автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка новых конструкций и анализ эффективности вихревых аппаратов для фотохимической очистки углеводородных технологических газов

РГ6 од

о 9 ФЕВ 1938

На правах рукописи

ШКИТИН ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕВЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ФОТОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности и Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Артамонов H.A. Научный консультант - действительный член (академик)

Академии Технологических наук РФ, доктор технических наук, профессор Мешалкин В.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Светлов Ю.В.;

кандидат технических наук, доцент Макаров В.В.

Ведущее предприятие - Башкирский научно-исследовательский институт нефтяного машиностроения (г.Уфа)

Защита состоится А^«^ февраля 1998 года в часов на заседании диссертационного совета Д 053.34.08 в Российском химико-технологическом университете им.Д.И.Менделеева /?/

по адресу: 125047, Москва, А-47, Миусская пл., 9, ауд./С^-^цс-^^-

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

Автореферат разослан_

Ученый секретарь диссертационного совета

998 года

Бобров Д.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из актуальных направлений повышения эффективности и экологической безопасности химико-технологических процессов являетея создание нового поколения энерго- и ресурсосберегающих тепломассообменных и химических аппаратов. Охрана окружающей среды от газовых выбросов производственной деятельности человечества выходит на первый план при разработке и модернизации новых технологий и аппаратурного оформления различных технологических процессов. Вопросы экологии и энергосбережения в промышленности представляют собой важное направление практической реализации программы перехода России к устойчивому социально-экономическому развитию, основные концепции которого были провозглашены ООН в начале 1990-х годов. Создание вихревых аппаратов для интенсификации тепломассобменных процессов и химических реакций возможно на основе использования свойств высокоскоростного течения закрученных фаз в поле инфракрасного излучения. • В повышении эффективности различных технологических процессов и обеспечении условий защиты окружающей среды от вредных газовых выбросов важная роль принадлежит термокаталитическим реакторам глубокого окисления углеводородов в выбросных промышленных газах. Повышение эффективности процесса фотохимической каталитической очистки газов от углеводородных соединений требует детального изучения влияния гвдро - и аэродинамики закрученных потоков и инфракрасного излучения на кинетику химических реакций и тепломассообмен.

В связи с этим разработка новых конструкций, математических моделей, методик и алгоритмов расчета конструктивных параметров и экспериментально-теоретические исследования эффективности вихревых аппаратов для фотохимической очистки углеводородных газов является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственно-экономическое и природоохранное значение.

Основная часть исследований, представленных в диссертационной работе, проводилась в соответствии с координационным планом АН СССР, а затем РАН и Госкомобразования РФ по теме "Совершенствование и создание вихревых аппаратов различного технологического назначения", а также в соответствии с приоритетным направлением "Создание энергосберегающих процессов на основе различных химико-технологических схем, оптимизации теплообменного оборудования и эффективных технологий разделения потоков" по государственной научно-технической программе РФ "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов".

Цель работы. Разработка новых конструкций вихревых аппаратов с нетрадиционными источниками( инфракрасного излучения ) интенсификации процессов химической деструкции углеводородных газов.

Анализ влияния гидродинамики закрученных струй в вихревом аппарате на процесс химической деструкции углеводородных соединений.

Разработка на основе многочисленных полупромышленных и промышленных экспериментов математической модели и алгоритмов расчета основных конструктивных параметров вихревых термокаталитических фотохимических аппаратов для деструкции углеводородов в технологических газах.

Разработка новых конструкций вихревых аппаратов и их применение для повышения эффективности тепломассообменных и химических процессов очистки углеводородных технологических газов на различных промышленных предприятиях.

Научная новизна. Предложен механизм процесса окисления и расщепления углеводородных соединений в условиях высокоскоростного течения кольцевого закрученного газового потока в поле центробежных сил на поверхности катализатора при наличии источника ИК-излуче-ния.

Впервые на основе физических и вычислительных экспериментов определены оптимальные геометрические параметры термокаталнтиче-ского трубного элемента вихревого аппарата с соосно размещенным источником излучения по всей длине реакционной зоны. Установлено влияние гидро - и аэродинамики закрученной струи на эффективность процесса окисления и расщепления углеводородных соединений.

Получены экспериментальные зависимости для определения оптимальной величины кольцевого канала термокаталитического элемента, из которых компонуется вихревой аппарат, протяженности реакционной зоны, скорости закрученного потока и степени его сужения, гидравлических потерь.

Разработаны математическая модель, методика и алгоритмы расчета конструктивных и тепловых характеристик термокаталитических устройств для вихревых аппаратов различного технологического назначения.

Предложены новые конструкции высокоэффективных вихревых термокаталитических аппаратов глубокого окисления углеводородных соединений различной концентрации, содержащихся в объеме оптически прозрачного инертного газа, которые обеспечивают высокую степень очистки обезвреживаемого газа.

Практическая значимость. На основе физических и вычислительных экспериментов созданы различные типы промышленных вихревых аппаратов с ИК-излучателями. Созданные вихревые аппараты с термока-

талитическими устройствами для процессов очистки вентиляционных и технологических газов от паров растворителей (бензина, толуола, ацетона), метилстирола, окиси углерода, фталевого ангидрида прошли промышленные испытания и введены в промышленную эксплуатацию на различных предприятиях ("Уфимкабель","Салаваторгстекло", Стерлитамакский завод "СК", "Авангард" и др.). Степень очистки технологических газов в вихревых аппаратах достигала требуемых норм по предельно допустимой концентрации конкретного углеводородного соединения, что подтверждено актами внедрения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована автором экспериментально и теоретически на основе анализа результатов известных публикаций в области кинетики процесса окисления и расщепления углеводородных соединений на катализаторах, исследований в области ИК-излучения и течения закрученных газовых потоков, струйной теории, а также экспериментально проверена в производственных условиях при использовании новых аппаратов для очистки различных вентиляционных и технологических газовых выбросов .

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на межвузовской научной конференции "Современные проблемы текстильной и легкой промышленности" (г. Москва, 1996 г.) и на Всероссийской научной конференции "Теория и практика массообменных процессов химической технологии" (г. Уфа, 1996 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 2 тезиса докладов, получено положительное решение на выдачу патента и подана заявка на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и приложения общим объемом 133 страниц. Работа изложена на 115 страницах основного текста, содержит 27 рисунков и 4 таблицы, список литературы из 95 наименований.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ известных из литературы способов глубокого окисления углеводородных соединений, содержащихся в объеме инертного газа и являющихся вредными компонентами, загрязняющими окружающую среду.

Термическая и термокаталитическая технология окисления углеводородных соединений малой концентрации в объеме вентиляционных и технологических выбросных газов является очень энергоемкой, т.к. требует нагрева всего газового потока до температуры реакции окисле-

ния. Использование катализатора позволяет снизить температуру реакции, однако для каждого класса углеводородов существует свой наиболее дешевый и эффективный катализатор. Для обезвреживания газовых выбросов, содержащих смесь углеводородных соединений, требуется подбор наиболее приемлемого катализатора, что повышает степень их очистки. Разработка новых типов катализаторов ведется по следующим направлениям: удешевление, стойкость к ядам, низкая температура реакции, легкость регенерации.

Более экономичным способом очистки вентиляционных выбросов, содержащих суммарную концентрацию углеводородных соединений (0,3+1,0) г/м3 является абсорбционный, т.к. исключается нагрев всего объема газа. Недостатком такого способа является большая металлоемкость аппаратуры, необходимость использования абсорбента с последующей его регенерацией и т. п.

Использование адсорбентов также требует стадии последующей десорбции углеводородных соединений горячим воздухом и окисления их на катализаторе. В производствах, связанных с изготовлением изделий из пластмасс образуются газовые выбросы, содержащие акрилонитрил (ПДК-0,03 мг/м3.) Для обезвреживания таких выбросов используется адсорбционно-каталитический способ с предварительным связыванием акрилонитрила при комнатной температуре и периодической регенерацией путем нагрева в токе воздуха.

Нами проанализированы и менее распространенные способы обезвреживания газовых выбросов - это обработка излучением: рентгеновским, ультрафиолетовым, инфракрасным, коронным разрядом, облучение пучком ускоренных электронов. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор способа обезвреживания определяется комплексом технологических и химических параметров обрабатываемого газа, а также технико-экономическими и экологическими характеристиками технологической установки или устройства в целом.

На основе анализа аппаратурного оформления различных способов очистки газовых выбросов был сделан вывод о возможности создания технологий и аппаратов, отвечающих следующим основным требованиям производства: исключение общего нагрева газа и стадии регенерации катализатора, простота конструкции и малые габариты, непрерывность работы, низкая энергоемкость, отсутствие абсорбента и адсорбента.

За основу дальнейших исследований были взяты результаты научно-практической работы, сделанной группой исследователей Уфимского государственного нефтяного технического университета в области использования инфракрасного света для проведения реакции глубокого

окисления углеводородных соединений в фотохимических термокаталитических реакторах.

Облучение потока газа, содержащего углеводородные соединения, инфракрасным светом позволяет воздействовать на химические связи углеводородов и проводить реакцию окисления на катализаторе без нагрева потока.

Отмечены значительные результаты, полученные в области интенсификации тепломассообменных процессов и кинетики химических реакций в условиях турбулентного и закрученного течения газовых потоков. Искусственная закрутка потоков создает принципиально новые условия для течения химических реакций вследствие возникновения поля центробежных сил, гармонических колебаний, градиентов давления и температуры.

На основе анализа этих положений сформулированы цель и задачи научных исследований по разработке научно обоснованных решений по технологии процесса глубокого окисления углеводородных соединений малой концентрации в объеме оптически прозрачного инертного газа и созданию термокаталитических аппаратов с ИК-излучателями для различных видов технологических выбросных газов, обеспечивающих высокую экономичность и экологическую безопасность производств.

Во второй главе приведены экспериментальные результаты сопоставительного анализа работы термокаталитических устройств различного типа: с насыпным слоем катализатора и общим нагревом искусственной газовой смеси, трубные реакторы с ИК-излучателем прямоточные и с винтовым закручивающим устройством (ВЗУ), с ВЗУ и разогретой пленкой катализатора. В ходе экспериментов на катализаторах ИП-62, АП-56 и пленке Р1 изменялись следующие параметры: концентрация паров бензина (0,1+2,0)% массовых, пропана (0,4+3,2)% массовых, исходное давление (0,05+0,3) МПа, исходная температура смеси (288+310)К, диаметр термокаталитического элемента (ТКЭ) (20+120) мм, длина реакционной зоны (200+1000) мм, ВЗУ с площадью сечения двух- или трехканальных вводных сопел (0,05+0,55) от площади сечения ТКЭ и углом (65,1+77,8)° относительно оси ТКЭ. Измерение температуры осуществлялось ХК - термопарами, тарированными с точностью 0,1°С, а также дублировалось термометрами с ценой деления 1,0 и 2,0°С. Расход газовой смеси определялся ротаметрами типа РС-7. Анализ состава газа на входе и выходе контролировался хромотогра-фом типа "Цвет". В качестве источников ИК-излучения применялись кварцевые галогенные лампы типа КИ-220-1000-5 и КГТ220-1000-1.

На рис. 1 и 2 приведены некоторые результаты научных исследований. Ход кривых на рис. 1 показывает связь типа термокаталитического реактора с температурой разогрева катализатора для достижения не-

Рис. 1. Влияние типа термокаталитического реактора на эффективность процесса окисления углеводородной фракции.

1-вихревой реактор с ИК-излучагелем; 2-вихревой реактор с внешним обогревом; 3-прямоточный реактор с насыпным катализатором; 4-вихревой реактор с ИК-излучателем и платиновой плёнкой катализатора:

Рис.2.Влияние гангепциальной скорости и степени разогрева катализатора на глубину окисления углеводородных компонентов.

1ч4-Ьк=200 мм; 5^7-1^=350 мм; Бт=80 мм.

1-У=0 м/с 2, 5-У =16,1 м/с 3, 6-У =31,4 м/с 4, 7-У =52,3 м/с

обходимой степени окисления углеводородных соединений. В вихревых реакторах степень разогрева катализатора значительно ниже, чем в прямоточных, температура газа на выходе всего на (К)н-25)°С выше исходной, а в прямоточном - на 300°С.

Величина тангенциальной составляющей скорости (см. рис. 2), как и длина реакционной зоны, являются определяющими параметрами вихревого термокаталитического реактора. Экспериментально установлена оптимальная длина реакционной зоны в (2,5-5-4) калибра, обеспечивающая высокую степень очистки выбросных газов от углеводородных примесей в трубчатом вихревом реакторе с ИК-излучателем при тангенциальных скоростях не менее 25 м/с для исследованного диапазона концентраций и типа катализатора. Исследования на термокаталитических элементах, имитирующих различные типы реакторов, показали возможность повышения эффективности процесса окисления углеводородных соединений за счет использования не только ИК-излучателей, но и винтовых закручивающих устройств (ВЗУ). ВЗУ обеспечивают создание регулируемой структуры течения газовой смеси в кольцевом канале и равномерный "подвод" углеводородов к катализатору за счет действия центробежных сил. Впервые экспериментально получены данные по влиянию числа вводных каналов ВЗУ, их геометрии, площади сечения и угла наклона на эффективность процесса окисления на различных по величине внутреннего диаметра ТКЭ (20,2^-102,0) мм и кольцевого канала.

Для проведения процесса окисления углеводородных соединений получены оптимальные диапазоны изменения ширины кольцевого канала, длины ТКЭ, конструктивных параметров ВЗУ в зависимости от диаметров выпускаемых промышленностью источников ИК-излучения.

С целью подтверждения эффективности и целесообразности использования закрученного течения газового потока в реакционной зоне выполнена серия экспериментов по каталитическому пиролизу бензиновой фракции в вихревом реакторе. В вихревом реакторе по сравнению с прямоточным при прочих равных условиях достигнута 100% конверсия углеводородного сырья (в прямоточном - 85%) при одновременном увеличении выхода продуктов реакции на (20^-25)%.

Устойчивое закрученное течение струи газовой смеси в вихревом реакторе в процессах окисления и расщепления углеводородных соединений на поверхности катализатора обеспечивает более эффективное распределение реагентов по всей длине и поверхности реакционной зоны за счет действия поля центробежных сил, радиального градиента давления и радиальной составляющей скорости и положительно влияет на процесс диффузии и сепарации.

Изменение конструктивных параметров ВЗУ обеспечивает условия ре1улирования характера изменения термодинамических параметров углеводородных компонентов, что существенно влияет и на кинетику химических реакций окисления и расщепления.

Разработанная нами физическая модель течения закрученного потока в кольцевом канале позволяет моделировать различные типы химических реакций в зависимости от задаваемых выходных характеристик газового потока.

Использование ИК-излучателей дает возможность в несколько раз снизить энергозатраты на обезвреживание выбросного вентиляционного или технологического газа от углеводородных соединений с использованием катализатора, не подвергающегося периодической регенерации.

В третьей главе представлен разработанный нами механизм расщепления углеводородных компонентов в условиях закрученного течения по поверхности катализатора:

^В^^Вз—^^р3Г+1»4Ф (1)

Полученные уравнения позволяют определить например такие показатели, как

И производительность катализатора

Ы^Ш^О1)172 ; (2)

3 поверхность катализатора, занятую промежуточным продуктом

; (3)

И общее количество компонента, выводимого из реакционной зоны В2п=01Рв Ма+^Х), (4)

а также уравнения, учитывающие изменения конверсии по конкретным продуктам расщепления углеводородных соединений.

Разработанный механизм расщепления углеводородных соединений дает возможность математического моделирования процесса с учетом индивидуальных особенностей фракционного состава исходного сырья и расчета конструктивных технологических и термодинамических параметров вихревого термокаталитического реактора.

Одной из особенностей исследованного нами процесса глубокого окисления углеводородов, содержащихся в объеме инертного газа, является течение его в условиях закрученного потока в кольцевом цилиндрическом канале между источником ИК-излучения и катализаторной стенкой. Учитывая отсутствие процесса окисления в объеме оптически активной среды, температура поверхности катализатора в реакторе зависит от его поглощающей способности и мощности ИК-излучателя. Для цилиндрической системы координат количество поглощенной катализатором энергии находится по уравнению Ламберта-Бера

^«ифН^О^-г,)}. (5)

Для динамических условий течения процесса общее количество поглощенной энергии определяется в зависимости от концентрации углеводородных компонентов в среде инертного газа и скорости закрученного потока. Для расчета температуры поверхности катализатора нами получено уравнение

Тмт.^То+АТ^АТа-АТз , (6)

учитывающее повышение температуры за счет адиабатического процесса химической реакции (АТ]), поглощения ИК-излучения (ДТ2.) и изменения ее за счет конвективной теплоотдачи (аТ3). Эти составляющие температуры находятся из уравнений

АТ2=02/скО; АТз=Оз/Ч.п.Рк, (7)

На основе экспериментальных исследований нами были получены эмпирические уравнения для определения: ■ оптимального сечения сопловых каналов ВЗУ

^=(0,2+0,4) Рк к ; (8)

скорости потока в кольцевом канале закрученной струи

Гс

в диаметра ТКЭ

Для расчета тепловых характеристик ТКЭ критерий Нуссельта предложено нами определять по известному критериальному уравнению, но с учетом роста коэффициента турбулентности (<рт) в пограничном слое и неизотермичности макровихревого движения (<оа):

N113 0 = 0,023 Неэ п 0,8 Рг0-4^. (11)

В диапазоне исходного давления обезвреживаемого газа (0,105+0,216) МПа нами рекомендуется принимать значение произведения ,равное (1,028 1,086)

На основе полученных данных разработана математическая модель, методики и алгоритм расчета вихревых термокаталитических аппаратов, компонуемых из ТКЭ. Основными расчетными элементами алгоритма являются блоки расчета: конструктивных параметров ВТРК, гидродинамических параметров закрученного потока, тепловых характеристик катализатора, параметров теплоносителя-хладагента. Разработанные методики расчета позволяют определить оптимальные характеристики ВЗУ, ТКЭ, мощность ИК-излучателя и количество излучателей, поверхность катализатора и его температуру, общий расход газа и теплоносителя в зависимости от исходной концентрации углеводородных соединений и их фазового состояния, а также подобрать тип ВТКР.

В четвертой главе представлены результаты по созданию и опытно-промышленной проверке эффективности работы вихревых термокаталитических реакторов с ИК-излучателями по глубокому окислению углеводородных соединений, содержащихся в различных промышленных газовых выбросах.

Технологические параметры газовых смесей, предназначенных для очистки от углеводородсодержащих компонентов, такие как уровень исходного давления, общий расход, температура, концентрация и фракционный состав углеводородов, а также требования по пожаро- и взрывобезопасности, экологии и энергосбережению, определяют характер конструктивного исполнения реактора.

На рис. 3 показана схема вихревого термокаталитического реактора (ВТКР), оснащешюго сетчатыми трубными элементами, на которые нанесен катализатор, а соосно в них размещены источники ИК-излучения, закрепленные в ВЗУ. Трубные элементы размещены плотно в виде пакета в корпусе реактора. Исходный обезвреживаемый газ, содержащий углеводородные компоненты, проходя из приемной камеры через ВЗУ, поступает в виде закрученных струй в кольцевой канал, проходя по которому в зоне ИК-излучения, углеводороды поглощают кванты света, возбуждаются и при контакте с катализатором окисляются до СОз и Н20. Этот тип реактора применим при содержании угле-

• 12

газ + углеводороды

трубными элементами.

1-корпус; 2, 3-камеры, приёмная и выходная; 4-сетчатая труба; 5-ВЗУ; 6-ИК-излучатель; 7-эл. Сеть; 8-упор; 9, 10-трубные решётки.

водородов менее 1,0 г/м3, когда теплота реакции незначительно влияет на температурный режим процесса [3].

Для обезвреживания низконапорных вентиляционных газов разработана конструкция спирального ТКР, где катализатор нанесен на продольные перегородки, а ИК-излучатели размещены с определенным шагом между ними.

Во многих производствах выбросной технологический газ содержит и механические примеси, попадание которых на катализаторную поверхность снижает его эффективность. Нами создана новая конструкция ВТКР, обеспечивающая предварительную очистку газа от твердой фазы путем подачи газа в межтрубное пространство реактора, а затем и в трубное [3].

На практике в технологических выбросных газах углеводородные компоненты содержатся как в паровой, так и в жидкой и твердой фазах, поэтому нами разработаны конструкции комбинированных ВТКР: для проведения процесса окисления в трубных ТКЭ с их охлаждением теплоносителем (рекуперация тепла реакции), для двухступенчатого окисления углеводородов в межтрубном пространстве при прямоточном течении газа и в трубном в закрученном потоке.

Эффективность работы ВТКР различного типа была проверена на различных промышленных газах. На заводе "Уфимкабель" ВТКР установлен на линии очистки технологического воздуха от СО (24,2+26,0) мг/м3 производительностью 50000 нм3/час, остаточная концентрация СО в течение года не превышала (3+5) мг/м3 при ПДК - 6 мг/'м3. На заводе "Синтез каучука" (г. Стерлитамак) ВТКР использован на линии очистки вентиляционных выбросов от а-метилстирола (1,0+4,5) мг/м3 с достижением ПДК - 0,05 г/м3 на выходе из реактора.

Испытания по очистке отработанного воздуха от фталевого ангидрида (завод "Авангард", г. Стерлитамак), содержащегося в форме паров и твердой мелкодисперсной фазы, также дали положительный результат, степень очистки составила (91*92)%.

В таблице 1 приведены технико-экономические показатели обезвреживания газовых выбросов, содержащих углеводородные соединения на примере дожита изопропилбензола концентрацией (0,3 - 0,4) г/м3.

В настоящей главе нами отмечены и возможные эффективные направления по дальнейшему совершенствованию конструкций ВТКР и интенсификации процесса окисления углеводородов за счет использования ультразвука для проведения реакции во внутридиффузионной области катализатора, а также применение углерод-углеродных материалов для изготовления из них как основы катализаторных элементов, так и источников ИК-излучения.

Технико -

экономические показатели процесса обезвреживания газовых выбросов

Таблица № 1

Основные Ск-ть Темпера- Концнт- Источник тепла Калит. Текущие Преимущес- Недостатки

способы обезвреживания газовых выбросов потока, м/с тура процесса, °С рация примесей, г/м3 вид кол-во кг/м3, кВт/м3 затраты, $/м3час затраты тва

1 .Термический 1.1.Печи прямого дожита 2. Термокаталити ческий 2.1 .Аппараты колонного типа 3. Адсорбционный <0,5 < 0,2 < 0,5 900+2000 250+400 300+400 нет огра- нич. <2,5 <1,0 газ, жидкость газ, эл.эн. газ 0,4+0,6 0,1+0,25 0,1+0,15 14+20 4+12 6+15 1,2+2,3 0,6+1,5 0,8+2,0 нет типовое оборудование типовое оборудование дополнительная площадь, громоздкость образование N0, обслуживающий персонал дополнительная площадь,периодическая смена катали загора<1 год>, обслуживающий персонал доп. площадь.огделение о чистки,смена и регенерация адсорбента

4.Адсорбционно-каталитический < 0,5 25+30 <200> <1,0 газ 0,1+0,15 7+15 0,9+2 типовое оборудование доп.площадь.огделекие очистки, смена и регенерация адсорбента

5. Обработка электронами на ускорителе <Со-60> 6. Инфракрасное облучение до80 т-ра исходного газа т-ра исходного газа нет огра- нич. эл.эн. эл.эн. 9 0,0 015 2 0,1 быстродействие, отсутствие общего нагрева перспективность, быстродействие, компак-ть,отсут. .спец. обсл.перс. смена кат.<5 л.> дороговизна.уникалъ-ностъ -оборудования, опасность облучения малый срок работы ИК-излучателей <10000 часов>

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. На основе проведенных экспериментально-теоретических и опытно-промышленных исследований выявлено влияние высокоскоростного течения закрученного потока газа в кольцевом цилиндрическом канале с соосно размещенным источником ИК-излучения на эффективность процессов глубокого окисления и расщепления углеводородов, определены оптимальные конструктивные и термодинамические параметры термокаталитического элемента: расстояние зоны окисления; расстояние между источником ИК-излучения и катализатором; площадь сечения вводных сопел ВЗУ; тангенциальная составляющая скорости закрученного потока.

2. Предложен механизм процесса диффузии углеводородных соединений в поле центробежных сил, их расщепления на поверхности катализатора и кинетики реакции пиролиза и окисления.

3. Обоснованы основные направления конструировашш вихревых кожухотрубных термокаталитических устройств с ИК-излучателямн на базе термокаталитических трубных элементов.

4. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета вихревого фотохимического аппарата для различных типов технологческих и вентиляционных газовых выбросов.

5. Разработана новая конструкция вихревого аппарата с использованием перспективных источников ИК-излучения, обеспечвающих упрощение конструкции и повышение ее долговечности и безопасности. Создан ряд новых конструкций вихревых аппаратов с термокаталитическими устройствами и приведены результаты их промышленной апробации с достижением требуемой степени очистки выбросных газов на промышленных предприятиях.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - исходная углеводородная фракция; В! - слабосорбиругощиеся компоненты; В2 - хорошо сорбирующиеся компоненты; Г - газ; Ф - кокс; VI - стехиометрические коэффициенты; К^Кз - константы скорости; N1 - число молей, поступающих в реактор в единицу времени; X - степень превращения исходной фракции углеводородов; у - постоянная; О1 - постоянная диффузии, создаваемая полем ц.б.с.; а - общая поверхность катализатора, занятая продуктом В2; Ъщ - адсорбционный коэффициент продукта В2; Р в2 ' парциальное давление; 01 - число молей, образующихся из моля исходных углеводородов; г} - радиус ИК-излучателя; 11т - радиус ТКЭ; И*1 - плотность ИК-излучения доходя-

гцего до стенки; Rx° - полная плотность излучения в пределах длин волн Xi<X<X2; п - концентрация углеводородного компонента; Кх - коэффициент поглощения среды; Qj, Q2, Q3 - количество тепла реакции поглощения катализатора, переданного газовому потоку, соответственно; W(T) - скорость реакции окисления; Ск - теплоемкость катализатора; et, п - коэффициент теплоотдачи закрученного потока; FK - поверхность катализатора; Fk.k. " площадь сечения кольцевого канала; Fc - площадь сечения каналов ВЗУ; А1 - степень сужения потока; V - объемный расход газовой смеси; du - диаметр ИК-из лучагеля; hK - толщина катализатора (2+5) мм; п0 - ширина кольцевого канала.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Артамонов H.A., Шкитин В.А. Влияние гидродинамики газового потока на глубину процесса окисления углеводородов.//В сб.: Тезисы докладов на Межвузовской научной конференции "Современные проблемы текстильной и легкой промышленности". РЗИТЛП - М., Госкомвуз РФ, 1996, ч.1-5, с.72.

2. Артамонов H.A., Мешалкин В.П., Шкитин В.А. Исследование термодинамических характеристик недорасширенных кольцевых струй.//В сб. Тезисы докладов на Всероссийской научной конференции "Теория и практика массообменных процессов в химической технологии". УГ НТУ - Уфа, Госкомвуз РФ, 1996, с. 121.

3. Фотохимический термокаталитический реактор санитарной очистки выбросных газов. F 12G4/01, №96113437 от 28.07.96. /Артамонов H.A., Мешалкин В.П., Сельский Б.Е., Шкитин В.А., пол. решение.

4. Артамонов H.A., Шкитин В.А. Анализ кинетики химических реакций и теплообмена в вихревых реакторах.//Химическое и нефтяное машиностроение, Москва, 1997, №1, с. 53-56.

5. Артамонов H.A., Шкитин В.А. Расчет основных параметров фотохимического реактора санитарной очистки выбросных газов.//Химическое и нефтяное машиностроение, Москва, 1997,№2, с. 64-66.