CC BY
58
Вершинин Н.Н. , Кордон М.Я., Ананьев В.М., Гравшенкова Е.О.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Задачи экспериментальной оценки влияния различных факторов на проектные параметры установки для получения метанола методом прямого окисления метана могут быть сформулированы следующим образом:
В качестве объекта исследования рассматривается цилиндрический реактор, обогреваемый с помощью газовой горелки.
Исследование осуществляется методом «черного ящика».
В качестве входных параметров «черного ящика» рассматриваются:
давление в реакторе, р, МПа;
температура стенки реактора, °С;
расход газа через реактор, л/мин;
концентрация кислорода в исходной смеси, %;
концентрация метана в исходной смеси, %;
геометрические параметры реактора, м.
В качестве выходных параметров реактора рассматриваются: содержание метанола в конденсате, См, г/л;
выход метанола в расчете на пропущенный метан, Вм, г/м ; удельный выход метанола на единицу площади сечения реактора, Ь
кг/мРч.
удельный выход метанола на единицу объема реактора, Ьм Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Экспериментальная установка включала: баллон с исходной смесью
1; редукторы (РД1) 3 и
РД2) 12; термошкаф 4 с газовой горелкой 6 и перегородкой 7; реактор 5; термопары (Т2) 8 и (Ті)
9; холодильник-конденсатор (ХК) 10; расходометр
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Реактор 5 представлял собой цилиндрическую обогреваемую трубу и делился на две части: зону обогрева I и зону охлаждения П. Длина зоны обогрева I составляла 4 90 мм, длина зоны охлаждения II -330 мм. Различие температур в зонах обогрева и охлаждения достигалось с помощью изменения коэффициента разбавления продуктов горения газовой горелки 6 воздухом. В зоне нагрева он был ниже, в зоне охлаждения выше, благодаря чему средняя температура стенки в зоне нагрева I была выше, а в зоне охлаждения II - ниже. Температура стенок реактора в зонах нагрева и охлаждения фиксировалась термопарами (Т1 и Т2) 9 и 8, которые имели возможность перемещаться вдоль образующей реактора.
Реактор был изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, его внутренний диаметр составлял 67 мм, длина обогреваемой части 500 и 820 мм.
Реактор 5 помещался в термошкаф 4, который имел теплоизолирующий корпус и обогревался газовой горелкой 6. С помощью перегородки 7 и определенного расположения системы входных отверстий, через которые в термошкаф подавался воздух, а также определенного расположения системы отвода из термошкафа, разбавленных воздухом, продуктов горения газовой горелки 6 в нем были организованы две зоны: зона нагрева I с более высокой средней температурой продуктов горения и зона охлаждения II с более низкой средней температурой продуктов горения. В зоне нагрева I течение продуктов горения по отношению к течению исходной газовой смеси, в основном, противоточное, а в зоне охлаждения II, в основном - поперечное.
Газовый баллон 1 служил для приготовления и хранения исходной смеси с заданной концентрацией кислорода. Исходная газовая смесь готовилась на основе расчета состава по парциальным давлениям метана и воздуха с последующим контролем концентрации кислорода и метана методом газовой хроматографии.
Поддержание рабочего давления и расхода в реакторе осуществлялось с помощью входного редуктора (РД1) 3, выходного редуктора (РД2) 12 и выходного вентиля 13. Поскольку скорости движения газа
в реакторе и магистралях были невелики, то падения давления по длине газового тракта не наблюдалось.
Охлаждение реакционных газов и высаждение метанольного конденсата осуществлялось в холодильнике-конденсаторе (ХК) 10 без сброса давления. Охлаждение реакционных газов осуществлялось проточной водой, метанольный конденсат в ходе проведения эксперимента накапливался в сборной емкости холодильника-конденсатора и сливался после проведения эксперимента.
Измерение расхода газов осуществлялось на выходе, при атмосферном давлении с помощью ротаметра типа РМ.
Экспериментальные исследования проводились в следующем порядке.
Включалась газовая горелка 6 и проводился разогрев термошкафа 4 установки в течение, примерно, одного часа. Устанавливалась заданная температура стенки реактора 5. Контроль за температурой стенки реактора 5 осуществлялся с помощью термопар (Т1 и Т2) 9 и 8. Окончанием разогрева являлась
температурная стабилизация стенки реактора 5.
2
Из газового баллона 1 через вентиль 2 и редуктор 3 в реактор 5 подавалась исходная газовая смесь с заданной концентрацией кислорода и метана. С помощью редуктора 3 в реакторе 5 устанавливалось заданное давление. С помощью редуктора 12 и вентиля 13 устанавливался заданный расход газовой смеси через реактор 5. Измерение расхода проводилось при атмосферном давлении с помощью ротаметра 14. Исходная газовая смесь, проходя через реактор 5, подогревалась до заданной температуры, после чего в газовой фазе происходила реакция образования метанола и побочных продуктов реакции. Затем газовая смесь проходила через холодильник-конденсатор 10, где происходило ее охлаждение и выделение метанольного конденсата. Далее газ проходил через редуктор 12, вентиль 13, ротаметр 14 и сбрасывался в атмосферу.
После стабилизации всех входных параметров (давления, температуры, расхода) из холодильника-конденсатора удалялся метанольный конденсат, и с помощью секундомера засекалось время начала эксперимента. После окончания эксперимента с помощью редуктора 13 обнулялся расход газа через реактор 5. Из холодильника-конденсатора 10 сливался метанольный конденсат и проводился замер его количества с помощью мерной емкости. Определение состава метанольного конденсата проводилось методом хроматографии.
По результатам экспериментов определялись следующие выходные параметры:
Состав реакционного газа на выходе из установки, % об. (определялся методом газовой хроматографии).
Состав метанольного конденсата, г/л (определялся методом хроматографии).
Выход метанола в расчете на пропущенный метан определялся из зависимости:
В см¥к , г/м3
М = О. л М
где См - содержание метанола в метанольном конденсате, г/л;
Ук - объем наработанного метанольного конденсата, мл;
Єм - расход метана через реактор, л/мин;
Т - время эксперимента, мин.
Удельный выход метанола в расчете на единицу площади реактора определялся по формуле:
Ърм = <сМ^к ■ 60-кг6, т-М
кг/м2ч,
где В- площадь поперечного сечения реактора, м .
Удельный выход метанола в расчете на единицу объема реактора определялся из зависимости:
ъМ =
£мК^ ■ 60 -10-6,
т ■ М ■ и
кг/м3ч,
где 1р - длина обогреваемой части реактора, м.
Погрешности определения выходных параметров, характеризующих работу реактора, оценивались как корень квадратный из суммы квадратов пределов допускаемых значений составляющих погрешностей. При этом принимались следующие допущения: составляющие погрешности независимы, имеют однотипный закон распределения и пределы их допускаемых значений соответствуют одинаковым доверительным вероятностям.
Относительная погрешность определения величины содержания метанола в конденсате, См, характеризуется относительной погрешностью хроматографического метода определения концентрации 8 См = 0,05. Поскольку величина выхода метанола, Вм, определяется из зависимости:
вм _ / (СМ 'МК ’°М;т)
то, следовательно, относительная погрешность определения величины Вм :
8В„
-- ^8СМ 2 + 8¥к 2 + 8О2 + 8т2 = ■$0,052 + 0,12 + 0,0152 + 0,052 = 0,123.
в _ 8С 2 + 8М 2 ' 1 пс2 1 п I2 1 п т с2 1 п пс2
Функциональная зависимость удельного выхода метанола, имеет вид: иг .
ЪМ = / (СМ Ук ;т; М)
Следовательно, относительная погрешность определения
еличины
8ЪМ
-- ^8СМ 2 + 8¥к 2 + 8т2 + 8М2 =70,052 + 0,12 + 0,052 + 0,0152 = 0,123.
Функциональная зависимость удельного объема выхода метанола, определится зависимостью:
ЪМ _ /ОСМ ;МК ;т; Г;1Р )■
Тогда, относительная погрешность определения величины 8Ъ^ определится по формуле:
8ЪМ _фсм2 + 8УК2 + 8т2 + 8Г2 + 81р _ _^0,052 + 0,12 + 0,052 + 0,0152 + 0,0012 _ 0,123.
Таким образом, относительная погрешность определения выходных параметров, характеризующих работу реактора, не превышает величины 15 %.
Обработка экспериментальных данных проводилась по методике, изложенной в. Определение оценок выходных параметров проводилось по пяти независимым опытам. Грубые ошибки из рассмотрения исключались.
Порядок определения оценок выходных параметров показан на примере. В табл. 3.1 даны результаты определения выходных параметров реактора в пяти независимых опытах при следующих значениях входных параметров:
внутренний диаметр реактора dp
67 мм;
длина обогреваемой части 1р
820 мм;
давление в реакторе рр = 5,0 МПа; концентрация кислорода в смеси й2 = 10% ; расход смеси Єм = 46 л/мин;
температура стенки реактора 1сТ = 420°С. Таблица 1 Выходные параметры реактора
№ опыта См, г/л Вмг г/м3 ЪМ , кг/м2ч ЪМ , кг/м3ч
1 95 22,0 9,0 11,0
2 100 21,9 8,9 10,9
3 92 21,3 8,6 10,5
4 97 22,4 9,1 11,1
5 104 23,7 9,6 11,7
Оценка для математического ожидания величина См определялась по формуле:
95 +100 + 92 + 97 +104
■ 97,6, г / л
п 5
Среднеквадратическое отклонение величины См определялось из зависимости:
-97,62 ------= 4,6г / л.
^ 5 J 5 -1
При доверительной вероятности р = 0,95 величина доверительного интервала будет:
<1 о - 1 ШГ ? П@'• ТПг> Т оС) —
Р \ см Р см ’ см Р см /
= (97,6 -1,439 • 4,6;97,6 +1,439 • 4,6 ) = = (91,0;104,2) г / л
Результаты расчетов погрешностей определения выходных параметров реактора сведены в табл.2. Таблица 2 Результаты обработки опытных данных____________________
Параметр См, г/л ВМ, г/м3 *¥ / 2 Ьм , кг/м ч » V / 3 Ьм , кг/м ч
т 97,6 22,3 9,0 11,0
а 4,6 0,9 0,3 0,4
•ГР 91,0; 104,2 21,0; 23,6 8,6; 9,4 10,4; 11,6
5 =——-100,% 2 • т 6,8 5,8 4,4 5,5
Из данных, представленных в табл. 2, следует, что при определении выходных параметров, характеризующих работу реактора, относительная погрешность при доверительной вероятности Р = 0,95 не превышает 7 %.
