Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.А. УГАРОВА

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Кафедра металлургии и металловедения им. С.П. Угаровой

РЕФЕРАТ

на тему: Расчет распределения температуры газа по высоте трубы реформера в зависимости от высоты неактивного катализатора

Направление подготовки 22.04.02 «Металлургия»

Магистрант Новоточинов Александр Петрович

Преподаватель к.т.н. профессор Тимофеева А.С.

Старый Оскол 2019

Содержание

• Введение
• Определение усредненной температуры
• Расчет физических параметров смеси технологического и природного газов
• Теплообмен за счет конвекцией в системе труба - газ
• Теплообмен конвекцией в системе катализатор-газ
• Теплообмен излучением от стенок реакционной трубы и катализатора к газу
• Заключение
• Введение
• Основной процесс в шахтной печи является теплообмен между газом - теплоносителем и восстанавливаемым материалом. В основе производства железа с помощью прямого восстановления лежат две основные конструкции это HYL и MIDREX. Восстановление железа из оксидов происходит под действием газового восстановителя. Газом-восстановителем служит водород и оксид углерода. Первоначальным сырьем для получения восстановительного газа является природный газ (метан), который подвергается конвертированию [1, с 7].
• Получение восстановительного газа происходит в установке реформера. Реформер состоит из высокотемпературной секции и конвективной секции. В высокотемпературной секции установлены трубы из нержавеющей высоколегированной стали, заполненные катализатором на никелевой основе, и именно здесь происходит реакция реформинга.
• Как правило, катализатор на основе никеля имеет форму колец Рашига, расположенных внутри труб катализатора беспорядочно и заполняющих их полностью. Катализатор - это вещество, ускоряющее химическую реакцию, не участвуя в ней. В реформере установки металлизации катализатор ускоряет реакции конверсии. Катализатор состоит из активного компонента - никеля и основы - глинозема высокой частоты [1, с 45, 46].
• Определение усредненной температуры
• На начальном этапе необходимо предварительно определить усредненные температуры по высоте труб, если известна начальная температура смешанного газа, его расход, температура стенок реакционной трубы внизу и вверху, длина трубы, состав смешанного газа, температура газа на выходе из трубы, вид катализатора и его свойства.
• Для начала необходимо определить предварительно на какой высоте будет находиться катализатор с температурой 700 ⁰С. Для этого определим среднюю температуру по участкам трубы по формуле:
• Далее необходимо провести уточненный расчет температуры по высоте трубы, скорректировать эту цифру, применяя теоретические расчеты, используя термодинамические, газодинамические и тепловые законы и соотношения.

Расчет физических параметров смеси технологического и природного газов

1. Плотность каждого газа, входящего в смесь при нормальных условиях в каждой зоне, кг/м³ [2, с 175]

с_0i=У(х_н*с_н), (2)

где х_н - объемная доля i-го компонента,

с_н - плотность i-го компонента при нормальных условиях

2. Плотность компонентов газовой смеси при рабочих условиях, кг/м³

с_i=с_0i*P*T_н/(Р_н*Т_в), (3)

где с_0i - плотность i-го компонента при нормальных условиях, кг/м³,

Р - абсолютное давление в трубах реформера,

Т_в - температура входящего в реакционную трубу смешанного газа,

Р_н и Т_н - соответственно давление и температура при нормальных условиях

3. Кинематическая вязкость газа при рабочих условиях, м²/с [2, с 176].

температура газ реформер катализатор

н_г=100/У(), (4)

н_i - коэффициент кинематической вязкости i-го компонента при соответствующей температуре;

r_i - i-ый компонент по объему в смеси в %.

4. Удельная массовая теплоемкость газа, Дж/(кг*К) [2, с 176].

=Уr_i*c_i, (5)

c_i - удельная массовая теплоемкость i-ых компонентов смеси, С₀, при нормальных условиях.

5. Удельная объемная теплоемкость газа, Дж/м³К [2, с 176].

=* с_м, (6)

6. Коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м*К) [2, с 177].

л_г=3/2*с_i*г_г*Ср, (7)

7. Коэффициент температуропроводности газа, м²/с [2, с 177].

а_г= л_г/ , (8)

8. Расход газа при рабочих условиях, м³/с на 1 трубу-при температуре Т₁ - средняя [2, с 182].

V₁=V₀*P₀*T₁/P₁*T₀/N (9)

где V₀- расход питающего газа при нормальных условиях, N-число труб в реформере.

9. Скорость газа, м/с [2, с 182].

u₀=V₁*4/ р*, (10)

10. Скорость газа с учетом катализаторов, м/с [2, с 182].

u=u₀/е, (11)

где е=0,56 - порозность слоя неактивного катализатора.

Теплообмен за счет конвекцией в системе труба - газ

1. Критерий Рейнольдса [2, с 185].

Re=u*h/ н_г, (12)

где h -высота участка, на котором определяется температура

2. Критерий Нуссельта для двухфазной системы, ограниченной в пространстве [2, с 185].

Nu=0,106*Re при Re200

Nu=0,61*Re^0,67 при Re>200 (13)

3. Коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К [2, с 179].

б=Nu*?/(F*K)^0,5 (14)

F=2*р*r*h - площадь стенок трубы на расчетном участке, м²;

Т_с - температура стенки трубы

h - высота расчетного участка трубы.

К-коэффициент перекрытия трубы катализаторами

4. Тепловой поток от стенок трубы к газу конвекцией, Вт [2, с 187]

Q_ст=б*(T_c-T_в)*F*K, (15)

5. Прирост температуры за счет конвекции от стенок трубы к газу, К

ДT_c=Q_ст/(С_гv*V₁), (16)

Теплообмен конвекцией в системе катализатор-газ

1. Критерий Рейнольдса: [2, с 178]

Re=*u_г/н_г, (17)

d_к - диаметр катализатора, м,

u_г - скорость фильтрации газа.

u_г = V_г/ S*, (18)

, (19)

- расход газа при данных условиях;

н_г - коэффициент кинематической вязкости восстановительного газа при соответствующей температуре:

где - количество i-го компонента по объему смеси в %;

- коэффициент кинематической вязкости i-го компонента при соответствующей температуре.

2. Критерий Пекле: [2, с 178]

Pe= u_г *d/a_г,_, (21)

- коэффициент температуропроводности.

3. Критерий Нуссельта для двухфазной системы, ограниченной в пространстве. [2, с 178]

Nu=0,106*Re при Re200

Nu=0,61*Re^0,67 при Re>200 (22)

4. Коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К [2, с 179].

б=Nu*л_г/, (23)

5. Критерий Био [2, с 179].

Bi=*/2л_к (24)

где л_к = 4 Вт/мК - теплопроводность катализатора;

Если Bi>0,25, то суммарный коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле Китаева:

1/K_v=1/б_v+d^2/72/(1-е)/ л_к (25)

б_v=6*(1-е)/ - коэффициент теплоотдачи на единицу объема слоя.

6. Площадь, занимаемая катализаторами на заданном участке трубы. Для этого необходимо определить следующие величины:

7. Объем одного катализатора [2, с 181].

V_к= р** (26)

где R_k - радиус катализатора,

H_k - высота катализатора.

8. Объем расчетного участка трубы, м³ [2, с 181].

V_t= р*r²*h (27)

9. Объем катализаторов на расчетном участке, м³ [2, с 181]

V_kp=V_t*(1-е) (28)

10. Количество катализаторов на расчетном участке [2, с 182].

N1=V_kp/V_k (29)

11. Таким образом, площадь, занимаемая катализатором на расчетном участке, м² [2, с 182].

F_kp=N₁* F_к (30)

Теплообмен излучением от стенок реакционной трубы и катализатора к газу

1. Тепловой поток от катализатора к газу конвекцией [2, с 183].

Qк-г=Кv*(Tk+T0)* Fкр* К1, (31)

где К1-это коэффициент перекрытия катализаторов

2. Прирост температуры за счет конвекции от катализатора к газу

Тк-г= Qк-г /(Сrv*V1), (32)

3. Общий прирост температуры

Т= Тc +Тк-г, (33)

4. Полученная температура

= Т+ , (34)

Заключение

• По данной методике расчета можно определить как меняется температура газа по высоте трубы реформера в зависимости от высоты неактивного катализатора. Была разработана методика расчета физических параметров смеси технологического и природного газов, теплообмен за счет конвекцией в системе труба - газ, теплообмен конвекцией в системе катализатор-газ, теплообмен излучением от стенок реакционной трубы и катализатора к газу.

Список используемой литературы

1. Физико-химические основы реформера газов: учебное пособие / А.С. Тимофеева [и др.]. - Старый Оскол: ТНТ, 2019. - 156 с.: ил.

2. Тимофеева, Т.В., Тимофеев Е.С. Теплофизические особенности производства окисленных окатышей и метализованного продукта: /А.С. Тимофеева, Тимофеев Е.С. - Старый Оскол: ТНТ, 2015. - 204с

3. Методика расчета высоты слоя неактивного катализатора. Гончаров А.И., Тимофеева А.С. «СТИ НИТУ МИСиС», Старый Оскол, Россия

Размещено на Allbest.ru