книги из ГПНТБ / Автоматизация переработки каменноугольной смолы
..pdfдимый для преодоления давления газов в реакторе, оп ределяется из уравнения
Тг = |
Рг. Лг = — , |
(Ѵ-44) |
где рг— давление газов |
7 |
|
в верхней части реактора; |
у — удельный вес пека;
hr— необходимый столб пека над уровнем его в ре акторе, уравновешивающий давление газов.
Максимальный расход пека при истечении по трубе, опущенной в реактор
|
|
|
|
gliQ . |
|
|
Из этого |
выражения находим необходимый для дан |
|||
|
|
Gniax = °гуТ J^2 |
|
|
|
ного расхода пека напор |
|
|
|||
|
|
|
hr. = |
|
(Ѵ-45) |
|
|
|
а 2 у 2 F 2 2g |
|
|
где |
Gmax— максимальный расход пека; |
|
|||
|
а — коэффициент расхода; |
трубы, по |
|||
|
F — площадь поперечного сечения |
||||
|
|
которой пек истекает в реактор; |
|
||
|
g — ускорение свободного падения. |
|
|||
|
Таким образом, для обеспечения условий свободного |
||||
истечения высота |
установки щелевого расходометра |
над уровнем пека в реакторе должна быть больше сум мы напоров, определенных выше
Л2 ^ |
К + ІІа |
|
IU > P±+- |
(V-46) |
|
- |
||
- у |
а 2 у2 F 2 2g |
Например, при максимальном расходе пека, посту пающего в реактор, 15 т/ч, удельном весе 1120 кгс/м3, диаметре трубы 0,076 м и максимальном давлении газов в реакторе 0,2 кгс/см2 величина /іг=1,79 м и кс=0,09м. Откуда высота установки расходомера должна быть не менее
Ла > 1,79 + 0 , 0 9 = 1,88 м.
Обычно чіа практике рассчитанную высоту установки расходомера увеличивают на 0,5 м. Таким образом, Іг2 = = 1,88+0,5=2,38 м.
Так как высота hi (рис. 108) для первого реактора технологической цепи равна 1,05 м, высота установки
235
щелевого расходомера над верхом реактора равна 2,38—1,05=1,33 м.
Щелевые расходомеры применяют также для изме рений расходов нагретой пековой смолы и высокотемпе ратурного пека.
ДАТЧИКИ КАЧЕСТВА КАМ ЕН Н О УГО ЛЬН О ГО ПЕКА
Свойства и показатели качества пека |
|
||
Каменноугольный |
пек |
при обычной температуре |
|
(20° С) представляет |
собой |
твердый хрупкий |
продукт |
с раковистым изломом. При переходе из твердого состо яния в жидкое наблюдается определенный интервал размягчения. Химический состав каменноугольных пеков до настоящего времени еще мало изучен. Ряд авто ров полагают, что пек в основном состоит из многоколь чатых конденсированных ароматических соединений [59—62].
Вследствие сложности химического состава пеки ха рактеризуют групповым составом, определяемым мето дом разделения растворителями на отдельные фракции. Наиболее распространенный метод определения группо вого состава состоит в том, что сначала обрабатывают
бензолом для |
выделения нерастворимой в нем части |
|
(a -фракции), |
затем после удаления растворителя раз |
|
деляют оставшуюся часть на |
фракции: нерастворимую |
|
(ß-фракцию) |
и растворимую |
(у-фракцию) в бензине |
[38]. |
|
|
К применяемым показателям качества пека относят
ся температура |
размягчения, |
выход летучих веществ |
|
и зольность. Зольность является |
важным показателем |
||
качества пека, |
используемого |
для |
производства элект |
родного кокса, но она целиком определяется только зольностью исходного сырья и не зависит от технологи ческого режима производства высокотемпературного пека.
Между показателями качества и групповым соста вом существует следующая зависимость: с повышением температуры размягчения пека выход летучих веществ сокращается, а групповой состав его изменяется в сто рону увеличения выхода веществ, нерастворимых в бен золе. По сравнению со среднетемпературным высоко
236
температурный пек содержит более конденсированные ароматические соединения [44, 63]. Выход фракций при определении группового состава зависит не только от свойств пека, но и от методов его получения [61, 64].
При одном и том лее количестве веществ, нераствори мых в бензоле, температура размягчения пеков может быть различной. Это объясняется следующими причи нами:
1) для среднетемпературных пеков, полученных при фракционировании каменноугольной смолы и являю щихся исходным сырьем для производства высокотемпе ратурного пека, — непостоянством качества каменно угольной смолы и режима ее фракционирования (темпе ратуры нагрева, давления, продолжительности терми ческого воздействия). Чем ниже температура нагрева и меньше термическое воздействие, тем меньше образу ется в пеке продуктов уплотнения;
2) для пеков, полученных обработкой воздухом в ре
акторах, — непостоянством качества |
исходного |
сырья |
и режима обработки (температуры |
нагрева, |
расхода |
воздуха и продолжительности обработки в реакторах). Однако несмотря на отсутствие точной зависимости наблюдается явно выраженная тенденция роста темпе ратуры размягчения с увеличением в пеке продуктов уплотнения, которая может быть выражена следующи
ми статистическими уравнениями связи: |
|
||||
а) |
для пеков, полученных из пековой смолы в первом |
||||
реакторе технологической цепи |
|
|
|
||
|
|
*р = 1,75а + 33,1; |
г = |
0,730; |
(Ѵ -47) |
б) для среднетемпературных пеков и пеков, получен |
|||||
ных во втором и третьем реакторах |
|
|
|||
|
|
<р = 3 ,0 5 а 4 - 4 ,0 ; |
г = |
0 ,9 5 0 , |
(Ѵ-48) |
где |
tp— температура размягчения |
пека, ° С; |
бензо |
||
|
а — количество веществ, |
нерастворимых в |
|||
|
ле, |
%; |
|
|
|
|
г — коэффициент корреляции. |
|
|
||
Величина |
коэффициентов |
корреляции показывает, |
что между температурой размягчения пека и количест вом a -фракции имеется довольно тесная связь. Анализ коэффициентов регрессии (1,75 и 3,05) в приведенных уравнениях говорит о том, что рост температуры раз мягчения зависит от природы исходного сырья. Для пе
237
ковой смолы рост температуры размягчения с увеличе нием в ней содержания продуктов уплотнения почти в два раза меньше, чем для средиетемпературиого пека.
Таким образом, в процессе обработки исходного сырья до получения высокотемпературного пека группо вой состав меняется в сторону увеличения содержания продуктов уплотнения, при этом температура размягче ния пека также увеличивается, а выход летучих веществ сокращается. Величина изменений этих показателей ка чества пека зависит от свойств исходного сырья и режи ма его обработки.
Если групповой состав пеков и выход летучих ве ществ можно считать более явными характеристиками качества пека как сырья для коксования, то температу ра размягчения является косвенным показателем. Ис пользование температуры размягчения как показателя качества пека объясняется, по-видимому, тем, что из всех рассмотренных анализов последний является наи менее трудоемким. Однако для непрерывного контроля качества пека в потоке ни один из этих показателей ие пригоден.
К параметру автоматического измерения качества предъявляют в основном два требования: а) чтобы он достаточно полно характеризовал качество пека и б) был удобен для разработки на его основе простой и надежной конструкции датчика.
Выше показано, что производство высокотемпера турного пека в основном базируется на процессе кон денсации — полимеризации исходного сырья, связанно го со структурированием и повышением молекулярной массы находящихся в пеке продуктов. Из физических показателей наилучшими характеристиками для таких процессов служат вязкость, плотность и электропровод ность или удельное сопротивление производимых про дуктов [66].
Ниже рассмотрена возможность использования этих физических параметров для автоматического контроля качества пека.
Вязкость пека. Вязкость каменноугольного пека за висит от его температуры нагрева и свойств, особенно от температуры размягчения и группового состава [38]. С увеличением температуры размягчения пека и коли чества продуктов уплотнения в нем вязкость пека повы шается. Однако в еще большей степени она зависит от
238
температуры нагрева пека. Изменение вязкости от темпёратуры нагрева имеет гиперболический характер. Рез кое ее падение происходит в области температур, превы шающих температуру размягчения на 100 град. В диа пазоне рабочих температур 300—370° С значения вязкости пеков с различной температурой размягчения очень близки и отличаются при этих температурах для разных пеков настолько незначительно, что оказывают ся сравнимыми с ошибками приборов. Это обстоятель ство и является одной из основных причин, препятству ющих построению датчика качества на принципе изме рения его вязкости.
Плотность каменноугольного пека. Плотность камен ноугольных пеков при 20° С находится в пределах 1250—1370 кгс/м3. Так же, как и вязкость, она зависит от температуры нагрева пека и показателей качества. Зависимость плотности от температуры нагрева имеет линейный характер. С повышением температуры она понижается. При изменении качества пека линейный ха рактер зависимости плотности от температуры не нару шается. Однако температурный коэффициент изменения плотности для высокотемпературных пеков несколько ниже. Если для среднетемпературных пеков он состав ляет в среднем 0,53 кгс/(м3-град), то для высокотемпе ратурных он равен 0,48 кгс/(м3-град). Это объясняет ся, по-видимому, большим количеством в высокотемпе ратурном пеке продуктов уплотнения, имеющих более низкий коэффициент термического расширения.
На основании исследования каменноугольных пеков установлено, что плотность пека очень тесно связана с изменениями его показателей качества. Характер этих зависимостей описывается следующими уравнениями связи между плотностью и показателями качества пека при температуре нагрева 370° С:
р = |
1 0 6 0 + 1,8 а , |
г = |
0,805; |
|
(Ѵ-49) |
р = |
1264 — 2 ,5 V , |
т= |
0,775; |
|
(Ѵ-50) |
р = |
0 ,9 4 ip — 1057, |
/- = |
0 ,7 7 2 |
, |
(Ѵ -51) |
где р— плотность пека, кгс/м3; |
|
|
уплотнения, ха |
||
а — содержание в пеке продуктов |
|||||
рактеризуемых выходом а-фракции, %; |
|||||
V— выход летучих, %; |
|
|
|
|
|
tp— температура размягчения |
пека, |
0 С; |
|||
г — коэффициент корреляции. |
|
|
|
239
Величина коэффициента корреляции в приведенных уравнениях подтверждает существенную зависимость плотности пека от показателей его качества. Макси мальное значение его в уравнении (Ѵ-49) указывает на то, что наиболее тесная связь имеется между плотно стью пека и степенью его уплотнения, характеризуемой выходом веществ, нерастворимых в бензоле. Отсутст вие строгой зависимости изменений плотности пека от его показателей качества можно объяснить непостоянст вом соотношения компонентов исходного сырья и само го среднетемпературного пека, а также колебаниями технологического режима.
Так как плотность пека тесно связана с количеством в нем продуктов уплотнения, увеличение содержания которых приводит к росту выхода кокса, она также яв ляется характеристикой пека как сырья для коксования [65]. Анализ зависимостей плотности от температуры нагрева пека и его качества показывает, что качество оказывает более действенное влияние. Так, из уравне ния (Ѵ-51) следует, что при увеличении температуры размягчения пека на 1 град плотность его повышается на 0,94 кгс/м3, при увеличении же температуры нагрева на 1 град — всего на 0,48 кгс/м3, почти вдвое меньше.
Таким образом, рассмотренные свойства плотно сти пека показывают, что этот параметр в достаточ ной степени характеризует его качество и удобен для построения на принципе его измерения датчика каче ства.
Плотность жидких сред можно измерять разными методами (пьезометрическим, гидростатическим, изме рением веса постоянного объема жидкости, ультразву ковым и пр.). Наиболее приемлемым является метод из мерения плотности определением выталкивающей силы, действующей на погруженный в пек чувствительный элемент постоянного объема. Структурная схема изме рения плотности пека приведена на рис. 109. Так как плотность пека зависит от качества и температуры на грева, схема имеет два чувствительных элемента. Один предназначен для измерения плотности пека, другой — температуры его нагрева. В качестве чувствительного элемента 1 для измерения плотности пека используется буек постоянного объема. Усилие, действующее па буек, равно
F = р - у Ѵ .
240
Заменив значение удельного веса пека его выраже нием через плотность y = dg, получим
F = P — d g V , |
(Ѵ-52) |
где Р — вес буйка;
V — объем буйка;
g — ускорение свободного падения; d— плотность пека.
Так как вес буйка и его объем постоянны, изменение усилия, действующего на погруженный в пек буек, за-
Рис. 109. Структурная схема датчика плотности пека
висит только от плотности пека. С увеличением плотно сти усилие F уменьшается. Усилие, действующее на чув ствительный элемент /, преобразуется в блоке 2 в пнев матический сигнал и подается в блок суммирования 4.
Сигнал от чувствительного элемента Г температуры пека в виде э. д. с. термопары преобразуется блоком 3 в пневматический сигнал, пропорциональный изменению плотности пека при отклонении его температуры от тем пературы приведения; этот сигнал также подается в блок суммирования. В результате алгебраического суммирования указанных двух сигналов на выходе бло ка 4 получается сигнал, пропорциональный плотности пека, приведенной к постоянной тёмпературе, и завися щий только от изменений его качества.
Выходной сигнал блока 4 регистрируется вторичным прибором 5, шкала которого для удобства пользования
может быть проградуирована по одному из |
связанных |
с плотностью показателей качества пека. |
|
Конструкция датчика плотности пека |
изображена |
на рис. ПО. Пек поступает в корпус датчика 3 снизу че
16—340 |
241 |
рез входной конус 1 и, пройдя через него, вытекает че рез боковой штуцер 6. Чувствительные элементы: буек 4 и термопара 5 расположены в корпусе таким образом, чтобы они хорошо омывались пеком. Буек на тросике подвешен к пневмопреобразователю 7, который крепит
ся на верхнем фланце датчика.
|
Такой выбор конструкции обе |
||||||||
|
спечивает |
постоянное |
наличие |
||||||
|
пека в датчике при любых ко |
||||||||
|
лебаниях его расхода. |
влияния |
|||||||
|
Для |
|
устранения |
||||||
|
динамического |
напора |
струн |
||||||
|
пека на буек во входном кону |
||||||||
|
се установлена |
отбойная пла |
|||||||
|
стина 2, а корпус датчика рас |
||||||||
|
ширен. |
Если внутренний диа |
|||||||
|
метр входного |
штуцера равен |
|||||||
|
0,076 м, то корпус имеет при |
||||||||
|
мерно в три раза больший диа |
||||||||
|
метр 0,220 м. В результате это |
||||||||
|
го скорость пека около буйка |
||||||||
|
даже при |
|
максимальном рас |
||||||
|
ходе не велика и почти не вли |
||||||||
|
яет на показания датчика. |
|
|||||||
|
Схема |
|
установки |
датчика |
|||||
|
для измерения |
плотности |
ис |
||||||
|
ходного |
среднетемпературного |
|||||||
|
пека изображена |
на |
рис. |
111. |
|||||
|
Датчик |
устанавливают |
на |
ли |
|||||
|
нии подачи |
среднетемператур |
|||||||
|
ного пека |
|
вблизи входа его в |
||||||
Рис. ПО. Датчик плотности |
реактор. |
|
Так |
как пек может |
|||||
пека |
подаваться |
или |
в первый, |
или |
|||||
|
во второй |
реактор |
техноло |
||||||
от того, который из них |
гической |
|
цепи |
(в зависимости |
|||||
в данный |
момент |
находится |
в эксплуатации), датчик установлен на общей линии по дачи пека до разветвления в реакторы. Кроме того, схема установки датчика обеспечивает возможность его отклю чения для ревизии без прекращения подачи исходного пека в технологическую цепь.
Для измерения качества высокотемпературного пека датчик устанавливают на линии выхода из последнего реактора технологической цепи. Конструкция преду-
242
сматривает возможность, эксплуатации датчика как на линии свободного стока высокотемпературного пека из технологической цепи в пекоприемиик, так и в схеме по дачи пека из последнего реактора прямо в загрузочные устройства печи.
Рис. 111. Схема установки датчика для измерения плотности сред нетемпературного пека:
/ — датчик качества; 2 — щелевоіі расходомер пека; 3, '/ — реакторы № 1 и 2
Рис. 112. Схема установки датчика качества (/) высокотемпе ратурного пека на выходе из последнего реактора (2)
16* |
243 |
Установка датчика для второй схемы дама на рис. 112. Так как в данном случае датчик находится под давлением, равным напору столба пека в реакторе, то предъявляют более повышенные требования к его гер метичности.
Для устранения попадания пека или газов к пневмо преобразователю датчика соединение буйка с прибором осуществляется через разделительный сильфон. В каче стве пневмопреобразователя для датчиков плотности используются стандартный прибор типа УБ-ПА или го ловки пневматических компенсационных дифманометров, имеющих разделительный сильфон.
Удельное электросопротивление пека. Удельное электросопротивление жидкостей связано с их химиче ским составом и строением молекул. Поэтому удельное электросопротивление пека имеет существенное значе ние для оценки его качества. Анализ зависимости удель ного электросопротивления пека от температуры пока зывает, что она имеет экспоненциальный характер и мо
жет |
быть выражена уравнением следующего вида: |
|
|
Р = А е ~ ВІ , |
(Ѵ -53) |
где |
р — удельное электросопротивление пека; |
|
|
t — температура пека; |
|
А и В — коэффициенты. |
показывающих |
|
В табл. 28 приведен ряд уравнений, |
зависимость электросопротивления высокотемператур ных пеков разного качества от температуры.
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
28 |
|
ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО |
ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕКОВ |
|
|||||
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ |
НАГРЕВА |
В ИНТЕРВАЛЕ 340—380° С |
|
||||
|
Показатели качества |
|
|
|
|
|
|
выход |
|
температура |
Уравнение для р, Ом ы |
|
|||
ВЫ ХОД |
размягчения |
|
|||||
а-фракцнн, |
|
|
|
||||
летучих V, % |
V |
°с |
|
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
||
4 4 ,8 |
5 0 ,4 |
|
149 |
|
, |
—0,02075 t |
|
|
|
р = 1,807 ■ 10 |
е |
|
|||
4 2 ,3 |
52,1 |
|
140 |
|
, „„„ .„7 |
—0,02075 < |
|
|
|
р = 1 ,6 9 0 -1 0 |
е |
|
|||
4 1 ,3 |
5 1 ,2 |
|
135 |
|
7 |
—0,01975 t |
|
|
|
р = 0 ,9 5 5 -1 0 |
е |
|
|||
3 8 ,8 |
5 3 ,5 |
|
131 |
|
. „„„ ,„7 |
-0,01933 |
t |
|
|
р = 0 ,738 - 10 |
е |
|
|||
3 8 ,0 |
5 5 ,6 |
|
128 |
|
„ „„„ ,„7 |
—0,01930 t |
|
|
|
р = 0 ,7 0 8 -1 0 |
е |
|
244