Matematický model poloprovozního reaktoru pro odstranění VOC

Transkript

1 Mtemtcký model poloprovozního rektoru pro odstrnění VOC Brummer Vldmír 1, Leštnský Pvel 1,, Jech Dvd 1 1 Ústv procesního nženýrství, Vysoké učení techncké v Brně,Techncká 896/, Brno, Česká republk Insttut envronmentálních technologí, VŠB TU Ostrv, 17. lstopdu 15/17, Ostrv-Porub, Česká republk

2 Nástn Úvod do ktlytcké oxdce Expermentální čnnost pro průmysl Poloprovozní jednotk sloužící jko podkld pro model Mtemtcký model procesu 1. Vstupní dt pro model. Energetcká blnce fyzkálně-chemcké vlstnost plynů 3. Algortmus vytvořeného modelu 4. Výsledky dskuze Závěr

3 Úvod do ktlytcké oxdce Emse VOC Vznk Chemcký průmysl orgncké látky Ktlytcká oxdce bezplmenný proces vzduch : plvo (meze hořlvost) splovní plynů s LHV nevyžduje zplovcí zdroj mnmální vstupní teplot plynu T úspor pomocného plv utotermální režm termcké emse NOx mterálové náročnost konstrukcí rozměrů splovcích komor spojení odstrnění VOC, CO NOx y x 4 Konvenční termcké splování plmenný proces omezení mezem hořlvost splovní pouze s dosttečnou LHV vyžduje zplovcí zdroj T termcké emse NOx mterálové náročnost konstrukcí rozměrů splovcích komor Destruktvní metody termcká oxdce ktlytcká oxdce bofltrce fotoktlytcká oxdce ktlytcká fltrce C H O x CO x y Nedestruktvní metody bsorpce dsorpce kondenzce membránová seprce y H O

4 Zdroj: prospekty frmy Elvc.s.

5 Expermentální čnnost Stv technologe splovny kplných plynných odpdů produkce kyselny krylové Technologcký problém odpdní plyn splovcí komor odstrnění CO VOC spotřeby ZP, provozních nákldů Použtý přístup Techncké měření, Smulční model technologe, Blnce, Bsc desgn, Dlouhodobý test, Zátěžový test, Stude provedtelnost

6 Expermentální čnnost Plotní jednotk návrhový průtok -100 m N3 /h mx. koncentrce VOC mg/m 3 N Lože s sypným ktlyzátorem Nosč ktlyzátoru Al O 3 (4-6 mm kulčky) Aktívní komponenty Pt Pd Vrstvy nertního mterálu (Rschgovy kroužky) ktlytcké lože přívod - chldícího vzduch Expermentální výsledky Konverze VOC 97,1 % CO 97,9 % emsní lmty dle vyhlášky č. 05/009 Sb Znášení ktlyzátoru

7 Expermentální čnnost Složení procesního odplynu PVG (dt n zákldě měření ) složk plynu VOC CO, CO, O mg TOC/m N 3 obj. % obj. % (vlhký plyn) (vlhký plyn) (vlhký plyn) O 3,576 3,576 N 63,568 H O 31,100 Kyseln krylová (AA) 897,0 0,056 CO 0,5 0,5 CO 0,54 0,54 Kyseln octová (ACA) 1388, 0,130 Propylen 1700,8 0,106 Propn 1781, 0,111 Formldehyd (FAL) 1480,4 0,76 Akrolen (ACR) 511, 0,03 SUMA 7758,9 4,6 100 postupné přetěžování ž do mx. průtoku rektorem Sledovány různé chrkterstky rektoru (T, p df ) Sledování účnnost konverze CO VOC

8 Návrh prototypu poloprovozní jednotky ktlytcké oxdce zákldní provedení (5 dílů), tělo rektoru (3 díly) vestvby pro monoltcký ktlyzátor nebo sypné lože výměn vestveb - jné technckým řešení pro čštění spln

9

10 Měření lght-off křvek - ukázk Lght-off křvky sypný ktlyzátor EnvCt Intervl [ C] Rovnce Intervl [ C] Rovnce x 410 T 1,1 10 T 0,1148T 3, x 0,0073T 0, x 110 T 0,0086 T 0, 6174 S s S S s s x 310 T 10 T 0,03T 1, x 0,013T, x 9 10 T 0,0071T 0, 4447 s S S S s s Intervl [ C] Rovnce x 110 T 510 T 0,0714 T 3, x 0,061T 11, x 110 T 0,0065T 0, 0676 S s S S s s

11 Měření lght-off křvek - porovnání ktlyzátorů Etnol Aceton Toluen Etnol Toluen Aceton Metn EnvCt Purelyst PH-304 T C 45 C T90 48 C 7 C T50 01 C 6 C T90 31 C 300 C T50 06 C 67 C T C 38 C T C T C

12 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Typ rektoru hledsko vstupních výstupních proudů ---> kontnuální rektor chrkteru toku míchání ---> rektor s pístovým (zátkovým) tokem hledsko výměny tepl s okolím ---> dbtcký rektor

13 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Vlstnost lože ktlyzátoru Sypný ktlyzátor Nosč ktlyzátoru Al O 3 (4-6 mm kulčky) Aktívní komponenty Pt Pd hmotnost ktlyzátoru: délk hrny čtvercového lože: w_ct_mx = [kg_ct] dr = [m] velkost částc ktlyzátoru: dp_ct = [m ] krok přírůstku hmotnost ktlyzátoru dw_ct = [kg_ct] VOC: toluen/ceton/etnol krok numercké ntegrce

14 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Vstupní dt pro model vstupní složení plynu (příkld) složení plynu (molární zlomky) y 0 EXPERIMENT toluen 0,0019 [-] CO 0,0474 [-] CO 0,0000 [-] O 0,1360 [-] H O 0,0100 [-] N blnce [-] C7H8 9 O 7 CO 4 H Polutnt Předexponencální Aktvční Ktlyzátor Autor,Reference fktor A energe E mol s P kg ct J mol toluen Pt/AlO3 (Rdc et l., 004) toluen 14, Pt/CeO ZrO BO3/AlO3 (Msu et l. 010) toluen 47, Pt/CeO ZrO BO3/AlO3 (Msu et l. 010) toluen 5, Pt/CeO ZrO BO3/AlO3 (Msu et l. 010) toluen 0, Pt/AlO3 (Ordonez et l., 00) Vstupní dt pro model - knetcké dt získné z ltertury O

15 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Prmetry plynu T entlpe: c dt T1 p sm y Prmetr Teplot plynu, T 0 334,8 C Tlk plynu, p P Průtok plynu, V g 4,3 m N3.h -1 systém (rektor) v podtlku hustot: p M R T r str střední molekulová hmotnost: M r str y 1 T vskozt: y tepelná vodvost: T, T y y T, M M tepelná kpct směs: dc p cp, n n 1 M

16 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Prmetry plynu změn rekční entlpe: H T H T H T r f produkty Rekční knetk y C H y x O x CO 4 oxdční rekce - nevrtné rekce znedbáváme rekční rovnováhu první řád pro VOC nultý řád pro O y H x rektnty 0 0 její teplotní závslost: H H c dt rozdíl měrného tepl produktů výchozích látek (příkld): O f T T 0 0 T T1 H H c dt p T 98 p T1 98 c p A B T C T r r k k p y n D T A B B A p p m b 3 Vlv teploty n rekční rychlost: k A e EA RT

17 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Model kontnuální dbtcký rektor s pístovým tokem plynu, sypné lože ktlyzátoru blnce složek plynu: uvžujeme korekc n tepelné ztráty do okolí: tlková ztrát (Levy): 1 nárůst teploty rekcí:, pokles teploty tepelným ztrátm:

18 Mtemtcký model knetky ktlytckého rektoru Model Tepelné ztráty (korekce) bezrozměrné krtér: Pr c p, kg T, splny Gr d Nu 1,86 (Re Pr l součntel přestupu tepl pro splny: Nu splny d součntel přestupu tepl: k 1 splny d ocel ocel 1 d sbrl sbrl 1 vzduch rektor 3 drektor rektor rektor splny 1 3 ) uvžujeme korekc n tepelné ztráty do okolí: g T T w 0,1 tepelné ztráty n délkovém elementu dl: dq ztráty T T k ds okol teplot směs po tepelných ztrátách: T out dq msm c ztráty p, sm, kg T k ds

19 Algortmus vytvořeného modelu INTEGRACE V CYKLU VÝPOČET POČÁTEČNÍCH HODNOT rychlostní konstnty k VSTUP VLOŽENÍ DAT A KONSTANT knetcké dt A ; stechometre oxdčních rekcí molekulové hmotnost složek plynu počáteční složení plynu počáteční střední molekulová hmotnost E zdání zdání Mw zdání y 0, zdání Mwstr, 0 VLASTNOSTI KATALYTICKÉ LOŽE A KATALYZÁTORU množství ktlyzátoru w ct _ mx zdání průměr rektoru d r zdání měrná hmotnost ktlyzátoru ct zdání výšk lože ktlyzátoru l r zdání porozt ktlyzátoru ct zdání velkost částc ktlyzátoru d p ct zdání POČÁTEČNÍ PODMÍNKY zčátek lože W ct 0 zdání normálový průtok plynu V zdání teplot n zčátku lože T 0 zdání počáteční tlk p 0 zdání ntegrční krok (hmotnost ktlyzátoru) d w, ct zdání počáteční látkové toky n 0, počáteční entlpe složek plynu (T ) počáteční entlpe směs SUM (T ) tepelná kpct směs c p, SUM ( T ) hustot směs sm (T ) vskozt směs sm (T ) součntel tepelné vodvost spln (T ) spl rekční rychlost r změn látkových toků dn PŘÍRŮSTEK TEPLOTY VLIVEM REAKČNÍHO TEPLA A POKLES TEPLOTY VLIVEM TEPELNÝCH ZTRÁT tepelné kpcty c p, ( T ) rekční tepl dh r (T ) tepelná kpct směs dcp (T ) nárůst teploty vlvem oxdčních rekcí dt r, dw hustot směs (T sm ) vskozt směs (T sm ) součntel tepelné vodvost spln spl (T ) reální průtok plynu V rel (T ) Reynoldsovo číslo Re střední molekulová hmotnost Mw str tepelné ztráty n ntegrčním kroku dq ztráty teplotní ztráty n ntegrčním kroku dt ztráty nová teploty směs T TLAKOVÉ ZTRÁTY hm. průtok vztžený n průtočnou plochu G modfkovné Reynoldsovo číslo Re m prmetr n n modfkovný třecí koefcent f m tlková ztrát p / L tlková ztrát n ntegrčním kroku p / dw nový tlk směs p ULOŽENÍ DAT V DANÉM KROKU nové látkové toky n nové složení směs (molární zlomky) y nová střední molekulová hmotnost Mw str nové entlpe složek plynu nová entlpe směs SUM nová tepelná kpct směs c p, SUM nový stupeň konverze rekcí x... PŘÍRŮSTEK KATALYZÁTORU O INTEGRAČNÍ KROK W W dw ct ct ct

20 VOC converson [-] Rte [mol.s-1.kg ct-1] Výsledky dskuze methne toluene 0. ethnol cetone Ctlyst weght [kg] 1.5 x methne 0.5 toluene ethnol cetone Ctlyst weght [kg] Průběh konverze rekční rychlost VOC v ktlytckém lož model VOC mole frcton [-] CO concentrton [-] Gs temperture [ C] x 10-3 methne toluene ethnol cetone Ctlyst weght [kg] CO Ctlyst weght [kg] temperture Ctlyst weght [kg] O concentrton [-] HO concentrton [-] Pressure [P] Ctlyst weght [kg] HO Ctlyst weght [kg] 9.98 x pressure Ctlyst weght [kg] O Průběh vlstností plynu teplotních ztrát model

21 Výsledky dskuze Gs enthlphy [J/mol] 1.5 x Ctlyst weght [kg] Gs cp [J.mol-1.K-1] Ctlyst weght [kg] 3.5 x 10-5 Gs Mw [kg.kmol-1] Ctlyst weght [kg] Cummulted lost temperture [K] Ctlyst weght [kg] Flue gs therml conductvty [W.m-1.K-1] Ctlyst weght [kg] Průběh vlstností plynu teplotních ztrát model Gs vscosty [P.s] Ctlyst weght [kg]

22 Výsledky dskuze EXPERIMENT MODEL konverze VOC x 0,980 [-] 0,9986 [-] počáteční teplot T IN 334,8 [ C] 607,95 [K] 334,8 [ C] 607,95 [K] výstupní teplot T OUT 440,0 [ C] 713,15 [K] 454, [ C] 77,35 [K] EXPERIMENT MODEL počáteční tlk p [P] [P] konečný tlk p OUT [P] [P] tlková ztrát lože dp 149 [P] 9 [P] MODEL reltvní odchylky konverze VOC x [%] výstupní teplot T OUT 3[%] tlková ztrát lože dp - 6[%] Porovnání výstupních prmetrů model vs experment

23 Shrnutí - závěr Model Srovnávcí expermenty Expermentální podmínky - vstupní dt výpočetního modelu Výsledky dobrá shod experment vs model Tlková ztrát rektoru (experment) je vyšší než tlková ztrát (model) Model rektoru (poloprovoz) - není možné znedbt tepelné ztráty konstrukcí rektoru Dlší práce

24 Děkuj z pozornost Vldmír Brummer brummer@fme.vutbr.cz Poděkování Tento článek byl vytvořen v rámc projektu LO10 z fnnční podpory MŠMT v rámc Národního progrmu udržtelnost I, ve spoluprác n projektu Centrum kompetence pro energetcké využtí odpdů TE00003.