Исследование тепломассообменных процессов в комбинированном аппарате каталитической газоочистки с совмещенным теплообменом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Сальников, Валерий Сергеевич

• Сальников, Валерий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сальников, Валерий Сергеевич

Введение.

Глава 1. Экологические и теплоэнергетические проблемы очистки газовых промышленных выбросов и использования вторичных энергетических ресурсов.

1Л. Теплоэнергетические, экономические и экологические аспекты высокотемпературной очистки газовых промвыбросов и использования вторичных энергетических ресурсов.

1.2. Методы и технологии каталитического обезвреживания газовых промвыбросов.

1.2.1. Краткая характеристика катализаторов газоочистки и каталитических контактных узлов.

1.2.2. Стационарные методы газоочистки с рекуперативным теплообменом (термокаталитические методы).

1.2.3. Нестационарные методы газоочистки с регенеративным теплообменом.

1.3. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Комбинированный каталитический контактный аппарат с совмещенным теплообменом. Математическое описание нестационарного процесса каталитического дожигания токсичных примесей в воздухе.

2.1. Внешняя архитектура и внутренняя структура контактного аппарата.

2.2 Математическое описание процессов в зернистом слое контактного аппарата.

2.2.1 Модельные газовые смеси и каталитические системы. Кинетическая модель процесса каталитического окисления органических соединений. Математическое описание процессов в пористом зерне катализатора.

2.2.2. Математическое описание процессов тепло- и массопереноса в неподвижном зернистом слое.

2.2.3. Уточнения и допущения в математической модели. Основные параметры процесса.

2.2.4. Безразмерный вид уравнений математического описания. Метод и программа решения уравнений математического описания.

Глава 3. Верификация математической модели - теоретико-экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса.

3.1. Кинетические параметры модельных реакций.

3.2. Верификация математической модели.

3.2.1. Результаты сравнения численных расчетов с аналитическим решением и экспериментальными данными для стационарного режима.

3.2.2. Результаты сравнения численных расчетов с экспериментальными данными для нестационарного режима.

Глава 4. Математическое моделирование процессов тепломассо-переноса в секционированных аппаратах с насадкой.

4.1. Независимые и зависимые параметры процесса. Порядок изменения величин параметров. Модельные режимы ведения каталитического процесса.

4.2. Численный расчет тепломассообменных процессов каталитического дожигания в режиме самоуправляемого параметрами внутренних процессов.

4.2.1. Область влияния составляющих процессов тепло- и массопереноса. Уточнение математической модели.

4.2.2. Исследование динамики тепломассообменных процессов в аппаратах нестационарного режима ведения процесса.

4.2.3. Параметрическая чувствительность каталитических процессов. Теплоэнергетические аспекты применения каталитических аппаратов с совмещенным теплообменом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование тепломассообменных процессов в комбинированном аппарате каталитической газоочистки с совмещенным теплообменом»

Актуальность темы. Накопленные мировой опыт и научные данные свидетельствуют о том, что для решения экологических проблем на производстве имеются немалые возможности. Наибольшее влияние на природную среду оказывают газовые и жидкие сбросы, ввиду их прямой связи с жизненным циклом живых организмов. Наиболее универсальным, эффективным и экономичным методом очистки от токсичных органических соединений, оксидов углерода, серы и азота, содержащихся в газовых промышленных выбросах является каталитический метод. Каталитические методы преобразования вредных примесей в безвредные, менее вредные и даже полезные дают возможность перерабатывать многокомпонентные газы с малыми начальными концентрациями токсичных примесей, добиваться высоких степеней очистки, вести процесс непрерывно, избегать в большинстве случаев образования вторичных загрязнителей.

Каталитические реакции протекают при повышенных температурах, поэтому их можно отнести к тепловым процессам, а каталитические установки к тепловым аппаратам. Каталитическое дожигание органических веществ, оксидов углерода и серы является реакцией беспламенного горения и рассматривается как внутренний источник тепла установок газоочистки. Для поддержания необходимого теплового уровня в слое катализатора с экономической точки зрения наиболее целесообразно использовать тепло отходящего из слоя катализатора прореагировавшего горячего газового потока для предварительного нагрева входящего холодного газового потока. Поэтому важным элементом промышленных каталитических установок газоочистки является теплообмен-ное устройство для осуществления возврата отходящего из слоя катализатора тепла.

Наибольшее распространение получили каталитические методы газоочистки с неподвижным слоем катализатора при стационарном и искусственно создаваемым нестационарном ведение процесса. Различие этих групп методов состоит в применении двух типов теплообмена при утилизации тепла. Так, первый способ основан на применении теплообменного оборудования с рекуперативным принципом теплообмена - теплообмен через разделяющую стенку, а второй, с регенеративным принципом - попеременный теплообмен отходящего и входящего газового потока с теплоаккумулирующей насадкой, которая является обязательным элементом данного типа теплообмена. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки: в каталитических аппаратах с рекуперативными теплообменниками температурный профиль в слое катализатора достаточно стабилен во времени и слой катализатора не испытывает значительных температурных перепадов, но теплообменники металлоемки и имеют не высокий коэффициент рекуперации тепла, а процесс в целом характеризуется высокой параметрической чувствительностью; нестационарный каталитический процесс с использованием регенеративного теплообмена позволяет вести очистку газовых выбросов как с переменными во времени концентрациями удаляемых компонентов, так и в энергосберегающем режиме, однако слой катализатора находится постоянно под действием переменного во времени градиента температур, параметрическая чувствительность процесса, в ряде случаев, остается еще достаточно высокой. Совершенствование каталитических методов с применением двух типов теплообмена ведется практически независимо друг от друга.

Дальнейшее повышение технико-экономических показателей каталитического способа обезвреживания газовых промвыбросов может быть основано на заимствовании основных достоинств и исключения или значительного уменьшения вклада недостатков обоих типов теплообмена. Одно из возможных решений состоит в прямом совмещении рекуперативного и регенеративного теплообмена между газовыми потоками в сочетании с каталитическими процессами в единой установке. В теплотехнике и криогенной технике известны технические решения по совмещению регенеративного и рекуперативного теплообменов в едином аппарате на основе слоистых теплообменников. Однако возможность применения совмещенного принципа теплообмена в каталитических установках ранее не рассматривалась.

Создание сложного теплового аппарата предполагает всестороннее изучение тепломассообменных и каталитических процессов и проведение оценки влияния конструкционных, тепловых и физико-химических свойств аппарата, регенеративной насадки и катализатора. Одним из основных методов комплексного моделирования и оптимизации предлагаемых новых технических решений является математическое моделирование.

В связи с этим актуальным является: разработка конструкции контактного аппарата и общих принципов проведения каталитического процесса при совмещение рекуперативного и регенеративного принципов теплообмена в сочетании с каталитическими процесса дожигания; установление закономерное гей протекания процессов тепло- и массопереноса в аппарате с совмещенным теплообменом; исследование влияния на тепловые и массообменные процессы изменения геометрических, тепловых, каталитических и входных параметров на основе математического и физического моделирования; проведение подбора критериев, позволяющих оценить теплоэнергетическое совершенство аппарата с целью его оптимизации.

Диссертационная работа выполнена при поддержке гранта, входящего в программу "Фундаментальные исследования в области ракетно-космической техники" за 1996-1998 гг., а также стипендии Президента Российской Федерации для студентов и аспирантов образовательных учреждений высшего профессионального образования.

Целью диссертации является: определение конструктивного облика комбинированного каталитического контактного аппарата с внутренним источником тепла и совмещенным регенеративно-рекуперативным принципом теплообмена; создание математической модели для изучение динамики тепловых и массообменных процессов в контактном аппарате; на основе теоретического и экспериментального исследований выявление закономерности влияния на процессы тепломассопереноса геометрических, тепловых, каталитических и входных параметров; определение критериев, позволяющих оценивать эффективность предлагаемого устройства и провести его оптимизацию как с точки зрения теплоэнергетических, так и основных технико-эксплуатационных показателей.

Цель диссертационной работы формирует круг следующих задач, которые необходимо решить:

1) предложить конструктивный облик каталитического контактного аппарата представляющего собой комбинацию каталитического реакционного узла и теплообменного узла с совмещенным принципом регенеративно-рекуперативного теплообмена;

2) подобрать и уточнить математическую модель, способную описать процессы тепло- и массопереноса в контактном аппарате с учетом химических превращений веществ и сложного типа теплообмена;

3) провести теоретические и экспериментальные исследования с целью тестовой проверки адекватности результатов, полученных из лабораторных каталитических исследований, аналитических решений и упрощенных схем выбранной математической модели для процессов каталитического окисления органических соединений;

4) спроектировать и изготовить экспериментальную пилотную установку нестационарного ведения процесса дожигания органических соединений при совмещенном теплообмене и провести натурный эксперимент с целью проверки адекватности полной математической модели;

5) провести численное моделирование процессов каталитического дожигания нескольких органических соединений, протекающих в разных температурных областях; выявить основные закономерности тепло- и массопереноса в комбинированном каталитическом реакторе с совмещенным теплообменом; определить ряд теплофизических, технико-экономических и оптимизационных параметров и критериев и установить общий характер влияния на них конструкционных, технологических и каталитических параметров аппарата и процесса; провести анализ результатов численного моделирования.

Объектом исследования является миграция температурных и концентрационных полей в зернистом слое насадки контактного аппарата при каталитическом дожигании модельного углеводородного горючего.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи применялся комплексный подход, включающий теоретический и экспериментальный методы исследования. Теоретические исследования динамики тепловых и массо-обменных процессов в контактном аппарате со слоем зернистого катализатора и инертной насадки при совмещенном регенеративно-рекуперативном принципе теплообмена проводились на основе методов математического моделирования. При создании математической модели изучаемых процессов использовался иерархический метод построения моделей. Система нелинейных дифференциальных уравнений математического описания с условиями однозначности решалась численным методом. Для получения консервативных однородных разностных схем использовался интегро-интерполяционный метод. В качестве вычислительного алгоритма, позволяющего решить систему полученных нелинейных алгебраических уравнений применялась неявная схема переменных направлений для уравнений с переменными коэффициентами (схема Письмена-Рэкфорда). Физический эксперимент проводился на спроектированной и изготовленной пилотной установке каталитического обезвреживания паров органических соединений, состоящей из контактного аппарата со слоями катализатора и регенеративной насадки, систем подготовки и подачи реакционной смеси, системы контроля температур по объему аппарата. В качестве модельного токсичного компонента был использован ацетон.

Научная новизна и основные результаты. Для проведения высокотемпературных процессов обезвреживания газовых промвыбросов от токсичных органических веществ и оксида углерода предложено устройство, основным элементом которого является плоскосекционированный контактный аппарат, содержащий каталитический контактный узел и насадочный теплообменник. Проведение процесса каталитического дожигания горючих компонентов газового потока в данном аппарате в искусственно создаваемых нестационарных условиях сопровождается одновременным осуществлением рекуперативного межсекционного и насадочного регенеративного принципов теплообмена. Миграция температурных и концентрационных полей в сплошной гетерогенной среде катализатора и инертной насадки в секционированном контактном аппарате с совмещенным типом теплообмена и внутренним источником тепла является новым объектом исследований.

На основе анализа физико-химических процессов, протекающих в контактном аппарате с зернистой насадкой, уточнена двухмерная двухфазная математическая модель для описания тепловых, массообменных и каталитических процессов. Модель учитывает наличие источника тепла (гетерогенные каталитические процессы превращения органических веществ) и стока тепла (нагрев внешнего теплоносителя), конвекцию, межфазный (регенерация) и межсекционный (рекуперация) теплообмен, межфазный массообмен.

Разработан алгоритм численного исследования математической модели изучаемых процессов и осуществлена программная реализация вычислительного алгоритма в среде программирования Fortran.

Математическое моделирование процессов окислительного катализа и тепло-массообмена в контактном аппарате показало:

- следствием внутреннего рекуперативного теплообмена в реакторе является неизотермичность слоя насадки по ширине секции, при этом градиент температур в поперечном направлении секций в слое инертной регенеративной насадки выше, чем в слое катализатора;

- совмещение циклического регенеративного теплообмена с внутренней рекуперацией в едином многосекционном пластинчатом теплообменном контактном аппарате приводит к возникновению обратных отрицательной и положительной связей по тепловому потоку в смежных секциях в течение одного полуцикла;

- установившийся циклический высокотемпературный режим ведения процесса в контактном аппарате с комбинированным типом теплообмена характеризуется меньшим значением максимальной температуры в слое катализатора по сравнению с каталитическим аппаратом с применением только регенеративного теплообмена, при этом эффективность процесса обезвреживания не снижается;

- наиболее существенное влияние на динамику тепломассообменных процессов оказывают следующие параметры: длина слоя насадки и ширина секции, удельная поверхность зерна и порозность слоя насадки, содержание горючего компонента в воздушном потоке;

- динамика тепловых и массообменных процессов при дожигании различных органических соединений в широкой области температур ведения процесса имеет общий характер;

- использование таких параметров процесса как максимальная температура, время инверсии теплового потока и отношение времени инверсии к времени полуцикла, удельное теплосодержание системы и ряда других для целей оценки эффективности совмещения рекуперативного и регенеративного теплообменов является малоинформационным;

- наиболее чувствительными и характерными параметрами, в полной мере отражающими тепломассообменные процессы и технико-экономические показатели являются время полуцикла и удельная производительность;

- время полуцикла для газовых смесей, содержащих значительное количество горючих компонентов, при определенной комбинации параметров аппарата и процесса может достигать больших величин, вплоть до перехода процесса в стационарный режим;

- вследствие механизма возникновения обратной отрицательной связи по тепловому потоку значительно снижается как параметрическая чувствительность процесса к изменению входных параметров, так и максимальная температура процесса.

Впервые получены простые и однозначные математические выражения для определения фактора формы зерна насадки и параметра, входящего в конвективные составляющие радиальной теплопроводности и диффузии и принципиально влияющего на рекуперативную составляющую теплопереноса, представляющие собой обобщенные зависимости для разных форм и размеров зерна насадки.

Спроектирована и изготовлена экспериментальная пилотная установка каталитического обезвреживания низкоконцентрированных газовых выбросов, реализующая нестационарный способ осуществления гетерогенных каталитических процессов с совмещенным типом теплообмена.

Показана возможность создания эффективных теплофикационных установок газоочистки.

Достоверность результатов исследования оценивалась по качественному и количественному соответствию результатов численного моделирования процессов тепломассообмена при каталитическом окислении ряда органических соединений с данными как аналитического решения и тестовых лабораторных экспериментов в стационарных условиях, так и физического эксперимента на пилотной установке с совмещенным теплообменом в условиях нестационарного процесса.

Практическая значимость. Результаты, полученные в ходе проведенных исследований каталитических и тепломассообменных процессов в комбинированном каталитическом контактном аппарате с совмещенным регенеративно-рекуперативным типом теплообмена методами математического и физического моделирования, показали возможность создания как эффективной энергосберегающей технологии обезвреживания средне- и высококонцентрированных газовых токсичных промышленных выбросов, так и систем утилизации тепла каталитической реакции с получением вторичного энергоносителя.

Спроектированная и изготовленная экспериментальная установка каталитического обезвреживания токсичных компонентов газовых выбросов может быть использована в качестве прототипа при проектировании промышленного оборудования.

Разработанное на основе модифицированной математической модели программное обеспечение для расчета каталитических, тепловых и массооб-менных процессов позволяет моделировать и проектировать каталитические контактные аппараты с адиабатическим и неадиабатическим слоями катализатора, при стационарном и нестационарном ведении процесса с рекуперативным, регенеративным или совмещенным принципом теплообмена применительно к широкой области геометрических параметров аппаратов, геометрических и тепловых свойств разного типа насадки, кинетических свойств катализатора, а также проводить оптимизацию режимных параметров.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались:

- по технологии высокоактивного катализатора газоочистки, кинетики каталитических реакций: IX Национальный симпозиум по катализу (Индия, Мадрас, 1989 г.), VIII Советско-Французский семинар по катализу (Новосибирск, ИК СО АН СССР, 1990), XIV Международной конференции по химическим реакторам "Химреактор-14" (Томск, ТГТУ, 1998 г.) и др.;

- по математическим моделям и моделированию: Научно-техническая конференция "Экология-97" (С.-Петербург: СПбГТУ, 1997 г.), II и III международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин" (Омск: ОмГТУ, 1997 и 1999 гг.), II Всероссийская научно-техническая конференция "Решетневские чтения" (Красноярск, 1997 г.), III Международная конференция по нестационарным процессам в катализе (С.-Петербург, 1998 г.), IV Минский международный форум по тепло- и массообмену (Минск, 2000 г.), а также на научном семинаре в Омском филиале Института катализа им. Г.К.Борескова СО РАН и на кафедре "Автоматические установки" ОмГТУ.

Публикации. Основные положения и результаты настоящей работы опубликованы в 17 статьях. Технология приготовления алюмомарганцевого катализатора процессов дожигания органических соединений и оксида углерода защищена патентом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 180 страниц, включая 43 рисунка, 16 таблиц и список литературы из 99 наименований.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Сальников, Валерий Сергеевич

Выводы.

1. Для стационарного и нестационарного режимов проведения каталитических процессов сформулированы условия необходимости и достаточности для ряда основных определяемых параметров: степень превращения компонента и гидравлическое сопротивление на слое насадки должны быть на уровне заданного значения (X > Хзалам и Ар = Арзадам); продолжительность времени полуцикла должна обеспечивать заданную степень превращения и высокотемпературный режим (Ттах > Т|)Х); линейная скорость потока должна соответствовать условию заданной степени превращения и гидравлического сопротивления. При условии наложения ограничений на три параметра - Хзадаи > 99%, Арзала„ = 2000 Па, идр = f(Ap3iiiail), определено три режима численного эксперимента при исследовании тепломассообменных процессов в комбинированном аппарате. В качестве основного расчетного режима ведения процесса выбран режим самоуправляемый параметрами внутренних процессов - длительность времени полуцикла является функцией ограничивающего параметра - выходной степени превращения.

2. В общем виде проведена оценка влияния на тепловые и массообмен-ные коэффициенты модели - тепломассообмен насадки с газом, эффективные теплопроводность и диффузию в зернистом слое, входящих в них пяти независимых параметров - удельной поверхности, порозности слоя, теплопроводности и теплоемкости материала насадки, линейной скорости потока. Повышение линейной скорости потока, коэффициентов теплопроводности и теплоемкости материала насадки увеличивает значение соответствующих параметров модели. Изменение удельной поверхности и порозности слоя насадки оказывает различное влияние на тепломассообменные параметры, увеличивая значение одних и уменьшая другие.

3. В общем виде установлен характер индивидуального влияния на динамику процесса основных тепловых и массообменных коэффициентов модели - теплоемкости слоя насадки и разделительной перегородки, межфазного тепло- и массообмена, продольного и поперечного коэффициентов теплопере-носа и диффузии, коэффициентов теплоотдачи от скелета слоя и газа к стенке. Изменение теплоемкости слоя насадки, межфазного тепло- и массообмена и продольного тепло- и массопереноса оказывает наибольшее влияние на изменение времени полуцикла - до нескольких раз. Теплоотдача от газа и скелета к разделительной перегородке и поперечный теплоперенос оказывают среднее влияние - в пределах 10-ь30%. Слабое влияние на тепловое поведение системы оказывает изменение теплопроводности скелета зернистой насадки, теплопроводности стенки и поперечной составляющей массообмена.

4. Изучение влияния независимых параметров на тепловые и массооб-менные нестационарные процессы дожигания в аппарате с совмещенным теплообменом в широкой области изменения параметров системы показало тождественность протекающих процессов и наблюдаемых зависимостей для разных каталитических реакций (НДМГ - 100ч-250 °С, ацетон - 25СН-500 °С, метан - 500-900 "С, три типа катализатора).

5. Математическое моделирование нестационарных процессов позволило подтвердить одновременное существование обратной положительной и отрицательной связей по тепловому потоку и их инверсию в каталитическом контактном аппарате с регенеративно-рекуперативным теплообменом в течение одного полуцикла. Для временной характеристики инверсии обратной тепловой связи было введено понятие времени инверсии. Установлено, что ни критерий времени инверсии тинв, ни временной критерий в виде соотношения ти|Ш/т11/2 не могут быть использованы в качестве оптимизационных, так как не полностью учитывают тепловые процессы в объеме слоя насадки.

6. Установлено, что критерии максимальной температуры в аппарате и удельного теплосодержания в целом слабо отражают изменение теплового поведения системы при вариации независимых параметров в широких пределах, что делает эти критерии малоинформационными при детальном изучении контактных аппаратов с совмещенным теплообменом и их дальнейшей оптимизации. Критерий Nuo3/Nuc, л лишь отчасти учитывает всю совокупность тепловых процессов в аппарате, слабо отражая теплоинерционные свойства системы. Наиболее чувствительными к изменению свойств системы и характерными с точки зрения технико-экономической оптимизации являются критерии гидравлического сопротивления зернистого слоя насадки, времени полуцикла и удельной производительности аппарата. Среди независимых параметров наиболее характерными и в большей степени влияющими на тепловое поведение системы являются высота и ширина секции аппарата, удельная поверхность и порозность слоя насадки, исходная концентрация компонента в воздушном потоке.

7. Основные отличия использования совмещенного регенеративно-рекуперативного принципа теплообмена по сравнению с чисто регенеративным состоят в следующем:

- обратная связь по тепловому потоку существенно снижает максимальную температуру в аппаратах в сопоставимых условиях ведения процесса дожигания (на 5*50%);

- вследствие значительного вклада обратной положительной связи по тепловому потоку в общий теплообменный процесс время полуцикла в аппаратах с регенеративно-рекуперативным теплообменом при средних и высоких концентрациях компонента (Со > 3*5 г/м3) становится выше, чем в регенеративных каталитических аппаратах;

- при повышенном содержании дожигаемого компонента (С0 > 4+6 г/м3) возможен самопроизвольный переход процесса из нестационарного в стационарный и обратно;

- параметрическая чувствительность процесса к изменению входных условий значительно снижается, что повышает устойчивость процесса при дожигании высококалорийных газовоздушных смесей.

8. В результате численного исследования процессов дожигания установлено, что при заданных значениях степени превращения и гидравлического сопротивления аппарата: а) время полуцикла увеличивается с ростом исходной концентрации компонента, длины слоя и удельной поверхности насадки, но уменьшается с ростом порозности слоя и слабо зависит от ширины секции аппарата; б) удельная производительность повышается с ростом порозности слоя, но уменьшается при повышении значения удельной поверхности, длины слоя насадки и практически не зависит от ширины секции и исходной концентрации компонента.

9. Предложено, при последующей оптимизации процесса и аппарата, использовать критерий в виде произведения значений времени полуцикла и удельной производительности как комплексной характеристики комбинированного каталитического аппарата с совмещенным регенеративно-рекуперативным теплообменом.

10. Показана возможность создания на основе предложенного способа и комбинированных аппаратов с совмещенным теплообменом эффективных теплофикационных установок газоочистки с получением вторичного энергоносителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены конструктивное решение и способ ведения процесса каталитического дожигания токсичных соединений в газовых промышленных выбросах. Основным элементом предлагаемой установки каталитической газоочистки является секционированный контактный аппарат, представляющий собой комбинацию каталитического реакционного узла и теплообменного на-садочного устройства с совмещенным регенеративно-рекуперативным типом теплообмена.

2. Составлена и модифицирована математическая модель, описывающая каталитические и тепломассообменные процессы в едином секционированном каталитическом контактном аппарате с совмещенным теплообменом. Разработана методика расчета процессов тепло- и массопереноса к контактном аппарате, включающая вычислительный алгоритм и программную реализацию.

3. Впервые предложены для разных форм и размеров зерна насадки обобщающие выражения для расчета фактора формы зерна и коэффициентов поперечной составляющей тепломассопереноса.

4. Спроектирована и изготовлена пилотная установка. Проведено сравнение результатов серии экспериментов, проведенных на пилотной установке, с численным решением уравнений математического описания изучаемых нестационарных процессов и подтверждена адекватность предложенной математической модели реальным физико-химическим процессам, протекающим в комбинированном секционированном каталитическом контактном аппарате с совмещенным типом теплообмена.

5. Проведены численные исследования нестационарных тепловых и мас-сообменных процессов в комбинированном каталитическом аппарате с совмещенным теплообменом, которые показали: а) следствием совмещенного регенеративно-рекуперативного принципа теплообмена является:

- снижение максимальной температуры в слое катализатора, повышение среднего температурного уровня в слоях инертной насадки, существенное уменьшение параметрической чувствительности процесса, увеличение времени полуцикла для средне- и высококонцентрированных газовых смесей в предлагаемом аппарате по сравнению с аппаратами с регенеративным теплообменом в сопоставимых условиях;

- формирование обратной отрицательной и положительной связи по тепловому потоку в смежных секциях в течение одного полуцикла;

- автотермическое ведение процесса с высокой степенью очистки (98% и более) в широкой области концентраций удаляемых токсичных компонентов (от 1 г/м и более) в режиме саморегулируемого перехода из нестационарного в стационарный режим и обратно с возможность дополнительной утилизации тепла и получения вторичного энергоносителя; б) наиболее чувствительными и характерными определяемыми критериями, наилучшим образом отражающими как сложные тепломассообменные процессы, так и технико-экономические и теплоэнергетические показатели способа в целом являются время полуцикла и удельная производительность аппарата; определяющими параметрами, оказывающими наиболее существенное влияние на тепломассообменные процессы являются длина и ширина слоя насадки, удельная внешняя поверхность зерна и порозность слоя насадки, концентрация дожигаемого компонента. Названные определяющие и определяемые параметры и критерии могут быть приняты к рассмотрению: при оценке вклада двух типов теплообмена в общий тепловой процесс в контактном аппарате; при оценке эффективности совмещения двух типов теплообмена; при проведении в дальнейшем оптимизации контактного аппарата и нестационарного способа обезвреживания токсичных газовых промвыбросов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сальников, Валерий Сергеевич, 2002 год

1. Спейшер В.А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.

2. Пирогов H.JI., Сушон С.П., Завалко А.Г. Вторичные ресурсы: эффективность, опыт, перспективы. М.: Экономика, 1987. - 199 с.

3. Сушон С.П., Завалко А.Г., Минц М.И. Вторичные энергетические ресурсы промышленности СССР. М.: Энергия, 1978. - 320 с.

4. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль: Пер. с англ. / Под ред. А.Ф. Туболкина . Л.: Химия, 1989.-288 с.

5. Спейшер В.А. Огневое обезвреживание промышленных выбросов. М.: Энергия, 1977.-262 с.

6. Кузнецов И.Е. Защита атмосферного воздуха от загрязнения. Симферополь: Изд-во "Таврия", 1973. - 124 с.

7. Матрос Ю.Ш., Носков А.С., Чумаченко В.А. Каталитическое обезвреживание отходящих газов промышленных производств. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 224 с.

8. Носков А.С., Пай З.П. Технологические методы защиты атмосферы от вредных выбросов на предприятиях энергетики: Аналит. обзор / СО РАН. ГПНТБ. Новосибирск, 1996. - 156 с.

9. Шицкова А.П. и др. Охрана окружающей среды в нефтеперерабатывающей промышленности / А.П. Шицкова, Ю.В. Новиков, Л.С. Гурвич, Н.В. Климкина. М.: Химия, 1980. - 176 с.

10. Сигал И.Я. Термическая и каталитическая очистка газовых выбросов в атмосферу. Киев: Наук, думка, 1984. - с. 3-12

11. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справочник: В 2 т. Пер. с англ. / Под ред. С.Калверта и Г.М.Инглунда. М.: металлургия, 1988.

12. Родионов А.В., Гладышев Н.Г., Сафронов B.C. Расчет контактного узла термокаталитического реактора газоочистки: Метод, указ. к выполнению курсовых и дипломных проектов. Самара: СамПИ, 1992. - 25 с.

13. Торопкина Г.Н., Калинкина Л.И. Технико-экономические показатели промышленной очистки газовых выбросов от органических веществ // Про-мышл. и санитар, очистка газов. Обз. Информ. Сер. ХМ-14. М.: ЦИНТИхим-нефтемаш, 1983. - 30 с.

14. Аксенов В.Л. // Термическая и каталитическая очистка газовых выбросов в атмосферу. Киев: Наук, думка, 1984. - С. 17-22

15. Матрос Ю.Ш. Каталитические процессы в нестационарных условиях. -Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1987. 229 с.

16. Попова Н.М. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных производств. М.: Химия, 1991 - 176 с.

17. Алхазов Т.Г., Марголис Л .Я. Глубокое каталитическое окисление органических веществ. М.: Химия, 1985 - 192 с.

18. Катализаторы очистки газовых выбросов промышленных предприятий и транспорта. Аннотир. указатель изобретений 1981-1987 гг. / Составители М.Л. Донских, Н.В. Новикова, Л.П. Степанова. Новосибирск: ГПНТБ СО АН СССР, 1988.-258 с.

19. Промышленные катализаторы газоочистки. Рекламный проспект. Новосибирск: Институт катализа СО АН СССР, 1981 - 54 с.

20. Островский Ю.В., Заборцев Г.М. Стационарный каталитический реактор "Крот" // Химреактор-14: Тез. докл. XIV Междунар. конф. по химическим реакторам:- Томск, 1998,- 4.1.- С.200-203

21. Слинько М.Г. Пленарные лекции конференций по химическим реакторам: "Химреактор-Г-"Химреактор-ХШ". Новосибирск: Институт катализа СО РАН, 1996,- 180 с.

22. Слинько М.Г. и др. Методы моделирования каталитических процессов на аналоговых и цифровых вычислительных машинах / М.Г. Слинько, B.C. Бесков, В.Б. Скоморохов, В.А. Кузин, В.М. Цыганов, А.В. Засмолин. Новосибирск: Наука, 1972. - 151 с.

23. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л.: Химия, 1968. -511с.

24. Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники: Учебн. пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с.

25. Любошиц А.И., Шейман В.А. Регенеративный теплообмен в плотном слое. Минск: Наука и техника, 1970 - 200 с.

26. Матрос Ю.Ш. Нестационарные процессы в каталитических реакторах. -Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1982. 258 с.

27. А.С. 882056 СССР, МКИ В 01 J 8/02. Способ очистки отходящих газов / Г.К. Боресков, Ю.Ш. Матрос, B.C. Лахмостов, В.И. Пужилова, В.И. Луговской (СССР). 2942381/23-26; Заявлено 19.06.80; Опубл. 1982, Бюл. № 42. - 5 с.

28. А.С. 1150201 А СССР, МКИ F 24 J 3/00. Способ утилизации тепла / Г.К. Боресков, Ю.Ш. Матрос, B.C. Лахмостов (СССР). 3321416/24-06; Заявлено 13.07.81; Опубл. 07.06.85, Бюл. №21. - 2 с.

29. А.С. 1416802 СССР, МКИ F 23 G 7/06, 1987

30. А.С. 1788389 А1 СССР, МКИ F 23 G 7/06. Установка для дожигания отбросных газов / В.Г. Дмитренко, В.А. Шейко, И.Г. Исаков, М.И. Меренкова (СССР). 4822872/33; Заявлено 03.05.90; Опубл. 15.01.93, Бюл. №2.-3 с.

31. А.С. 512364, МКИ F 28 D 17/02, F 28 F 3/08. Комбинированный теплообменник регенеративно-рекуперативного типа / Е.В. Дилевская, Л.Л. Штейн (СССР). 1709838/24-6; Заявлено 28.10.71; Опубл. 30.04.76, Бюл. № 16. - 2 с.

32. А.С. 561073, МКИ F 28 D 17/02, F 28 F 3/08. Регенеративно-рекуперативный теплообменник / В.Г. Пронько. Е.В. Оносовский, А.В. Чувпи-ло и др. (СССР). 1990608/24-6; Заявлено 11.01.74; Опубл. 05.06.77, Бюл. №21.-4 с.

33. Сальников B.C. Проблемы экологической безопасности атмосферы // Утилизация отходов большого города: Тез. докл. науч.-практ. семинара.- М., 1993.-С.8-10.

34. Волков Е.Б. и др. Ракетные двигатели на комбинированном топливе / Е.Б. Волков, Г.Ю. Мазинг, Ю.Н. Шишкин. М.: Машиностроение, 1973. - 184 с.

35. Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. М.: Химия, 1975.-320 с.

36. Зрелов В.Н., Пискунов В.А. Ракетные двигатели и топливо. М.: Машиностроение, 1968.-311 с.

37. Волков Е.Б. Ракетные двигатели. М.: Воениздат, 1969. - 108 с.

38. Экологические проблемы создания и применения ракетно-космической техники: Сб. ст. под ред. В.М. Филина, В.В. Абрамушкина, Ю.А. Михеева; НПО "Энергия". М., 1991. - 269 с.

39. Трушляков В.И., Шалай В.В. Уменьшение вредного воздействия ракетных средств выведения на окружающую среду: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмПИ, 1993.-100 с.

40. Сальников B.C., Дроздов B.A., Стукен С.А., Цырульников П.Г., Бубнов А.В., Калинкин А.В. и др. Исследование термоактивации алюмомарганцевых катализаторов полного окисления //Кинетика и катализ. 1991.-т.32,- вып.2,-С.439-446

41. Дзисько В.А. Основы методов приготовления катализаторов. Новосибирск: Наука, 1983. - 263 с.

42. Шеплев B.C. Моделирование каталитических реакторов: Учеб. Пособие. Новосибирск: НГУ, 1987. - 80 с.

43. Бесков B.C., Флокк В. Моделирование каталитических процессов и реакторов. М.: Химия, 1991. - 256 с.

44. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. М.: Наука, 1988. - 304 с.

45. Боресков Г.К. Катализ. Вопросы теории и практики. Избранные труды. -Новосибирск: Наука, 1987. 536 с.

46. Малиновская О.А. и др. Моделирование каталитических процессов на пористых зернах / О.А. Малиновская, B.C. Бесков, М.Г. Слинько. Новосибирск: Наука, 1975. - 267 с.

47. Математическое моделирование химических реакторов: Сб. ст. под ред. Г.И. Марчука. Новосибирск: Наука, 1984. - 167 с.

48. Кириллов В.А. Реакторы с участием газа, жидкости и твердого неподвижного катализатора. Новосибирск: Издательство СО РАН, 1997. - 483 с.

49. Носков А.С., Чумаченко В.А. Новые процессы и реакторы для каталитической очистки промышленных газов // Химия в интересах устойчивого развития. 1994. - № 2. - С. 623-634.

50. Матрос Ю.Ш., Луговской В.И., Огарков Б.Л., Накрохин В.В. // Теорет. основы хим. технологии. 1978. - Т. 12. - № 2. - С. 291-294.

51. Носков А.С., Дробышевич В.И., Киселев О.В., Яушева Л.В., Матрос Ю.Ш. Математическая модель нестационарных процессов в неподвижном слое катализатора//Докл. АН СССР. 1983. - Т. 269. - № 5. - С. 1139-1143.

52. Аэров М.Э. и др. Аппараты со стационарным зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы работы. / М.Э. Аэров М.Э., О.М. Тодес, Д.А. На-ринский. Л.: Химия, 1979. - 176 с.

53. Матрос Ю.Ш., Луговской В.И., Огарков Б.Л., Накрохин В.В. // Теорет. основы хим. технологии. 1978. - Т. 12. - № 2. - С. 291-294.

54. Носков А.С., Дробышевич В.И., Киселев О.В. Математическая модель нестационарных процессов в н7еподвижном слое катализатора // Докл. АН СССР. 1983. - Т. 269. - № 5. - С. 1139-1143.

55. Трушляков В.И., Сальников B.C., Шалай В.В., Ташланов В.В. Разработка каталитического способа нейтрализации отходящих газов промышленных производств // Экология 97: Тез. докл. науч.-техн. конф. СПб: СПбГТУ, 1997. - С.136-137

56. Гиршфельдер О. Молекулярная теория газов и жидкостей / О. Гирш-фельдер, И. Кертис, Р. Берд. М: ИЛ, 1961. - 234 с.

57. Бертшнайдер С. Свойства газов и газовых смесей. М: Химия, 1966. -311 с.

58. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Л.: Химия, 1987. - 576 с.

59. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Под ред. Дытнерского Ю.И. М.: Химия, 1983. - 272 с.

60. Лыков А.В. Теория теплопроводности М.: Высшая школа, 1967. - 599с.

61. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. - 502 с.

62. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача: Учеб. для не-энергетич. спец. втузов. М.: Высш. шк., 1988. - 479 с.

63. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике: Учеб. для спец. втузов / B.C. Авдуевский, Б.М. Галицейский, Г.А. Глебов и др.; Под ред. В.К. Кошкина. М.: Машиностроение, 1975. - 624 с.

64. В.П. Исаченко В.А., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учеб. для вузов. М.: Энергоиздат, 1989. - 416 с.

65. Теория тепломассообмена: Учеб. для вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В. И. Кофанов и др.; Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высш. Школа, 1979. - 495с.

66. Самарский А.А. Теория разностных схем: Учеб. пособие. М.: Наука, 1973.-616 с.

67. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1989. - 432 с.

68. А.А. Самарский, Е.С. Николаев. Методы решения сеточных уравнений. -М.: Наука, 1978.-592 с.

69. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1992. - 424 с.

70. Самарский А.А. Введение в численные методы: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1987. - 298 с.

71. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: Учеб. пособие. М.: Наука, 1989.-608 с.

72. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: в 2 т: М.: Мир, 1991.-504 с.

73. Берковский С.М., Полевиков В.К. Вычислительный эксперимент в конвекции. М.: Университетское, 1988. - 167 с.

74. Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные схемы газовой динамики. -М.: Наука, 1975.-424 с.

75. Роуч П. Вычислительные гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

76. Дульнев П.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1990. - 207 с.

77. Дробышевич В.И., Ильин В.П. Моделирование процессов тепломассообмена в реакторах с неподвижным слоем катализатора. Препринт. ВЦ СО АН СССР. - Новосибирск, 1981. - 13 с.

78. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

79. Самарский А.А. Введение в численные методы. М.: Наука, 1982,- 272 с.

80. Sal'nikov V.S., Tsyrulnikov P.G., Noskov A.S. The peculiarities of methane deepoxidation on Mn0x/Al203 and Pt-black+Al203 catalysts // II Conference Modern Trands in Chemical Kinetics and Catalysis.- Novosibirsk: 1995.- Part II.- P.404-405

81. Tsyrulnikov P.G., Sal'nikov V.S., Drozdov V.A., Noskov A.S., Chumakova N.A., Ermolaev V.K., Malakhova J.V. Deep oxidation of methane on alumina-manganese and Pt-containing catalysts. Journal of Catalysis, 2001. - V.198. -C. 164-171

82. Лобынцев E.A., Сальников B.C., Цырульников П.Г. Сравнительные испытания нанесенных палладиевых и оксидных катализаторов окисления метана // Материалы XIII Всероссийского синпозиума "Современная химическая физика", 2001.-стр.186

83. Сальников B.C., Сорокина Т.В., Цырульников П.Г. Определение характеристик процесса дожигания отходящих газов в проточной системе // Промышленная и санитарная очистка газов. 1984. - № 5. - С. 16-17.

84. Островский Г.М., Волин Ю.М. Методы оптимизации химических реакторов. М.: Химия, 1967 - 248 с.