CC BY
103
Рисунок 1 - Исходное изображение и результат его зашумления
а б в
Рисунок 2 - Результаты удаления шума
Таким образом, проведенные исследования предлагаемого фильтра показывают его способность достаточно хорошо удалять аддитивные гауссовский и импульсный шумы. Список использованной литературы:
1. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс. - М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.
2. Толстунов В.А. Восстановление сигналов с помощью обобщенной пространственной фильтрации / В.А. Толстунов // Оралдын гылым жаршысы. - 2013. - № 25 (73). - С. 45 - 49
© Толстунов В.А., 2016
УДК 54.056
М.Р. Хазипов, А.Т. Галимова, А.А. Сагдеев
аспирант; к.т.н.; к.т.н, доцент КНИТУ; НХТИ ФГБОУ ВО КНИТУ
РЕГЕНЕРАЦИЯ ИОННО-ОБМЕННОГО КАТАЛИЗАТОРА КУ-2ФПП ПРОЦЕССА ГИДРАТАЦИИ ИЗОБУТИЛЕНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
Аннотация
Исследована сверхкритическая флюидная экстракционная регенерация катализатора КУ-2ФПП, применяемого в процессе гидратации изобутилена. Даны подробное описание и схема экспериментальной
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070
установки для реализации сверхкритического флюидного СО2-экстракционного процесса. Приведены результаты измерения массы катализатора КУ-2ФПП в ходе сверхкритической флюидной экстракционной регенерации.
Ключевые слова
Катализатор КУ-2ФПП, сверхкритическая флюидная экстракционная регенерация, сверхкритический
диоксид углерода
Одним из технологических процессов на ПАО «Нижнекамскнефтехим» является гидратация изобутилена в третичный бутиловый спирт (триметилкарбинола или ТМК) с целью извлечения изобутилена из а-бутилен-изобутиленовой фракции (а-БИФ). В качестве катализатора в данном процессе используется КУ-2ФПП. Основу данного катализатора составляет сильнокислотный макропористый катионит К-2-8, являющийся сульфированным сополимером стирола с дивинилбензолом, формованный на полипропилене.
Извлечение изобутилена на ионно-обменных катализаторах основано на способности изобутилена, в присутствии сульфокатионита, вступать в реакцию с водой с образованием ТМК [1]. Процесс выделения изобутилена из изобутиленсодержащей фракции на ионообменных смолах осуществляется в две стадии:
1. Гидратация изобутилена с образованием триметилкарбинола:
(CH3 )2 С = СН2 + Н2О ^ (СН3 )3 С - ОН
Процесс гидратации проводится в экстракционно-реакционном противоточном режиме. Реакция экзотермическая, т.к. происходит с выделением теплоты.
2. Дегидратация триметилкарбинола в изобутилен.
СНЯ СИ-,
| кат |
СН3 - С - СНз -*- сн3 - с = сн2 + н2о
I
он
Данный процесс является обратным процессу гидратации и протекает с затратами теплоты, т.е. эндотермический.
Наряду с гидратацией и дегидратацией изобутилена на поверхности катализатора протекают побочные реакции с образованием солей металлов, щелочи, димеров изобутилена и полимеров, которые ведут к его дезактивации. При снижении рН<5 проводится регенерация от свободной щелочи и солей анионита 4 % водным раствором натриевой щелочи и его промывкой водой. Что касается очистки катализаторов от димеров и полимеров, то эта задача является проблематичной, так как традиционные методы регенерации, заключающиеся в окислении или в выжиге дезактивирующих катализатор соединений, здесь не приемлемы из-за высоких температур (450 ^ 600 °С).
Целью настоящей работы является исследование возможности регенерации катализатора КУ-2ФПП с использованием сверхкритического флюидного экстракционного (СКФЭ) процесса. Выбор данного метода обусловлен уникальными свойствами сверхкритических флюидных сред (СКФ), а именно высокой диффузионностью, проникающей и растворяющей способностью, низкой вязкостью, а так же существенно более мягкими условиями осуществления СКФЭ - процесса [2].
Для реализации СКФЭ - процесса с использованием чистого и модифицированного полярной добавкой растворителя (экстрагента) создано экспериментальное устройство (рис. 1.), путем модернизации существующей установки для исследования экстракционных процессов с использованием растворителей в сверхкритическом состоянии [3, 4]. Устройство содержит баллон с газом 1, два плунжерных насоса высокого давления 3, 6, обеспечивающих подачу растворителя и сорастворителя в экстракционную ячейку 8, холодильник 2, где происходит сжижение газа, два сборника экстракта 11а,11б, внутри которых расположены сменные гильзы для экстракта, размещенные в термостатической ванне 12.
Рисунок 1 - Устройство для осуществления экстракционных процессов с использованием сверхкритических флюидов: 1 - баллон; 2 - холодильник;
3 - плунжерный насос высокого давления марки «Waters Р50А»; 4 - холодильный агрегат; 5 - емкость для сорастворителя; 6 - плунжерный насос высокого давления марки «LIQUPUMP 312/1»; 7 - трехходовой вентиль; 8 - экстракционная ячейка; 9 - теплообменник; 10 - электронный измеритель-регулятор; 11а, 11б - сборники экстракта; 12-термостатическая ванна;
13 - дроссельный вентиль; 14 - редукционный клапан; 15 - счетчик газа
Используемые в установке обратные клапаны препятствуют возврату газа и сорастворителя обратно в насосы.
Экстракционная ячейка 8 - это сосуд высокого давления, состоящий из двух частей. Первая часть используется для экстракции твердых веществ, а другая для экстракции жидкостей. Ячейка помещена в теплообменник 9, который представляет собой толстостенную медную трубу. В теплообменнике имеются пазы, расположенные по спирали, предназначенный для установки нагревательного кабеля и трубопровода, где происходит предварительный нагрев подаваемого для экстракции растворителя. Такая конструкция обеспечивает максимальное снижение температурных градиентов внутри ячейки за счет равномерного нагрева самой ячейки и предварительного подогрева подаваемого растворителя.
Конструктивной особенностью данного устройства является наличие [5]:
• поршневого редукционного клапана 14 марки PRV 41SS прямого действия, который выполняет функцию рестриктора, поддерживая необходимое постоянное давление в первом сборнике экстракта, что позволяет фракционировать определенные компоненты смеси;
• дроссельного вентиля 13, представляющего собой игольчатый клапан высокого давления марки HIP 60-11HF2-V, предназначенного для обеспечения точного регулирования расхода СКФ при давлениях до 1000 бар и температурах до 500 °С, с бесповоротным штоком, увеличивающим срок службы наконечника и седла клапана;
• счетчика газа 15 марки СГБМ-1.6, позволяющего контролировать расход СКФ, прошедшего через исследуемый образец, с температурной коррекцией, класса точности 1.5, имеющего жидкокристаллический индикатор для указания измеренного объема в кубических метрах.
Образцы отработанного катализатора получены с предприятия ПАО «Нижнекамскнефтехим» завода БК при их замене по истечении рабочего цикла. Физико-химические характеристики катализатора КУ-2ФПП приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-химические показатели катализатора КУ-2ФПП
Наименование показателя А1
Внешний вид Гранулы в форме колец светло-серого, темно-серого или светло-желтого цвета
Гранулометрический состав: а) размер гранул, мм - диаметр гранул - диаметр отверстия - длина гранул - толщина стенки б) массовая доля рабочей фракции, % не менее 9-15 3-6 6-19 Не менее 2,0 70
Полная статическая обменная емкость , моль/г не менее 3,0
Каталитическая активность, % не менее 60
Насыпная плотность, г/см3 не более 0,6
Массовая доля влаги, % не более 30
Процесс регенерации катализатора, предварительно высушенного до неизменной массы при температуре 378±5 К, проводился с использованием чистого сверхкритического (СК) СО2 при температурах 383 К и 393 К, и давлениях 15, 20 и 25 МПа. Электронномикроскопические снимки срезов сухих зерен обычных ионообменных смол указывают на отсутствие в них пор. Удельная поверхность зерен, определенная по сорбции инертных газов, мала (порядка 0,1 м2/г) и близка к их внешней поверхности. Сухие иониты практически непроницаемы для инертных и не полярных газов (коэффициенты проницаемости и диффузия этих газов в сухих ионитах близки к их значениям в обычных полимерах). Сухой ионит не обладает доступным для передвижения поглощенных молекул объемом, который возникает лишь при набухании ионита [6]. Согласно графикам (рис. 2 и рис. 3) в начале процесса происходит набухание полимера, СК СО2 проникает внутрь катализатора, что приводит к увеличению массы катализатора. При повышении давления и температуры возрастает степень набухания и пористость катализатора, при этом увеличивается потеря массы регенерированных образцов до 5,83% (табл. 2).
2,5
1,5
1 1
<0,5
-0,5
-»-Т=393 к, Р=20 МПа
-*-Т=383 К, —<—Т=383 К, Р=20 МПа Р=15 МПа
-»-Т=393 К, Р=15 МПа
У i
Рисунок 2 - Изменение массы катализатора КУ-2ФПП в процессе его регенерации в зависимости от массы,
участвующего в процессе СО2
-HI-. т=393 к, р=; !5 МПа
т=з8з к, р=: Г=393 К, Р=2 5 МПа 5 МПа
-М- Г=383 К, Р=2 5 МПа
-■- -■
) = * L 1 / S
т С02, кг
Рисунок 3 - Сравнение изменения массы катализатора КУ-2ФПП в процессе его регенерации в
зависимости от времени выдержки: I - сразу после процесса, II -после суток отстоя
Таблица 2
Изменение массы катализатора
Температура процесса, К Изменение массы катализатора при давлении, %
15 МПа 20 МПа 25 МПа
383 0,21 1,66 0,74
393 1,91 1,56 5,83
Изменение массы катализатора указывает на принципиальную возможность применения СКФЭ-процесса для удаления дезактивирующих соединений.
Больший эффект может быть достигнут изменением параметров, а так же введением той или иной полярной добавки.
Авторы благодарят Российский научный фонд за поддержку исследования, осуществленную в рамках гранта РНФ 14-19-00749.
Список использованной литературы
1. Регламент завода БК ПАО «Нижнекамскнефтехим».
2. Галимова А.Т., Сагдеев А.А., Гумеров Ф.М. Вестник Казан. технол. ун-та. 2013, Том 16, №1 с. 44 - 47.
3. Сагдеев К.А., Хазипов М.Р., Галимова А.Т., Сагдеев А.А., Гумеров Ф.М. Катализ в промышленности. 2015, Том 15, №6 с. 6-13.
4. Галимова А.Т., Сагдеев А.А., Гумеров Ф.М. Вестник Казан. технол. ун-та. 2013, Том 16, №12 с. 57 - 59.
5. Патент на полезную модель РФ № 163707. Опубл. 13.10.2015.
6. Кокотов Ю.А. Иониты и ионный обмен. - Л.: Химия, 1980. - 152 с.
© Хазипов М.Р., Галимова А.Т., Сагдеев А.А., 2016
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №10-2/2016 ISSN 2410-6070
УДК 536.4.033
А.С. Шамирзаев
к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
В.В. Кузнецов д.ф.-м.н., заведующий отделом ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Г. Новосибирск, Российская Федерация
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ В КОМПАКТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Аннотация
В работе приводятся экспериментальные данные при кипении и конденсации в условиях восходящего парожидкостного потока, полученные в элементе пластинчатого теплообменника с плотностью оребрения 800 ребер на метр, при массовых расходах менее 60 кг/м2с. В качестве рабочей жидкости использован хладон R21. Проведён сравнительный анализ данных, установлено, что основным механизмом теплообмена при кипении и конденсации в вертикальном микротеплообменнике является испарение и конденсация на тонких плёнках.
Ключевые слова
Компактные теплообменники, кипение, конденсация.
Введение.
Компактные пластинчато-ребристые испарители-конденсаторы широко используются в холодильной и криогенной промышленности из-за их высокой тепловой производительности и способности передавать значительные тепловые потоки при малом температурном напоре. Они могут использоваться также в химических технологиях и абсорбционных тепловых насосах [1]. Обычно производители используют в пластинчато-ребристых испарителях-конденсаторах спаянные плоские, перфорированные и смещенные ребра.
Теплообмен при кипении жидкого азота и хладона R-11 в условиях вынужденного течения в испарителе с перфорированными и смещенными ребрами экспериментально изучен в [2, 4]. Теплообмен при конденсации в компактном теплообменнике с плоскими ребрами рассмотрен в [3]. В этих работах получено, что двухфазная вынужденная конвекция является определяющим механизмом теплообмена при массовых скоростях больше 70 кг/м2с.
Целью данной работы является сравнительный анализ теплообмена при кипении и конденсации хладона R-21 в элементе пластинчато-ребристого испарителя-конденсатора, изготовленного по технологии вакуумной пайки, в условиях восходящего течения в диапазоне массовой скорости от 20 до 50 кг/м2с, который является типичными для современной промышленности, но слабо изучен. Применение хладона R-21 в экспериментах обусловлено тем, что его физические свойства в условиях проведенных экспериментов близки к физическим свойствам жидкого азота и полученные данные могут быть использованы для расчета криогенных компактных теплообменников.
Методика проведения экспериментов.
Исследование теплообмена при кипении и конденсации хладона R-21 в условиях восходящего течения проведено с использованием теплообменного участка, показанного на рисунке 1. При проведении экспериментов был использован вертикальный микротеплообменник размером 6.7х70х279 мм с нижней подачей фреона. Конструкция входного коллектора обеспечивала равномерное распределение жидкости и пара на входе в участок, который изготовлен по технологии вакуумной пайки формованной алюминиевой
пластины со стенкой теплообменника толщиной 3 мм и имел плотность ребер 800 ребер на метр. Охлажденный хладон Я-21 из конденсатора подавался центробежным насосом в предварительный парогенератор, который использован для получения начального паросодержания на входе в рабочий участок.
,---. Г^С I ььи
( Т) г
1121 выход
термопара
вода вход
©
медная пластина
водный
теплообменник
Пельтье модуль
v
©
вода выход
Ы21 вход
Рисунок 1 - Схема экспериментального участка
На выходе рабочего участка расположен доиспаритель жидкости обеспечивающий подавление пульсаций давления в линии, соединяющей рабочий участок с конденсатором.
Коэффициент теплоотдачи к вычисляется с учетом тепловой эффективности поверхности теплообмена
Здесь Qfr есть количество тепла, подведенное к стенке теплообменника, г^ есть коэффициент эффективности ребра, А1 и Ао - поверхность ребра и полная внутренняя поверхность теплообменника. Внутренняя температура стенки Тш определена по средней измеренной температуре на внешней поверхности теплообменника и градиенту температуры в стенке определяемому по величине теплового потока через стенку и Tsat есть температура насыщения. Для измерения температуры внешней поверхности теплообменника на его поверхности в канавках зачеканены 12 термопар; 6 на одной стороне и 6 на другой стороне участка. В боковой стенке теплообменника просверлены три отверстия для измерения статического давления (в центре рабочего участка) и перепада давления. Десять термоэлектрических модулей Пельтье и две выравнивающие температуру медные пластины используются для нагревания или охлаждения теплообменного участка, рисунок 1. Внешние водные теплообменники, соединенные с модулями Пельтье термопастой КПТ-8, осуществляют снятие тепла с элементов Пельтье для поддержания разности температур между холодной и горячей сторонами элементов Пельтье. Среднеквадратичное отклонение средней температуры стенки для всех термопар не превышало 0.1 0С.
На рисунке 2 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении в условиях вынужденного течения от среднего массового паросодержания в теплообменнике с гладкими ребрами при массовой скорости 20 до 50 кг/м2с. Данные получены при давлении 1.8 бар. Измеренные температурные напоры на стенке теплообменника в опытах изменялись от 0.9 0С до 3 0С.
Данные на рисунке 2 показывают, что коэффициент теплоотдачи при кипении практически не изменяется при изменении массового паросодержания от 0.1 до 0.9, а при больших его значениях начинает уменьшаться, что показывает ухудшение теплообмена вблизи полного испарения жидкости.
(1)
Результаты и обсуждение.
