автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка метода оптимизации рабочих параметров установок для конверсии метана

На правах рукописи

Финк Анатолий Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВОК ДЛЯ КОНВЕРСИИ МЕТАНА

Специальность: 05.14.04. - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

$ЯНВ 2314

Екатеринбург - 2013

005544266

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Дубинин Алексей Михайлович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, Боковиков Борис Александрович, НПВП «ТОРЭКС»,

главный специалист;

- доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, Торопов Евгений Васильевич, Южно-Уральский государственный университет, профессор кафедры «Промышленная теплоэнергетика».

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

металлургической теплотехники - ВНИИМТ»

Защита состоится 20 декабря 2013 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» по адресу: г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5, 8-й учебный корпус УрФУ, аудитория Т-703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19, ФГАОУ ВПО. «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Ученому секретарю университета; телефон (343) 375-45-67, факс (343) 375-94-62, E-mail: d21228507@gmail.com.

Автореферат разослан 18 ноября 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета 'g^—^ Аронсон Константин Эрленович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Аппараты для производства эндотермических атмосфер давно и широко используются в металлургии и машиностроении в процессах термической и химико-термической обработки металлов и сплавов, сварке и пайка металлических изделий, для защиты лаков и красок от окисления при их длительном хранении и т.д. В последнее время, установки конверсии метана водяным паром применяют в процессах получения жидких топлив.

Технология получения атмосфер, как правило, связана с переработкой углеводородных газов, таких как природный газ, путем его конверсии воздухом или водяным паром. Эти процессы осуществляются в высокотемпературных установках различных конструкций, как с неподвижным, так и с псевдоожиженным слоем катализатора.

Процессы, протекающие в таких установках достаточно сложны. Типовые технологии производства технологических атмосфер из природного газа не всегда отвечают современным требованиям к эффективности использования углеводородного сырья. Поэтому оптимизация рабочих параметров установок для получения максимального выхода восстановительных газов при минимальном расходе топлива на эндотермические реакции и нагрев продуктов является на сегодня весьма актуальной задачей. Цель работы:

- разработка метода оптимизации рабочих параметров в установках с плотным и псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора;

- оптимизировать параметры реакторов по максимальному выходу восстановительных газов при минимальном расходе топлива на осуществление эндотермических реакций и подогрев продуктов этих реакций;

- разработать метод определения полного состава продуктов реакции конверсии метана водяным паром, по высоте слоя катализатора, при соотношениях Н20 : СН4= 1 : 1 и 2 : 1;

- исследовать энергетическую эффективность ряда способов получения водорода с целью определения наименее энергозатратного;

- разработать аппараты с псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора, используемых в технологической схеме производства водорода конверсией метана водяным паром, и применить к ним метод оптимизации рабочих параметров.

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором на основе системы из нелинейных уравнений кинетики и теплового баланса разработаны:

1. Метод оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора: эндотермических генераторов с газовым и электрическим обогревом реторты; трубчатых печей для производства восстановительной атмосферы и водорода.

2. Двухзонный реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного алюмоникелевого катализатора для производства водорода паровой конверсией метана и проведена оптимизация параметров его работы на основе разработанного метода.

з

3. Реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного железохромовым катализатором для осуществления экзотермической реакции водяного газа и теоретически определена величина оптимальной температуры реакции водяного газа.

Практическая значимость работы. Результаты работы легли в основу оптимизации параметров эндотермических генераторов предприятий машиностроительной отрасли, трубчатых печей на электрометаллургических комбинатах и химических производствах. Практическая ценность работы определяется использованием ее результатов при решении ряда прикладных задач, положенных в основу разработки и создания высокоэффективных аппаратов для получения технологических атмосфер конверсией метана.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается применением предлагаемой методики расчета, обоснованной на сложившихся законах природы и глубокой проработкой методики исследований; использованием при выполнении работы результатов экспериментов, проведенных по отработанной методике; сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными на промышленных аппаратах и результатами других исследователей.

Автор защищает следующие положения, выносимые на защиту: о разработанном методе оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора, основанном на системе, состоящей из уравнений кинетики и теплового баланса;

о моделировании термохимических процессов в аппаратах, для конверсии метана, с псевдоожиженным слоем алюмоникелевого дисперсного катализатора;

об энергетической эффективности получения водорода паровой конверсией метана в сравнении с другими способами;

о моделировании установок с псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора использующихся в промышленном производстве водорода и определении их оптимальных рабочих параметров по разработанному методу;

Личный вклад автора. Постановка задач исследований, разработка методик экспериментов и конструкций аппаратов; организация и проведение экспериментов; анализ и обобщение экспериментальных данных; разработка моделей; участие в испытаниях промышленного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на:

1. Региональной научно-технической конференции «Наука-образование-производство: опыт и перспективы развития. Энерго - и ресурсосбережение» (9 февраля 2007 года, г. Нижний Тагил).

2. Всероссийской научно — технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Проблемы теплоэнергетики» (21-23 апреля 2009 года, г. Челябинск).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в 14 изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных

исследований, из них 11 публикаций в журналах, реферированных ВАК, 1 патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований. Она содержит 146 страниц, 24 рисунка и 18 таблиц по тексту.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны научная и практическая значимость энергетической эффективности получения контролируемых атмосфер и водорода.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников, где подробно рассмотрены эндотермические генераторы, различных конструкций и трубчатые печи, определены кинетические закономерности процесса паровой и воздушной конверсии природного газа. Приведены равновесные составы продуктов паровой и воздушной конверсии природного газа и оксида углерода водяным паром при различной температуре и давлении. Проанализированы окислительно-восстановительные процессы на дисперсном алюмоникелевом катализаторе в кипящем слое реактора. Выделены кинетические закономерности при гетерогенных химических процессах на поверхности дисперсного катализатора в кипящем слое. В конце главы рассмотрены вопросы разделения газовых смесей посредством абсорбционных установок и центрифуг. Определены основные задачи исследований.

Во второй главе осуществлена разработка методики оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора, основанном на системе, состоящей из уравнений кинетики и теплового баланса.

Контролируемую атмосферу с высоким содержанием водорода и окиси углерода получают в эндотермических генераторах с газовым обогревом реторты, заполненной крупнокусковой насадкой из алюмоникелевого катализатора с удельной внешней поверхностью S = 258 м2/м3 и порозностью £ = 0,345 м3/м3, осуществляя воздушную конверсию метана с коэффициентом расхода воздуха 0,25, по обобщающей реакции CH4+0,5(02+3,76N2) —► CO+2H2+l,88N2, с экзотермическим эффектом 2088 кДж/кг метана, которая в пространстве и во времени разделяется на две реакции.

В объеме под катализатором протекает стремительная реакция горения метана с образованием водяного пара, диоксида углерода, оставшегося метана и азота

СИ, + 0,5(02 + 3,76N2) = 0,75СН4 + 0,25С02 + 0,5Н20 + 1,88N2 , (1)

с экзотермическим тепловым эффектом qj,= 12500 кДж на 1 кг исходного (поданного) метана, а на поверхности катализатора протекает медленная реакция конверсии метана с водяным паром и диоксидом углерода с образованием оксида углерода и водорода

соотношении Н2О : СН4 = 1 : 1 и уравнения теплового баланса определены оптимальные рабочие параметры трубчатой печи, где доля метана, поступающего на обеспечение эндотермической реакции и подогрев продуктов этой реакции (1-х) равняется 0,38 (х = 0,62), балансовая температура составляет 900 °С.

При соотношении Н20 : СН4 = 2:1 оптимальные рабочие параметры трубчатой печи составят: доля метана, поступающего на обеспечение эндотермической реакции и подогрев продуктов этой реакции (1-х) - 0,413 (.х = 0,587), балансовая температура 950 °С.

4. Исследованием установлено, что самым энергоэффективным способом получения водорода, по удельному расходу условного топлива, является паровая конверсия метана на алюмоникелевом катализаторе при соотношении Н20 : СН4 = 2 : 1 с последующей конверсией оксида углерода водяным паром на железохромовом катализаторе. Здесь расходуется - 4,75 кг у.т. на получение 1 кг водорода (2 - 2,5 дол. США). Самым затратным, по топливу, и себестоимости является - электролиз воды. Для получения 1 кг Н2 этим способом требуется 19,6 кг у.т. (или 8,0-10 дол. США).

5. Разработан двухзонный реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного алюмоникелевого катализатора для производства водорода паровой конверсией метана и проведена оптимизация его рабочих параметров на основе разработанного метода. Оптимальное значение доли (1-х) составляет 0,37 (х = 0,63), балансовая температура — 870 °С.

6. Разработан реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного железохромового катализатора для осуществления экзотермической реакции водяного газа и теоретически определена величина оптимальной температуры реакции водяного газа составляющая 400 °С. Эта величина хорошо согласуется с экспериментальными данными других исследователей.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

г)*— термический коэффициент полезного действия камеры сгорания;

q2, <73, <7S — относительные потери в камере сгорания с уходящими дымовыми газами, химическим недожогом и в окружающую среду;

х — доля метана, подаваемого на конверсию в реторту, от общего расхода метана на реактор;

сп, ст, св, спк, спс - удельные теплоемкости водяного пара, природного газа (метана), воздуха, продуктов конверсии и сгорания, кДж/К на 1 кг метана;

£*, t*r, t*, t*K, t^, - температуры водяного пара, природного газа (метана), воздуха, подаваемых в реактор, продуктов конверсии и уходящих газов, °С;

Qр- теплота сгорания метана, кДж на 1 м3 метана;

Q, - мощность электрообогревателя, кВт;

гп°г и гпг " концентрации метана на входе в установку и на выходе из нее,

м3/м3;

z - координата, отсчитываемая от нижней границы кипящего слоя, м;

Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина

04201453373 На правах рукописи

Финк Анатолий Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПТИМИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВОК ДЛЯ КОНВЕРСИИ МЕТАНА

05.14.04. - «Промышленная теплоэнергетика»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор А.М. Дубинин

Екатеринбург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................8

ГЛАВА 1.0Б30Р ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................................................................................12

1.1 .Эндотермические генераторы и трубчатые печи........................................................12

1.1.1.Эндотермические генераторы с электрическим обогревом......................\2

1.1.2.Эндотермические генераторы с газовым обогревом........................................15

1.1.3. Трубчатые печи....................................................................................................................................17

1.2. Кинетические закономерности процесса воздушной и паровой конверсии природного газа и оксида углерода............................................................20

1.2.1. Паровая конверсия метана........................................................................................................20

1.2.2. Паровая конверсия оксида углерода (реакция водяного газа)..................21

1.3. Равновесные концентрации продуктов паровой и воздушной конверсии природного газа (метана) и оксида углерода водяным

паром..................................................................................................................................................................22

1.4. Гидродинамика кипящего слоя. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем......................................................................................................................................................................24

1.4.1. Гидродинамика кипящего слоя..........................................................................................24

1.4.2. Теплообмен поверхностей с кипящим слоем..........................................................25

1.5. Окисление и восстановление дисперсного алюмоникелевого катализатора в кипящем слое реактора............................................................................26

1.6. Кинетические закономерности при гетерогенных химических процессах на поверхности дисперсного катализатора в кипящем

слое....................................................................................................................................................................27

1.7. Альтернативные способы подвода теплоты в реакционный объем каталитических промышленных аппаратов..................................................................29

1.7.1. Реакторы с вторичным сжиганием части продукта..........................................29

1.7.2. Реакторы с циркулирующим дисперсным теплоносителем......................31

1.8. Разделение газовых смесей в абсорберах и центрифугах..................................33

1.8.1. Разделение газовых смесей в абсорберах....................................................................33

1.8.2. Разделение газовых смесей в центрифугах..................................................................34

Задачи исследования..............................................................................................................................................36

ГЛАВА 2.0ПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ

ГЕНЕРАТОРОВ С ЦЕЛЬЮ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА..................37

2.1. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с

газовым обогревом 37

2.2. Оптимизация параметров работы эндотермических генераторов с электрическим обогревом........................................................ 49

2.3. Погрешность экспериментальной методики................................ 62

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ С

ЦЕЛЬЮ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА................................... 64

3.1. Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве восстановительного газа......................................................... 64

3.2. Оптимизация параметров трубчатой печи при производстве водорода............................................................................ 80

ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЯДА

СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА.......................... 88

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ АППАРАТОВ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА....................................... 96

5.1 Оптимизация параметров работы реактора с кипящим слоем дисперсного катализатора и частичным дожиганием продуктов конверсии метана.................................................................. 96

5.2. Оптимизация параметров реактора с кипящим слоем катализатора

для проведения реакции паровой конверсии оксида углерода......... ЮЗ

ГЛАВА 6. РАЗДЕЛЕНИЕ С02 и Н2................................................. 108

6.1. Отделение СОг от продуктов конверсии в абсорбере...................... 108

6.2. Отделение С02 от продуктов конверсии в центрифуге..................... 108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 109

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................. 111

Приложение 1. Расчет полупромышленной установки с кипящим

слоем для производства водорода. Расчет параметров среды в

эндотермическом реакторе при оптимальных параметрах................. 122

Приложение 2. Расчет геометрических размеров эндотермического реактора и определение расходов метана, водяного пара, воздуха и

продуктов конверсии.................................................................. 127

Приложение 3. Расчет параметров среды в экзотермическом реакторе

и определение его геометрических размеров.................................... 130

Приложение 4. Отделение углекислого газа от водорода в

абсорбционной установке............................................................. 136

Приложение 5. Отделение углекислого газа от водорода в

центрифуге................................................................................ 143

Приложение 6. Расчет экономической эффективности от оптимизации работы эндогенераторов................................................................ 146

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Индексы:

пк - продукты конверсии; пг - природный газ, метан; пс - продукты сгорания.

а - удельная поверхность насадки в абсорбере (кольца Рашига), м2/м3; с пк, сПс, сиг, св - удельные теплоемкости продуктов конверсии, сгорания, природного газа (метана) и воздуха, кДж/(кг-К); В~- коэффициент диффузии СОг в Н2, м2/с; ¿/-диаметр центрифуги, м;

- диаметр частицы катализатора, м; ^пк ~ производительность реактора на полное сечение, кг/с; к - высота центрифуги, м; ^ - коэффициенттеплопередачи, кВт/ (м -К);

Кл - константа скорости взаимодействия метана с водяным паром, С02 или их смесью на алюмоникелевом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;

К2 - константа скорости прямой реакции конверсии СО водяным паром на железохромовом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;

Л"3 - константа скорости обратной реакции конверсии СО водяным паром, м3/(с-м2), на железохромовом катализаторе, при реальных параметрах, при реальных параметрах;

К2 и К3 - константа скорости прямой и обратной реакции конверсии СО водяным паром на алюмоникелевом катализаторе, м3/(с-м2), при реальных параметрах;

(-Кьс)ь - коэффициент газообмена пузыря с частицами в облаке и шлейфе,

1/с;

Ку - коэффициент массопередачи от углекислого газа к абсорбенту, м/с;

Ь - высота слоя, м;

п - частота вращения центрифуги, 1/с; Р - абсолютное среднее давление смеси в центрифуге, Па; Р0- парциальное давление Н2 на оси, Па; Р0* _ атмосферное давление, Па;

Рт- парциальное давление Н2 на стенке центрифуги, Па; фр - теплота сгорания метана, кДж/м3;

~ теплота сгорания продуктов конверсии, кДж/м3; Чх!> Чх2> Ях3 - теплота химических реакций, кДж/кг;

и <75 - потери теплоты с химическим недожогом и в окружающую

среду;

<?в, <7„, дпг - теплоты, вносимые в реактор воздухом, водяным паром и природным газом в расчете на 1 кг исходного метана, кДж/кг; Я - газовая постоянная, Дж/(кг-моль-К); До - универсальная газовая постоянная, 8314, Дж/(кг-моль-К); гп°г и Тпг _ концентрация метана на входе в реактор и на выходе из него,

м3/м3;

гт, т"со2>гсО' 7Ьг. гсо2' гсо ~ концентрация СН4, С02, СО - текущие и равновесные, м3/м3;

о о

г0 - средняя концентрация Н2 на оси центрифуги, м /м ;

о О

гг - средняя концентрация Н2 на стенке центрифуги, м /м ;

2 3

$ - удельная поверхность частиц катализатора в объеме реактора, м /м ; 5о - удельная поверхность катализатора, занятая восстановленным никелем, м2/м3;

5* - площадь сечения обечайки абсорбера, м2; Т- температура, К; У-расход, м3/с;

д - количество, м3, продуктов конверсии, образующихся из 1 м3 метана;

у* - объемный расход продуктов реакции (смесь Н2 и С02) в абсорбер,

м3/с;

V** - объемная производительность центрифуги по исходной смеси, м3/с; и>Ьг1- скорость пузырей в реакторе 1, м/с; и>Ьг2 - скорость пузырей в реакторе 2, м/с;

- минимальная скорость псевдоожижения кипящего слоя катализатора при реальных параметрах в реакторе, м/с;

минимальная скорость псевдоожижения частиц железохромового катализатора диаметром 0,5 мм в реакторе - 2, м/с;

шПК1- скорость продуктов конверсии на полное сечение реактора 1, м/с, или рабочая скорость, принимается в два раза больше минимальной по конечным продуктам при реальных условиях;

шПКг - скорость продуктов реакции на полное сечение реактора 2, принимается в два раза больше м/с;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

Хк - конечная концентрация С02 в абсорбенте на выходе из абсорбера,

кг/м3;

Хи - начальная концентрация С02 в абсорбенте на входе в абсорбер из

л

десорбера, кг/м ;

о

Ук - конечная концентрация С02 в смеси на выходе из абсорбера, кг/м ; Ун - начальная концентрация С02 в смеси на входе в абсорбер, кг/м ; г - координата, отсчитываемая от нижней границы кипящего слоя, м; Д 1,2,3 - коэффициент массообмена между газом в пузыре с частицами в облаке, шлейфе и плотной фазе;

ус - доля частиц в облаке и шлейфе от объема пузырей в слое; &£г - избыточная порозность кипящего слоя для прохода пузырей в реакторе 1;

Де2 - избыточная порозность для прохода пузырей в реакторе 2; - средняя логарифмическая разность температур, °С;

ДУср- движущая сила массопередачи от С02 в смеси к абсорбенту (воде); ДР- избыточное давление, создаваемое центрифугой (разность давлений на стенке и у оси) (кПа);

£ПК1,£ГП51 - порозности кипящего слоя при рабочей и минимальной скоростях псевдоожижения в реакторе 1; т - время, с;

г] - коэффициент полезного действия центрифуги;

г|пр - КПД привода центрифуги (относительные единицы);

г|°пт - КПД конверсии метана при оптимальном значении

+ гсо)>

М^со2» М^н2 " молекулярные массы С02 и Н2, 44 и 2, г/моль, соответственно;

рпк - плотность продуктов конверсии, кг/м3;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Аппараты для производства эндотермических атмосфер давно и широко используются в металлургии и машиностроении в процессах термической и химико-термической обработки металлов и сплавов, сварке и пайка металлических изделий, для защиты лаков и красок от окисления при их длительном хранении и т.д. В последнее время, установки конверсии метана водяным паром применяют в процессах получения жидких топлив.

Технология получения атмосфер, как правило, связана с переработкой углеводородных газов, таких как природный газ, путем его конверсии воздухом или водяным паром. Эти процессы осуществляются в высокотемпературных установках различных конструкций, как с неподвижным, так и с псевдоожиженным слоем катализатора.

Процессы, протекающие в таких установках достаточно сложны. Типовые технологии производства технологических атмосфер из природного газа не всегда отвечают современным требованиям к эффективности использования углеводородного сырья. Поэтому оптимизация рабочих параметров установок для получения максимального выхода восстановительных газов при минимальном расходе топлива на эндотермические реакции и нагрев продуктов является на сегодня весьма актуальной задачей.

Цель работы:

- разработать метод оптимизации рабочих параметров в установках с плотным и псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора;

- оптимизировать параметры реакторов по максимальному выходу восстановительных газов при минимальном расходе топлива на осуществление эндотермических реакций и подогрев продуктов этих реакций;

- разработать метод определения полного состава продуктов реакции конверсии метана водяным паром, по высоте слоя катализатора, при соотношениях Н20 : СН4 = 1 : 1 и 2 : 1;

- исследовать энергетическую эффективность ряда способов получения водорода с целью определения наименее энергозатратного;

- разработать аппараты с псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора, используемых в технологической схеме производства водорода конверсией метана водяным паром, и применить к ним метод оптимизации рабочих параметров.

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором на основе системы из нелинейных уравнений кинетики и теплового баланса разработаны:

1. Метод оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора: эндотермических генераторов с газовым и электрическим обогревом реторты; трубчатых печей для производства восстановительной атмосферы и водорода.

2. Двухзонный реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного алюмоникелевого катализатора для производства водорода паровой конверсией метана и проведена оптимизация параметров его работы на основе разработанного метода.

3. Реактор с псевдоожиженным слоем дисперсного железохромового катализатора для осуществления экзотермической реакции водяного газа и теоретически определена величина оптимальной температуры реакции водяного газа.

Практическая значимость работы. Результаты работы легли в основу оптимизации параметров эндотермических генераторов предприятий машиностроительной отрасли, трубчатых печей на электрометаллургических комбинатах и химических производствах. Практическая ценность работы

определяется использованием ее результатов при решении ряда прикладных задач, положенных в основу разработки и создания высокоэффективных аппаратов для получения технологических атмосфер конверсией метана.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается применением предлагаемой методики расчета, обоснованной на сложившихся законах природы и глубокой проработкой методики исследований; использованием при выполнении работы результатов экспериментов, проведенных по отработанной методике; сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными на промышленных аппаратах и результатами других исследователей.

Автор защищает следующие положения, выносимые на защиту:

1. О разработанном методе оптимизации рабочих параметров установок с плотным слоем катализатора, основанном на системе, состоящей из уравнений кинетики и теплового баланса;

2.0 моделировании термохимических процессов в аппаратах, для конверсии метана, с псевдоожиженным слоем алюмоникелевого дисперсного катализатора;

3. Об энергетической эффективности получения водорода паровой конверсией метана в сравнении с другими способами;

4. О моделировании установок с псевдоожиженным слоем дисперсного катализатора использующихся в промышленном производстве водорода и определении их оптимальных рабочих параметров по разработанному методу;

Личный вклад автора. Постановка задач исследований, разработка методик экспериментов и конструкций аппаратов; организация и проведение экспериментов; анализ и обобщение экспериментальных данных; разработка моделей; участие в испытаниях промышленного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на:

1. Региональной научно-технической конференции «Наука-образование-производство: опыт и перспективы развития. Энерго - и ресурсосбережение» (9 февраля 2007 года, г. Нижний Тагил).

2. Всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. «Проблемы теплоэнергетики» (21-23 апреля 2009 года, г. Челябинск).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах [71 - 80, 95 - 98, 114]. Из них 11 статей изданы в журналах рецензируемых ВАК [71,72,73,77 - 80,95,96,98,114]. Получен 1 патент РФ на изобретение [81].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, включающего 115 наименований. Она содержит 146 страниц, 24 рисунка и 18 таблиц по тексту.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Эндотермические генераторы и трубчатые печи

Трубчатые печи и эндотермические генераторы широко используются для получения технологических атмосфер. В промышленности такие атмосферы используют в качестве безокислительной, восстановительной или науглераживающей среды в промышленных печах.

Основным процессом проходящим в вышеуказанных аппаратах является конверсия метана (природного газа), которая может быть воздушной, паровой, парокислородной, паровоздушной или углекислотной.

Как трубчатые печи, так и эндотермические генераторы, для обеспечения своей работы могут оснащаться электрическими или газовыми обогревателями реторты.

1.1.1. Эндотермические генераторы с электрическим обогревом

Эндотермические генераторы с электрическим обогревом используют для получения защитной среды с высоким содержанием Н2 и СО, проводя воздушную конверсию метана (природного газа) с коэффициентом расхода воздуха 0,25 (рис. 1.1) [1,2,28,39,].

С целью уменьшения неравномерности температуры в слое катализатора предусмот�