авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Разработка новых технологических решений при получении печного техуглерода

-- [ Страница 2 ] --

Глава 3 Закономерности образования печного техуглерода

Физико-химические свойства сырья, соотношение расходов воздуха и сырья определяют температуру в реакторе и оказывают существенное влияние на продолжительность реакций, дисперсность и структурность техуглерода. Установление зависимостей между составом углеводородного сырья, температурой, продолжительностью реакцией и качеством техуглерода (дисперсность, структурность) является основной задачей, решение которой позволяет оптимизировать технико-экономические характеристики всего процесса.

Изучение закономерностей процесса образования дисперсного продукта было осуществлено в промышленных условиях на Сосногорском ГПЗ на одном из печных реакторов, имеющих длину 12 м и диаметр 1,45 м.

Температуру в середине реактора поддерживали в пределах 1150–1300 °С, что обеспечивалось объемным соотношением воздух/газ от 4 до 5. Выход техуглерода определяли по количеству выработанной продукции и рассчитывали на основании материального баланса по составу газообразных продуктов сажеобразования.

На основании динамики изменения температуры, составов газа и свойств образцов техуглерода, отобранных из различных точек реактора, получали кинетические зависимости. Расход природного газа во время опытов изменяли от 500 до 1100 нм3/ч.; а расход воздуха, соответственно, от 2000 до 5400 нм3/ч.

Для определения продолжительности реакций сажеобразования при различных температурах при заданном расходе природного газа постепенно уменьшали расход воздуха до тех пор, пока получаемый техуглерод имел оптическую плотность толуольного экстракта в пределах 0,05-0,10, что указывает на то, что процесс графитизации сажи не завершился. Нулевое значение оптической плотности толуольного экстракта говорит о полном завершении стадии графитизации углерода.

Параметры процесса сажеобразования при неполном горении природного газа приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Параметры сажеобразования при неполном горении природного газа

Параметр Режим
1 2 3 4 5
Расход природного газа, м3/ч 500 700 900 1000 1100
Расход воздуха, м3/кг 2000 3000 4000 4800 5400
Удельный расход воздух/газ, м3/м3 4,0 4,3 4,4 4,8 4,9
Температура, °С 1140 1170 1200 1240 1260
Время пребывания газов в реакторе, с 7,8 5,3 3,9 3,2 2,8
Выход техуглерода, кг/ч 77 105 131 142 146
масс.% 27,2 26,5 25,7 25,0 23,5
Удельная поверхность, м2/г 14,8 18,8 22,7 34,6 37,0
Масляное число, см3/100 г 39 38 46 69 71
Оптическая плотность толуольного экстракта 0,08 0,08 0,07 0,05 0,03

Результаты тестов показывают, что режим 4 является оптимальным по выходу сажи, который был положен в основу кинетических исследований.

Состав продуктов, образующихся при неполном горении природного газа в действующем реакторе, представлен на рисунке 5.

  Состав продуктов-10

Рисунок 5

Состав продуктов сажеобразования в реакторе:

1, 2 – СН4 в центре и у стенки реактора; 3, 4 – Н2 в центре и у стенки реактора

5, 6 – СО в центре и у стенки реактора; 7, 8 – СО2 в центре и у стенки реактора

9 – О2 у стенки реактора; 10 – выход технического углерода

Анализ состава газа показывает, что при расходе природного газа 1000 нм3/ч кислород полностью потребляется в течение 0,5 с, содержание метана по оси реактора падает до предельно низкого значения в течение 0,8-1,0 с, тогда как образование водорода продолжается до конца реактора (1,95 с). Это говорит о том, что в росте сажевых частиц принимают участие, преимущественно, продукты пиролиза метана, а не исходный метан. Поэтому концентрация метана или водорода в отходящих газах не является критерием завершённости процесса сажеобразования.

Температура в реакторе является главным фактором, обеспечивающим необходимое значение удельной поверхности и масляного числа дисперсного продукта и его выход из углеводородного сырья. Зависимость интегральных значений температуры в реакторе и удельной поверхности техуглерода от времени контакта приведена на рисунке 6. Температура по длине реактора растёт до максимума при = 0,8-1,0 с, а затем медленно падает в результате эндотермических реакций. Удельная поверхность техуглерода снижается с 38,3 (при = 0,5 с) до 31,1 м2/г (при = 1,95 с).

Изменение масляного числа и оптической плотности толуольного экстракта образующегося техуглерода приведено на рисунке 7. Оптическая плотность толуольного экстракта техуглерода характеризует наличие на поверхности смолистых продуктов. Нулевое значение оптической плотности говорит о полном завершении процесса графитизации углерода. Оптическая плотность снижается по длине реактора с 1,4 до 0,25, достигая приемлемое значение при времени контакта 2,2 с.

  Температура и удельная-11

Рисунок 6

Температура и удельная поверхность техуглерода в реакторе

  Оптическая плотность-12

Рисунок 7

Оптическая плотность толуольного экстракта и масляное число техуглерода в реакторе

Безусловно, самым важным параметром, определяющим свойства техуглерода, является температура процесса, с ростом которой увеличивается дисперсность (в определённом диапазоне), но при этом снижается выход техуглерода. Определение условий неполного горения и разложения сырья в макродиффузионном пламени, при которых достигается наибольшая дисперсность техуглерода при достаточно высоком выходе продукта, является важной технологической задачей.

Связь между выходом и удельной поверхностью сажи, образующейся при пиролизе углеводородов в инертной атмосфере, определяется соотношением:

1/2 = (S2)3/ (S1)3 (2)

где S1 и S2 - удельная поверхность сажи (м2/г) при выходе 1 и 2 (масс. %).

Чтобы корректно оценить влияние температуры на величину удельной поверхности сажи, образующейся при пиролизе углеводородов, и сравнить между собой эти величины, экспериментальные значения удельной поверхности приведены к одинаковому выходу сажи, а именно, 60 масс.%, максимально термодинамически допустимому при температуре менее 1500 0С и времени контакта ~1 с. Такой выход типичен для промышленных процессов получения печного техуглерода.

Удельная поверхность сажи апроксимируется уравнением:

Sуд = (8,0±0,5)104exp[(-26000±140)/RT)] (3)

Где, Sуд - удельная поверхность сажи, приведенная к выходу 60 масс.%, м2/г;

R – универсальная газовая постоянная, R=1,985 кал/(мольград);

Т – абсолютная температура, К.

Расчетные данные, полученные при обработке экспериментальных результатов по изотермическому пиролизу метана, моделирующего природный газ, используемый при производстве печного техуглерода, приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Удельная поверхность сажи в зависимости от температуры при различной степени разложения метана

Температура, оС Выход , % Удельная поверхность, м2
1400 20 45,0
25 41,8
30 39,3
35 37,3
40 35,7
45 34,3
50 33,2

Результаты таблицы 4 наглядно демонстрируют, что сажу с удельной поверхностью 3435 м2/г и выходом 4045 масс.% можно получить при повышении температуры в реакторе до 1400 °С.

Минеральные вещества в техуглероде влияют на скорость вулканизации резиновых смесей, качество лаков и красок. Поэтому к техуглероду предъявляют жесткие требования по содержанию золы. Особо вредное действие некоторые металлы (медь, марганец, железо) оказывают на свойства натурального каучука.

Основными источниками минеральных веществ в техуглероде являются углеводородное сырье, технологическая вода, используемая для закалки продуктов реакции, а также продукты коррозии оборудования и эрозии огнеупорных материалов реактора.

В таблице 5 приведен материальный баланс материальный баланс минеральных компонентов, поступающих в технологический поток производства техуглерода П701, который показывает, что основным источником является технологическая вода. Зольность товарного техуглерода составила 40%, однако его минерализация выше на 2,5%, что связано с присутствием в техуглероде гидрокарбонатов, которые разлагаются в условиях определения золы в техуглероде.

Таблица 5. Минерализация техуглерода П701 (N772)

Источник минерализации Количество примесей
мг/кг техуглерода % масс.
Технологический воздух Природный газ Вода на охлаждение и грануляцию Коррозия и эрозия оборудования 20 840 9250 240 0,2 8,2 89,3 2,3
Итого 10250 100
Минерализация техулерода до озоления в т.ч. зольность товарного техуглерода Компоненты, улавливаемые в сепараторах Летучие компоненты 4380 4120 80 5790 42,7 40,2 0,8 56,5
Итого 10250 100

Минеральные компоненты техуглерода представлены в основном гидрокарбонатами, хлоридами и сульфатами кальция, магния и натрия.

Подтверждение о наличии крупных минеральных частиц, находящихся в техуглероде, дает различная скорость электростатического осаждения техуглерода и минеральных веществ в различных полях электрофильтров.

Результаты по влиянию минеральных примесей технологической воды и сырья на зольность техуглерода позволяют сделать следующие рекомендации:

  • использование мягкой воды с пониженным содержанием сухого остатка;
  • снижение солей карбонатной жесткости в технологической воде;
  • сокращение расхода воды путем улучшения дисперсности распыла воды;
  • повышение температуры подогрева воды, используемой для охлаждения;
  • организация системы очистки сырья, газа и воздуха от минеральных примесей путем фильтрации, седиментации и других методов.

Глава 4. Совершенствование процесса производства техуглерода П701(N772)

Опытно-промышленные испытания по производству техуглерода из газожидкостного сырья были проведены на одном из модернизированных реакторов на Сосногорском ГПЗ. Выборка результатов работы промышленного реактора в течение года проведена в таблице 6.

Выход техуглерода, рассчитанный на суммарное количество газожидкостного сырья заметно выше, чем на действующем производстве при использовании только природного газа. С увеличением расхода воздуха на единицу сырья выход техуглерода заметно снижается. Разброс данных можно объяснить рядом факторов, среди которых следует выделить размер жидких капель сырья и температуру в реакторе.

Таблица 6 - Технологический режим и показатели качества техуглерода из газожидкостного сырья

Расход Температура, оС Выход и качество техуглерода
Природный газ, м3 Воздух, м3 Жидкое сырье, кг/ч Выход, кг/ч Удельная поверхность, м2 Масляное число, см3/100г
810 4250 170 1260 206 33,5 66
830 4400 180 1275 221 35,0 60
850 4450 185 1280 225 34,8 63
860 4500 190 1290 231 34,5 62

Опытно-промышленные испытания, проведенные на Сосногорском ГПЗ, продемонстрировали возможность производства техуглерода П701 (N772) при неполном горении смеси газа и остаточных фракций газового конденсата в макродиффузионном пламени. Показано, что при удельной поверхности техуглерода, отвечающей требованиям действующих стандартов, выход составил 34-35 масс.% на потенциальное содержание углерода в углеводородном сырье.

На основании проведенных исследований был разработан технологический регламент на проектирование установки производства техуглерода П701(N772) из газожидкостного сырья.

Материальный баланс процесса получения техуглерода П701 (N772) для 1 линии производства, состоящей из двух реакторов, составлен на основании фактических данных по расходу и составу компонентов, поступающих в реактор, и продуктов, образовавшихся в результате неполного горения углеводородного сырья.

Расчет материального баланса процесса получения техуглерода N772 из газожидкостного сырья проведен для следующих технологических условий: VПГ = 1500 нм3/ч, VВ = 9000 нм3/ч, Gж=300 кг/ч.

Материальный баланс процесса получения техуглерода N772 из газожидкостного сырья для 1 линии производства, за 1 ч работы приведен в таблице. 7.

В продукты неполного горения природного газа (С1,13Н4,26) в воздухе, которые содержат сажу, впрыскивают предварительно нагретое жидкое сырье (дистиллятную фракцию стабильного конденсата). Физико-химические характеристики дистиллятных фракций приведены в таблице. 2. Парафиновый углеводород н-додекан (С12Н26) по своим характеристикам моделирует сырье 1. В результате интегральных процессов, протекающих в реакторе при температуре 1250°С, образуется техуглерод П701 (N772) в количестве 390 кг/ч.

Согласно данным таблицы. 7 степень конверсии углерода углеводородного сырья в техуглерод составляет:

ТУ = GТУ/(VПГCпг + GжСж) = 387100/(15000,566+3000,86) = 34,96% (4)

Одним из направлений интенсификации процесса сажеобразования из газожидкосного сырья является увеличение степени распыла вязкого жидкого углеводородного сырья, что снижает время испарения капель углеводородного сырья.

В качестве распыливающего агента возможно использовать воздух.

Воздух, который нагнетается в факел со значительной скоростью, способствует его турбулизации и ускоряет процесс пиролиза углеводородного сырья.

Таблица 7 - Материальный баланс производства техуглерода П701 (N772) из газожидкостного сырья

Наименование потока Значение Расход
нм3 кг/ч
Природный газ C1,13H4,26 (VПГ ) плотность при 20 оС, кг/м3 содержание углерода, кг/м3 ( Cпг) содержание водорода, кг/м3 содержание азота, кг/м3 0,777 0,566 0,178 0,033 1500 47 1166 849 267 50
Жидкое сырье С12Н26 (сырье №1) (Gж) плотность при 20 оС, кг/м3 содержание углерода, масс. % ( Сж) содержание водорода, масс. % 750 86 14 300 258 42
Воздух влагосодержание при 20 оС, об.% содержание O2, об.% содержание N2, об.% 1,5 20,7 77,8 9000 135 1863 7002 10729 101 2478 8150
Техуглерод (GТУ) 387
Дымовые газы 12094 11808


Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.