Dependence of carbon black output, reactor temperatures and reaction gases structure from the air flow on the basis of thermochemical calculation of incomplete burning process is resulted.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Гімал Р. Н., Мухамадеев Е. З., Галієв Р. Р.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва: 2006
    Журнал: Вісник Башкирського університету
    Наукова стаття на тему 'Математична модель процесу отримання малоактивного технічного вуглецю '

    Текст наукової роботи на тему «Математична модель процесу отримання малоактивного технічного вуглецю»

    ?УДК 519.85 + 661 ББК 22.18 + 35.20

    МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСУ ОТРИМАННЯ малоактивний ТЕХНІЧНОГО ВУГЛЕЦЮ Гімаєв Р.Н., Мухамадеев Е.З., Галієв Р.Р.

    Частина I. Розрахунок процесу неповного горіння

    Виробництво технічного вуглецю - специфічна підгалузь нафтохімічної промисловості. Відмінними рисами технологічного процесу є жорсткі умови піролізу (температура в реакційній зоні не нижче 1000еС) і високий ступінь гетерогенності реакції - сировина подається в реактор рідким, випаровується, а потім утворює тверду фазу - технічний вуглець. До 90-х рр. ХХ ст. модернізація і спорудження нових технологічних ліній, створення високопродуктивного обладнання проводилося централізовано, з виділенням значних коштів на проведення науково-дослідних і проектних робіт. Однак це стосувалося в основному процесів отримання високо- і напівактивна марок технічного вуглецю, які служать сировиною для виробництва шин. Основи оформлення технологічного процесу виробництва малоактивного техвуглецю, який в основному споживається заводами ГТВ, не змінювалися з 70-х рр, коли відбувся перехід від многотопочних печей до вертикальних реакторів.

    Все більше посилюються вимоги споживачів до якості технічного вуглецю, а також зростання цін на сировину є спонукальними причинами для пошуку нових шляхів підвищення економічної ефективності виробництва [2].

    Основними технологічними прийомами, що забезпечили розвиток та інтенсифікацію виробництва технічного вуглецю в кінці ХХ ст., Є підвищення температури повітря, що подається на горіння, і використання тепла допоміжного палива для підтримки необхідної температури в реакційній зоні. У виробництві малоактивних марок техвуглецю ці прийоми не впроваджувалися ні на одному з заводів. Використання рекуперативного підігріву повітря і допоміжного палива в першу чергу впливають на вихід продукції із сировини, який є основним фактором, що визначає економічну ефективність процесу.

    У зв'язку з цим становить інтерес вивчення застосування даних технологічних прийомів до умов виробництва низькодисперсного технічного вуглецю з питомою умовної поверхнею 14-33 м2 / г (що відповідає техвуглецю марок П803 і П701 по ГОСТ 7885-86 зі змінами 1,2,3) і пошук оптимальних значень технологічних параметрів отримання техвуглецю, що забезпечують необхідну якість і максимальний вихід продукту. Для вирішення даного завдання створено математичну модель процесу утворення техвуглецю.

    1. Термохимический розрахунок неповного горіння

    Термохимический розрахунок проводиться з метою визначення виходу вуглецю, температури і складу газів в кінці реакційного каналу при заданих значеннях витрати палива і повітря, їх фізико-хімічних і технологічних параметрів. Для вирішення завдання оптимізації технологічних параметрів виробництва слід також визначити питомі витрати сировини, палива і повітря. В результаті термохімічних розрахунків необхідно отримати залежності виходу вуглецю, температури і складу газів від витрати повітря і палива з тим, щоб їх в подальшому включити в систему рівнянь математичної моделі процесу отримання технічного вуглецю [1].

    Термохимический розрахунок виконується шляхом спільного рішення рівнянь матеріального балансу по трьом елементам (вуглецю, водню і кисню), рівняння рівноваги реакції водяного газу і рівняння теплового балансу:

    22 4

    V + V + V = - ^^ (в С + С -ву (1) ЛН0 + Ун + 2УСН = ------ (вТНТ + Нс), (2)

    * СО2 з 1 усн4 1201 н 4 2 008 1

    ЛШг + 0,5 ^ 0 + 0,5 ^ 2о = 0,2 ^ В, (3) ХСО • Ч2о = КР • Хсо2 • Ч2, (4)

    + Твс Уг = + Q з + а ф- а ", (5)

    де: Л1 - обсяги газів, м3 / кг сировини; Вт _ витрата палива ,, кг / кг сировини; Ст, Сс - вміст вуглецю в паливі та сировину, кг / кг; Нт, Нс вміст водню в паливі та сировину, кг / кг; В - вихід технічного вуглецю, кг / кг; Лв - сумарний витрата повітря, м3 / кг; Кр - константа рівноваги водяного газу; Qx, Q з - теплота згоряння палива і сировини, кДж / кг; аф - фізичне тепло, яке надходить в реактор з повітрям, сировиною і паливом, кДж / кг сировини; - тепловтрати, кДж / кг сировини; Т - температура реакції, ° К; ср - теплоємності продуктів

    реакції.

    Шуканими величинами розрахунку є ЛС02, ЛС0, ЛН2О, ЛН2, В і Т. Значеннями Лсн4 і можна

    задаватися. Таким чином, ми маємо 5 рівнянь з 6-ю невідомими.

    Систему рівнянь (1) - (5) ми спочатку вирішимо для випадку, коли В = 0, з метою визначення тієї мінімальної кількості повітря, що надходить на неповне горіння, при якому вуглець ще не утворюється.

    При більш високому витраті кисню вуглець, очевидно, утворюватися не буде через наближення до умов повного горіння. В цьому випадку ми приймаємо Лсн4 = 0. Щоб спростити розрахунки, члени лівої частини рівнянь (1) і (2) віднесемо до їх правій частині. Тоді отримаємо:

    «СО2 + Асо = 1, (6) аН2О + анг = 1, (7) ага • а ^ = Кр • ага2 • а ^, (8)

    38

    розділ ФІЗИКА і ТЕХНІКА

    де а1 - відносна ступінь перетворення елементів.

    Далі ми припускаємо, що первинними продуктами реакції кисню з вуглеводнями є СО2 і Н2О, які вступають в реакції газифікації з іншим кількістю вуглеводнів за схемою:

    т

    И20 + С02 + СпНт ® ПСО + у И2.

    Оскільки тут співвідношення компонентів регулюються рівновагою реакції водяного газу

    СО2 + Н2 ~ СО + Н2О,

    має місце лінійна зв'язок між відносними ступенями перетворення сировини в СО і Н2, що залежить тільки від константи рівноваги реакції водяного газу. Оскільки ця залежність нам не відома, пишемо:

    а СО = а Н2 + ДКР). (9)

    Спільне рішення (6) - (9) дає

    КР • ан -а. (10)

    f (Kp) =

    1 -а + Кр ан

    Н2 Р Н2

    При неповному горінні вуглеводнів АН2 змінюється в межах 0,1-0,5. В такому вузькому діапазоні зміни АН2 рівняння (10) з похибкою не більше 3% може бути апроксимувати співвідношенням:

    Г (К) =&!!.. (I1)

    р # 7 + 2

    Спільне рішення рівнянь (10) і (11) призводить до квадратного рівняння:

    а = - 2а Н2 + _____________________________________ 1_ = о- (12)

    а-2 ^ к; +1 (#; + 1) 2

    Звідси

    1____. (13)

    л / КР + 1

    Підставляючи це значення в рівняння (9), (6) і (7), отримаємо:

    а = л / кр, (14) а = л / кр, (15)

    а Н2 =-

    "" "Л / КТ + 1 аН2О 'л / КТ + 1

    а = 1, (16)

    СО2 д / КТ + 1

    На підставі кисневого балансу (3) маємо

    0,21Лв = ЛСо2 + 0,5ЛС0О + 0,5Лн2о, (17)

    де Л10 - сумарний обсяг газів в реакціях газифікації вуглеводнів без утворення вуглецю.

    Праві частини рівнянь (1) і (2) позначимо через: Л2С і (сумарні обсяги углеродсодержащих і

    водородсодержащих газів, відповідно). Оскільки до початку освіти вуглецю прореагував з кислородсодержащими газами тільки частина сировини Х,

    V0 = з + ХС), (18) V0 = 22,4 (в Н + ХН) (19)

    з 12 01 н 2 008

    Обсяги газів до початку освіти вуглецю дорівнюватимуть

    Л0 = V, (20) Л0 = ЛесУКР (21)

    Л = I ------- усо

    ,Н2Ж + 1 +1

    Л0 = Ленлов / К7 (22) Л0 = (23)

    H20 л / Кр + 1 со2 ТКГ + 1

    Спільне рішення рівнянь (17) - (23) щодо Х дає:

    Х = 0,21ЛВ -§т (АСТ + РНТ), (24)

    АСС + БНС

    де:

    22,4 (1 + 0,5д / К7) (25) = 22,4 ^ / КР (26)

    12,01 (д / К7 +1) "4,016 ^ д / Кр +1)

    Час, що залишився сировину в кількості (1-Х) кг в подальшому піддається термічному розкладанню з утворенням вуглецю і водню. При цьому, однак, тривають реакції часткової газифікації вуглеводневих молекул, тому, залежно від будови вуглеводнів, ступінь перетворення залишився сировини в вуглець буде різною. З огляду на це, запишемо:

    В = Ь (1-Х), (27)

    де Ь - коефіцієнт виходу техвуглецю (постійна величина для даного виду сировини).

    А =

    Визначимо максимальну температуру неповного горіння Т ^, яка відповідає температурі, при якій починається утворення вуглецю.

    Кількість тепла Qp, кДж / кг, що надходить в зону утворення вуглецю, дорівнюватиме:

    Яр = (1 - ПП) * [(ЯтОт +) + Яг Т - 273) орт + X (Тс - 273) орс +? В (Тв - 273) ОРВ - 12670? ° а - 10770], (28)

    де: qп- коефіцієнт тепловтрат (приймемо qп = 0,05); Тт, Тс, Тв - температури палива, сировини, повітря, ° К; срт, СРС, срв - теплоємності палива, сировини, повітря, кДж / кг, кДж / м3.

    Це тепло витрачається на підвищення теплосодержания газів. Для спрощення розрахунків висловимо

    теплосодержание газів 1газ, кДж / кг, через теплосодержание азоту 1ж, кДж / кг:

    I, = 1,58Т - 630,5. (29)

    Iгаз = (1,58Т - 630,5) (0,8УВ + 1,015УС00 + 0,946УН02 + ^ ЕУ ^ + 1,615УС002). (30)

    Звідси,

    ТНПГ = ----------------------------- ^ ------------------ ------------ + 400 (31)

    НПГ 1,58 (0,79УВ + 1,015УС00 + 0,946УН + 1,273УН ^ г0 + 1,615УС00)

    Сумарні обсяги углеродсодержащих і водородсодержащих газів в кінці реакційного каналу знайдемо з рівнянь (1) і (2) (виходячи з досвідчених даних, приймаємо Усн4 = 0,04):

    22 4 / тл \ 22 4

    УГС = ^^ С, + СС - В) - 0,04, (32) УХН =-г-^ ТНТ + НС) - 0,04. (33)

    ЄС 12,01 т С ЄП 2,00 »т

    Рішення рівнянь (32) і (33) спільно з (3) і (4), дає:

    До

    Vco, = 0,2Vb - VC + у'н) ±

    2 (KP -1)

    2

    (0,4Vb - Vsc) у SC (34)

    + = |

    KP -1

    02У - Кр (УГС + УХН)

    _ 'В 2 (Кр -1)

    де знак "плюс" береться при Кр>1, а знак "мінус" - при Кр<1.

    Кількості інших речовин визначаються за формулами:

    У = У - У (35)

    Ун2 = УХН - 0,4Ув + Уес + Ус02, (36)

    УН20 = 0,4Ув - УГС - Ус02 (37)

    Температура, необхідна для розрахунків за формулами (34) - (37), визначається з теплового балансу в кінці реактора:

    Qк = 1М2 ХУ1к1 +1 УГВ, (38)

    де: QK ​​- сумарне тепло реакцій горіння, газифікації та освіти вуглецю в кінці реактора, кДж / кг;

    У1 - обсяг 1 - го компонента газу, м3 / кг;

    к1 - відношення Тепломісткість 1 - го компонента і азоту;

    1уг - теплосодержание вуглецю, кДж / кг.

    Аналогічно (28) можна записати:

    ^ = (1 - qПЛё ^ т + QC) + (ТС - 273) СРС + GТ (Tт - 273) Срт + УВ (ТВ - 273) срв -

    - 12670УС0 - 10770УН - 35600В - 50000УСН< ]. (39)

    Аналогічно (30) маємо:

    Хук = 0,8Ув + 1,015Ус0 + 0,946Ун2 + 1,273УнР + 1,615УШг + 2,03Усн4 (40)

    Тепломісткість технічного вуглецю одно, кДж / кг:

    IУГ = 2,04Т -1104. (41)

    Спільне рішення рівнянь (38) - (41) і (29) дає:

    ^ QК + 630,5ХУк. + 1104В

    Т = - ^ -------- ----- ^ ------------. (42)

    1,58ХУ до + 2,04В

    ЛІТЕРАТУРА

    1. Л.П. Гілязетдінов. Технологія сажі. М .: Московський інститут нафтохімічної і газової промисловості ім. І.М. Губкіна. 1977. 101 с.

    2. Мухамадеев Е.З .// Вісник Башкирського університету. 2006. № 1. С. 42-44.

    Надійшла до редакції 15.06.06 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити