Matematický model poloprovozního reaktoru pro odstranění VOC

Transkript

1 Mtemtcký model oloovozního ektou o odstnění VOC Bumme Vldmí, Leštnský Pvel,, Jech Dvd Ústv ocesního nženýství, Vysoké učení techncké v Bně,echncká 896/, Bno, Česká eublk; e-ml: bumme@fme.vutb.cz Insttut envonmentálních technologí, VŠB U Ostv, 7. lstodu 5/7, 78 Ostv- Poub, Česká eublk Souhn Po oloovozní exementální jednotku n ktlytckou oxdc VOC byl vytvořen mtemtcký model ektou uvžující změnu složení vlstností lynu vlvem oxdčních ekcí, náůst teloty vlvem oxdčních ekcí její okles vlvem teelných ztát dále změnu tlku vlvem tlkových ztát n syném ktlytckém lož. V říde dostunost nfomcí o ktlyzátou knetckých dt oxdovných VOC je možné oužít tento model o návh množství ktlyzátou technologcký návh ktlytckého lože. Klíčová slov: VOC, ctlytc oxdton, knetcs, ctlyst Úvod Emse těkvých ognckých látek (VOC) vznkjí obvykle v ámc zcování suovn v chemckých závodech, ř ác s lky, bvm obecně s ozouštědly. Výskyt VOC v odlynech je nutno v těchto technologí edukovt tk, by byly slněny emsní lmty o vyuštění do tmosféy. Ktlytcká oxdce je metodou, kteou je možné dosáhnout úso v odobě slovného lv, neboť oužtím vhodného ktlyzátou o oxdc VOC dochází k význému snížením teloty ozkldného ocesu. Po stnovení velkost ktlytcké nálně v ektou, se v x čsto vychází z dooučených hodnot objemového ztížení ktlyzátou (ostoových ychlostí), kteé oskytuje dodvtel ktlyzátou n zákldě svých vlstních lbotoních knetckých exementů. Po jednoduché modelování ktlytcké oxdce je vhodné oužít model tubkového dbtckého ektou s ístovým tokem. Použtí knetckého modelu oot ostoové ychlost nám dovoluje výočet složení ekční směs v jednotlvých místech ektou ř ůzných odmínkách, n duhou stnu vyžduje zvolení vhodného tvu ychlostní ovnce znlost knetckých dt (ktvční enege, ředexonencální fkto, řád ekce). Rekce ktlytcké oxdce uhlovodíků jsou čsto osovány ychlostní ovncí. řádu o nevtnou ekc (heodoe, 8). Ncméně okud je k dsozc vhodný lbotoní ekto o měření, je možné ád ekce uřesnt získt knetcká dt v ucelené fomě: řád ekce o VOC, ředexonencální fkto, ktvční enege. Vytvořený model slouží o os ktlytcké oxdce VOC v ostveném oloovozním zřízení, vz ob., o zvolené VOC (toluen, etnol, ceton) metn. Vytvoření model tedy slouží jko omocný směodtný nástoj o návh lně-ovozní lkce ktlytcké oxdce VOC. estování ktlytcké oxdce n oloovozní jednotce řed smotným ojektem nstlcí ektou v ovozu vede k mnmlzc zk nvestce do této technologe, nebo mnmálně k úsoře čsu ř otmlzc ovozu tkového zřízení.

2 Ob. : Půřez oloovozním ektoem o ktlytckou oxdc VOC Mteál metody Vyjádření ekční ychlost Po model byl oužt mocnnový ty ychlostní ovnce. Vlv teloty n ekční ychlost může být vyjádřen omocí ychlostní konstnty, kteou můžeme vyočíst omocí Ahenovy ovnce: k EA R A e () Potože víme, že oxdční ekce VOC jsou exotemcké, je nutno uvžovt s dbtckým ohřevem ektou. [db.] () ekce Stueň konveze lze vyjádřt jko odíl zegovného látkového množství zvolené složky k ůvodnímu látkovému množství této složky: c c x () c Pokud vyjádříme ekční ychlost v závslost n cálních tlcích jednotlvých ektntů, můžeme oužít vzth: n m k (4) b Uvžováním vního řádu u VOC nultého řádu u kyslíku (heodoe, 8), můžeme ovnc (4) změnt n tv, kteý odovídá ekční ychlost monomolekulání nevtné ekce: k y (5) Blnce složek lynu bude: dn [mol.s -.kg_ct - ] (6) dw

3 Oxdční ekce jsou osuzovány jko ekce nevtné, oto vlv temodynmcké ovnováhy n ekční ychlost byl znedbán. Enegetcká blnce fyzkálně-chemcké vlstnost lynů Po vstuní dt (složení ůtok lynu, vstuní telot tlk v ektou, množství ktlyzátou od.) byly oužty exementálně nměřené dt z oloovozní jednotky n ob.. Vstuní dt jsou shnut v tb.. Poloovozní jednotk nemůže být oužt o získání knetckých dt (Bumme et l., 6) (ktvční enege, ředexonencální fktoy, řád ekce) o ktlyzátoy sledovné těkvé ogncké látky. Poto byl snh o získání knetckých dt z ltetuy o ktlyzátoy odobného tyu, ktvních složek, množství ktvní složky, sledovné VOC mocnnový ty modelu. Knetcké dt jsou v ltetuře uváděny s ůzným jednotkm, oto bylo nutno konstnty ozměově sjednott. Nneštěstí se obvykle v ublkovné ltetuře neovede dohledt knetcká dt římo o testovný ktlyzáto záoveň je výočet velce ctlvý n zdná knetcká dt, tkže získné výsledky se budou vděodobně od výsledků získných exementem znčně lšt vldce modelu je tímto ztížená. Získné knetcké dt z ltetuy jsou shnuty o toluen v tb.. b. : Exementálně získná dt oužt jko vstuní dt o model složení lynu (molání zlomky) y EXPERIMEN toluen,9 [-] CO,474 [-] CO, [-] O,6 [-] H O, [-] N blnce [-] ktlyzáto (syný) EnvCt 5568 SPH 4-6mm (Pt/Al O,CeO ) celková hmotnost ktlyzátou w_ct_mx,675 [kg] nomálový ůtok lynu V N 4, [m N /h] b. : Knetcké dt získné z ltetuy Polutnt Předexonencální fkto Aktvční Ktlyzáto Auto,Refeence A enege E mol s P kg ct J mol toluen Pt/Al O (Rdc et l., 4) toluen 4,8 88 Pt/CeO ZO B O /Al O (Msu et l. ) toluen 47,4 6 Pt/CeO ZO B O /Al O (Msu et l. ) toluen 5,57 4 Pt/CeO ZO B O /Al O (Msu et l. ) toluen, Pt/Al O (Odonez et l., )

4 Byly uvžovány následující oxdční ekce: metn: CH 4 O CO HO (7) toluen: H 9 O 7 CO H O (8) etnol: ceton: C7 8 4 CH6O O CO H CH6O 4 O CO H O (9) O () Změn ekční entle ř chemckých ekcích se řídí odle Hessov zákon: H H H f odukty () ektnty f elotní závslost změny stnddní ekční entle je vyjádřen Kchhoffovým zákonem, zde v ntegálním tvu: H H c d H H 98 c d Polynomcký ozvoje 98 () () c jejch koefcenty byly získány o jednotlvé složky z ůzných zdojů (NIS, ), (Jelínek, 986), (Rz, 5). Získáme koefcenty ozvoje esektující stechomet ekce: A ; B... (4) A B ozdíl měného tel oduktů výchozích látek se bude ovnt (uveden říkld o tv c ozvoje ze zdoje (NIS, )): A B C D (5) c Anlogcky získáme ozdíl měného tel o jné tvy olynomckých ozvojů. Po ntegc má ovnce o výočet stnddní změny ekční entle tv (nlogcky bylo odvozeno o jné tvy c ozvojů): ( 98,5 ) ( 98,5 ) H H A ( 98,5) B C 98,5 4 ( 4 98,5 ) D (6) 4 Entl složek lynu entl lynní směs získáme odle vzthů: c d y (7) (8) sm Poces ktlytcké oxdce vyžduje ouze nízké tlky (blízké tmosféckému tlku), oto o tyto covní odmínky je ostčující oužtí stvové ovnce deálního lynu: V n R (9) Z ovnce deálního lynu dostneme vzth o výočet hustoty lynu: M st () R Střední molekulová hmotnost lynu je defnovná jko: M st n y M Po otřeby výočtu někteých fyzkálně-chemckých vlstností lynu (vskozt, teelná vodvost, molekulová hmotnost, hustot od.), byl oužt směs složená ouze z mjotních netních složek lynu (CO, CO, H O s doočtem N do %) bez složek, kteé se účstní ekce. Jejch koncentce je znedbtelná n fyzkálně-chemcké vlstnost mjí mnmální vlv. ()

5 Po výočet vskozt složek lynu ř dné telotě byly z tbelovných dt vytvořeny závslost vskozt n telotě ve tvu: A + B + C (), Vskozt směs byl očítán odle vzthu: [P.s] () y, Po výočet teelných vodvostí složek lynu ř dné telotě byly z tbelovných dt vytvořeny závslost teelných vodvostí n telotě ve tvu: A + B + C D (4), eelná vodvost směs byl očítán odle vzthu (Pey, 8): y, M (5) y M eelná kct směs v dném koku: dc c, n [J.K -.s - ] (6) Náůst teloty ekční směs ekcí: d, ( H, ( ) ( )) [K.kg_ct - ] (7) dw ( c n ), Po výočet teelných tlkových ztát bylo nutno vyočítt dlší mety lynu: Reálný ůtok lynu: n R V el [m.s - ] (8) Rychlost lynu: Vel w [m.s - ] Aekto (9) Reynoldsovo číslo: d. ct w Re [-] () Po výočet koekce teelných ztát n délkovém elementu dl es. lošném elementu ds byl uvžován ozdíl mez telotou stěny ektou lynu K, telot okolí 5 C (98,5 K). Po vedení řestu tel mteálem bylo uvžováno s W.m -.K -, což je řblžná hodnot o oužtou ocel.454 (C 8 % N,5 %) tloušťkou lechu d, m dále s, 95 W.m -.K - o oužtou zolc Sbl o tloušťce d, m. Po součntel řestuu tel o vzduch byl zvolen hodnot 5 W.m -.K -. dv sbl Objemový element ektou o ntegční kok je: dw ct [m ct] () ct Délkový element ektou: dv dl [m] () A ekto Plošný element ektou: ocel ocel sbl

6 ds 4 dl [m ] () d ekto Výočet bezozměných ktéí o výočet součntele řestuu tel o slny: Pndtlovo číslo: c, kg P [-] (4), slny Gshofovo číslo: dekto g G [-] (5) Vzhledem k tomu, že se ohybujeme v oblst lmnáního oudění (Re<), výočet Nusseltov čísl záleží n tom, zd se ultňuje volná konvekce. Pokud se volná konvekce význmně ultňuje (G.P >. 5 ), tk se Nusseltovo číslo vyočte odle vzthu:, Nu,74 (Re P), ( G P) (6) Pokud se volná konvekce význmně neultňuje, tk se Nusseltovo číslo vyočte odle vzthu:, dekto Nu,86 (Re P ) [-] l (7) ekto kde w je vskozt ř telotě stěny, hodnot oměu w byl odhdnut n,9. w Dále byl vyočítán součntel řestuu tel o slny odle vzthu: Nu slny - - slny W m K dekto (8) Součntel řestuu tel byl očítán odle vzthu: - - k W m K (9) docel dsbl slny ocel sbl vzduch eelné ztáty n délkovém elementu dl budou: dq k W (4) ztáty ds okol Byl sočítán telot směs o teelných ztátách dq ztáty out k ds msm c, sm, kg okles teloty díky teelným ztátám n kokovém elementu dw es. dl nebo ds d ztáty out K (4) K (4) Rekto je veden v odtlku hnním tlkového vzduchu ejektoem. Byly očítán říůstek tlku vlvem tlkových ztát n syném ktlytckém lož. Po výočet tlkových ztát byl oužt vzth odle Levy (Pey, 8): L f m G D n s n P m Byl vyočten tlková ztát v ntegčním koku (dw): d lekto dw d ct L P (44) dw W ct,mx (4)

7 Algotmus vytvořeného modelu Model ektou byl vytvořen v ogmu Mtlb. V modelu byly dfeencální ovnce o výočet změny složení, teloty tlku řešeny numeckou ntegcí s kokem dw (hmotnost ktlyzátou). Všechny telotně závslé oměnné (hustot, vskozt, teelné kcty, teelné vodvost, entle ) byly očítány v kždém koku o nově získnou telotu esektující ohřev vlvem oxdčních ekcí teelné ztáty ektou. Postu výočtu je uveden n následovných stánkách. VSUP VLOŽENÍ DA A KONSAN knetcké dt stechomete oxdčních ekcí molekulové hmotnost složek lynu očáteční složení lynu očáteční střední molekulová hmotnost A ; E zdání Mw zdání zdání y, zdání Mwst, VLASNOSI KAALYICKÉ LOŽE A KAALYZÁORU množství ktlyzátou w zdání ůmě ektou měná hmotnost ktlyzátou výšk lože ktlyzátou oozt ktlyzátou velkost částc ktlyzátou d ct _ ct mx zdání zdání l ct zdání zdání d zdání POČÁEČNÍ PODMÍNKY zčátek lože W zdání nomálový ůtok lynu V zdání telot n zčátku lože zdání očáteční tlk zdání ntegční kok (hmotnost ktlyzátou) d w, ct zdání očáteční látkové toky n, očáteční entle složek lynu ( ) očáteční entle směs SUM ( ) teelná kct směs, ( ) ct ct c SUM hustot směs sm( ) vskozt směs sm( ) součntel teelné vodvost sln ( sl )

8 INEGRACE V CYKLU VÝPOČE POČÁEČNÍCH HODNO ychlostní konstnty ekční ychlost změn látkových toků k dn PŘÍRŮSEK EPLOY VLIVEM REAKČNÍHO EPLA A POKLES EPLOY VLIVEM EPELNÝCH ZRÁ teelné kcty, ( ) ekční tel dh ( ) teelná kct směs dc ( ) náůst teloty vlvem oxdčních ekcí d, dw hustot směs sm( ) vskozt směs sm( ) součntel teelné vodvost sln ( sl ) eální ůtok lynu V el ( ) Reynoldsovo číslo Re střední molekulová hmotnost Mw teelné ztáty n ntegčním koku c st dq telotní ztáty n ntegčním koku d ztáty nová teloty směs LAKOVÉ ZRÁY hm. ůtok vztžený n ůtočnou lochu G modfkovné Reynoldsovo číslo Re ztáty met n n modfkovný třecí koefcent f tlková ztát tlková ztát n ntegčním koku m m / L / dw nový tlk směs ULOŽENÍ DA V DANÉM KROKU nové látkové toky nové složení směs (molání zlomky) nová střední molekulová hmotnost nové entle složek lynu nová entle směs nová teelná kct směs nový stueň konveze ekcí n y st Mw SUM c, SUM x... PŘÍRŮSEK KAALYZÁORU O INEGRAČNÍ KROK W ct W ct dw Pokud látkové množství odstňovných látek kleslo n nulu, byl cyklus ředčsně ukončen. Výsledky dskuze ct

9 Gs temetue [ C] Pessue [P] CO concentton [-] HO concentton [-] VOC mole fcton [-] O concentton [-] Rte [mol.s-.kg ct-] VOC conveson [-] Byl vytvořen mtemtcký model tubkového dbtckého ektou s ístovým tokem, o vyočet ktlytcké oxdce vybných VOC. Dt získná z modelu byl oovnán s exementálním údj získným n oloovozní jednotce ktlytcké oxdce. Otmální by bylo získání knetckých dt o sledovné ktlyzátoy VOC n mkoektou oužtí těchto dt o model. Byl oužt ktvční enege o ty ktlyzátou se stejným nosčem ktvní složkou odle (Rdc et l., 4). Výsledky modelu jsou ukázány n ob., ob. ob. 4 o toluen methne toluene. ethnol cetone Ctlyst weght [kg].5 x - methne.5 toluene ethnol cetone Ctlyst weght [kg] Ob. : Půběh konveze ekční ychlost VOC v ktlytckém lož model x -.5 methne toluene ethnol cetone.5.4. O Ctlyst weght [kg] Ctlyst weght [kg]..6.5 CO Ctlyst weght [kg].5 HO Ctlyst weght [kg] x 4 essue temetue Ctlyst weght [kg] Ctlyst weght [kg] Ob. : Půběh koncentcí složek lynu, teloty tlku model

10 Cummulted lost temetue [K] Flue gs theml conductvty [W.m-.K-] Gs Mw [kg.kmol-] Gs vscosty [P.s] Gs enthlhy [J/mol] Gs c [J.mol-.K-].5 x Ctlyst weght [kg] Ctlyst weght [kg].5 x Ctlyst weght [kg] Ctlyst weght [kg] Ctlyst weght [kg] Ctlyst weght [kg] Ob. 4: Půběh vlstností lynu telotních ztát model Exementálně nměřené mety jko je konveze VOC, výstuní telot tlková ztát ektou byly oovnány s výstuy nvženého modelu ektou. Poovnání těchto metů je shnuto v tb. 4. b. 4: Poovnání výstuních metů model vs exement EXPERIMEN MODEL konveze VOC x,98 [-],9986 [-] očáteční telot IN 4,8 [ C] 67,95 [K] 4,8 [ C] 67,95 [K] výstuní telot OU 44, [ C] 7,5 [K] 454, [ C] 77,5 [K] EXPERIMEN MODEL očáteční tlk 99 7 [P] 99 7 [P] konečný tlk OU [P] [P] tlková ztát lože d 49 [P] 9 [P]

11 Závě Byl nvžen model o dbtcký ekto s ístovým toku lynu zhnující teelné ztáty řes konstukc ektou. Po ověření sávnost modelu byly ovedeny sovnávcí exementy. Exementální odmínky (složení lynu, ůtok, vstuní telot tlk do ektou) byly oužty jko vstuní dt výočetního modelu. Výsledky o ktlytcké slování toluenu jsou v dobé shodě s nměřeným výsledky. Exementálně zjštěná tlková ztát ektou je vyšší než tlková ztát z modelu, le to mohlo být zůsobeno umístěním odběových bodů o dfeenční tlkomě. y nejsou umístěny římo n vstuu do výstuu z ktlytckého lože. Po model ektou v oloovozním měřítku jž není možné znedbt teelné ztáty konstukcí ektou, otože by teloty získné z modelu bez uvžování teelných ztát byly znčně ndhodnocené, co ovlvňuje smozřejmě smotnou konvez sledovných VOC. Poděkování ento článek byl vytvořen v ámc ojektu LO z fnnční odoy MŠM v ámc Náodního ogmu udžtelnost I, ve soluác n ojektu Centum kometence o enegetcké využtí oddů E. Ltetu HEODORE, Lous. A olluton contol equment clcultons. Hoboken, N.J.: John Wley, c8, x,. ISBN NIS WebBook Cheme. NIS. NIS Stndd Refeence Dtbse Numbe 69 [onlne]. c [ct ]. Dostuné z: htt://webbook.nst.gov/chemsty/ JELÍNEK, J. Výzkum vývoj modenzovných bloků konveze metnu - dooučené ostuy o výočet látkových vlstností: Výzkumná záv č. //86. Bno: VÚCHZ Bno, 986. RIAZI, M. R. Chctezton nd oetes of etoleum fctons. W. Conshohocken, PA: ASM Intentonl, 5. ISBN PERRY, Robet H. Don W. GREEN. Pey's chemcl engnees' hndbook. 7th ed. /. New Yok: McGw-Hll, c8. ISBN BRUMMER, Vldmí, Dvd JECHA, omáš OSIČKA Pvel LEŠINSKÝ. Měření knetky oxdce VOC n oškozeném syném ktlyzátou Pt-Pd/AlO. In: VIP 6. Hustoeče: CEMC, 6, (-9). ISBN RADIC, Nend, Bosko GRBIC An ERLECKI-BARICEVIC. Knetcs of dee oxdton of n-hexne nd toluene ove Pt/AlO ctlysts. Aled Ctlyss B: Envonmentl. 4, 5(), DOI:.6/j.ctb.4... ISSN 967. Dostuné tké z: htt://lnknghub.elseve.com/eteve//s967444x MASUI, oshyuk, Hyto IMADZU, Noto MASUYAMA Nobuhto IMANAKA. otl oxdton of toluene on Pt/CeO ZO BO/γ-AlO ctlysts eed n the esence of olyvnyl yoldone. Jounl of Hzdous Mtels., 76(-), 6-9. DOI:.6/j.jhzmt ISSN Dostuné tké z: htt://lnknghub.elseve.com/eteve//s ORDÓÑEZ, Slvdo, Lsdo BELLO, Hemno SASRE, Robeto ROSAL enndo V. DÍEZ. Knetcs of the dee oxdton of benzene, toluene, n-hexne nd the bny mxtues ove ltnum on γ-lumn ctlyst. Aled Ctlyss B: Envonmentl., 8(), DOI:.6/S96-7()6-X. ISSN 967. Dostuné tké z: htt://lnknghub.elseve.com/eteve//s9676x