книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы

Рис. 89. Структурная схема технологической цепи трех реакторов:

между их входными и выходными параметрами. В при­ веденных ниже уравнениях приняты следующие обозна­ чения:

QBI — расход воздуха, поступающего в реактор, м3/ч; іж1— температура жидкой фазы в реакторе, °С; 4т п — температура нагрева среднетемпературного пе­

ка, °С; 4 .с — температура нагрева пековой смолы, °С;

tp( — температура размягчения пека (качество пека)

смолы, подаваемых в реактор, °С;

A4- — прирост температуры пека в реакторе град;

для первого реактора

кой цепи, м; Ат —коэффициент, характеризующий время пребывания

пека в реакторе, ч/т.

Так как обработка исходного сырья в технологичес­ кой цепи осуществляется ступенчато, общий ход процес­ са и качество конечного продукта зависят от протека­ ния процесса окисления в каждом реакторе. Приведен­ ные ниже уравнения, описывающие математическую модель статики, получены для технологической цепи, со­ стоящей из трех реакторов емкостью по 50 м3 каждый.

Входными параметрами, влияющими на процесс окис­ ления в первом реакторе технологической цепи (рис. 89), являются расход, качество и температура нагрева сред­ нетемпературного пека; расход и температура нагрева пековой смолы; расход и давление технологического воз­ духа. Выходными параметрами для первого реактора являются качество производимого пека (температура размягчения) и температура жидкой фазы в реакторе. В табл. 20 приведены уравнения, описывающие влияние входных параметров на температуру жидкой фазы в первом реакторе.

Параметры в уравнениях расположены по степени влияния их на температуру жидкой фазы. Величину F-критерия определяли как отношение общей дисперсии к дисперсии относительно выбранного уравнения связи. Чем больше /•’-критерий по отношению к табличному значению, тем более значимо уравнение связи [52, 53]. Выбор формы уравнения и введение в него новых пара­ метров выполняли до момента, пока значимость его не достигнет максимального значения, что соответствует наибольшему приближению к реальной зависимости.

Как видно из табл. 20, по степени влияния на темйературу жидкой фазы в первом реакторе параметры рас­ пределяются следующим образом. Наибольшее влияние оказывает температура среднетемпературного пека, за­ тем расходы пека и воздуха, давление технологического

196

Т а б л и ц а 20

ВЛИЯНИЕ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕМПЕРАТУРУ ЖИДКОИ ФАЗЫ

воздуха и расход пековой смолы. Зависимость темпера­ туры жидкой фазы от указанных параметров наиболее полно описывается уравнением (Ѵ-13), имеющим макси­

туры жидкой фазы от расходов пека и пековой смолы, температуры нагрева исходного пека и давления возду­ ха является нелинейной.

При повышении температуры исходного пека увели­ чивается температура жидкой фазы в реакторе, а при увеличении его расхода понижается. Расход исходного сырья оказывает двойственное воздействие на темпера­ туру жидкой фазы: с одной стороны, изменение расхода влияет на время пребывания сырья в реакторе, что от­

тепла, вносимого в реактор исходным сырьем, что также отражается на протекании химических реакций и темпе­ ратуре жидкой фазы.

197

Температура исходного жидкого пека ниже темпера­ туры жидкой фазы в реакторе, поэтому при увеличении его расхода последняя снижается под действием обоих факторов (рис. 90,6). Температура пековой смолы, по­ даваемой в реактор, значительно выше температуры жидкой фазы, поэтому при увеличении ее расхода, с од­ ной стороны, увеличивается количество тепла, вносимо-

Рис. 90. Статические зависимости температуры жидкой фазы в первом реакторе технологической цепи от температуры нагре­

го в реактор, а с другой стороны, уменьшается время пребывания сырья в реакторе, что приводит к снижению температуры жидкой фазы в нем. Поэтому изменение расхода пековой смолы в определенном пределе (рис. 90, д) приводит к незначительному отклонению темпе­ ратуры жидкой фазы в реакторе, хотя расход смолы су­ щественно влияет как на качество производимого пека, так и на протекание процесса окисления.

Для более полного изучения влияния входных пара­ метров на температуру жидкой фазы в первом реакторе

198

Т а б л и ц а 21

следует рассмотреть зависимость ее от средней темпера­ туры исходного сырья и времени пребывания его в реак­ торе (табл. 21). Средняя температура исходного сырья определяется по формуле

рактеризуется коэффициентом kx, который определяется по формуле

(Ѵ-15)

Зная величину kx, время пребывания сырья в реак­ торе можно определить следующим образом:

199

Так как весовая емкость и выход пека из исходного сырья от изменений его расхода зависят незначительно, с достаточной для расчета точностью для каждого реак­ тора их можно принять постоянными. В этом случае время пребывания пека в реакторе от изменений нагруз-

Рис. 91. Зависимость температуры жидкой фазы в первом реак­ торе технологической цепи от t с и k x

ки по исходному сырью определяется в основном коэф­ фициентом kz . С увеличением расхода исходного сырья коэффициент k-z уменьшается.

Сравнение уравнений, приведенных в табл. 20 п 21, показывает, что зависимость температуры жидкой фазы от средней температуры исходного сырья является более существенной, чем зависимость ее только от температу­ ры среднетемпературного пека.

Из уравнения (Ѵ-20), имеющего максимальное зна­ чение F-крнтерия и корреляционного отношения, следу­

пературы среднетемпературного пека на 10 град она увеличивается всего на 5,6 град, уравнение (Ѵ-12).

Следующим фактором, влияющим на температуру жидкой фазы, является расход воздуха: с его увеличени­ ем температура пека в реакторе повышается. Подставив в уравнение (Ѵ-20) средние значения t0 и QB, получим

200

Эта зависимость изображена на рис. 91,6. Анализ ее показывает, что для каждой области значений парамет­ ров (температуры исходного сырья и расхода воздуха) зависимость температуры пека в реакторе от времени пребывания сырья в нем имеет оптимум. Отклонение k x от оптимального значения приводит к падению темпера­ туры жидкой фазы.

Реакции конденсации, протекающие при обработке исходного сырья кислородом воздуха, имеют экзотерми­ ческий характер. Поэтому изменение температуры на­ грева пека в реакторе является косвенной характеристи­ кой процесса конденсации. Однако температура жидкой фазы в реакторе зависит не только от количества реак­ ций, протекающих в нем, но и от количества тепла, вно­ симого с исходным сырьем. Кроме этих факторов, на температуру жидкой фазы оказывает влияние также и величина теплоотдачи реактора окружающей атмосфе­ ре, которая в основном зависит от степени теплоизоля­ ции или температуры подогрева, если реакторы обору­ дованы выносной топкой. Если реакторы имеют хоро­ шую изоляцию или в них поддерживается' постоянная температура подогрева, компенсирующая потери тепла в окружающую атмосферу, то влиянием этого фактора на изменение температуры жидкой фазы можно прене­ бречь.

Таким образом, для характеристики процесса, проте­ кающего в реакторе, необходимо знать не только темпе­ ратуру жидкой фазы, но и прирост температуры нагре­ ва пека, обусловленный только химическими реакциями. Этот прирост при прочих постоянных условиях можно определить как разность между температурой жидкой фазы в реакторе и средней температурой исходного сырья.

Влияние расхода исходного сырья на прирост тем­ пературы в первом реакторе описывается уравнением

Л*! = U 1— А = 34,5 + 0,084 QB1 — 6,05 <?п.с — 3,56 GCTn. (Ѵ-22)

Значимость уравнения проверена по А-критерию. Так как для данного уравнения А—3,26, а табличное значе­ ние для него Ат=1,60 й А > /?т, следовательно, уравне­ ние является значимым. Величина коэффициента мно­ жественной корреляции для приведенного уравнения, равная 0,846, указывает на достаточную тесноту связи

201

между повышением температуры жидкой фазы в реакто­ ре и изменением входных параметров.

Из анализа уравнения видно, что увеличение расхо­ да воздуха в рабочем диапазоне способствует протека­ нию процесса и приводит к повышению прироста темпе­ ратуры пека в реакторе. Увеличение расхода исходного сырья отрицательно сказывается на процессе конден­ сации и приводит к снижению прироста температуры в реакторе. При этом снижение прироста температуры жидкой фазы в реакторе в зависимости от увеличения расхода пековой смолы почти вдвое больше, чем от рас­ хода среднетемпературного пека (уменьшение темпера­ туры при увеличении расхода пековой смолы на 1 т/ч составляет 6,05 град, а при увеличении расхода средне­ температурного пека на 1 т/ч составляет 3,56 град). Это указывает на то, что пековая смола обрабатывается зна­ чительно хуже, чем среднетемпературный пек, следова­ тельно, при изменении ее расхода требуется большее ко­ личество воздуха, чем для пека.

Помимо температуры жидкой фазы, другим основным параметром, определяющим работу реактора, является качество производимого в нем пека. В производственных условиях качество пека контролируют по анализу проб пека на температуру размягчения. Влияние входных па­ раметров на температуру размягчения пека, получаемо­

—2,97Оп.с + 0 , 2 5 + . стп —

—0,62GCTn (Ѵ-24)

202

и расхода воздуха, уравнение (Ѵ-23). Увеличение этих параметров приводит к улучшению качества пека.

Величина воздействия на качество пека всех осталь­ ных входных параметров описывается уравнением (Ѵ-24). Из него следует, что повышение температуры на­ грева и улучшения качества исходного пека способству­ ют росту температуры размягчения производимого пека. Аналогичное воздействие оказывает и повышение дав­ ления технологического воздуха. При увеличении расхо­ да исходного сырья ухудшается качество пека и пони­ жается его температура размягчения. Причем при уве­ личении расходов среднетемпературного пека и пековой смолы на одно и то же количество влияние последней на температуру размягчения пека почти в пять раз силь­ нее.

Анализ уравнений регрессии, описывающих статиче­ ские зависимости между входными и выходными пара­ метрами для первого реактора технологической цепи, показывает, что по всем входным параметрам, кроме давления технологического воздуха, по каналу регули­ рования температуры жидкой фазы реактор обладает значительно большими коэффициентами усиления объ­ екта, чем по каналу регулирования качества произво­ димого пека. Коэффициенты усиления объекта для из­ менения давления технологического воздуха одинаковы по обоим каналам.

Таким образом, реакция первого реактора на изме­ нения входных параметров, за исключением давления воздуха, по температуре жидкой фазы сказывается бы­ стрее, чем по температуре размягчения производимого пека. Для второго реактора технологической цепи вход­ ными параметрами являются расход, температура на­ грева и качество пека, а также расход и давление тех­ нологического воздуха. К выходным параметрам второ­

характеристики второго реактора, приведены в табл. 23. Наибольшее влияние на температуру жидкой фазы во втором реакторе оказывает температура пека, посту­

пающего из первого реактора, уравнение (Ѵ-25). Прирост температуры нагрева пека при дальнейшем

протекании процессов конденсации описывается уравне­ нием (Ѵ-26). Как и для первого реактора, прирост тем-

203

Т а б л и ц а 23

ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ВХОДНЫМИ и ВЫХОДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ВТОРОГО РЕАКТОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

пературы жидкой фазы во втором реакторе зависит от всех входных параметров. Расход воздуха и его давле­ ние повышают температуру нагрева пека в реакторе, а увеличение расходов компонентов исходного сырья при­ водит к ее понижению. Зависимости температуры жид­ кой фазы и прироста этой температуры от изменений входных параметров в рабочем диапазоне имеют линей­ ный характер (рис. 92).

а — зависимость температуры жидкой фазы в реакторе от температуры на­ грева поступающего пека; б — зависимость повышения температуры жидкой фазы в реакторе от расхода воздуха

204