Концепция оптимизации процесса прямого окисления метаносодержащих газов кислородом воздуха

УДК 658.382.3

Концепция оптимизации процесса прямого окисления метаносодержащих

газов кислородом воздуха

Кордон М.Я., Ананьев В.М., Вершинин Н.Н., Гравшенкова Е.О., Костиневич В.В., Семченко Т.К., Ивлиева И.А.

В статье рассмотрена пропорция «золотого сечения» при определении геометрических характеристик и параметров процесса в реакторе.

The article considers the proportion of "golden section” in the determination of geometrical characteristics and parameters of the process in the reactor.

Метаносодержащие газы, «золотое сечение», геометрические

характеристики, реактор, параметры процессов, оптимальные значения.

Gases containing methane, ”the golden section”, geometric characteristics of the reactor, the process parameters, the optimal values.

Анализ экологического состояния окружающей среды в районах нефтедобычи и переработки не вызывает сомнения в необходимости разработки малотоннажных мобильных установок для прямого окисления метаносодержащих газов, заменяющих существующие факельные системы.

Например, в состав газовых выбросов при переработке нефти на НПЗ входят: Н2 -12%; СН4 -13,9%;С2Н4 -7,6%; С3Н8 -35,8%, І-С4Н10 -10,4%; п-С^ю -15%; С5Н12 -4,1%; Н28-1,2%, а общее количество их составляет 34,8% от общего количества загрязнений на НПЗ.

Сжигание излишков газов на факельных установках усугубляет экологическую обстановку, образующуюся вокруг НПЗ, и приводит к прямым потерям ценного углеводородного сырья.

Исключение потерь ценного сырья путем замены факельных установок реакторами для окисления газовых выбросов, содержащих метан и его гомологи, кислородом воздуха является неизбежным решением системной устойчивости, основануой на экологической безопасности и экономической эффективности функционирования соответствующих производств не только на НПЗ, но и при добыче нефти, где метанол применяется в качестве ингибитора гидратообразования в скважинах и трубопроводах.

Два показателя, определяющих системную устойчивость (экологический и экономический) должны находиться в строгой пропорции, обеспечивающей гармоничное развитие технологической системы в целом. Это может быть достигнуто путем исключения внешних факторов, нарушающих системную устойчивость. Это, прежде всего, транспортировка метанола на нефтепромыслах.

Многочисленные научные исследования, проведенные в Институте проблем управления Российской академии наук (ИПУРАН) показали, что для решения задачи обеспечения системной устойчивости и гармонии в функционировании самого разного типа систем необходимо установить между

1

основными показателями или элементами этих систем соотношения, соответствующие «золотой пропорции». Целое (100%) - часть I (62%)+ часть II (38%) [1].

В рассматриваемом случае часть I относится к экологическим показателям, а часть II - к экономическим. Это означает, что применение метода системного управления по технологии «золотого соотношения», можно минимизировать затраты, повышая при этом экологические показатели.

Наиболее существенные затраты на доставку метанола в районы Крайнего Севера с заводов, расположенных в Центральных районах России, могут быть устранены или существенно уменьшены, при производстве метанола в местах добычи углеводородов на автономных реакторных установках, что в свою очередь приведет к повышению экологических показателей, связанны с транспортировкой опасного ингредиента.

Учитывая, что принцип «золотого соотношения» или «золотого сечения» предполагает признаки гармоничности всего множества, как внутренних процессов функционирования, так и внешних воздействий, рассмотрим пропорции «золотого сечения» при определении геометрических характеристик и параметров процесса реактора. Строгая согласованность всех внутренних частей рассматриваемой структуры основана на системном анализе теоретических отечественных и зарубежных источников и авторов данной работы.

Известно три основных стадии протекания процессов окисления в реакторе:

Первая стадия является разветвлено-цепным процессом, причем разветвление определяется только строением и свойствами исходных веществ (участок I).

Вторая стадия является вырождено-разветвленным цепным процессом, причем разветвление определяется строением и свойствами промежуточных продуктов, таких как метанол, формальдегид и др. (участок II).

Третья стадия характеризуется термическим безокислительным превращением продуктов реакции (участок III) (рис. 1).

9,1C

600 300 0

0 125 250 375 l, мм

Рис. 1. Зависимость T=f

Термоокислительные процессы метана в реакторе зависят от состава исходной газовой смеси (метан+воздух), давления и температуры в реакторе, скорости газового потока, которые находятся в гармоничной связи с геометрическими характеристиками реактора диаметром и его длиной.

2

Основной обобщенной геометрической характеристикой является отношение внутренней поверхности реактора к его объему S/W, учитывающее диаметр и длину реактора и позволяющее определить оптимальный диаметр реактора, используя принцип «золотого сечения» расчетным путем с учетом результатов экспериментальных исследований.

На рис. 2 представлены результаты расчета зависимости S/W=f(d).

S / W =

4pdl

pd 2L

4

d

- это величина обратная радиусу (d/4)=R.

4

Отношение S / W = — справедливо для любой общей длины реактора.

d

Для определения общей длины реактора найдем отношение S/W с учетом торцевых поверхностей в виде:

S / W =

41 + 2d Ld

Результаты расчета по формуле (1) представлены на графике рис. 3

1 3 5 7 9 11 |/d

Рис. 3 Зависимость l=f

Оптимальные значения длин, определяются из условия:

3

tg— = tg0,618 = 35015'

W

(рис.3) при известном оптимальном диаметре трубы,

4

полученным путем расчета по формуле S / W = — = const.

d

Для подтверждения справедливости нахождения оптимальных геометрических характеристик реактора с помощью «золотого сечения»

3

воспользуемся уравнением теплового баланса для первой стадии процесса (участок I).

Задача определения оптимальной длины реактора заключается в решении уравнения теплового баланса для первой стадии процесса (участок I):

pdp£lklAtCpl = GCMCCM (Тр — Твх),

где dP - внутренний диаметр реактора, м;

L1 - длина участка нагрева, м;

k - коэффициент теплопередачи на участке нагрева I, Вт/м К;

GCM - нормальный расход газовой смеси через реактор, м /с;

з

ССМ - теплоемкость годовой смеси, Дж/м К;

ТР - температура рабочего процесса в реакторе, К;

ТВХ - температура газовой смеси на входе в реактор, К.

Из уравнения (2), находим:

GcmCcm (Тр

Твх )

pdp kjAt(

где AtCp определяется по формуле:

AtCPj = Тсг.

СМ 1

Т + Т

1вх^1Р

2

где Тст - температура стенки реактора, при нагреве внешней поверхности.

Длина участка II по выражению:

L jj = 0,812иГ tP,

где иГ - скорость газов в ректоре, м/с;

tp - время протекания реакции окисления, с;

0,812 - экспериментальный коэффициент, учитывающий частичное срабатывание кислорода на участке I и III.

Скорость потока в реакторе определяется по формуле:

Gcm

где pP - рабочее давление в реакторе, МПа;

р0 - давление при нормальных условиях, МПа;

Т0 температура при нормальных условиях, К.

Из анализа [3] и [4] следует, что величина tp с ростом давления в реакторе уменьшается. При этом увеличение давления в реакторе в два раза приводит к уменьшению времени протекания процесса в реакторе также в два раза, что указывает на линейный характер зависимости времени протекания процесса от давления.

При давлении рР=10 МПа, время реакции tp = 5,1 с, а при давлении рР=5 МПа, время реакции tP = 10,2 с. Тогда в предположении линейной зависимости величина tp от рР, время протекания реакции окисления метана определяется по зависимости:

tp = 15,3 —1,02 Рр

4

Длина участка безокислительных реакций L ш определяется из

соотношения:

L

їїї

1,5L

її >

где 1,5 - экспериментальный коэффициент.

Общая длина реактора определяется путем совместного решения (3) - (8) в виде:

GCMCCM (ТР

Т

ВХ

7tdpkxDtcp

) + 2,586 (тр - Т

ВХ )

dP2

L

Р

Эксперименты проводились на реакторе диаметром dP = 67мм и длиной

Lр = 82мм .

Максимальный выход метанола получен при следующих исходных GCM = 65л/мин;ССМ = 1805Дж/(кг  К);ТР = 693К;ТВХ + 293К;

данных:

к1 = 34 Вт /(м2 К); = 220К; рр = 5МПа;Тст = 713К

Длина реактора по формуле (9) и заданным исходным данным равна:

L р

65Ю-3 1805 (693-293) + 2 586 65 10-3(693/273) w 3,14  60  67 -10-3  34  220 , 60(67  10-3)(5/0,1)Х.

х(15,3 -1,02  5,0) = 0,82 м

3

Длина участка Lї для оптимального диаметра dP=64,5-10" м равна:

65 -10-3 1805

0,52м.

3,14  64,5 -10-3  60  34  220 По данным эксперимента «Золотое сечение» находится в конце первого участка относительно общей длины реактора составляет 0,497:0,82 @ 0,61.

Из условия гармоничности «Золотое сечение» составляет величину 0,62. Отклонение опытного значения от гармоничного составляет менее 2%. Определение «золотого сечения» при оптимизации сложных химикотехнологических систем является необходимым условием, определяющим геометрические характеристики конструктивных элементов системы и параметров процесса t и и .

Оптимизация технологических процессов при гомогенном окислении метаносодержащих газов кислородом воздуха направлена на обеспечение системной устойчивости всех составных частей является достаточным условием, включающем соотношение компонентов в исходной смеси: метан+воздух, температуру и давление в реакторе.

Оптимальные значения температуры и давления равны 693 К и 5 МПа соответственно определяются опытным путем при (BM)max.

Соотношение компонентов смеси обеспечивающее максимальное значение селективности окисления метана достигается при пропорции метан: кислород 1:10.

5

Литература

1. Прангишвили Н.В., Иванус А.М. Концепция развития

предприятий минерально-сырьевого комплекса с использованием методологии «золотого сечения»// Стратегия развития

минерально-сырьевого комплекса в ХХІ веке: Материалы МК -М.: 2004 - с. 18-20.

2. Homogeneous Gas-Phase Oxidation of Methane Using Oxiden as Oxidant in an Annular Reactor. Gary A. Foulds, Brian F. Gray, Sarah A. Miller, and G. Stewart Walker. Ind. Eng. Chem. Res. 1993, 32, 780-787.

3. Partial Oxidation of Methane, Methanol, and Mixtures of Methane and Methanol, Methane and Ethane, and Methane, Carbon Dioxide, and Carbon Monoxide. Jin-Woo Chun and Rayford G., Anthony. Ind. Eng. Chem. Res. 1993, 32, 788-795.

6