Математическое описание процесса переработки биомассы в метанол с применением газификаторов с плазменным источником тепла Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 661.721.41

А. Р. Садртдинов, Т. Х. Галеев, Э. К. Хайруллина МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ В МЕТАНОЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗИФИКАТОРОВ С ПЛАЗМЕННЫМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА

Ключевые слова: древесная биомасса, плазменный источник тепла, газификация, синтез-газ, метанол.

В работе представлена физическая картина процесса получения метанола из синтез-газа, вырабатываемого из древесной биомассы и разработанное на ее основе математическое описание процесса, изложенное в виде основных дифференциальных уравнений с краевыми условиями, которое позволяет рассчитать основные параметры оборудования для переработки биомассы в метанол и определить оптимальные режимы его эксплуатации.

Keywords: woody biomass, plasma heat source, gasification, synthesis gas, methanol.

The paper presents a physical picture of the process of the production of methanol from synthesis gas produced from woody biomass and the developed by on its basis the mathematical description of the process set out in the form of a basic differential equations with boundary conditions, which allows to calculate the main parameters of equipment for processing biomass to methanol and the determine the optimal its mode of exploitation.

Исследования в области переработки древесинного сырья и растительной биомассы в целом в химическое сырье, с целью дальнейшего получения полезных продукты химического синтеза за последние годы приобрели широкий размах и с каждым годом продолжают наращивать темпы [1]. Нужно отметить, что высокий рост развития научной деятельности и применение новых разработок в данной области промышленности имеет приоритетное значение как для экономики, так и для экологии производства. Также развитие исследований по переработке растительного сырья имеет большое значение для развития фундаментальных областей знаний, таких как теория тепломассообменых процессов, химическая кинетика и др. [2].

Одним из развивающихся направлений переработки растительного сырья, является применение установок с плазменным источником тепла [3]. Как известно в качестве плазмообразующего агента может служить различные газы: водяной пар, водород, воздух, кислород, СО2 и др. [4]. Подобное разнообразие газифицирующих агентов, приводит к тому, что каждый рассматриваемый вариант требует отдельного технического решение, как по конструкции плазменного устройства (плазмотрона) так и по методу подвода источника тепла.

В работе рассмотрен и математически описан процесс переработки растительного сырья в синтез-газ с последующим получением метанола, посредством применения газогенератора с плазменным источником тепла на основе воздуха.

В начале, на базе известных стадий, протекающих в рассматриваемом процессе, была составлена физическая картина процесса, изображенная на рис. 1. Из картины видно, что синтез газ образуется в результате многостадийной переработки древесной биомассы в газогенераторе. После синтез-газ направляется на очистку, охлаждение, компремирование и проходит стадию каталитического синтеза метанола.

Проанализировав имеющиеся данные и весь процесс в целом, следует, что реальная картина процесса довольно сложна и для получения конструктивного математического описания процесса требуется сделать следующие допущения:

5,1 р. магсркала

Т-20'С

Тарифицирующий щнт

и.н шнингевднгора

Т=500'С СО. та, 1|;0, СпНт

Т-130СГС СО, СО;, НгО

Т=1000'С CO.-.lliO. СО, К:, С Mi

Зона сушкн

''-■>.:■ пиротпа

Зону окнелснкя

'ОООООО

Зона ВОССГОЮВЛСВНЯ

Механическая очистка

1

ЭОМ

Т=200С Нагрев Ком пре- Охлаждение

мирование

'ни тс t метаиола СО+2М;С11ЮИ СОВ Hi"CH*+Hi о COJ+KJHCCM-HIO

СО;, СО.

HJ.CH1, N;

Сепарация

Метанол сырид (CHj)JO, СНЮН, CilhOH.IbO

Рис. 1 □ Физическая картина переработки биомассы в метанол

процесса

полидисперсную систему частиц условно

заменяем эквивалентной монодисперснои системой в виде бесконечных пластин;

- процессы прогрева, сушки, пиролиза, горения и восстановления рассматриваются стадийно, а наложение процессов во времени не учитывается;

- в зоне прогрева, сушки и пиролиза рассматривается непрерывный, стационарный процесс тепломассообмена частиц со стенкой реактора;

- изменением размеров частиц в процессе сушки и пиролиза пренебрегаем;

- концентрация окислителя на нагреваемой границе слоя материала недостаточна для его воспламенения при температуре равной температуре конца пиролиза;

- не учитываются возможные газофазные химические реакции между продуктами пиролиза;

- принимаем, что древесина состоит из двух основных компонентов целлюлозы и лигнина в определенном соотношении, а процесс пиролиза древесины как совокупность процессов термического разложения, ее основных компонентов [5, 6];

- масштабы конвективного теплопереноса в пористой структуре древесины определяются массовым расходом газообразных продуктов пиролиза;

- стенку реактора принимаем бесконечно тонкой, поэтому толщиной стенки пренебрегаем;

- принимаем, что в зоне горения протекают только гомогенные реакции взаимодействия продуктов пиролиза с окислителем;

- в зоне восстановления конвективного переноса в параллельном оси реактора

интенсивность направлении намного выше

интенсивности молекулярной диффузии, поэтому последним пренебрегаем;

- В зоне восстановления образованием метана (СН4) пренебрегаем, т.к. скорость его образования кратно меньше, чем у других реакций. В результате зона восстановления определяется следующими набором реакций:

С + О2 = СО2 2С + О2 = 2СО С + СО2 = 2СО С + Н2О = СО + Н2 СО + Н2О = СО + Н2

- при рассмотрении зоны восстановления теплопроводность и диффузия по газу пренебрежимо малы по сравнению с конвективным переносом тепла и массы [7], поэтому влиянием диффузии и теплопроводности можно пренебречь;

- образующаяся парогазовая смесь подчиняется законам идеальных газов, вследствие низкого давления и высокой температуры;

- частицы, парогазовая фаза и окислитель по всему аппарату имеют равномерное распределение и их параметры в любой точке поперечного сечения реактора одинаковы;

- процесс протекает без тепловых потерь;

- синтез метанола на катализаторе происходит непосредственно из оксида углерода и водорода;

- изменение

химического

состава

катализатора под воздействием примесей в исходной смеси не учитывается, вследствие ее предварительной очистки.

В результате с учетом принятых допущений математическое описание процесса принимает классический вид из системы дифференциальных уравнений тепломассопроводности.

Исходя из физической картины, следует, что стадии прогрева, сушки и пиролиза в совокупности имеют жесткую взаимосвязь и в общем виде их можно описать дифференциальным уравнением теплопереноса [8, 9]

ЭТ - (

с • р сл сл

Эх

Э

Эх

эф

ЭТ ^ сл

дх

+ Ч

(1)

Для решения дифференциального уравнения (1) сформулированы начальные условия, в виде

Тсл(0,х)= Т сл.нач (2)

и граничные условия, схематично изображенные на рис. 2

-X.

сТс,

эф"

Эх

= а-(Тг -Тсл)

х=Х

ЭТ

сл

Эх

= 0

(3)

(4)

х=0

Рис. 2 □ Схема граничных условий

В свою очередь стадия пиролиза имеет значительные отличия от прогрева и сушки, так как сопровождается убылью массы и образованием газовой фазы [10]. Исходя из вышесказанного, стадию пиролиза можно описать следующей системой уравнений сохранения энергии

ЭТ

^сл

• т

сл

др"

Эх

- тдр • ссл • Мцр •

Э Эх ЭТ

ЭТ

эф.пир •'

сл

Эх

(5)

сл

Эх

+ Чх

и изменения массы, с учетом принятых допущений, имеющие следующий вид

Эт..

= -к ц тц

Этл

= -к лт л

Эх

(6) (7)

сл

Эту

~э7

■_Ул (-клтл) + Уц (-кцтц)

Э(тпг£) _ Э(ш пгтпг)

+ (1 -У л )к лтл

(8)

(9)

Эх Эх

+ (1 -уц )кцтц

Граничные условия для решения уравнения (5) аналогичны стадии прогрева и сушки (рис. 2) и определяются уравнениями (3^4), для системы уравнений (5^9) запишутся в виде

тл 1х _0 _ т л0 (10)

тц|х _0 _ тц0 (11)

т у1Х _ 0 _ ту0 (12)

тпг|х _0 _ тпг0 (13)

а начальные условия примут вид Тел(0,х) _ Т

сл.нач (14)

тц (0,х) _ тцо (15)

т л (0,х) _ тло (16)

ту (0,х) _ 0 (17)

тпг (0,х) _ 0 (18)

Рассмотрение стадии окисления с учетом принятых допущений сводится к ряду простых математических выражений, в частности определения теоретически необходимого расхода окислителя, температуры сгорания смеси газов и количественного выхода продуктов горения СО2 и Н2О.

Теоретически необходимое количество окислителя для обеспечения процесса горения на стадии окисления можно определить по формуле [11]

"0,5 -(СО + Н2) + 2СН4

+ I П + т | - спнт - 02

1-0 _■

1

0,21

4

(19)

а расход теоретически необходимого количества окислителя рассчитывается из уравнений материально-теплового баланса

ЭТсл' _Е Чх.р. - к|(С!о - С,) - ш ЭТсл

Эх

пг

Эх

ЭС, ЭС, . „^ ^, ЭТсп Эх 0

(20) (21)

где С, - концентрация 1-го вещества.

Зная расход теоретически необходимого количества окислителя и содержание этого окислителя в газифицирующем агенте (плазменном газе) можно вычислить суммарное количество и необходимый расход газифицирующего агента подоваемого в газогенератор. Также в последствие возможно вычислить количество тепловой энергии, которую должен нести в себе плазменный газ для осуществления процесса газификации.

Стадия восстановления с учетом принятых допущений, запишется системой уравнений: - сохранения вещества для каждого компонента газового потока

ш г

ЭС| Эу

_-к,- С,

и для углеродного остатка (угля) в виде

Эту

'у

у

Эу

_ -т

у - ¿к, т_1

(22)

(23)

сохранения энергии для газового потока ЭТ

_-аг-г - (Ту - Тг-г) - *

Эу '

Рг-г - сг-г - -г

(24)

+ Е (Яг к,- (Сю - С,))

1_1

и для углеродного остатка в виде

ЭТ,

Ру - су - шу —Эу _ аг-г - (Ту - Тг-г) - *

(25)

-Е (Я,- к,- (Сю - С,))

¡_1

Для решения системы уравнений (22)^(25) приняты граничные условия по температуре

Ту|у_0 _ Тг|у_0 (26)

и по массе

~ (27)

С,|у_0 _ С,0

ту|у_0 _ ту0

(28)

При описании стадии синтеза метанола было использовано уравнение потребления компонентов синтез-газа на образование метанола, имеющее вид

ЭС, , ^

_-к,- С,, (29)

и уравнение сохранение энергии в виде [12, 13]

ш -р-с--

ЭТс

Эу

_Е(Я,- - к, (С,0 - С,)) (30)

Время, в течение которого синтез-газ контактирует с катализатором (т, с), при постоянном давлении рассчитывается по формуле

Vk

х _ -

ч

(31)

где Vk - объем катализатора, м ; V,- - объем реакционного газа (при нормальных условиях), пропущенного через слой катализатора в единицу времени, м3/с

Представленное в работе математическое описание процесса переработки растительного сырья в синтез-газ с последующим получением метанола, изложено в виде основных дифференциальных уравнений с краевыми условиями, которое в результате позволит рассчитать основные параметры газогенераторов с плазменными источниками тепла и определить оптимальные режимы их эксплуатации для получения синтез-газа, пригодного для синтеза метанола.

Представленные результаты получены в рамках реализации гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых на тему МК-3434.2015.8 «Разработка теоретических основ, технологии и оборудования

комплексной термохимической переработки древесных отходов и растительной биомассы в сырье для химического синтеза и компоненты моторных топлив» (договор № 14.256.15.3434-МК от 16.02.2015 г.).

Литература

1. Сафин, Р.Г. Разработка технологии переработки высоковлажных древесных отходов в высокооктановые компоненты моторного топлива / Р.Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. -2013. - Т.16. -№7. - С. 250-254.

2. Садртдинов, А.Р. Перспективные направления переработки неликвидной древесной биомассы лесозаготовок и деревообработки / А.Р. Садртдинов, Л.М. Исмагилова, Р.Р. Мухаметзянов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - № 2-3 (7-3). - С. 117-119.

3. Тимербаев, Н.Ф. Технологии газификации древесины: перспективы и инновации / Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, И.Н. Ковернинский, Л.Р. Смирнова, Т.Х. Галеев, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т.17. - № 15. - С. 221-226.

4. Садртдинов, А.Р. Применение плазменной газификации древесной биомассы с целью получения синтез-газа для синтеза метанола / А.Р. Садртдинов, Т.Х. Галлеев, А.Р. Хабибуллина // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - № 2-3 (7-3). - С. 110-112.

5 Садртдинов, А.Р. Совершенствование техники и технологии процесса газификации отходов деревообработки : дисс. канд. тех. наук // Казан. нац. исслед. технол. ун-т. Казань, 2011. - 139 с.

6 R. Capart. Assessment of various kinetic models for the pyrolysis of a microgranular cellulose / R. Capart, L. Khezami, A.K. Burnham. - Thermochimica Acta 417 (1) (2004) 79-89.

7 Хузеев, М.В. Паровая конверсия древесного угля (статья) / М.В. Хузеев, З.Г. Саттарова, В.И. Петров // Вестник Казанского технологического Университета. -2014. - Т.17. - №1. - С.94-96.

8 Тимербаев, Н.Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности (монография) / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. - М-во образ. и науки РФ, Казан. Гос. Технол. Ун-т. - Казань: КГТУ, 2010.- 172с.

9 Исмагилова, Л.М. Математическое описание стадии пиролиза с кондуктивным подводом тепла при газификации древесного сырья / Л.М. Исмагилова, А.Р. Садртдинов // Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. - № 5-4. - С. 115-119..

10 Тунцев Д.В. Схема контактного пиролиза отходов лесозаготовки / Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Воронеж, 2014. - № 2-3 (7-3). - С. 146-149.

11 Бесков, С. Д. Технохимические расчеты / С. Д. Бесков. - М.: Высш.шк., 1966. - 520 с.

12 Караваев М.М. Технология синтетического метанола / М.М. Караваев и др. - М.: Химия, 1984. - 240 с.

13 Тимербаев, Н. Ф. Моделирование процесса очистки дымовых газов, образованных при сжигании органических отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 11. - С. 243-246.

© А. Р. Садртдинов - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Т. Х. Галеев -аспирант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, [email protected]; Э. К. Хайруллина - магистр кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ.

A. R. Sadrtdinov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, [email protected]; T. H. Galeev - postgraduate student, Department of wood Processing of materials KNRTU, [email protected]; E. K. Khairullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU.