Математическая модель процесса получения малоактивного технического углерода. Часть II. Расчет технологических параметров процесса Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 519.85+661 ББК 22.18+35.20

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МАЛОАКТИВНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА Гимаев Р.Н., Мухамадеев Э.З., Галиев Р.Р.

Часть II. Расчет технологических параметров процесса

2. РАСЧЁТ ДИСПЕРСНОСТИ И СТРУКТУРНОСТИ ТЕХУГЛЕРОДА На основе теории соударений выведена формула [1, с.35]:

Е =

ЯТ

28 - ^Т - 1§с0 -—^(МуЬ) - — ^ - 2,7841 6 2

(43)

где: Еп- энергия активации образования зародышей углеродных частиц, кДж/моль; Я - универсальная газовая постоянная (0,00831434 кДж/(моль-°К)); с0 - начальная концентрация углеводородов в зоне реакции, кмоль/мж;

Му- средняя молярная масса молекул сырья, г/моль;

Б - удельная поверхность техуглерода, м2/г.

Нами данное уравнение преобразовано к виду:

_2/ _ 2/ _ 1/ _ 1/

8 = 38400• Т /пс/пМ/ъЪ /ъ ехр

2/ Е /11Е"

ЯТ

(44)

Также в [1, с. 38] приведено уравнение для расчёта продолжительности реакций образования углерода т, с:

- 9/

2/ е + Е /11 Е + ЕУ

ЯТ

(45)

где: О - коэффициент, зависящий от вида сырья (для данного вида сырья постоянен);

N - число Авогадро (6,02-1026 кмоль-1);

Еу - энергия активации роста частиц (для большинства видов сырья можно принять равной ~ 110 кДж/моль).

Уравнение (45) необходимо для расчёта величины с0, т. к. известно время реакции для используемого типа реактора (т~ 3 сек.)

Для расчёта структурности техуглерода М, см3/г, используется формула [1, с. 46]:

М = 0,27812 В У3.

(46)

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

Целевым продуктом работы реактора является технический углерод, который должен удовлетворять требованиям ГОСТ 7885-86. Согласно данному стандарту, удельная условная поверхность технического углерода марки П803 должна составлять 14-18 м2/г, марки П701 - 33-39 м2/г; абсорбция дибутилфталата для марки П803 - 0,76-0,9 см3/г, для марки П701 - 0,6-0,7 см3/г.

Помимо соответствия получаемого продукта ГОСТ, подбор оптимальных параметров получения технического углерода осложняется и другими ограничениями, вызванными существующим состоянием оборудования.

Температура в реакторе не должна превышать температуру огнеупорности футеровки (во избежание оплавления и остекления внутренней поверхности реактора), которая составляет около 1800°К (в программе расчёта используется величина 1750°К на случай непредвиденных местных перегревов), причём необходимо предусмотреть, что температура в разных участках реактора может быть различной.

При подаче в реактор вспомогательного топлива в нём необходимо предусмотреть наличие зоны горения, температуру в которой можно рассчитать по следующей формуле:

8550 - 3,01(ТВ - 273)а 0,73 + 3,48а Г

■ + 423 - АТГ

(47)

где: аг - коэффициент избытка воздуха в зоне горения,

Г

а г = Ув , (48)

г 13,34ёт

АТп- уменьшение температуры за счёт теплопотерь, °К (принимаем величину теплопотерь равной 5% от равновесной температуры).

Продукты полного горения с некоторым избытком воздуха поступают в реакционный канал и смешиваются с потоком распылённого сырья. Здесь избыток воздуха расходуется на сжигание и газификацию сырья. При этом выделяется дополнительное количество тепла. Если бы это тепло расходовалось только на нагрев газообразных продуктов, то температура в этой зоне повысилась до температуры неполного горения (см. уравнение (31)) или выше её на величину, соответствующую температуре подогрева воздуха. Однако здесь происходит рассеивание тепла вдоль реакционного канала по законам лучистого теплообмена и частичное расходование его на нагрев жидких капель сырья. Поэтому практическая температура в этой зоне (смешения и газификации) равна:

Т = ТНПГ + Е(ТВ - 273) + Т -АТп (49)

1 ГАЗ 2 ’

где: Е - отношение теплосодержаний подаваемого в реактор воздуха и газов неполного горения (согласно [1, с. 50] величину Е можно принять равной 0,65);

Т - равновесная температура, °К.

Существенным ограничением пределов оптимизации является также пропускная способность фильтров улавливания по газу. Так, применяемые в ОАО “Туймазытехуглерод” электрофильтры СГ-15х5 имеют максимальную производительность 30000 м3/ч [2, с. 103].

4. АЛГОРИТМ РАСЧЁТА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХУГЛЕРОДА Исходными данными для расчёта являются вид сырья, его плотность и температура кипения, а также нагрузка реактора по сырью.

4.1. Рассчитать молярную массу сырья М по формуле [4, с. 58]:

3,1612+1,3014+0,0287т-2,3986р2° +1,0844(р2° )2

М = 3,9802 • т т , (50)

где: т- приведённая температура кипения,

Т

Т = _1_кип , (51)

100

Ткип- температура кипения сырья, °К;

20

р4 - относительная плотность сырья.

4.2. Рассчитать теплоту испарения сырья Нисп, кДж/кг [5, с. 16]:

НИСП = 993,5 -661 , 5р55 - ТШП (1, 733 - 1,81 3 р55 ) - ТКИП2 (0 ,00059 р55 - 0,0001 5) , (52)

где р1515 - относительная плотность сырья, вычисляемая по формуле [4, с. 92]:

р15 = 0,0093 + 0,994р40. (53)

4.3. Рассчитать теплоёмкость сырья срс, кДж/(кг °К) [6, с. 96]:

сРС = 2,96 - 1,33р20 + ТС (0,00615 - 0,0023р4°)(0,067К + 0,35), (54)

где Тс - температура сырья на входе в реактор (сырьё перед подачей в реактор подогревают до 323°К);

К - характеристический фактор Ватсона, определяемый по формуле [6, с. 96]:

1

К = 1,122 • Ткип3 . (55)

р40

4.4. Рассчитать содержание углерода и водорода в сырье, используя соотношение [6, с. 92]:

12Н

= -2,977р40 + 4,205. (56)

СС

В целях упрощения считаем сырьё состоящим из углерода и водорода с массовой долей серы Бс=0,02. Тогда величины Нс и Сс можно выразить как

С = 12(1 ) , (57)

С 16,205 - 2,977р20

Нс = 1 -Бс -Сс. (58)

4.5. Определить теплоту сгорания сырья Qс, кДж/кг [1, с. 12]:

0С = 37180СС + 88920НС + 92ШС. (59)

Содержания углерода и водорода в топливном газе примем равными соответственно 0,75 и 0,25. Теплоту сгорания топливного газа примем равной 50000 кДж/кг [1, с. 21].

4.6. Задать набор оптимизационных параметров (Ув, дт, Тв).

4.7. Методом последовательных приближений [9] определить температуру неполного горения:

4.7.1. Задать температуру.

4.7.2. Определить состав газов неполного горения по уравнениям (18)-(26) при заданной температуре.

4.7.3. Найти количество тепла, поступающего в зону образования углерода по уравнению (28).

4.7.4. Определить расчётную температуру неполного горения по уравнению (31).

4.7.5. Если расчётная и заданная температура сильно различаются, выбрать другую температуру и повторить пункты 7.2.-7.5.

4.8. Методом последовательных приближений определить температуру равновесия в реакторе:

4.8.1. Задать температуру.

4.8.2. Определить состав равновесных газов по уравнениям (32)-(37) при заданной температуре.

4.8.3. Найти суммарное тепло реакций горения, газификации и образования углерода в реакторе по уравнению (39).

4.8.4. Определить расчётную равновесную температуру по уравнению (42).

4.8.5. Если расчётная и заданная температура сильно различаются, выбрать другую температуру и повторить пункты 8.2.-8.5.

Значения константы равновесия реакции водяного газа, необходимые для расчётов температуры найдены аппроксимацией табличных значений [7, с. 42].

4.9. Определить выход технического углерода по уравнениям (24-27).

4.10. Определить структурность и удельную поверхность технического углерода по уравнениям (44,46).

4.11. Определить температуры в зонах горения и газификации по уравнениям (47-49),

4.12. Сравнить полученные значения структурности, удельной поверхности, температур в зоне горения и газификации с заданными в ограничениях. В случае выхода полученных значений за рамки ограничений исключить текущие значения технологических параметров по методу штрафных функций [9].

4.13. Сравнить полученное значение выхода техуглерода с максимальным ранее полученным. Если оно превышает его, присвоить максимальному значению выхода текущее значение и сохранить текущие параметры технологического режима как оптимальные.

4.14. Задать новый набор оптимизационных параметров.

4.15. По исчерпании всех наборов оптимизационных параметров результатом будут текущие оптимальные значения параметров режима.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Алгоритм модели реализован в компьютерной программе, созданной в среде программировании Вог1апё Бе1рЫ. Результатом работы программы являются значения технологических параметров, соответствующие максимальному выходу технического углерода из данного сырья при условии сохранения структурности и дисперсности получаемого продукта в пределах, заданных нормативно-технической документацией.

С помощью данной компьютерной программы производилась оптимизация технологических параметров производства технического углерода марки П803 с удельной условной поверхностью 14-18 м2/г и абсорбцией дибутилфталата 76-92 мл/100г. В качестве сырья использовалось масло антраценовое, физико-химические свойства сырья приведены в табл. 1. В качестве топлива рассматривался метан.

Таблица 1

Физико-химические свойства антраценового масла

№ Наименование показателя Ед. изм. Значение

1 Плотность кг/м3 1100

2 Средняя молекулярная масса 174

3 Коэффициент выхода 0,91

4 Энергия активации образования частиц техуглерода кДж/моль 386

5 Энергия активации роста частиц кДж/моль 107

6 Теплоемкость паров при Т=600-1400°К кДж/кг*град 2,89

Т аблица 2

Параметры технологического процесса и выход технического углерода

№ Наименование показателя Без оптимизации Оптимизация

по температуре воздуха по расходу топлива по температуре воздуха и расходу топлива

1 Расход воздуха, м3/кг сырья 1,487 1,372 1,866 1,561

2 Расход топлива, м3/кг сырья - - 0,091 0,066

3 Температура воздуха, °С 20 154,3 20,0 222,29

4 Удельная поверхность, м2/г 14,01 14,01 14,25 14,02

5 Абсорбция ДБФ, мл/100г 79,4 82,1 76,1 80,5

6 Выход техуглерода, кг/кг сырья 0,722 0,737 0,777 0,788

Результаты оптимизации представлены в табл. 2. Полученные значения демонстрируют возможности увеличения выхода готовой продукции при внедрении подогрева технологического воздуха и введения в процесс вспомогательного топлива.

Подогрев воздуха позволяет увеличить выход на 1,5%, при этом снижается удельный расход воздуха и тем самым улучшаются условия работы аппаратов улавливания при заданной нагрузке по сырью. Для достижения максимального выхода достаточно нагреть подаваемый воздух до 154°С.

Подача вспомогательного топлива дает возможность увеличить выход техуглерода на 5,5%, но при этом значительно возрастает удельный расход воздуха и соответственно объем отходящих газов, что приводит к форсированию работы оборудования отделения улавливания и увеличению вредных выбросов в атмосферу. Для максимизации выхода требуется подать 0,091 кг метана на 1 кг сырья, что составляет 300 нм3/час для промышленного реактора производительностью 2000 кг сырья/час.

При одновременном применении обоих приемов интенсификации процесса выход техуглерода составит 78,8%, что на 6,6% больше исходного. При этом удельный расход воздуха возрастает незначительно, расход топлива для того же реактора составит 220 м3/час, а воздух необходимо подогреть до 222°С.

ВЫВОДЫ

В рамках представленной математической модели выполнены расчеты оптимальных технологических параметров производства технического углерода марки П803. Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что применение рекуперативного подогрева технологического воздуха и введение в процесс вспомогательного топлива являются перспективными направлениями повышения выхода технического углерода из сырья при сохранении требуемого качества.

ЛИТЕРАТУРА

1. Л.П. Гилязетдинов. Технология сажи. - М.: Московский институт нефтехимической и газовой промышленности им. И.М. Губкина, 1977. 101 с.

2. И.Г. Борозняк. Производство сажи. - М.: Химия, 1975. 210 с.

3. В.Ф. Суровикин. //Производство и свойства углеродных саж. Труды ВНИИСПа. Омск: ЗападноСибирское книжное издательство, 1972. с. 215-232.

4. С.А. Ахметов, В.А. Аль-Окла. Моделирование и инженерные расчёты физико-химических свойств углеводородных систем. - Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2003. 150 с.

5. М.Г. Рудин. Карманный справочник нефтепереработчика. - Л.: Химия, 1989. 463 с.

6. В.Ю. Орлов, А.М. Комаров, Л.А. Ляпина. Производство и использование технического углерода для

резин. - Ярославль: Издательство “Александр Рутман”, 2002. 512 с.

7. Справочник химика. Т.3 - Л.,: Химия, 1968. 1070 с.

8. М.Б. Равич. Газ и его использование в народном хозяйстве. - Л.: Гостоптехиздат, 1972. 350 с.

9. Т.Г. Умергалин. Основы вычислительной математики. - Уфа: Издательство УГНТУ, 2003. 290 с.

Поступила в редакцию 15.06.06 г.