Технология переработки природного газа и конденсата - Афанасьев А.И.
ISBN 5-8365-0107-6
Скачать (прямая ссылка):
Из рис 4.110 видно, что экспериментальные точки ложатся значительно выше кривой, рассчитанной по термодинамике, что, по-видимому, связано с плохим смешением сероводорода и водорода Действительно, расчеты показали, что в экспериментах было реализовано смешение по принципу равномерного распределения, при котором струи сероводорода равномерно заполняли поперечное сечение смесителя Такой режим характеризуется следующими соотношениями:
—- = 2,84^'48; • (4 109)
г кВт-ч , кВт-ч
M3H2S 'M3H2S
Рис. 4.110. Зависимость степени разложения сероводорода а и энергозатрат E от энерговклада J
470
H = 0,2 + 0,3 D1
CM »
где Я - дальнобойность, т.е. глубина проникновения поперечных струй в сносящий поток; dc - диаметр сопел для ввода поперечных струй; q - гидродинамический параметр, представляющий собой соотношение потоков импульсов смешивающихся газов; р - плотность газов; vu V2 - скорости; DrM -диаметр смесителя; / - струя; 2 - поток.
Траектория струи холодного реагента в сносящем плазменном потоке апроксимируется зависимостью
где % - координата вдоль оси реактора; у - вдоль радиуса.
Из (4.111) следует, что кривизна струи в плазменном потоке вблизи сопла значительно выше, чем в центральной части плазменного потока, т.е. в центральной части струя практически не подвергается динамическому воздействию сносящего потока. Следовательно, в области значений дальнобойности (0,2-0,3 DCM), необходимых для равномерного распределения струй, дальнобойность сильно зависит от гидродинамического параметра <?, т.е. небольшие изменения q будут приводить к неустойчивому характеру течения: струи будут либо омывать стенки реактора, либо проникать в центральную часть смесительного объема. Указанные обстоятельства сильно затрудняют смешение по принципу равномерного распределения ввиду неизбежных колебаний входных параметров, что и повлияло на результаты эксперимента.
В работе [60] показано, что наиболее рациональна такая организация процесса смешения реагентов с плазменным теплоносителем, при которой поперечные струи сталкиваются между собой, образуя турбулизованную зону в центральной части реактора. При этом следует исходить из условий, обеспечивающих проникновение невозмущенного ядра струи до центра сносящего потока.
Из исследований свободных струй известно, что длину невозмущенного ядра струи можно определить из выражения
где К - коэффициент структуры струи (для холодных струй К = 0,06+0,08); Z0 - длина невозмущенного ядра струи; dc -диаметр сопла.
(4.111)
[Ю]
KZ1
de
= 0,335,
(4.112)
471
Полагая Z0 = 0,5 DrM и подставляя в (4.131), получим
Ua- = 8 * 10. жЛ> f': ' (4:113) d,
С учетом (4.109) величина гидродинамического параметра определяется как
q > 3. (4.114)
Была проведена серия экспериментов со смешением реагентов по принципу интенсивного соударения струй. По выражениям (4.410), (4.412), (4.414) были определены расходные геометрические характеристики процесса. Сероводород в количестве 4 м'/ч подавался в смеситель диаметром 30 мм радиальными струями через четыре сопла диаметром 3 мм. По оси реактора подавалась плазменная струя азота с расходом 1,4 м-'/ч. Среднемассовая температура азотной струи регулировалась в диапазоне 4500-6000 К. Как видно из рис. 4.411 экспериментальные точки практически легли на кривую, рассчитанную по термодинамике для условий эксперимента, что объясняется хорошим смешением сероводорода с плазменным потоком. На это же указывает снятый в одном из режимов профиль температуры в реакторе, который оказался близким к турбулентному. Отклонение температуры от среднемассовой температуры смеси азот-сероводород по всему сечению не превышало 10 % и изменялось в диапазоне температур
' і j f і І і і і і
і і і і і і і і
J,
3 4 кВт -ч
і і і і і і і і і і і і і і і
M3H2S
J,
3 4 кВт -ч
M3H2S
Рис. 4.111. Зависимость степени конверсии сероводорода а и энергозатрат E от энерговклада /
472
1000-1200 К. Закалочное устройство на выходе из реактора обеспечивало скорость закалки, не превышающую по оценкам 10д К/с. Этот экспериментальный факт говорит о заторможенности обратных реакций, ведущих к образованию сероводорода, и возможности сохранения степени разложения сероводорода, достигнутой в высокотемпературной зоне.
На основании проведенных экспериментов можно заключить, что при осуществлении плазмохимической диссоциации сероводорода в равновесных условиях в электродуговой системе оптимальная организация процесса реализуется при подаче сероводорода симметрическими радиальными сталкивающимися струями в поток плазменного теплоносителя.
Минимальные энергозатраты на получение водорода в равновесных условиях составили 2,4 кВт-ч/м3 H2 при степени разложения сероводорода 85 %.
Снижение энергозатрат в рамках равновесного разложения сероводорода возможно путем рекуперации около 1,5 кВт-ч/м3Н2.
Отметим, что основные потери энергии в равновесном процессе заключаются в нагреве газа и в энергии, выделяющейся при рекомбинации молекул S2 до S8 и конденсации в твердую серу S7. Действительно, при энтальпии реакции
