CC BY
46
-□ □-
Розроблена модель високотемпературног газоргдинног системи. Проведено дослгдження впливу надлишкового тиску в ттервалг в1д 650 до 7470 Па. Показано вплив конструкци газорозподгльного пристрою па процесс тролгзу природного газу у розплавг хлориду натрю Ключовг слова: трол1з, редкий високотемпе-
ратурний теплоносш, водень
□-□
Разработана модель высокотемпературных газожидкостных систем. Проведена серия экспериментов с изменением избыточного давления газа в точке его ввода в жидкость в пределах от 650 до 7470 Па. Показано влияние конструкции газораспределительного устройства на процесс пиролиза природного газа врас-плаве хлорида натрия
Ключевые слова: пиролиз, жидкий высокотемпературный теплоноситель, водород -□ □-
УДК 66.09
ПИРОЛИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА В РАСПЛАВЕ ХЛОРИДА
НАТРИЯ
В.Ю. Тарасов
Кандидат технических наук Кафедра общей и физической химии Технологический институт Восточноукраинского национального университета им. В. Даля пр. Советский, 59-а, г. Северодонецк, Луганской обл., Украина, 93400 Контактный тел.: 050-904-55-49 Е-mail: vatarasov@rambler.ru
Введение
Водород является одним из базовых реагентов для химической и нефтехимической отраслей промышленности. Планируется его широкое использование как экологически совершенного топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Анализ литературных данных и постановка проблемы
Мировое производство водорода главным образом паровой конверсией природного газа достигло более 50 млн. т/год [1]. Передовые зарубежные технологии обеспечивают расход природного газа 0,4 нм3 на 1 нм3 водорода [2]. Альтернативные технологии газификация углеродсодержащих материалов, пиролиз и электролиз станут конкурентоспособными при наличии дешевого источника энергии и сырья. Снизить сырьевые, энергетические, капитальные затраты, и решить экологические проблемы производства водорода можно, только принципиально изменив идеологию переработки сырья. Анализ промышленной практики и научной литературы показал целесообразность получения водорода пиролизом углеводородного сырья [3].
Цель и задачи исследования
Целью работы было получение водорода пиролизом природного газа в жидком высокотемпературном теплоносителе и изучение влияния продуктов реакции на процесс.
Экспериментальные данные и их обработка
Проведены исследования влияния конструкции распределительного устройства с одной точкой ввода [4] на модельной и рабочей жидкости на условия
©
формирования и отрыва пузырька. Выделен диапазон граничных скоростей характеризующие гидродинамический режим в реакторе процесса пиролиза углеводородных газов в жидком высокотемпературном теплоносителе. В качестве теплоносителя выбран расплав хлорида натрия.
Общее давление (р) в реакторе равно сумме давления окружающей среды (ратм) и избыточному давлению (ризб). Избыточное давление газа определяется сопротивлением: сухого диспергирующего устройства (Ар1), силами поверхностного натяжения (Ар2), сопротивлением газожидкостного слоя (Ар3) и линии отвода газообразных продуктов (Ар4)
р = ратм + ризб = ратм +(Ар1 + Ар2 + Ар3 + АрД
Влияние сопротивления сухого диспергирующего устройства, определяется зависимостью рабочего сечения от количества подаваемого ПГ. Изменение диаметра выходного отверстия трубки с 1 до 5 увеличивает содержание водорода в газообразных продуктах реакции в 1,2 - 1,8 раз. Использование жидкого однокомпонентного теплоносителя, который в данных условиях существенно не изменяет своих физических свойств, позволяет принять что Ар2=const и не учитывать его вклад в общее давление.
При температуре 1233 К была проведена серия экспериментов с изменением избыточного давления газа в точке его ввода в жидкость в пределах от 50 до 7000 Па за счет изменения сопротивления линии отвода газообразных продуктов (Ар4) [5]. Повышение давления с 49 до 7000 Па привело к снижению содержания водорода в 2,2 раза. При этом увеличение давления до ~ 20 МПа приведет изменению газожидкостной структуры расплава теплоносителя и нивелирует перемешивание газовым потоком в слое теплоносителя высотой 200 мм в интервале скоростей ввода сырья от 2 до 20 м/с.
Для определения влияния сопротивления газожидкостного слоя (Ар3) на пиролиз ПГ была проведена серия опытов с изменением глубины точки ввода ПГ в
расплав при Др4 = 49 Па и температуре 1233К. Принимаем, что сопротивление газожидкостного слоя равно статистическому давлению слоя Др4 = gqжh0. Глубину погружения (Ь0) изменяли от 20 до 120 мм (соответственно от 300 до 1800 Па). По результатам опытов изменение содержания Н2 в продуктах реакции составляло не более 2% [6]. Следовательно Др4 при обработке результатов не учитывалось.
При описании эксперимента использовали результаты исследований, полученные при концентрации углерода в расплаве менее 0,1 мг/г.
Влияние роста давления в системе (сопротивления в линии отвода газообразных продуктов) на процесс пиролиза ПГ согласуется с общепринятыми положениями [7].
В работах [8] по моделированию взаимодействия в двухфазном потоке любой мощности, для каждой его отдельной области принимается:
- взаимное влияние потоков от различных отверстий, выражающееся в перекрытии реакционных зон и взаимодействии струи с волнами расплава, вызванными работой соседней струи, отсутствует;
- суммарная поверхность взаимодействия при продувке через несколько отверстий считается как результат, полученный для одного отверстия, умноженный на их количество.
Проведенные исследования (табл. 1) показали, что в реакторе общей площадью ^общ) и скорости выхода газа из отверстия ввода сырья =2,5 мм) при расходе ПГ в пределах 4,7-34,9 л/ч зависимость протекания процесса пиролиза от изменения сечения реактора. При росте количества подаваемого ПГ более чем в 7 раз содержание водорода в продуктах реакции снижается на 30-40%.
Таблица 1
Влияние диаметра реактора на пиролиз ПГ
Диаметр реактора, мм Компонент, о/ % об Расход природного газа, л/ч
4,7 7,7 10,7 16,1 21,5 28,2 34,9
26 Н2 36,2 29 27,2 27 24,5 20,8 21,2
СН4 62,7 69,9 71,4 71,9 74,3 78,1 77,8
31 Н2 28,0 25,0 22,2 17,2 17,8 15,2 16,1
СН4 71,0 73,8 76,5 81,5 80,9 83,5 82,8
37 Н2 14,0 11,8 11,5 10,3 9,2 8,7 7,8
СН4 85,0 86,8 87,2 88,6 89,7 90,2 90,8
45 Н2 9,0 8,6 8,4 7,8 7,3 7,0 6,6
СН4 89,8 90,1 90,3 90,9 91,6 92,0 92,3
* - содержание азота (1,0-1,2%).
Увеличение сечения реактора приводит к аналогичному эффекту. Изменение сечения реактора позволило определить влияние интенсивности перемешивания теплоносителя на процесс пиролиза, а также конструктивные особенности распределительного
устройства. Шаг между отверстиями в распределительном устройстве не более 13 мм.
Для определения влияния количества точек ввода сырья на процесс пиролиза ПГ в ЖВТ и подтверждения принятого выше шага между отверстиями проведены исследования с изменением точек ввода ПГ от 1 до 4. Все точки ввода были из трубок диаметром 2,5 мм располагаясь в шахматном порядке с шагом t = 10 мм.
В каждую точку ввода подавалось заданное количество ПГ: 16,1 или 26 л/ч. Подключение всех трубок производилось последовательно с постепенным увеличением производительности реактора [7]. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Состав газа пиролиза природного газа (%об)
л/ч Компонент, 0/ % об Площадь, Рраб, мм2 и количество точек ввода ПГ (п, шт.)
4,9 (1) 9,8 (2) 14,7 (3) 19,6 (4)
16,1 Н2 6,4 6,2 5,7 3,5
СН4 92,5 92,7 93,3 95,4
N2 1,1 1,1 1 1,1
26 Н2 4,1 3,8 3,5 3,2
СН4 94,9 95,1 95,5 95,8
N2 1 1,1 1 1
При подаче в каждую трубку 16,1 л/ч и доведением общего расхода до 64,4 л/ч, содержание Н2 в продуктах реакции уменьшилось с 6,4 до 3,5%об.. Абсолютная величина снизилась на 2,9% об., относительная на 45%, но съем водорода с объема реактора увеличился при введении 4-х точек ввода более чем в 2 раза.
Повышение общего расхода в каждую трубку до 26 л/ч, а при включении в работу всех 4-х точек ввода ПГ - до 104 л/ч, привело к снижению содержание водорода с 4,1 до 3,2% об. Абсолютная величина уменьшилось на 0,9% об., относительная на 22%, но съем водорода с объема реактора увеличился при введении 4-х точек ввода более чем в 3 раза.
Результаты, полученные при изменении очередности подключения трубок, показали, что взаимное влияние газовых потоков от различных диспергирующих устройств друг на друга, выражающееся как в перекрытии реакционных зон, так и во взаимодействии струи с волнами расплава, вызванными работой соседней точки ввода, присутствуют.
Выводы
В ходе теоретических и экспериментальных исследований были показаны преимущества одностадийного процесса получения концентрированного водорода и активного углерода. Полученные результаты позволят определить конструкционные особенности распределительных устройств аппаратов с расплавами неорганических веществ.
Литература
1. The Impact of Increased Use of Hydrogen on Petroleum Consumption and Carbon Dioxide Emissions, Energy Information Association, U.S. Department of Energy, Washington, DC, - 2008. - р. 84. - web site : http://www.eia.doe.gov/oiaf/servicerpt/ hydro/pdf/oiafcneaf(08)04.pdf.
2. Переработка углеводородов // Нефтегазовые технологии. - 2005. - № 3. - С. 83-85.
3. Производство водорода пиролизом природного газа и синтез аммиака / М.А. Гликин, И.М. Гликина, М.А. Рогулева [и др.] // Научно-технические новости. - 2003. - Спецвыпуск. - С. 16-22.
4. Пиролиз природного газа. Производство водорода в жидком высокотемпературном теплоносителе / М.А. Гликин, В.Ю. Тарасов, И.М. Гликина [и др.] // Хiмiчна промисловють Украши. - 2005. - № 4. - С. 18-24
5. Нова енергозбертаюча технолопя виробництва водню / М.А. Гликин, В.Ю. Тарасов, И.М. Гликина [и др.] // Вюник Нац. у-ту „Львiвська пол^ехшка". Сер. хiмiя, технолопя речовин та i'x застосування. - 2006. - № 553. - с. 144 - 149.
6. Производство водорода пиролизом природного газа. Исследование в жидком высокотемпературном теплоносителе М.А. Гликин, В.Ю. Тарасов, И.М. Гликина [и др.] // Хiмiчна промисловють Украши. -2006. -№ 1(72). - с. 38-42.
7. Ямпольский Ю. П. Элементарные реакции и механизм пиролиза углеводородов / Ю. П. Ямпольский- М.: Химия, 1990. -212с.
8. Минаев Ю.А. Физико-химия в металлургии : уч. пособие для вузов / Ю.А. Минаев, В.В. Яковлев. - М.: МИСИС, 2001. -320 с.
Abstract
Hydrogen is the main component for nitrogen fertilizers production, hydrogenation processes of oil products and other reagents in organic, inorganic, and metallurgical production. The only large-capacity process in the industry is a multistage catalytic vaporous conversion of natural gas. It is possible to reduce raw materials, energy, capital expenditures, and to solve environmental problems of hydrogen production, if only the ideology of raw materials processing is changed.
The article is devoted to the natural gas pyrolysis and its energy supply of the oxidation of formed carbon in the liquid coolant that will justify a new one-stage production technology of hydrogen.
The influence of the switchgear on the model and the working fluid was studied. The melt of sodium chloride was chosen as a coolant. The impact of resistance of the dry disperse device is defined by the dependence of the net section from the amount of natural gas. At temperature of coolant 1233 K the change of diameter of the collimator port of the pipe from 1 to 5mm increases the concentration of hydrogen in gaseous products of the reaction 1.2 - 1.8 times. Increase of gas positive pressure of the system over the range 50 to 7000 Pa, reduces the hydrogen content 2.2 times. The increase of the working surface of the disperse device showed that mutual overlap of reaction zones and the interaction of the jet with the waves of the melt, caused by the operation of adjacent point of entry, are present.
Key words: pyrolysis, liquid high temperature coolant, hydrogen
-□ □-
Приведено спос1б отримання ггдроксохлоридгв алютЫю 1з ггдроксиду алюмгнгю та соляног кислоти при використант тиску на першш стади та вакууму на другш стади процесу. Вивчено ефективтсть освгтлення природног води даними коагулянтами
Ключовг слова: коагулянт, освгтлення
води, ггдроксохлориди алютЫю
□-□
Приведены способы получения гидроксох-лоридов алюминия из гидроксида алюминия и соляной кислоты при использовании давления на первой стадии и вакуума на второй стадии процесса. Изучена эффективность осветления природной воды данными коагулянтами
Ключевые слова: коагулянт, осветление
воды, гидроксохлориды алюминия -□ □-
УДК 628.10(088.8)
СИНТЕЗ КОАГУЛЯНТ1В ДЛЯ ШТЕНСИФ1КАЦМ ПРОЦЕС1В ОСВ1ТЛЕННЯ
ВОДИ
Т.О. Ш абл i й
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра екологп та технологи рослинних полiмерiв Нацюнальний техшчний уыверситет УкраТни «КиТвський
Пол^ехшчний шститут» Пр. Перемоги, 37,, м. КиТв, УкраТна, 03056 Контактний тел. (044) 236-60-83 E-mail: tania1@voliacable.com
g
