Основними компонентами ендотермічного газу, крім азоту, є оксид вуглецю і водень. CO2 і H2 O міститься в ендогаз в незначних кількостях. Як вже говорилося, атмосфера ендогаз застосовується при цементації і нітроцементації, інших процесах ХТО.
Ендогаз виходить в результаті реакції
Експериментально встановлено що реакція отримання ендогаз протікає в 2 стадії. На початку відбувається найбільш ймовірна реакція повного горіння частини метану (CH4) за рахунок наявного в суміші O2.
Потім здійснюється процеси конвекції метану водяною парою і CO2:
Для здійснення ендотермічних реакцій температура в системі підтримується за рахунок підведення теплоти ззовні. Реакція взаємодії CH4 з CO2 і H2 O при температурі <1000 o С протекает с незначительной скоростью. Эти реакции заканчиваются достаточно быстро лишь при температурах порядка 1300 o C. Осуществление реакций при более низких температурах возможно при присутствии катализатора. Конвенция при 1300 o C требует применения остродефицитных жаростойких материалов, усложняет течение процесса и конструкцию реактора. Поэтому в настоящее время эндогаз получается на слое катализатора, что позволяет поддерживать рабочую температуру в реакторе на уровне 850-950 o C. Дальнейшее снижение температуры в реакторе приводит к науглероживанию катализатора и его разрушению.
Конвекція CH4 з малою витратою окислювача пред'являє жорсткі вимоги до каталізатора. Найбільш доцільним каталізатором в цих умовах є ГИАП-3 (і його модифікації), що представляє собою гранули
Принципова схема ендогенератори приведена на рис.
Виробляється в такому генераторі атмосфера має склад: СO-18-20%; H2 -36-40%; N2 -інші. Крім цих газів, в ендогаз міститься невелика кількість CO2 і H2 O, що визначаються значенням
Склад ендогаз регулюється автоматичним зміною співвідношення газ (метан) - повітря. Імпульс відбирається від газоаналізатора, що вимірює вміст CO2 або H2 O в ендогаз. В даний час розроблені типові конструкції ендогенератори, які випускаються промисловістю серйно.
Розрахунок ендотермічного генератора полягає в складанні матеріального балансу відповідно до наведених вище реакціями приготування ендогаз при заданій температурі, визначенні необхідної кількості теплоти, розрахунку теплообміну в реторті, розрахунку холодильників, гідравлічному розрахунку трубопроводів. Розрізняють конструкторський та перевірки розрахунки.
Обсяг каталізатора завантажується в реторту, визначається з допустимої об'ємної швидкості реакції Wоб і заданої продуктивності генератора:
Де Vкат - обсяг каталізатора в реторті, м 3. Bоб - загальна максимальна продуктивність реторти по ендогаз, м 3 / год.
Максимальна об'ємна швидкість для каталізатора ГИАП-3 не перевищує 2290 год -1. а при розрахунку реторти вона приймається = 1050-1100 ч -1. Збільшення продуктивності реторти можливо при відповідному збільшенні висоти шару. При цьому гідродинамічні опору шару нерухомого каталізатора визначаються виразом:
де
Збільшення висоти реторти> 1-1,5 м недоцільно тому це призводить не тільки до більшого гідравлічному опору, але і значно ускладнює конструкцію генератора.
Підвищення продуктивності реторти можливо в тому випадку, якщо реакцію вести не в нерухомому шарі каталізатора, а в псевдоподвіжном. Як показали експерименти, реакція закінчується при висоті шару 200мм, об'ємної швидкості 17000 ч -1 і температурі 1000 o C. Для Реаком використовувався сферичний алюмонікелевий каталізатор. З розміром частинок 0,4-0,6 мм.
Якщо при роботі частинок на нерухомому каталізаторі основне навантаження припадає на його нижні шари, внаслідок чого вони поступово втрачають активність, науглероживается і руйнуються, то в киплячому шарі перемішування частинок призводить до вирівнювання активності за обсягом. Крім того, застосування дрібнодисперсних частинок збільшує площу активної поверхні. Тому в киплячому шарі висота засипки каталізатора визначається не його активністю, а умовами забезпечення достатньої площі поверхні, через яку теплота підводиться до шару. У слідстві високої теплопровідності киплячого шару можливо створювати реактори практично будь-якого розміру без помітних перепадів температур в шарі. Гідравлічний опір киплячого шару при зміні витрати ендогаз залишається постійним.
Отримання екзогаза засноване на спалюванні вуглеводневого палива з
Переробка продуктів спалювання полягає в їх охолодженні і очищенні від CO2 і H2 O. Атмосферу, що складається з охолоджених і частково осушених продуктів спалювання при
Залежно від ступеня очищення і
Процеси адсорбції оборотні і вибагливі. Поглинає здатність на кордоні газ-адсорбент обумовлена неврівноваженістю сил молекулярного тяжіння. Поверхня адсорбенту - пористого речовини - дуже велика, наприклад поверхню частинок силікагелю загальною масою 1г досягає 500м 2. Адсорбція - екзотермічний процес. При певному часу контакту адсорбенту з газом настає адсорбційна рівновага. Співвідношення концентрації вологи в газі і адсорбент залежить від p і t. Адсорбція прискорюється при зниженні температури і підвищення тиску. На процес десорбції ці ж чинники впливають у зворотному напрямку. Десорбція застосовується для застосовується для відновлення поглинальної здатності адсорбенту.
Як адсорбенту в екзогенераторах використовують силікагель або активний оксид Al. Зернистий адсорбент поміщають в адсорбер - вертикальні теплоізольовані колонки, забезпечені гратами для укладання зерен і повітроохолоджувальних трубами для відводу тепла після регенерації нагрітим до температури десорбції повітрям або готовим (висушеним) газом. Вологий газ на адсорбцію подається зверху вниз, а нагрітий (регенерує) - в зворотному напрямку. При безперервній роботі генератора застосовують 2 адсорбера: один знаходиться в робочому режимі, інший - на регенерації.
Очищення газів від CO2 в екзогенераторе часто здійснюють рідкими сорбентами. Як поглинач може використовуватися водний розчин моноетаноламіна (МЕА), який утворює з CO2 нестійкі з'єднання:
При кипінні розчину (t = 105-140 o C) реакція протікає справа наліво, CO2 виділяється і видаляється. Регенераційний розчин після охолодження може знову використовуватися для адсорбції вуглекислоти. МЕА застосовують для очищення газу від сірководню. Очищення МЕА проводиться в адсорбційних колонках, заповнених насадкою (кільця Рашига). Газ рухається знизу, а зверху по насадці стікає водний розчин МЕА.
Середня рушійна сила адсорбції:
де
значенням
Останнім часом набувають поширення екзогенератори, в яких очищення від СО2 і одночасно глибока осушення проводиться цеолітами або, як їх іноді називають молекулярними ситами. Такий метод очищення простіше, ніж очищення рідким сорбентом, а засновані на цьому способі генератори відрізняться компактністю і порівняно невеликими габаритами.
Цеоліт - напівгідрату алюмосиликатов. Завдяки мікропористої структурою цеоліти поглинають тільки ті елементи суміші, молекули яких мають певний розмір і можуть проникати в пори. Цеоліт НЕ адсорбируют двоатомних молекули N2. CO, H2 і т.д. але поглинають трьохатомні H2 O, CO2 і ін.
Природні цеоліти - шабазіт, Фаяз, Гмелін - зустрічаються досить рідко. Промисловість випускає синтетичні цеоліти - NaA, CaA, MgA, NaX і т.д. Адсорбційні властивості цеолітів забезпечують високу ступінь очищення газу.
Для регенерації цеоліт нагрівають у вакуумі і пропускають через нього повітря з температурою 350-400 o C, після чого охолоджують його сухим очищеним газом.
Схеми деяких екзотермічних генераторів.
Генератор для приготування неочищеного ектогаза зображений на рис. 1.
Конструкція його нескладна. Вихідні з топки димові гази охолоджуються і направляються до споживача. При спалюванні палива (a = 0,6-0,7) в топку іноді поміщають кілька каталізатора горіння.
На рис. 2 приведена схема екзогенератора з очищенням і осушенням газу цеолітами. Перед кожною з колонок з цеолітами встановлені невеликі адсорбер з силікагелем, який поліпшує властивості роботи цеолітів. Для безперервної роботи генератор забезпечений 3-ма парами колонок. У той час як одна пара колонок (з силікагелем і цеолітом) знаходиться в робочому режимі очищення газу, в інший проводиться регенерація, а в 3-й - охолодження після регенерації. Колонки перемикаються перекидними клапанами, що спрацьовують автоматично.
Газ з мережі через регулятор тиску 8, ротаметр 7 і регулятор нульового тиску 6 подається в змішувач 5, де змішується з повітрям в співвідношенні, відповідному коефіцієнту надлишку повітря a = 0,95-0,98. Повітря в змішувачі
надходить під дією розрідження, створюваного газодувками 4, через фільтр 1 і ротаметр 2. Газоповітряна суміш через полум'яну заслінку 3 подається в камеру спалювання 23, забезпечену рекуператором.
Продукти горіння з камери спалювання проходять через рекуператор (нагрівається повітря до 400 o C) і направляються в трубчастий водяний холодильник 17. Утворений в холодильнику конденсат зливається в каналізацію. Охолоджені до 30 o C продукти згоряння подаються в одну з колонок 11, заповненої цеолітом. В колонках продукти горіння звільняються від H2 O і CO2. Очищений газ надходить у верхню групу клапанів 9 командоаппарата, а потім через ротаметр 10 до потребітелю.Часть готової атмосфери відсмоктується компресором 15 і направляється через клапани командоаппарата в одну з колонок, що знаходиться в циклі охолодження (після регенерації гарячим вохдуха), а потім охолоджується в трубчастому холодильнику 13. Ця частина готового газу весь час циркулює по замкнутій системі колонка-холодильник-компресор-колонка. Щоб оновити циркулює в системі атмосферу. Невелика частка її скидається через свічку (витрата контролюється ротаметром) і його відповідно така ж частина підсмоктується з компресора готового газу.
Регенерація колонок (відновлення поглинальної здатності цеоліту) проводиться повітрям, висушеним у допоміжних сілікагелевой колонках 18 і нагрітим в рекуператорі до 400 o C. Повітря прозодіт через колонки зверху вниз і скидається в свічки. Нагріте цеоліт і силікагель десорбуються молекули CO2 і H2 O, які несуться в атмосферу.Воздух для регенерації подається в рекуператор підігрівачем 19 через фільтр 20 і ротаметр 21. Для контролю скидання атмосфери використовується ротаметр 14.