Введение к работе
Актуальность темы. Гелий широко применяется в экспериментальной физике, хроматографии, космической и ракетной технике, энергетике. Высокие требования к чистоте гелия обуславливают важность этапа очистки от микропримесей, включая эчистку от водорода. Существующие * -в 'производстве способы извлечения водорода из гелиевого концентрата основаны на реализаций их в реакторах с неподвижным слоем. Себестоимость и качество получаемого при этом продукта в значительной степени зависят от правильного выбора технологического режима работы реактора. Дальнейшее совершенствование технологии, повышение эффективности, успешное решение задач контроля и управления троцессами - очистки невозможно без правильного понимания ззаимосвязанных явлений химического превращения и переноса гепла и массы в реакторе, без детального изучения процесса на эснове математического ' моделирования, что " и определяет іктуальность темы диссертации и ее цель.
Цель работы: конкретизация "общих уравнений механики юристых сред при фильтрации газовых смесей с гетерогенными симическими реакциями применительно к условиям тонкой очистки ^елия от водорода; исследование происходящих термогидро-іинамических явлений и создание на этой основе упрощенных [митационных моделей для практического использования в гправлении технологическими процессами.
Научная новизна. В ходе конкретизации общих уравнений сеханики пористых сред с учетом * особенностей . протекания іроцесса очистки гелия от водорода в аппаратах с неподвижным іернистьім слоем сформулированы основные уравнения сохранения [ля двухфазной системы в химическом реакторе в одномерном [риближении. Структура источников'тепла и массы при химических [ревращениях была получена как следствие общих кинетических юделей. Для взаимодействия водорода" с активной окисью меди :айдена общая'форма кинетических уравнений, позволившая выявить іпределяющую стадию превращения окиси меди в закись и решить оответствующую задачу идентификации. Для , каталитического пособа очистки выписаны явные выражения источников через онцентрации газовых реагентов в потоке.
Комплексный анализ на основе математических моделей
чувствительности температурных и концентрационных полей относительно изменений основных технологических и кинетических параметров и сравнение расчетов с опытными данными позволяют утверждать, что процессы протекают в кинетической области как в случае использования окиси меди, так и в случае применения катализатора, а также свидетельствуют о возможности управления процессом и контроля за ходом очистки по данным измерения температуры в реакторе. -
На основе численных исследований и оценки влияния различных факторов получены упрощенные имитационные модели, пригодные для практического использования в рамках АСУТП. В случае процесса очистки с использованием окиси меди определена структура реакционного фронта и получено соотношение для скорости продвижения фронта в автомодельном режиме, позволяющее определить реакционную способность контактной массы, приближенные асимптотические представления остаточных . концентраций, аналитическое выражение для распределения
Температур.
Практическая ценность диссертационной работы определяется ее прикладной направленностью. Разработанные в диссертации модели позволяют непосредственно рассчитать процесс очистки в рабочем диапазоне изменения режимных условий и прогнозировать его эффективность.
Полученные результаты исследований взаимосвязи различных технологических, термогидродинамических и кинетических факторов и их влияние на основные показатели работы химического реактора могут быть использованы при осуществлении контроля за течением процесса по данным измерений температуры, при выработке рекомендаций по возможным воздействиям на его ход с помощью регулирования входной температуры газовой смеси и величины расхода, при подборе параметров, обеспечивающих эффективность процесса очистки.
На базе выполненных исследований в КНПО "Нефтепромавтомат тика" создан программный комплекс расчета на ЭВМ процессов в неподвижном слое. С его помощью были проведены исследования явлений, происходящих на реальных установках тонкой очистки гелия от водорода на Оренбургском гелиевом заводе, обоснованы возможные упрощения, разработана имитационная модель, которая была включена в состав АСУТП-Гелий.
Программные средства сданы в специализированный отраслевой фонд алгоритмов и программ ССОФАГО.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на 1 и 3 Всесоюзных конференциях "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1985; 1990), на итоговых научных конференциях Казанского университета С1986; 1987; 19923, на 2 Республиканской научно-технической конференции по механике машиностроения СН.Челны, 1987), на Республиканской научно-практической конференции по проблемам автоматизации нефтедобычи, нефте- и газопереработки СКазань, 1987), йа 9 Всесоюзном семинаре "Численные методы решения задач фильтрации многофазной несжимаемой жидкости" (Якутск, 1988), на 4 и 7 Всесоюзных конференциях "Математические методы в химия" (Новочеркасск, 1989; Казань, 1991), на городском научном семинаре по подземной гидромеханике (Казань, 1991).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 8 статей. Из совместных работ в диссертацию включены ' лишь результаты, полученные лично автором.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков, список использованных источников насчитывает 75 наименований. -