20. Эндотермические генераторы

Основными компонентами эндотермического газа, кроме азота, являются оксид углерода и водород. Диоксид углерода и водяной пар содержатся в эндогазе в незначительном количестве. Как уже говорилось, атмосфера эндогаза применяется при цементации и нитроцементации, других процессах ХТО.

Эндогаз получается в результате реакции

СН4 + 0,5О2 + 1,88N2 = СО + 2Н2 + 1,88N2.

Как видим, в готовом эндогазе содержится примерно 20 % СО, 40 % Н2 и 40 % N2 (по объему), а коэффициент избытка воздуха а близок к 0,25. При больших значениях а содержание С02 и Н20 в эндогазе повышается, что нежелательно. Снижение коэффициента расхода воздуха при обычных температурах приготовления эндо­газа приводит к выпадению сажистого углерода.

Экспериментально установлено, что реакция получения эндо­газа протекает в две стадии. Вначале происходит наиболее веро­ятная реакция полного горения части подаваемого метана за счет имеющегося в смеси кислорода:

0,5СН4 + 02 = 0,5СО2 + Н20.

Затем осуществляются процессы конверсии метана водяным паром и диоксидом углерода:

СН4 + Н20 = С0 + ЗН2; СН4 + С02 = 2СО + 2Н2. Для осуществления эндотермических реакций температура в системе поддерживается за счет подвода теплоты извне. Как уже отмечалось, реакции взаимодействия метана с диоксидом углерода и водяным паром при температурах ниже 1000 °С протекают с незначительной скоростью. Эти реакции заканчиваются доста­точно быстро лишь при температурах порядка 1300 °С Осуществле­ние реакций при более низких температурах возможно в присут­ствии катализатора. Конверсия при 1300 °С требует применения остродефицитных жаростойких материалов, усложняет течение процесса и конструкцию реактора. Поэтому в настоящее время эндогаз получают на слое катализатора, что позволяет поддержи­вать рабочую температуру в реакторе на уровне 850...950 °С. Даль­нейшее снижение температуры в реакторе приводит к науглерожи­ванию катализатора и его разрушению.

Состав эндогаза регулируется автоматически изменением соот­ношения газ (метан) — воздух. Импульс отбирается от газоанали­затора, измеряющего содержание С02 или Н20 в эндогазе. В насто­ящее время разработаны типовые конструкции эндогенераторов, которые выпускаются промышленностью серийно.

Расчет эндотермического генератора заключается в составлении материального баланса в соответствии с приведенными выше реак­циями приготовления эндогаза при заданной температуре, определении необходимого количества теплоты, расчёте теплообмена в реторте, расчете

холодильников, гидравлическом расчете трубо­проводов. Различают конструкторский и поверочный расчеты.

Объем катализатора, загружаемого в реторту, определяется исходя из допустимой объемной скорости реакции Wоб и заданной производительности генератора:

Vкат = В0б/W0б,

где Vкат — объем катализатора в реторте, м3; Ва6 — общая произ­водительность реторты по экзогазу, м3/ч.

Увеличение производительности реторты возможно при соответствующем увеличении высоты слоя. При этом гидро­динамическое сопротивление слоя неподвижного катализатора определяется выражением

где рг, wr — плотность и скорость газа соответственно; ео —порозность слоя катализатора; d, — эквивалентный диаметр частиц катализатора; Re — критерий Рейнольдса для среды, отнесенной к эквивалентному диаметру частиц твердой фазы: Re = wг*d/v (v — коэффициент кинематической вязкости газа); h — высота слоя.

Увеличение высоты реторты более 1... 1,5 м нецелесообразно, так как это приводит не только к большому гидравлическому сопро­тивлению, но и значительно усложняет конструкцию генератора.

Повышение производительности реторты возможно в том слу­чае, если реакцию вести не в неподвижном слое катализатора, а в псевдоожиженном. Как показали эксперименты, реакция закан­чивается при высоте слоя 200 мм, объемной скорости 17000ч-1 и температуре 1000 °С. Для реакции использовался сферический алюмоникелевый катализатор с размером частиц 0,4...0,6 мм.

Если при работе на неподвижном катализаторе основная нагруз­ка приходится на его нижние слои, вследствие чего они постепенно теряют активность, науглероживаются и разрушаются, то в кипя­щем слое перемешивание частиц приводит к выравниванию актив­ности по объему. Кроме того, применение мелкодисперсных частиц увеличивает площадь активной поверхности. Поэтому в кипящем слое высота засыпки катализатора определяется не его актив­ностью, а условиями обеспечения достаточной площади поверх­ности, через которую теплота подводится к слою. Вследствие высокой теплопроводности кипящего слоя возможно создать реакторы практически любого размера без заметных перепадов температур в слое. Гидравлическое сопротивление кипящего слоя при изменении расхода эндогаза остается постоянным.