле
	X
	•£
	X
21	89	5
25	116	6
40	119	9

общая	Удельный расход электроэие ргии. кВт-ч/м1 1
115	0,575
147	0,566
168	0,560

П р и м с ч а и и е. Удельный расход электроэнергии в агрегатах типа Д А составляет 0,765 — 1,00 кВт-ч/м3 .

ДА

элементов; 3—нагревательные			элементы; 4 — трубы реактора, заполнен-
диссоциированный	аммиак; б — общий вид			агрегата:
диссоциированный	аммиак;	N.Hz	— жидкий	аммиак

Рнс. 17. Теплообменник для агрегата типа ДАЦ-250/-100:

/ — корпус;

2 — несущий

цилиндр;

3 — змеевик нз нихромовой трубы; ДА и NHo — то ж е , что на рнс. 12

регулирующее устрой ство, где ом сравнива ется с заданным и где происходит усиление сигнала рассогласова ния. Последний усили вается каскадом про межуточного усиления и поступает в усилите ли мощности (дроссе ли насыщения), кото рые управляют мощ ностью, выделяемой электронагревателями.

Такая система ха рактеризуется быстро действием, высокой на дежностью и удлиняет срок службы нагрева телей.

Головной образец агрегата (ДАЦ-150) прошел промышленные испытания в 1967 г. Ос новные показатели его работы приведены в табл. 7.

На рис. 15 видно распределение темпе ратур на стенке одной из труб реактора (кри вая / ) , а также внутри слоя (по центру — кри вая 2 при 300 м3 /ч).

Производительность катализатора ЦЭЧМ-1, достигнутая в агрегате ДАЦ-150, составляет 1600 ч-1 (3200 ч - 1 по диссоциированному ам миаку).

На головном агре гате не удалось опре делить предельного

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 397 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ