Международный
научный журнал

Современное состояние математического моделирования процесса очистки пиролизного газа от сернистых соединений


Current state of mathematical modeling of the process of pyrolysis gas purification from sulfur compounds

Цитировать:
Бабаев Р.К. Современное состояние математического моделирования процесса очистки пиролизного газа от сернистых соединений // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2017. № 7(40) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/5001 (дата обращения: 18.07.2019).
 
Прочитать статью:

Keywords: adsorption, sorption process, modeling, mass transfer

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются вопросы теоретического анализа и математического моделирования сорбционных процессов. Показано. что адсорбционный метод является экономически выгодным тогда, когда концентрация сернистых соединений в газе не превышает 1,5×10-3 кг/м3, приводятся математические модели равновесной адсорбции, неизотермической десорбции в неподвижном слое в адиабатических условиях.

ABSTRACT

The article deals with theoretical analysis and mathematical modeling of sorption processes. It is shown. That the adsorption method is economically advantageous when the concentration of sulfur compounds in the gas does not exceed 1,5×10-3 kg / m3, mathematical models of equilibrium adsorption, nonisothermal desorption in a fixed bed under adiabatic conditions are given.

 

Сернистые соединения и влага, даже в малом количестве, в составе пиролизного газа  приводят к отравлению катализаторов в процессах переработки нефтяного сырья, коррозии технологической аппаратуры и загрязнению окружающей среды сернистыми отходами производства.

В химическом производстве широкое распространение получили щелочные методы очистки промышленных газов от сернистых соединений [1-3]. Однако в случае содержания небольших концентраций сернистых соединений в пирогазе, что часто имеет место в реальных производственных условиях, более перспективен адсорбционный способ очистки, так как он имеет ряд преимуществ. Выбор того или иного метода определяется экономической целесообразностью. Согласно этому критерию адсорбционный метод является экономически выгодным тогда, когда концентрация сернистых соединений в газе не превышает  1,5×10-3 кг/м3.

Изотермическая динамика адсорбции обычно рассматривается со следующими допущениями: тепловыделение в слое достаточно мало, поток и адсорбент имеют одинаковую температуру, численное значение коэффициента массопередачи бесконечно большое и т.д. [4]. Модель равновесной адсорбции состоит из уравнения материального баланса, уравнения изотермы, начальных и граничных условий:

;                          (1)

 a = f(C)                                                   (2)

0 ≤xH, C(H,0) = a(H, 0) = C(∞, t) = 0, C(0, t) = Co                 (3)

Здесь: С, а - концентрация адсорбируемого вещества, в подвижной и неподвижной фазах; ν - средняя линейная скорость потока; Н - высота слоя адсорбента; Dэ - эффективный коэффициент диффузии; t - время.

Как отмечено в работе [5], в процессе адсорбции в неподвижном слое адсорбента важную роль играет пульсационный перенос массы адсорбента, т.е. эффект конвективной диффузии. Это учитывается введением коэффициента продольной диффузии в уравнение баланса массы, что приводит к значительным математическим трудностям при решении задач динамики адсорбции. Динамика неравновесной изотермической адсорбции одного вещества с постоянной скоростью подачи потока в слой описывается уравнениями (1), (2) и уравнением кинетики адсорбции:

                                           (4)

Здесь: а - концентрация адсорбента, Ср - концентрация равновесного адсорбтива; С - концентрация адсорбтива, βо - общий коэффициент массообмена.

Многие работы посвящены описанию неравновесной динамики адсорбции, которая предполагает, что при t®∞ устанавливается равновесие в системе, т.е. уравнение кинетики превращается в уравнение изотермы адсорбции a = j(C). При этом  метод составления уравнения кинетики сорбции с учетом параметра запаздывания имеет вид:

a(x, t) = φ[C(x, t-τ)].                            (5)

Уравнение кинетики вида (5) имеет  приближенное аналитическое решение.

Диффузионные коэффициенты, вычисленные из экспериментальных данных, час­то оказываются значительно ниже рассчитанных по известным уравнениям для молекулярной и кнудсеновской диффузии. Это может быть связано с иск­рив­лением  пути  диффузии  или  местными  изменениями свободного сечения /5/.

Предположение о существовании широкой области постоянства коэффициента массопереноса, открывает широкие возможности существования упрощения математического моделирования и расчета адсорбционного процесса путем применения в адсорбции единых для всех диффузионных процессов методов общей теории массообмена.

Проблемой теоретического анализа и математического моделирования сорбционных процессов является описание неизотермической адсорбции и десорбции. Часто причиной неизотермичности становится тепловыделение, имеющее место при сорбции [6]. Анализ адиабатической адсорбции при предположении, что массообмен и теплообмен между фазами происходит бесконечно быстро, впервые был выполнен Тодесом и Лезиным [7]. Основными уравнениями равновесной адиабатической модели являются уравнения материального баланса (1), изотермы (2) и теплового баланса (6) с начальными и граничными условиями (7):

;                                       (6)

         при t = 0; 0 ≤ х ≤ H; C = 0, a = 0, To = TH,                                   (7)

                   при t> 0; x = 0, C = Co = const; a = a(t);  T = To = const.

Из вышеприведенного уравнения следует, что изменение количества тепла Ca(∂T/∂t) в элементарном участке за время ∂t происходит за счет регулярного переноса тепла потоком газа  vCa(∂T/∂t),  двигающегося  по  шихте   с   линейной  скоростью  v (м/с) за счет теплового эффекта поглощения Qa (Дж/кг). Указанная модель не учитывает продольный перенос тепла и потери тепла в окружающую среду.

Десорбция процесса проводится при повышении температуры постепенно от 20°С до температуры десорбции. При этом разогрев слоя происходит при переменной температуре на входе в слой. Если пренебречь продольной диффузией при массо-теплообмене и предположить, что скорость изменения температуры слоя равна скорости изменения температуры газа, то математическая модель неизотермической десорбции в неподвижном слое в адиабатических условиях может быть описана зависимостью (4) и следующими уравнениями:

;                           (8)

;                      (9)

.                               (10)

Здесь: С и а - концентрации десорбируемого вещества в газовой и твердой фазах, 𝜀 - пористость слоя адсорбента, ν - скорость потока десорбирующего агента, Т - температура, t - время, Ca, CГтеплоемкости твердой и газовой фаз, Cs– концентрация насыщенного пара десорбированного вещества.

Параметры A, n являются функциями температуры.

Поскольку теоретический расчет кинетического коэффициента адсорбции затруднителен, в этом случае используется метод моментов, применяемый для решения обратных задач - задач определения параметров из опытных кинетических кривых .

Следует отметить, что адсорбция смесей паров и жидкостей подчиняется тем же законам, что и сорбция отдельных газов. Однако записывать модельные уравнения кинетики адсорбции смесей по аналогии с адсорбцией отдельных газов считается недопустимым, поскольку существует ряд закономерностей, которым подчиняется селективность адсорбции. 


Список литературы:

1. Боресков Г.К. Роль процессов внутреннего переноса в гетеро-генном катализе. В кн.: Пористая структура катализатора и процессы переноса в гетерогенном катализе. Новосибирск: Наука, 1970, с. 5-15.
2. Бухгалтер Э.Б., Голубева И.А., Лыков О.П., Мазлов Е.А., Мещеряков С.В., Низова С.А. Экология нефтегазового комплекса: Учебное пособие. Нефть и газ, 2003, с.15.
3. Золотарев А.П. Проблемы теории динамики сорбции и хромато-графии в неподвижных слоях. Журн. физ .химии, 1985, т. 39, № 6, с. 1342-1351.
4. Исмаилов Ф.Р., Вольцов А.А., Аминов О.Н., Сафин Р.Р., Плечев А.В. Экология и новые технологии очистки сероводородосодержащих газов, Уфа: Экология, 2000, с 214.
5. Каменев А.С. Решение задачи неравновесной динамики сорбции продольных эффектов при совместном влиянии внутренней и внешней диффузии. Журн.физ.химии, 1985, т. 9, №11, с. 2760-2763.
6. Семенова Т.А., Лейнис И.Л. Очистка технологических газов: М., Химия, 1977, с. 488.
7. Тодес О.М., Лезин Ю.С. Динамика адсорбции при высоких концентрациях и тепловыделениях. Доклады АН СССР, 1956, т.106,№2, с. 307-311.
8. Угрозов В.В., Золотарев П.П. Об использовании моментов температурной кривой для определения параметров переноса в зерне сорбента в случае неизотермической кинетики сорбции. Журн.физ.химии, 1983, т. УП, №12, с. 2957-2961.

Информация об авторах:

Бабаев Рауф Камиль оглы Babayev Rauf

канд. техн. наук, доцент, Азербайджанский Государственный Университет Нефти и промышленности, AZ 1010, Азербайджан, г. Баку, проспект Азадлыг, 20

candidate of technical sciences, associate professor, Azerbaijan State University of Oil and Industry, AZ1010, Azerbaijan, Baku, Azadliq, 20


Читателям

Информация о журнале

Выходит с 2013 года

ISSN: 2311-5122

Св-во о регистрации СМИ: 

ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013

ПИ №ФС77-66236 от 01.07.2016

Скачать информационное письмо

Включен в перечень ВАК Республики Узбекистан

Размещается в: 

doi:

The agreement with the Russian SCI:

cyberleninka

google scholar

Ulrich's Periodicals Directory

socionet

Base

 

OpenAirediscovery

CiteFactor

Поделиться

Лицензия Creative CommonsЯндекс.Метрика© Научные журналы Universum, 2013-2019
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Непортированная.