Восстановительные газы получают в крупнотоннажных конверторах шахтного типа, производя конверсию метана водяным паром и добавляя кислород к исходной смеси, который расходуется на полное сжигание части метана, что позволяет осуществить процесс автотермично, т.е. без подвода теплоты извне [1].
В других конвекторах теплоту подводят электронагревателями снаружи реторты [2]. Однако добавление кислорода к смеси или обогрев реторты электронагревателями приводит к существенному удорожанию получаемой атмосферы. Добавление кислорода к исходной смеси СН4:Н2О=1:1 в количестве 0,6 объема на один объем исходного СН4, как требуют условия теплового баланса автотермического процесса для поддержания в реакционном объеме температуры 1000оС, приводит к уменьшению восстановительного потенциала (Н2 + СО)/(СО2 + Н2О) более чем в 20 раз по сравнению с паровой конверсией метана и подводом теплоты извне. Поэтому такой газ требует осушки, очистки и дополнительной затраты энергии на его нагрев после очистки.
Перечисленных недостатков лишен реактор [3], в котором каталитическая насадка из промышленного никелевого катализатора КСН-2 заменена на дисперсный катализатор (см. рис.1).
Под решетку подается смесь метана с водяным паром в пропорции 1:1. В кипящий слой погружена труба для отвода продуктов конверсии. В верхнюю часть кипящего слоя вводится воздух для дожигания части восстановительной атмосферы и получения необходимой теплоты и температуры в слое. Продукты конверсии и сгорания отводятся раздельно. Для поддержания нулевого перепада давления в камерах установлен регулятор .
Для описания процессов составлена следующая модель.
На катализаторе в объеме реактора идут две параллельные реакции:
СН4 + Н2О = 0,5СО2 + 2Н2 + 0,5СН4 (1)
0,5СН4 + 0,5СО2 + 2Н2 = СО+ 3Н2 (2)
Тепловой эффект результирующей эндотермической реакции СН4+Н2О= СО+3Н2 qx2=12396 кДж/кг(СН4) на кг исходного метана.
В верхней части слоя, где подводится воздух, идет экзотермическая реакция горения продуктов конверсии:
СО + 3Н2 + 2(О2 + 3,76 2) = СО2 + 3Н2O + 7.52N2 (3)
с тепловым эффектом qx1=65343 кДж/кг(СН4) на кг исходного метана.
Предполагается, что температура в кипящем слое постоянна по всему объему за счет идеального перемешивания твердой фазы.
Из уравнения теплового баланса находится температура - t в реакционном объеме:
(4)
Уравнение материального баланса.
(5)
Известно, что в кипящем слое часть продуктов конверсии фильтруется через сплошную фазу со скоростью минимального псевдоожижения wmf, а другая часть wпк- wmf проходит в пузырях wbr. Поэтому были составлены уравнения реакции метана с водяным паром для сплошной фазы и для реакций, проходящих в пузырях.
Были составлены граничные условия на входе в эндогенератор (h=0).
Анализ результатов расчетов показывает, что полученные параметры качественно и количественно удовлетворяют реальной картине процесса. Расхождение экспериментальных значений с полученными из расчетов в среднем 6-8%, в отдельных случаях доходит до 14%.
Состав сухих восстановительных газов на выходе из экспериментального газогенератора с частицами катализатора 0.8-1.0 мм, при х=0.6 и температуре в слое 850оС при массовой скорости продуктов конверсии 0.8 кг/(м2с), следующий: СН4 - 1.2%, СО - 24.2%, Н2 - 72%, СО2 - 2.4%, влажность газа 8%. Состав продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания при коэффициенте избытка воздуха 1.35 следующий: СО2 - 6.1%, О2 - 5.3%, N2 - 76.3%, H2O - 2.4%.
ВЫВОДЫ
Моделирование показало возможность практического сооружения такого типа конверторов с самообогревом без использования кислорода или электронагрева. Результаты испытаний подтвердили такую возможность на установке диаметром 0.18 м и высотой слоя 1 м. Газ удовлетворяет требованиям, предъявляемым к восстановительным атмосферам.
Оптимальное значение х=0,61, когда выход восстановительных газов максимален.
ЛИТЕРАТУРА
- Лейбуш А.Г. Производство технологического газа для синтеза аммиак и метанола из углеводородных газов. - М.:Химия, 1971. с.23-27.
- Маергойз И.И.. Установки для приготовления контролируемых атмосфер. ВНИИЭМ. Москва, 1964. с. 27.
- Дубинин А.М., Баскаков А.П., Шойбонов В.Б.. Генератор эндотермических атмосфер. Авторское свидетельство на изобретение №992079. Бюллетень №4. 30.01.1983.
- Бодров И.М., Апельбаум Л.О., Темкин И.М. Кинетика и катализ, 8. №4. 1967г. с.821.
- Кунии Д., Левеншпиль О. Промышленное псевдоожижение: пер. с англ.- М.: Химия, 1976г.-448с.