ტექნოლოგიური    პროექტი

 

ქვანახშირის   კომპლექსური   გადამუშავება

სინთეზურ  საწვავ   გაზად

შესავალი

 ინთეზური  საწვავი გაზის  წარმოების ისტორია  გასული საუკუნის 30-იანი წლებიდან იწყება,  როდესაც დასავლეთის ქვეყნებში  გავრცელება დაიწყო  ნახშირის გაზიფიკაციის  ტექნოლოგიებმა.  ნახშირიდან მიღებული  სინთეზური თხევადი საწვავისა  და  სხვა და სხვა  ქიმიური პროდუქტების წარმოების პარალელურად, ევროპასა და ამერიკაში  დაიწყო  ბუნებრივი გაზის შემცვლელი ე.წ.  SNG (synthetic   natural gas) სინთეზური გაზის მწარმოებელი ტექნოლოგიური პროცესების  დამუშავება და გამოცდა.

 

 პირველი  ტექნოლოგიები   მოიცავდა  ნახშირის გაზიფიკაციის, სინთეზ გაზის მიღების და ნახშირბადის ოქსიდის  კატალიზური  მეთანირების   პროცესებს.  გაზგენერატორებიდან მიღებული ტექნოლოგიური გაზის გასასუფთავებლად და სინთეზ გაზის მისაღებად გამოიყენებოდა  ენერგოტევადი  ქიმიური და  ფიზიკური ( მათ შორის  კრიოგენული)  პროცესები, რაც მნიშვნელოვნად აძვირებდა წარმოებული გაზის თვითღირებულებას, რის გამოც SNG  გაზის  წარმოებამ ვერ მოიპოვა  ფართო  მასშტაბები.

 

 SNG გაზის წარმოების სტანდარტული ტექნოლოგიური სქემის  პირველი ეტაპი ქვანახშირის, ან მურა ნახშირის გაზიფიკაციაა,  რის  შედეგადაც  მიიღება  ტექნოლოგიური გაზი, რომელიც  შედგება ძირითადად:   ნახშირბადის ოქსიდის ( CO ), წყალბადის(H2), ნახშირორჟანგის(CO2)  და  ისეთი მინარევებისაგან როგორებიცაა: აზოტისა და გოგირდის ჟანგეულები (NxOy ; SO2; SO3), გოგირდწყალბადი (H2S) ,  ნახშირბადის გოგირდნაერთები (COS; CS2),  წყალი (H2O) და სხვა.  გაზიფიკაციის ძირითადი ქიმიური რეაქციაა:

                                         

                                                                  C + H2O  =  CO + H2  +  119 (კჯ/მოლ)

 

იგი ძლიერ ენდოთერმული პროცესია, რომლის  განსახორციელებლადაც საჭირო ენერგიის მიღება ხდება ნახშირის ნაწილის სრული, ან ნაწილობრივ დაწვით:

   

                                      C + O2  =  CO2 -  406 (კჯ/მოლ)   და       2C + O2  =  2CO -  246 (კჯ/მოლ)

 

წვისათვის საჭირო ჟანგბადი მიიღება ცალკე დანადგარზე კრიოგენული ტექნოლოგიით და წყლის ორთქლთან  ერთად მიეწოდება გაზგენერატორს (ე.წ. „ავტოთერმული პროცესი“), ან  კიდევ,   ნახშირის წვა ხდება  ცალკე რეაქტორში ჰაერის გამოყენებით და ამ დროს გამოყოფილი სითბო  გამყოფი კედლით, ან სპეციალური გაზობრივი, ან მყარი   თბომატარებლით  გადაეცემა გაზგენერატორს (ე.წ. „ალოთერმული პროცესი“).  

 

 მეორე ეტაპზე,  გაზ გენერატორიდან მიღებული ტექნოლოგიური გაზიდან  ხდება მინარევების  მოცილება და მხოლოდ  ნახშირჟანგისა და  წყალბადის  ნარევის მიღება, რისთვისაც გამოიყენება  ადსორბციულ - დესორბციული პროცესები (მაგალითად, „რექტიზოლ - პროცესი“,  „სულფინოლ - პროცესი“  და სხვა),   სინთეზური და ბუნებრივი ცეოლიტები და  გაზების დაყოფის კრიოგენული მეთოდები.   

 

 მესამე ეტაპზე  სინთეზ გაზს  ატარებენ ნიკელის კატალიზატორზე და     ახორციელებენ  ე. წ.  „მეთანირებას“, რომელიც ეგზოთერმული პროცესია:

 

                           CO + 3H2  =  CH4 + H2O -  206 (კჯ/მოლ)   და    CO2 + 4H2   =  CH4 +  2H2O -  164 (კჯ/მოლ)

 

 SNG -ის  წარმოების ზემოთ  აღნიშნულ სამივე ეტაპზე,  ძირითადი რეაქციების გარდა, მიმდინარეობს უამრავი გვერდითი რეაქციაც და შესაბამისი გვერდითი პროდუქტების წარმოქმნა. სხვა და სხვა ტექნოლოგიური პროცესები ერთმანეთისაგან  განსხვავდება  ძირითადი რეაქციების წარმართვისა და  გვერდითი რეაქციების დათრგუნვის ფიზიკო-ქიმიური მეთოდებით და მათი განხორციელების აპარატურული გაფორმებით.

 

 ცხადია რომ,  მაქსიმალური ეკონომიკური ეფექტის მისაღებად (წარმოებული გაზის თვითღირებულების შესამცირებლად)  აუცილებელია  ტექნოლოგიური პროცესის ისე წარმართვა,  რომ შესაძლებელი  იყოს ეგზოთერმული რეაქციების დროს გამოყოფილი სითბოს მაქსიმალური გამოყენება ენდოთერმული რეაქციების უზრუნველსაყოფად.

SNG წარმოების ტექნოლოგიების ძირითად მახასიათებლად შეიძლება მივიღოთ ნახშირბადის  გამოყენების ეფექტურობა. კლასიკურ  ტექნოლოგიურ  პროცესებში,  როგორც გაზიფიკაციის ეტაპზე, ასევე  მეთანირების დროსაც, ნახშირორჟანგის სახით  იკარგება ნახშირში  შემავალი  ნახშირბადის მნიშვნელოვანი ნაწილი (ზოგიერთ შემთხვევაში თითქმის ნახევარიც კი).  SNG პროცესებში  ნახშირორჟანგი წარმოიქმნება ორი წყაროდან: გაზიფიკაციის ენერგო უზრუნველყოფისათვის ნახშირის  წვის პროცესში და მეთანირებისას.  მაშინ როდესაც,  ნახშირის ფასი საკმაოდ მაღალია,   გაზის თვითღირებულების შესამცირებლად  აუცილებელია ნახშირბადის დანაკარგების მინიმიზირება.  წვის პროცესში წარმოქმნილი ნახშირორჟანგის სახით ნახშირბადის  დანაკარგის  თავიდან აცილება ავტოთერმულ პროცესებში - როდესაც არ არსებობს მაღალპოტენციური სითბოს  გარეშე წყარო - შეუძლებელია.   რაც შეეხება  მეთანირებას,  ნახშირორჟანგის წარმოქმნა ხდება  ნახშირჟანგის წყლის ორთქლით კონვერსიის შედეგად:

                             

                                                                       CO + H2O = CO2  + H2  - 42 (კჯ/მოლ)

 

 რომლის კატალიზატორებიც მე-8 ჯგუფის ელემენტებია.  წყალბადის სიჭარბისას  და მაღალი ტემპერატურის დროს,  ნახშირჟანგის კონვერსიის სიჩქარე მცირეა და შესაბამისად მცირეა ნახშირორჟანგის სახით ნახშირბადის დანაკარგი.

ტექნოლოგიურ პროცესში წყალბადის მისაღებად გამოყენებულია წყლის დაშლის მაღალ სიხშირული რეზონანსული ელექტროლიზერი, რაც,  როგორც ქვევით დავინახავთ დაბალი თვითღირებულების მქონე SNG მიღების საშუალებას იძლევა.    რეზონანსული ელექტროლიზერით (რელ)  გამომუშავდება წყალბადის დეფიციტური ნაწილი,  რომელიც ემატება  ნახშირში შემავალ წყალბადს.

 

 ტექნოლოგიური პროექტი შექმნილია შპს „ქიმინვესტი“-ს ავტორთა ჯგუფის მიერ, რომელთაც  მრავალწლიანი   გამოცდილება აქვთ ამ დარგში და  რომელთა თეორიული და ექსპერიმენტული გამოკვლევების საფუძველზე  შეიქმნა არა ერთი საცდელი და საპილოტე დანადგარი.

 

1.  ტექნოლოგიური პროცესი

 

 პროექტში განხილული ტექნოლოგიური პროცესი  დაფუძნებულია  გაზიფიკაციისა და მეთანირების თანამედროვე მეთოდებზე  და მნიშვნელოვნად  განსხვავდება  SNG  წარმოების კლასიკური  პროცესებისაგან. მასში გამოყენებულია  წვრილ ფრაქციული ნახშირის მეთანირების პირდაპირი პროცესი, რომლისთვისაც  საჭირო წყალბადის რაოდენობა მინიმალურია.  ნახშირის პირდაპირი გაზიფიკაციის დროს 1 მოლი მეთანის  მისაღებად საჭიროა  მხოლოდ 2 მოლი  წყალბადი,  მაშინ როდესაც,    ნახშირჟანგისა და ნახშირორჟანგის მეთანირებისთვის საჭიროა შესაბამისად 3 მოლი და 4 მოლი  წყალბადი (იხილეთ ზემოთ მოტანილი რეაქციები)  და ცხრილი2.

 

 

 

    1.1.ტექნოლოგიური პროცესის სქემა

 

 ტექნოლოგიური პროცესის სქემა  მოცემულია ფიგ. 1-ზე.  ნედლეულად  გამოყენებული ნახშირი   საწარმოო უბანს  მიეწოდება  1 ტონიანი ტომრებით(  „ბიგ-ბეგებით“) და იყრება შნეკური (ან  სექციებიანი)  მკვებავის(2)  მიმღებ ბუნკერში, საიდანაც  მიეწოდება კატალიზური კრეკინგის რეაქტორს(1).

კატალიზური კრეკინგის რაქტორში (1),   სპეციალურ კატალიზატორზე, ნახშირი განიცდის პირველად გარდაქმნებს - მისგან გამოიყოფა აქროლადი ნაწილი,   ფოროვნდება  და   აქტიურდება.  აქროლადი ნაწილის  ორგანული მასა,   კატალიზატორის გავლენით კრეკირდება  - იშლება ცალკეულ მოლეკულურ ფრაგმენტებად,  მათ შორის წყალბადად.

  კატალიზური კრეკინგის რეაქტორიდან(1)  მიიღება ნახევრად კოქსი-აქროლადი ნაერთებისაგან თითქმის თავისუფალი ნახშირი და  აქროლადი ნაერთები. აქროლადი ნაერთები ცივდებიან წყლით გამციებელ კონდენსატორში (3) დაახლოებით 30°C-მდე.    გაციების შედეგად  გამოიყოფა კონდენსირებადი ფრაქცია, რომელიც გროვდება შემკრებში (4) და  პირველადი  გაზი.

 

 პირველადი გაზი შეიცავს:  დიდი რაოდენობით წყალბადს (მოცულობით  50%-მდე),  მეთანს (მოცულობით 30%-მდე), ნახშირჟანგს, ნახშირორჟანგს (ჯამურად მოცულობით 16%-მდე) და მცირე რაოდენობით გოგირდ და აზოტ ნაერთებს.  იგი გაივლის  ტუტიან სკრუბერს(5), რომელშიც ტუმბოთი (6)  ცირკულირებს ნატრიუმის  ტუტის  10%-იანი ხსნარი და თავისუფლდება მინარევების ძირითადი  ნაწილისაგან, ხოლო შემდეგ  მიეწოდება ორი პარალელურად ჩართული ცეოლიტიანი ადსორბერებიდან (7) ერთერთს, რომელიც  დროის იმ მომენტისთვის იმყოფება მუშა რეჟიმში (ამ დროს  მეორე  ადსორბერი რეგენერირდება).   ადსორბერებიდან (7)  გაზი გაიწოვება  კომპრესორის (8) საშუალებით  და  იჭირხნება მეთანირების რეაქტორის წნევაზე  დაახლოებით  2ატა -თი  მეტ    წნევამდე,  რათა შესაძლებელი გახდეს მისი მიწოდება მეთანირების რეაქტორში (9).

 

 თხევადი ფრაქცია წარმოადგენს  პიროგენეტიკური წყლისა  და ნახშირწყალბადების ნარევს.  შემკრებიდან (4)  იგი გაიწოვება   ტუმბოს (10) საშუალებით, რის შემდეგაც მისი ნაწილი მიეწოდება  კრეკინგის რეაქტორის  (1)  წვის კამერას,  ტექნოლოგიური პროცესის  ენერგო უზრუნველყოფისათვის, ხოლო დარჩენილი ნაწილი  კი,   ბრუნდება კრეკინგის რეაქტორში (1),  სადაც  იშლება  უფრო მარტივ  ორგანულ მოლეკულებად  და წყალბადად.

კატალიზური კრეკინგის რეაქტორიდან  მიღებული თხევადი და გაზობრივი ფრაქციების რაოდენობა დამოკიდებულია  ნედლეულად  გამოყენებული ნახშირის გვარობასა  და კატალიზური კრეკინგის რეაქტორიდან (1)  მიღებული ნახევრად კოქსი წყლის რეზერვუარიდან (ნახაზზე ნაჩვენები არ არის)  მიწოდებულ  სუფთა წყალთან ერთად, დახრილი ღარით (11)  მიეწოდება  დეზინტეგრატორს (12), რომელშიც  წარმოებს ნახევრად კოქსის სველი დაფქვა ისე, რომ  მარცვლების ზომა ნაკლები იყოს 5 მკმ-ზე.  დეზინტეგრატორიდან (12)  ნახშირისა და წყლის  ნარევი  ტუმბოთი (13) გადადის კლასიფიკატორში (14), სადაც  ხდება მსხვილი  - 5 მკმ  მსხვილი  ფრაქციის გამოყოფა და დეზინტეგრატორში (12)  დაბრუნება, ხოლო წვრილი ფრაქცია გადაედინება  ჰომოგენიზატორში (15)  რომელშიც,  ნახშირისა  და წყლის სუსპენზია  ცირკულირებს   მაღალი წნევის ტუმბოდან  (16)  მიწოდებული  უკუნაკადით.  კლასიფიკატორში (14),  სუსპენზიას  ბუნკერიდან(17)  ემატება    წვრილად - (1÷10) მკმ-მდე  დაფხვნილი  მეთანირების კატალიზატორი,   ისე რომ,   საბოლოო ნარევში კომპონენტების მასური თანაფარდობა შეადგენს:

                          

                                                        წყალი : ნახშირი : კატალიზატორი = 1 :  (0,5 ÷ 0,7) : 1

 

 ჰომოგენიზატორში (15)  მიღებული  ნახშირის სუსპენზიისა და კატალიზატორის ნარევი მაღალი წნევის ტუმბოთი (16), რომელიც ავითარებს   (10 ÷ 100) ატა წნევას მიეწოდება საშრობს (18), რომელიც ინტეგრირებულია მეთანირების რეაქტორის მკვებავთან (19).  საშრობში (18)  მთლიანად ორთქლდება წყალი,  რომელიც მეთანირების რეაქტორის წნევის ტოლი წნევის ორთქლის სახით  გამოიყოფა სისტემიდან,   ხოლო  ნახშირისა და რკინის ფხვნილის ნარევი მკვებავის (19) საშუალებით  იყრება  მეთანირების რეაქტორში (9). 

 

 მეთანირების რეაქტორი  წარმოადგენს მილოვანი კონსტრუქციის თბომცვლელს,   რომლის  მილებშიც ზევიდან ქვევით მიედინება  ნახშირისა და კატალიზატორის ნარევი, ხოლო შემხვედრად - ქვევიდან ზევით  წყალბადი.   მეთანირების პროცესი მიმდინარეობს (700 -750)°C  ტემპერატურაზე.  მეთანირების პროცესში გამოყოფილი  სითბო გადაეცემა მაღალტემპერატურულ   თბომატარებელს,  რომელიც  ცირკულირებს  მეთანირების რეაქტორის (9) მილებს შორის სივრცესა,  საშრობს (18) და  კატალიზური კრეკინგის რეაქტორის თბომცვლელს  შორის (აღნიშნული თბომცვლელი და შესაბამისი მილგაყვანილობა  ფიგურა 1-ზე ნაჩვენები არ არის)  და მეთანირების რეაქტორში(9)  გამოყოფილ სითბოს გადასცემს  მათ. 

 

 მეთანირების რეაქტორიდან (9)  გამოსული გაზი  ცივდება  ჯერ თბომცვლელში (20), ხოლო შემდეგ გადადის  ადსორბერში (21), რომლის გავლის შემდეგაც მიეწოდება მომხმარებელს.  

მეთანირების რეაქტორიდან (9)  რეაქციაში შეუსვლელი  კოქსი, ნაცარი და კატალიზატორი,   მკვებავის (22)  საშუალებით,  იყრება  სეპარატორში (23), რომელშიც    ისინი გრავიტაციული დაყოფის  გზით  ცალკევდება.  რეაქციაში შეუსვლელი ნახშირის  სუსპენზია ბრუნდება კლასფიკატორში (14),  კატალიზატორი ბრუნდება  ბუნკერში ( 17), ხოლო  ნაცარი იყრება ნაცარ საყრელზე,  საიდანაც პერიოდულად გაიზიდება და მიეწოდება მომხმარებელს. საშრობიდან (18)  გამოსული მაღალი წნევის წყლის ორთქლი კონდენსირდება  კონდენსატორით (24) და ჩაედინება  დისტილირებული წყლის შემკრებში (25), საიდანაც მიეწოდება  მაღალი სიხშირის რეზონანსულ ელექტროლიზერს (26). მაღალი სიხშირის რეზონანსული ელექტროლიზერიდან  მიღებული წყალბადი  უერთდება  შემკრებიდან (4)  გამოსულ პირველად გაზს და კომპრესორის (8) საუალებით მიეწოდება მეთანირების რეაქტორს (9).

   ტექნოლოგიური პროცესიდან ჰაერში გაიფრქვევა მხოლოდ კრეკინგის რეაქტორის(1) წვის კამერიდან გამოყოფილი ნამწვი გაზები.  აღნიშნულ წვის კამერას  ჰაერი მიეწოდება  ვენტილიატორით(27), რეგენერატორული თბომცვლელის  (28) ის გავლით. 

  რეგენერატორულ თბომცვლელში(28),  ნამწვი გაზები,  რომელთა ტემპერატურა 800°C აღწევს,  სითბოს გადასცემს  ვენტილიატორით (27)  დაჭირხნულ ჰაერს, ცივდება  150 - 200 °C -მდე და კვამლგამწოვის (29) და საკვამლე მილის (30)  საშუალებით გაიტყორცნება ატმოსფეროში.

ტექნოლოგიურ პროცესში, ენდოთერმული რეაქციების ენერგო უზრუნველყოფისათვის მაქსიმალურად გამოიყენება ეგზოთერმული რეაქციების დროს გამოყოფილი სითბო.  მაღალ ტემპერატურაზე მომუშავე   დანადგარები თბოიზოლირებულია ისე,  რომ სითბური დანაკარგები 5% არ აღემატება.

   1.2   ძირითადი ტექნოლოგიური გაანგარიშებები

 

ნახშირის შემადგენლობაში გამოყოფენ:

1. ორგანულ მასას (MOR),  რომელშიც  შედის:  ნახშირბადი (C ), წყალბადი ( H), ჟანგბადი (O ), აზოტი (N ), და ორგანული გოგირდი ( SOR).

2. წვად მასას (MCB), რომელშიც შედის ორგანული მასა (OR ) და კოლჩედანური გოგირდი(K).

3. მშრალ მასას(MD), რომელშიც შედის  წვადი მასა (CB ) და  არაორგანული ნაწილი (IR ).

ნახშირის მუშა მასა  წარმოადგენს  მშრალი მასისა და  გადამუშავების მომენტში მასში შემავალი წყლის მასის ჯამს, რომელიც წონასწორობაშია ატმოსფერულ ტენთან. ნახშირის გადამუშავების დროს   გარდაიქმნება  მისი მხოლოდ ორგანული ნაწილი, საიდანაც გამოიყოფა ორგანულ ნივთიერებებში შემავალი გოგირდი (რომელიც არ უნდა იყოს საბოლოო პროდუქტში).  ნახშირის ტექნოლოგიური ნაწილი, რომლიდანაც  მიიღება  პროდუქციული მეთანი ტოლია (0,8 0,9) mC.   მეთანის  მაქსიმალური გამოსავალი იქნება: 

შემადგენელი კომპონენტების მიხედვით შეიძლება განისაზღვროს ნახშირის წვის ქვედა სითბო მენდელეევის, ან ფონდრაჩეკის  ფორმულით.  მურა და ქვანახშირებისათვის უფრო ზუსტია ფონდრაჩეკის ფორმულა:

Q LOW = 4,18 {(89,1 + 0,062 CCB)C + 270 (H - 0,1O) + 25S - 6(W + 9H)}  (კჯ/კგ)           (1. 1)

ფონდრაჩეკის ფორმულაში სათანადო სიმბოლოებით აღნიშნულია შესაბამისი  კომპონენტების პროცენტული შემცველობა ნახშირის მუშა მასაში.  ამასთან,  W- აღნიშნავს წყლის პროცენტულ შემცველობას  ნახშირის მუშა მასაში,  ხოლო  CCB - ნახშირბადის შემცველობას წვად მასაში.

ნახშირის მუშა მასაში  კომპონენტების მასური კონცენტრაციები (კგ/კგ)  ავღნიშნოთ mi,  სადაც ინდექსი  „i“ აღნიშნავს შესაბამისი კომპონენტის სიმბოლოს. მაშინ,  ნახშირის მუშა მასის 1 კგ  შეიძლება წარმოვადგინოთ ფორმულით:

    mD + mW  =  mCB  +  mIR  + mW = mOR  + mSK + mIR + mW = 1                        (1. 2)        

    mC + mO +mH+ mN + mSO = mOR;                                                                                    ( 1. 3)

ბუნებრივი ქვანახშირებისა და მურა ნახშირებისათვის ფონდრაჩეკის ფორმულაში ფიგურული ფრჩხილების შიგა გამოსახულების  მე-2, მე-3  და მე-4  წევრების  წვლილი მცირეა პირველ წევრთან შედარებით  და არ აღემატება 10%. ამიტომ, კარგი სიზუსტით შეგვიძლია დავუშვათ რომ,   ნახშირის მუშა მასის   წვის ქვედა სითბო, მასში შემავალი ნახშირბადის მასური კონცენტრაციის პროპორციულია.

                                       Q LOW  ≈ 41000 mC    (კჯ/კგ) ,                                                    (1. 4)

ტექნოლოგიურ პროცესში  ნახშირბადი  გარდაიმქნება  მეთანად შემდეგი    რეაქციით (ცხრილი2. რეაქცია4):

                                      C  +  2H2   =   CH4   + 84    (კჯ/მოლ)                                         ( 1. 5 )

მეთანის მისაღებად საჭირო წყალბადის  და ტექნოლოგიური  პროცესისთვის  საჭირო სითბური  ენერგიის  მისაღებად  იხარჯება   ნახშირში შემავალი აქროლადი ნაერთების თხევადი ფრაქციის ნაწილი,  ანუ  ნახშირბადის  ნაწილი,  რომელიც შეადგენს დაახლოებით 20%.  აღნიშნულის გათვალისწინებით,  მეთანის მაქსიმალური გამოსავლისათვის მივიღებთ:

            mCH4 /mC = 1,06  (კგ/კგ) ,   ან   VCH4 /mC = 1640  ნმ3/კგ                                 (1. 6)

წყალბადის     რაოდენობა,  რომელიც  არ შედის ნედლეულ  ნახშირში  და რომლის გამომუშავებაც საჭირო იქნება თვითონ ტექნოლოგიურ პროცესში,  განისაზღვრება ფორმულიდან:

                                      ΔmH = 0,33mC - mH                                                               (1. 7)

სითბოს  რაოდენობა,  რომელიც გამოიყოფა  მეთანის სინთეზის რეაქტორში ტოლია:

                               QSCH4/ mCH4 = 5250 კჯ/კგ( CH4) = 3465 კჯ/ნმ3(CH4)                (1. 8)

ცხრილში 1,  მოცემულია ზოგიერთი საბადოს ნახშირის ტექნოლოგიური პარამეტრები. მონაცემები აღებულია  ლიტერატურიდან /1/ .

 ენერგეტიკული თვალსაზრისით მეთანის სინთეზის პროცესი წამგებიანია რადგან, 1 მოლი ნახშირბადისა და 2 მოლი წყალბადის ცალკ ცალკე დაწვის  შედეგად   უფრო მეტი სითბო გამოიყოფა, ვიდრე   მათგან სინთეზირებული მეთანის დაწვისას.  ენერგიების სხვაობა არის სწორედ  მეთანის წარმოქმნის სტანდარტული  ენტალპია - 84 კჯ/მოლ (ცხრილი2, რეაქცია 4).   ტექნოლოგიური პროცესის  ენერგეტიკული  მქკ-ის  (მარგი ქმედების კოეფიციენტი) თეორიული მნიშვნელობა (ანუ  შესაძლო მაქსიმალური) შეიძლება  განვსაზღვროთ როგორც ცხრილი 2-ის,  მე-11 რეაქციის ენერგეტიკული ეფექტის შეფარდება,  მე-7 და მე -10 რეაქციების ენერგეტიკული ეფექტების ჯამთან , რაც იძლევა 0,9 (90%).

 

  1.3.   ეკონომიკური ეფექტურობა

 

ტექნოლოგიური პროცესი  ეკონომიკურად მომგებიანია  იმ შემთხვევაში,  როდესაც დახარჯული მატერიალური ფასეულობების ჯამი ნაკლებია  პროდუქციის  ფასზე. მოგების ზუსტი განსაზღვრისათვის  გარდა მატერიალური  დანახარჯებისა, საჭიროა აგრეთვე ზედნადები ხარჯების  შეფასებაც  ( მუშა-მოსამსახურეთა ხელფასი, საოფისე, სარეკლამო, გადასახადები  და  ა.შ.) რაც  მრავალრიცხოვან ფაქტორებზეა დამოკიდებული, რომელთა შორის მთავარი ტექნოლოგიური პროცესის წარმადობაა.  ცნობილია რომ, რაც უფრო დიდია წარმადობა მით უფრო მცირეა  საერთო ხარჯებში  ზედნადები ხარჯების წილი.   ამ შემთხვევაში  ჩვენი ამოცანაა ზედნადები ხარჯების სიზუსტით განვსაზღვროთ ტექნოლოგიური პროცესის მომგებიანობა.  

 

1000 ნმ3 (ანუ 650 კგ) მეთანის მისაღებად იხარჯება :

 

1. ნახშირი  ---------  487,5/mC  (kg), რომლის ღირებულებაც იქნება ( )AC, სადაც  AC 1ტონა ნახშირის ფასია.

2. წყალბადი -------- ( 165,5  - 487,5   ) AH.   1კგ  წყალბადის ფასი AH , ძირითადად ელექტროენერგიის ფასია  რადგან,  წყლისა და სითბოს ფასი მცირეა ელექტროენერგიის ფასთან შედარებით.  AH = g AEL  . უკანასკნელ ტოლობაში  g,     1კგ წყალბადი მიღებაზე დახარჯული  ელექტროენერგიაა (კვტ-სთ), ხოლო AEL ,  1კვტ-სთ-ის ღირებულება.

1000 ნმ3  მეთანის თვითღირებულება  ზედნადები ხარჯების სიზუსტით ტოლი იქნება:

            

                                                  ACH4 =    AC + ( 165,5  - 487,5  )gAEL                           (1. 1)

 

მიღებული ფორმულიდან ცალსახად ჩანს რომ, რაც უფრო დიდია ნახშირბადის შემცველობა ნახშირში, მით უფრო ნაკლებია მეთანის თვითღირებულება. შეფასებისთვის გამოვიყენოთ რიცხვითი მნიშვნელობები:

 

                                          = 0,03 - 0,07;   g = 10 (კვტ-სთ);  AC = 100 ($/ტ);  AEL = 0,05 ($/კვტ-სთ);

 

შედეგი ასახულია ფიგ.2 გამოსახულ გრაფიკზე.    სადაც,  ჩანს ძლიერიდამოკიდებულება  ნახშირში  ნახშირბადის შემცველობაზე და სუსტი დამოკიდებულება   წყალბადის შემცველობაზე ( mH = 0,03 - 0,07)  დიაპაზონში.  ნახშირბადის შემცველობა 0,6 (კგ/კგ) და ზემოთ სავსებით  მისაღებია  საწარმოსათვის რადგან, წარმოებული  მეთანის თვითღირებულება ზედნადები ხარჯების გათვალისწინებითაც ,  1000 ნმ3 -თვის არ იქნება 150$-ზე მეტი.    

 

 

 

 

 

  2. ნედლეულის მომზადება

 

ნედლეულად ტექნოლოგიურ პროცესში ძირითადად გამოიყენება ნახშირი, თუმცა შესაძლებელია  ნახშირბად შემცველი სხვა  ნედლეულის  გამოყენებაც. ფიგ.1  გამოსახულ ტექნოლოგიური პროცესის სქემაზე  ნაჩვენები არ არის  წისქვილი, რომელიც ნედლეულს აქუცმაცებს  და საცერი, რომელიც  ნედლეულს  ახარისხებს იმ კონდიციამდე,   რომ შესაძლებელი გახდეს  მისი მიწოდება კატალიზური კრეკინგის რეაქტორში.  ნედლეულის  წისქვილში  გატარებით გამოირიცხება  ნედლეულის  დიდი ზომის გოროხების მოხვედრა   რეაქტორში.                    

მექანიკური დამუშავების შემდეგ, ნედლეულის მომზადება ხორციელდება  კატალიზური კრეკინგის რეაქტორში,  რომლიდანაც მიიღება  ნახევრად კოქსი (გააქტიურებული ნახშირბადი), თხევადი სა გაზობრივი ფრაქციები.  კატალიზური კრეკინგის რეაქტორის ჩართვა ტექნოლოგიურ პროცესში  აუცილებელია რადგან მასში წარმოიქმნება  წყალბადის ძირითადი ნაწილი და  ნახშირბადი, რომელთაგანაც სინთეზის რეაქტორში  მიიღება მეთანი.

  2.1 ნედლეულის მექანიკური დამუშავება

 

 დამქუცმაცებელ   მოწყობილობებს შორის,  ტექნოლოგიურ  პროცესში ისეთი  მოწყობილობის  გამოყენებაა შესაძლებელი,  რომელიც ნედლეულს  დააქუცმაცებს (1- 3) მმ -მდე  და არ დაიყვანს მას  მტვრის დონემდე.   ეს აუცილებელია აფეთქების გამოსარიცხად, რადგან ნედლეულის მომზადება  ტექნოლოგიურ პროცესში ხორციელდება ჰაერთან კონტაქტის პირობებში.  მოთხოვნილ  პირობებს  აკმაყოფილებს  დაბალი სიჩქარით  მბრუნავი  დანებიანი   შრედერი, რომელშიც შეიძლება როგორც ნახშირის დაქუცმაცება,  ასევე  სხვა ტიპის ნახშირბად  შემცველი მასალის დაქუცმაცებაც.  შრედერების  ტიპები  მომწოდებლების მითითებით მოცემულია დანართში 1.

 ნახშირის საწყობიდან  ბიგ-ბენებში მოთავსებული  ნახშირი,   ტრანსპორტიორის საშუალებით მიეწოდება  შრედერს  და  იყრება მის ბუნკერში. უშუალოდ შრედერის ქვეშ   მოთავსებულია  მექანიკური  საცერი,  საიდანაც   მსხვილი მარცვლები  ტრანსპორტიორის საშუალებით ბრუნდება დამქუცმაცებელ შრედერში, ხოლო წვრილი,  შნეკური მკვებავით მიეწოდება  კატალიზური კრეკინგის რეაქტორს. საცერების მომწოდებლები და არჩევანი მოცემულია  დანართში 1.

 

 

 

  2.2. კატალიზური კრეკინგის რეაქტორი (კკრ)

 კატალიზური კრეკინგის რეაქტორი,  რომელიც  გამოსახულია ფიგ 3 - ზე წარმოადგენს   მეტალის   მართკუთხა ფორმის  კორპუსს (1), რომელშიც დამონტაჟებულია მბრუნავი როტორი(2). როტორს აქვს  6 ჯიბე, რომლებითც იჭერს   კკრ-ში  მიწოდებულ ნედლეულს  და ძირავს მას  თხევად კატალიზატორში.  როტორის  ღერძი (13) ცივდება გამდინარე წყლით, რომელიც ცირკულირებს  წყლის გამფრქვევ მაცივარსა და  როტორის ღერძს შორის. კატალიზატორი ერთდროულად თბომატარებელსაც წარმოადგენს. მასში ჩაძირული  ნედლეული განიცდის მრავალმხრივ გარდაქმნებს  და იშლება შემადგენელ ნაწილებად .  მყარი ნარჩენი გროვდება  მიწოდების მოპირდაპირე მხარეს, საიდანაც  დახრილი ღარით(3) ხვდება   შნეკურ მკვებავში (4), ხოლო  მისი საშუალებით კი, წისქვილში,  სადაც იფქვება სველი წესით.

კკრ-ში  მოთავსებული თხევადი კატალიზატორის ცირკულაცია შესაძლებელია  ტუმბოთი (10), რომელსაც კატალიზატორი გადააქვს  „მილი მილში“  ტიპის თბომცვლელის შიგა მილში  და აბრუნებს მას ისევ   კკრ-ში.  თბომცვლელ (5)-ის  გარე მილში, კატალიზატორის  გადასახურებლად   შესაძლებელია  კკრ-ის  წვის კამერიდან წარმოქმნილი ნამწვი გაზების გატარება (როგორც ფიგ.1-ზეა ნაჩვენები)  და    სინთეზის რეაქტორიდან სითბოს ართმევის რეჟიმში გადართვაც (ფიგ.1-ზე ეს უკანასკნელი პროცესი ნაჩვენები არ არის). იმ რეჟიმში, როდესაც კატალიზატორის ცირკულაციური ტუმბოს  მუშაობა საჭირო არ არის,  მასში კატალიზატორის მიწოდება  იკეტება სპეციალური ჩამრაზით.  ტუმბოს სასტარტო რეჟიმში გახურება (გამყარებული კატალიზატორის გასადნობად)  ხორციელდება ელექტრო გამახურებლით.

კკრ-ში ნედლეულის მიწოდება ხდება  დახრილი ღარით (6), რომელზედაც  ფლანცური შეერთებით მაგრდება  შლუზური, დგუშებიანი, ან შნეკური მკვებავი.

 

 კკრ-ის გახურება სასტარტო რეჟიმში და  შემდეგ მუშაობის პროცესშიც, როდესაც  ტემპერატურა შემცირდება კკრ-ის შიგა მოცულობაში, ხორციელდება მასზე  დამონტაჟებული წვის კამერა(12)-დან ართმეული სითბოთი, რომელსაც ახურებს  მილყელზე (11)  დამაგრებული სანთურა. სანთურაში იწვის სასტარტო  რეჟიმში  გარედან მიწოდებული დიზელის საწვავი, ხოლო  კკრ-ის გახურების შემდეგ  კი, მასში წარმოქმნილი თხევადი ფრაქციის ნაწილი.  კკრ-ის წვის კამერაში მიწოდებული  საწვავის რაოდენობა რეგულირდება ავტომატურად -  წვის კამერის ტემპერატურის მიხედვით.

კკრ-ში წარმოქმნილი  გაზობრივი ფრაქცია და თხევადი ფრაქციის ორთქლი გამოდის მილყელიდან (8),  ან სათადარიგო  მილყელიდან (7) და მიეწოდება კონდენსატორს, რომელშიც კონდენსირდება თხევადი ფრაქცია. მილყელზე (9) მაგრდება დამცავი სარქველი.

კატალიზური კრეკინგის რეაქტორი მუშაობს შემდეგნაირად.  ელექტრული კვების მიწოდების შემდეგ, იმის გამო რომ, წვის კამერაში ტემპერატურა დაბალია,  ავტომატურად  ირთვება სანთურა, რომელსაც მიეწოდება  საწვავი დიზელის საწვავის ავზიდან, ან  თხევადი ფრაქციის ავზიდან (იმ შემთხვევაში თუ კკრ მუშაობდა, გაჩერდა და  ხელახლა  იწყებს მუშაობას, ისე რომ თხევადი ფრაქციის ავზში საწვავის მარაგი არის).

 თუ ტემპერატურა  წვის კამერაში აღწევს ნომინალურს, რომლის მნიშვნელობასაც  მართვის პულტიდან მიღებული  დავალების მიხედვით აყენებს ოპერატორი, ან კომპიუტერი,  სანთურა გამოირთვება და გადადის  მომლოდინე რეჟიმში, ანთია მხოლოდ  პატრუქი.

 

 როდესაც  კკრ-ის შიგა მოცულობაში  ჩამონტაჟებული  სენსორი დააფიქსირებს  ტექნოლოგიური რეგლამენტით გათვალისწინებულ ტემპერატურას,  ავტომატურად ირთვება როტორი, რომელიც იწყებს ბრუნვას,  რეგლამენტით გათვალისწინებული  ბრუნთა რიცხვით.   როტორის ამოძრავების შემდეგ,   კკრ მზადაა ნედლეულის მისაღებად. როტორის ჩართვა შეუძლებელია  კატალიზატორის დნობის ტემპერატურაზე უფრო დაბალ ტემპერატურაზე.

ნახევრად კოქსის გამომყრელი შნეკური მკვებავიდან,   კკრ-ში წარმოქმნილი გაზების  გაჟონვის თავიდან ასაცილებლად, სასტარტო რეჟიმში შნეკის ცხვირი იხურება სპეციალური დამხშობით,  როდესაც შნეკში დაგროვდება ნახევრად კოქსის საკმარისი რაოდენობა,  იგი მიაწვება დამხშობს  და  გამოაგდებს მას შნეკის მილიდან.   მუშა რეჟიმში  შნეკის  მილის  ჰერმეტულობას  უზრუნველყოფს  კოქსის  „საცობი“.

 

 კკრ-ში მიმდინარე  ძირითადი  ქიმიური რეაქციები მოცემულია ცხრილში 1.  პროცესის პარამეტრების: წნევის, ტემპერატურისა და  გარედან მიწოდებული წყლის ოერთქლის  რაოდენობის დარეგულირება უნდა მოხდეს ისე, რომ მაქსიმალური გამოსავალი  ჰქონდეს წყალბადის წარმომქმნელ რეაქციებს  და  მაქსიმალურად  იქნას   ათვისებული  ნედლეულში შემავალი ჟანგბადი, რომელიც (6), (7), (9), (10) და (11) რეაქციების  საფუძველზე  უზრუნველყოფს   (1), (5) და (8)  წყალბად წარმომქმნელი  ენდოთერმული რეაქციებისათვის საჭირო სითბოს ნაწილის მიღებას.  აღნიშნული მოთხოვნების რეალიზაციას  ხელს უწყობს წყლის ორთქლის  რაოდენობის გაზრდა  კკრ-ის  შიგა მოცულობაში  გარკვეულ ზღვრამდე და   პროცესის დაბალი წნევა.  550°C- დან დაწყებული, ძალიან დიდია ზემოთ ჩამოთვლილი ჟანგვის რეაქციების წონასწორობის მუდმივები (რაც იმას ნიშნავს რომ,   სარეაქციო მოცულობაში ჟანგბადის კონცენტრაცია თითქმის ნულის ტოლია).

 

 დანართში2  აღწერილია  კკრ-ში მიმდინარე პროცესების თვისობრივი ხასიათი და ნაჩვენებია რომ,  წყლის  ორთქლის კონცენტრაციის ზრდა რეაქტორში  ზრდის წყალბადის კონცენტრაციას მხოლოდ გარკვეულ ზღვრულ მნიშვნელობამდე და მუშა ტემპერატურებზე მნიშვნელოვნად ზრდის ნახშირჟანგისა და ნახშირორჟანგის კონცენტრაციებს. ამიტომ, ნედლეულის ტენიანობას  აქვს გადამწყვეტი მნიშვნელობა ტექნოლოგიური პროცესის ოპტიმალურ რეჟიმში წარმართვისათვის არა მარტო ენერგიის დანაკარგის (შესაბამისად ნახშირბადის დანაკარგის) თვალსაზრისით, არამედ, წყალბადის გამოსავლის მიხედვითაც.

ცხრილი1 .  გაზიფიკაციისა და მეთანირების რეაქციები, მათი ენერგეტიკული ეფექტი და  წონასწორობის კონსტანტების 

დამოკიდებულება  ტემპერატურაზე

 კკრ-ის დარეგულირება და ოპტიმალურ რეჟიმში გაყვანა  მოხდება თითოეული ნედლეულისათვისუშუალოდ საწარმოო პროცესში,   რეაქტორის პარამეტრების ვარირების გზით  მიღებული  ემპირიული მონაცემების საფუძველზე.

მიახლოებით შეიძლება შეფასდეს ის ენერგია და ნახშირბადის შესაბამისი დანაკარგი, რომელიც აუცილებელი იქნება  კკრ-ის მუშაობისათვის. წვად მასაში  შემავალი ჟანგბადი შეიძლება განვიხილოთ როგორც თავისუფალი,  რომელსაც შეუძლია  ჟანგვის პროცესებში მონაწილეობა. როგორც ცხრილი2-დან ჩანს,   ჟანგვის რეაქციების  ენერგეტიკული ეფექტი საშუალოდ (450  500) კჯ/მოლ(O2)- ის ტოლია.  ნახშირში შემავალი მთელი ჟანგბადის დაწვის შედეგად გამოყოფილი სითბური სიმძლავრე QRCO  (ვტ) მიახლოებით იქნება:

                               QRCO ≈ 1.5 × 106 mO GRC                                                 (2.1)

სითბური სიმძლავრე  QRCW (ვტ), რომელიც უნდა დაიხარჯოს ნედლეულში შემავალი წყლის ასაორთქლებლად ტოლია /წყლის ორთქლად ქცევის კუთრი სითბო იხ. 4/:

                                 QRCW ≈ 2.5× 106 mW GRC                                                      (2.2)

სითბური სიმძლავრე QRC  (ვტ), რომელიც საჭიროა CRC (ჯ/(კგ.გრად)) სითბოტევადობის მქონე ნედლეული ნახშირის გასახურებლად ატმოსფეროს T0 (°C) ტემპერატურიდან რეაქტორის ტემპერატურამდე TKR (°C) , შეიძლება განვსაზღვროთ ტოლობით:

                                    QRC  =  GRC CRC (TKR - T0)                                                  (2.3)

თხევადი ფრაქციის რეაქტორში დაბრუნებული ნაწილის GRV (კგ/წმ) კრეკინგისათვის დახარჯული სითბური სიმძლავრე QKR (ვტ)  იქნება: 

                                         QKR = qKR  GRV                                                                    (2.4)    

კრეკინგის კუთრი სითბოს qKR (ჯ/კგ) მიახლოებითი  მნიშვნელობა   ტოლია 800 კკალ/კგ = 3.3×106  (ჯ/კგ)  (იხ. მაგალითად /5/).      თხევადი ფრაქციის  ნაწილი ΔGRV  (კგ/წმ), რომელიც იწვება კკრ-ის ენერგო უზრუნველყოფისათვის, განისაზღვრება სითბური ბალანსის განტოლებიდან  (2. 1 - 2.4)  ფორმულების გამოყენებით.  დაშვებით რომ,  თხევადი ფრაქციის წვის კუთრი სითბო qRV = 35(მჯ/კგ) /1/,   მიიღება:

               ΔGRV/GRC  = 0,02 + 0,07mW +  0,09mV - 0,04mO                     (2.5)

კკრ-ში დროის ერთეულში გადამუშავებული ნახშირის რაოდენობა განისაზღვრება კატალიზატორთან კონტაქტის დროით, რომელსაც თავის მხრივ განსაზღვრავს  როტორის ბრუნთა რიცხვი.  თუ ნედლეულის სფერული მარცვლის რადიუსია rRC (მ), სიმკვრივე  ρRC (კგ/მ3) ,   T(°C) -ტემპერატურა დროის  ნებისმიერ  t (წმ)  მომენტში,  ხოლო სითბოგადაცემის კოეფიციენტი თხევად  კატალიზატორიდან  მარცვლის ზედაპირისათვის σRC (ვტ/(მ.გრად)), მაშინ სამართლიანია მიახლოებითი ტოლობა/6/:

                                                                                 (2.6)

(2.6)-გამოყვანისას იგულისხმება რომ,  სითბოს გადაცემის კოეფიციენტი კატალიზატორიდან  მარცვლისათვის გაცილებით მცირეა  ვიდრე  მარცვლის შიგნით  სითბოგადაცემის კოეფიციენტი. აღნიშნული ახლოსაა სინამდვილესთან იმის გათვალისწინებით რომ,   რეაქციის პროცესში მარცვლის გარშემო არსებობს გაზის   გარსი, რომელსაც ორი რიგით მცირე სითბოგამტარობა აქვს  ვიდრე მყარ სხეულს.      დრო რომლის გასვლის შემდეგაც  მარცვლის   ცენტრის ტემპერატურა  გაუთანაბრდება გარემომცველი კატალიზატორის ტემპერატურას  ტოლია:

                                                                                                     (2.7)   

დრო რომელსაც როტორი მოანდომებს კატალიზატორის  მოცულობის გავლას,   მეტი უნდა იყოს  (2.7) ფორმულით განსაზღვრულ დროზე, რაც ბრუნთა რიცხვის n (ბრ/წმ) საშუალებით გამოისახება ფორმულით:

                                                                                                     (2.8)

 (2.7) და (2.8) ფორმულებში   - ნახშირის სითბოგამტარობის კოეფიციენტია (ვტ/(მ.გრად)), ხოლო φ -კუთხე რომლითაც როტორის ჯიბეების შემომსაზღვრელი წრეწირის ფარგლებში,  კატალიზატორის ზედაპირი ჩანს როტორის ღერძის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში  (რად).

კკრ-ის წარმადობა (კგ/წმ) განისაზღვრება ფორმულით:

                                CRC = ψKVL n ρRC                                                           (2.9)

სადაც:  ψ  ჯიბეების რიცხვია,  K≈0.5 ჯიბის შევსების კოეფიციენტი,  VL  ჯიბის მოცულობა (მ3)

ცხრილი 3.    კატალიზური კრეკინგის რეაქტორის გაანგარიშება 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2.3  კატალიზური კრეკინგის რეაქტორის წვის კამერა    

     

 

 კკრ-ის მუშა ტემპერატურა  600 °C -ის ფარგლებშია. ცხადია, იმისათვის რომ მოხდეს წვის კამერიდან მისთვის სითბოს გადაცემა,  საჭიროა წვის კამერაში  ტემპერატურა იყოს  უფრო მაღალი. რაც უფრო მცირე იქნება ტემპერატურათა  სხვაობა  წვის კამერასა და კკრ-ს შორის,  მით უფრო დიდი სითბოგადაცემის ზედაპირი და მ.შ. გემეტრიული ზომები  უნდა ჰქონდეს  წვის კამერას. მეორეს მხრივ,  წვის კამერის მაღალი ტემპერატურის დროს,  მაღალია  წვის  კამერიდან  გამოსული ნამწვი გაზების ტემპერატურა და შესაბამისად მცირეა წვის კამერის  სითბური მარგი ქმედების კოეფიციენტი.  მქკ -ს გაზრდის მიზნით,   ტექნოლოგიურ სქემაში  გამოიყენება  რეგენერატორული  თბომცვლელი, რომელშიც  ნამწვი გაზები  სითბოს გადასცემენ  წვის კამერაში მიწოდებულ ჰაერს. იმის გამო რომ, რეგენერატორული თბომცვლელი მუშაობს მაღალ ტემპერატურაზე,  მისი კონსტრუქცია უნდა შეესაბამებოდეს  შესაბამის სტანდარტებს.  როგორც  ნამწვი გაზები, ასევე  ჰაერიც,  მაღალ ტემპერატურებზე საკმაოდ აგრესიული  ნივთიერებებია  ჩვეულებრივი  ფოლადების მიმართ. ამიტომ,  რეგენერატორული თბომცვლელი  უნდა დამზადდეს  ლეგირებული  თბომედეგი  ფოლადისაგან.

წვის კამერის სითბური სიმძლავრის  ცნობილი სიდიდის  მიხედვით, ჰაერის საჭირო ნაკადი განისაზღვრება ფორმულით: 

                                    GA  ≈                                                            (2.10)

( 2.10) ფორმულაში დაშვებულია რომ, ნამწვი გაზების  მასური სიჩქარე დაახლოებით ჰაერის მასური სიჩქარის ტოლია (იხ. დანართი3). მასში  GA  ჰაერის მასური სიჩქარეა (კგ/წმ),  - ჰაერის საშუალო სითბოტევადობა (ჯ/(კგ.გრად)) წვის კამერის  ტემპერატურასა    (°C) და  ნამწვი გაზების წვის კამერიდან გამოსვლის   (°C) ტემპერატურას შორის. კკრ -ის და  მისი წვის კამერის ტემპერატურები   მუშა მდგომარეობაში მუდმივია და თითქმის არ იცვლება -  კკრ ტემპერატურა TKR = 600(°C),  ხოლო წვის კამერის ტემპერატურა   = 1000(°C). სითბოგადაცემის კოეფიციენტის αKR  (ვტ/(მ2.გრად)) მიახლოებითი მნიშვნელობა შეიძლება ავიღოთ /7/ -დან :  αKR  = 240 (ვტ/(მ2.გრად)),  მაშინ კკრ-ის სითბოს მიმღები ზედაპირის ფართობისთვის  მიიღება:

                       4 (მ2)

ნამწვი გაზების  სითბოს  და წვის კამერაში შემავალი ჰაერის გასაცხელებლად გამოიყენება ორი პარალელურად ჩართული რეგენერატორი, რომლებიც წარმოადგენენ   ვერტიკალურ, წყობილით ამოვსებულ მოცულობებს. წვის  კამერიდან  გამოსული ნამწვი გაზები აცხელებენ   ერთერთი  რეგენერატორის წყობილს, ისე რომ  რეგენერატორის შესასვლელში  წყობილისტემპერატურა თითქმის უტოლდება  ნამწვი გაზების ტემპერატურას, ხოლო გამოსასვლელში ის ოდნავ მეტია შემავალი ჰაერის ტემპერატურაზე.  რეგენერატორის  შესასვლელიდან გამოსასვლელისკენ თანდათან ვრცელდება მაღალი ტემპერატურის ფრონტი და  იზრდება რეგენერატორის გამოსასვლელში მოთავსებული წყობილის ტემპერატურა და მ.შ.  რეგენერატორიდან  გამოსული ნამწვი გაზების  ტემპერატურაც. მით უფრო დიდია  რეგენერატორის მქკ რაც უფრო დიდია  ტემპერატურების სხვაობა რეგენერატორის  შესასვლელსა და გამოსასვლელს  შორის.  როდესაც ერთ  რეგენერატორში  აკუმულირდება  განსაზღვრული სითბოს რაოდენობა, მასში ნამწვი გაზების მიწოდება წყდება და გადაირთვება მეორე რეგენერატორზე,  რომელშიც  იწყება ნამწვი გაზების სითბოს აკუმულირება, პირველ რეგენერატორში ჩაირთვება  ჰაერის მიწოდება ნამწვი გაზების უკუმიმართულებით - გასასვლელიდან შესასვლელისაკენ. გამოსულ ჰაერს თითქმის იგივე ტემპერატურა ექნება  რაც ნამწვ გაზებს ჰქონდათ შესასვლელში. ამიტომ წვის კამერის მქკ  ახლოს იქნება 100%-თან.

რეგენერატორის გასაანგარიშებლად   აუცილებელია სითბოგადაცემის კოეფიციენტის ცოდნა  ნამწვ გაზებსა და წყობილს შორის, აგრეთვე ჰაერსა და წყობილს შორის. რადგან ნამწვ გაზებსა და  ჰაერს  თითქმის ერთნაირი ფიზიკური პარამეტრები აქვთ (იხ. დანართი 3), საკმარისია რეგენერატორის მხოლოდ ნახევარ პერიოდის გაანგარიშება, როდესაც  მასში ნამწვი გაზები გაედინებიან  „ფიქტიური“ ,  მთელი განიკვეთის ფართობზე გადაანგარიშებული სიჩქარით  v (მ/წმ)                                                 

                                               v =                                                     (2.11)

(2.11) ფორმულაში    (კგ/მ3) ნამწვი გაზების  სიმკვრივეა საშუალო ტემპერატურაზე: (TA1 + TA2)/2,    SR  =  πD2/4   რეგენერატორის განიკვეთის ფართობი. რეგენერატორში მოთავსებული  წყობილის ექვივალენტური დიამეტრი  ავღნიშნოთ dR (მ) , ხოლო   წყობილის ზედაპირის ფართობი მოცულობის ერთეულში βR  (მ2/მ3),  წყობილის ნაყარი სიმკვრივე  ρR    (კგ/მ3).                                             

წყობილისთვის ნამწვი გაზებიდან სითბოგადაცემის კოეფიციენტი   (ვტ/(მ2.გრად))  ანისაზღვრება ნუსელტის კრიტერიუმით Nu და რეინოლდსის რიცხვით    /8/: Nu       სადაც                               (2.12)

ნამწვი გაზების  სიბლანტე     (კგ/(მ.წმ))   და  სითბოგამტარობის კოეფიციენტი    (ვტ/(მ.გრად))   უნდა განისაზღვროს გაზის საშუალო ტემპერატურაზე. სითბური ბალანსის განტოლებიდან  მიიღება ტოლობა, რომელიც წყობილის მოცულობას აკავშირებს   ნამწვი გაზების  მასურ სიჩქარესთან:  (2.13)

qvanaxshiri.png
coal 2.png
coal 3.png
coal 4.png
coal 5.png
coal 6.png
coal 7.png
coal 8.png

 რეგენერაციის პერიოდის გაზრდა შესაძლებელია  რეგენერატორის სიმაღლის გაზრდით, ცხრილში 4 მიღებული მნიშვნელობა ის მინიმალური სიმაღლეა, რომელიც აუცილებელია  იმისთვის, რომ  რეგენერატორის  ნამწვი გაზების შესვლის მხრიდან იყოს მათი მაქსიმალური ტემპერატურა, ხოლო გამოსვლის მხრიდან ატმოსფეროზე 50°C -ით მეტი ტემპერატურა.  რეგენერატორის  მინიმალურზე მეტი სიმაღლის  შესაბამის მოცულობაში  მოხდება  სითბოს აკუმულირება  ნამწვი გაზების მაქსიმალურ ტემპერატურაზე. აკუმულირებული სითბო გადაეცემა რეგენერატორში გამავალ ჰაერს თითქმის სრულად. რეგენერატორში სითბოს დანაკარგი მინიმალურია, ამიტომ  სითბური  მქკ ახლოსაა 100%-თან.

ჰაერისა და ნამწვი გაზების მიმართ  წყობილებიან რეგენერატორს  აქვს გარკვეული ჰიდროდინამიკური წინაღობა,   რომელიც   რაშიგის  კერამიკული  რგოლებისათვის     25 × 25 × 3 (მმ3),  შეიძლება განისაზღვროს /7/-დან,  იქ მოტანილი  ცხრილის III-4 ,  ფორმულის III-49  და  ნახაზის III-4  მიხედვით,  წყობილის ყოველ მეტრზე წნევის დანაკარგი შეადგენს   დაახლოებით   3000 (პა).

 

 

 

                                    2.4.  სკრუბერი

სკრუბერის ძირითადი მახასიათებელია ე.წ.   „მორწყვის ინტენსივობა“,    რომელიც წარმოადგენს  ფართობის  ერთეულზე  მოსულ ხსნარის მოცულობით სიჩქარეს. როგორც ემპირიული მონაცემებიდან არის ცნობილი /10/, /11/,  გამწმენდ  სკრუბერებში  ოპტიმალური  მორწყვის ინტენსივობა  4 - 10  მ3/(მ2. სთ), ხოლო გაზის ხაზოვანი სიჩქარე  0,04 - 0,1 მ/წმ  შეადგენს.  ჩვენ შემთხვევაში  გაზის მოცულობითი სიჩქარე  შეიძლება იყოს სხვა და სხვა, იმის მიხედვით რომელი ნედლეულის  გადამუშავება ხდება.  იმის გამო რომ,  ხაზოვანი სიჩქარის შემცირებით  გაზის გასუფთავების ხარისხი არ უარესდება, სკრუბერის გაანგარიშება უნდა მოხდეს მაქსიმალური მოცულობითი სიჩქარისათვის. როგორც ცნობილია /1/,  გაზის გამოსავალი  ნახშირების ნახევრად კოქსვის დროს არ აღემატება 400 მ3/ტ, ხოლო  ნახშირის მასური სიჩქარე 25 ტ/დღ.ღმ-ზე   ნაკლებია,  შეიძლება დავუშვათ რომ, გაზის საანგარიშო  მოცულობითი  სიჩქარე  შეადგენს  0,116  მ3/წმ.    აქედან გამომდინარე,  სკრუბერის განიკვეთის ფართობი უნდა იყოს:

           SK =   (მ2)  ,  შესაბამისად დიამეტრი იქნება:  DK = 1.9 ( მ )

სკრუბერში,   ტუტის 10%-იანი ხსნარით  ირეცხება ძირითადად  ნახშირორჟანგი და გოგირდწყალბადი. პროტოტიპი  სკრუბერების  მონაცემებიდან გამომდინარე, სკრუბერის სიმაღლე  შეიძლება დავუშვათ  4,8 - 5,0   მეტრი, რაც გაზის სკრუბერში დაყოვნების  დროის მიხედვით შეადგენს  დაახლოებით 120 წმ.

ტუმბოს წარმადობა  სკრუბერის განიკვეთის ფართობიდან გამომდინარე  საჭიროა დაახლოებით 30 მ3  /სთ, ხოლო წნევა   არა უმეტეს 1 ატა . აღნიშნული პარამეტრების  ტუმბოს  ძრავის სიმძლავრე  იქნება დაახლოებით  1 კვტ.

რაც შეეხება გამწმენდ  ხსნარს  ძირითადად გამოიყენება  10% - იანი NaOH ან  KOH ხსნარები,  რომელთა პერიოდული შეცვლაც (ან ჩამატება)  იქნება საჭირო.   ნამუშევარ ხსნარში  წარმოიქმნება  NaHCO3 ან   KHCO3  კრისტალები, რომელთა გამოყოფაც  ხდება ფილტრზე ( ფიგ.1-ზე ნაჩვენები არ არის).  მათი გახურებით 150°C-ზე მიიღება  კალცინირებული სოდა, რომელიც სასაქონლო პროდუქტს წარმოადგენს (თუმცა ტექნოლოგიურ პროცესში მისი რაოდენობა დიდი არ არის - დაახლოებით 1ტ/თვეში).

 

                                 2.5  ადსორბერები

 ტექნოლოგიურ პროცესში ადსორბენტად  გამოიყენება  კლილოპტილოლიტი,  ბუნებრივი  ცეოლიტი, რომელიც დიდი რაოდენობით მოიპოვება საქართველოში და საკმაოდ იაფია.     მასზე კარგად ადსორბირდება  წყლის ორთქლი, ნახშირ და გოგირდ ნაერთები და მძიმე ნახსირწყალბადები.  ძირითადი კომპონენტი, რომელიც ტექნოლოგიურ პროცესში  ადსორბირდება  ცეოლიტზე,   წყლის  ორთქლია.  წყლის ორთქლის  მიხედვით კლილოპტილოლიტის ტევადობა მისი მასის 20%-მდეა.   წყლის ორთქლის  ძირითადი ნაწილი   ტექნოლოგიურ გაზში შეიძლება მოხვდეს  სკრუბერიდან.   ამიტომ ,  წყლის ორთქლის  კონცენტრაცია  გაზში  მისი  ნაჯერი ორთქლის წნევის პროპორციული და ე.ი. ტემპერატურატურაზე დამოკიდებულია.   მუშა პროცესში  სკრუბერში ხსნარის ტემპერატურა  ატმოსფერულის ტოლია.   ადსორბციის სითბო  თბომცვლელში (ფიგ.1 ნაჩვენები არ არის) გადაეცემა  გამციებელ  წყალს,  რომელიც ცირკულირებს    წყლის გამფრქვევსა და  სკრუბერის  თბომცვლელს შორის.

კლილოპტილოლიტის  10 - 20 მმ ზომის ფრაქციის  საშუალო  ნაყარი სიმკვრივე  დაახლოებით  1000 კგ/მ3.  ცეოლიტის ყოველი 1 მ3  მოცულობის  მაქსიმალური ტევადობა ადსორბირებული  წყლის მიმართ იქნება  200  კგ.  გაზში წყლის ორთქლის პარციალური წნევა  20°C (იმ დაშვებით რომ,  ნაჯერია) შეადგენს 0,023 ატ /7/,  სკრუბერის  წნევა კი,  დაახლოებით 1 ატ. აღნიშნულიდან გამომდინარე,  წყლის ორთქლის მოცულობითი კონცენტრაცია იქნება 0,023 ( 2,3%).

მთელი გაზის  მოცულობაში (0,116  მ3/წმ)  წყლის ორთქლის  მოცულობითი წილი იქნება:

     0,116  ×  0.023 ≈ 0.003 (მ3/წმ) ,

 ხოლო მას. სიჩქარე: 0.003(მ3/წმ)  × 0.03 (კგ/მ3)=  9 × 10-5 (კგ/წმ) » 8 (კგ/დღ)

მიღებული შედეგიდან გამომდინარე,  ადსორბერის 1 მ3 მოცულობის    რეგენერაციამდე პერიოდი შეადგენს  25 დღეს.  

ადსორბერის დიამეტრის განსასაზღვრად  გაზის ფიქტიურ სიჩქარედ მივიღოთ 0.1 (მ/წმ) /10; 11/ , შესაბამისად ადსორბერის განიკვეთის ფართობი იქნება: 1,16 (მ2), ხოლო დიამეტრი 1,22 (მ). ადსორბერის სიმაღლედ მივიღოთ 3 (მ) , რაც რეგეგენერაციამდელი პერიოდის -2,5 თვის ექვივალენტურია. 

ადსორბენტის რეგენერაცია განხორციელდება  ადსორბციის რეაქტორის გარეთ, ამიტომ მის კონსტრუქციაში გათვალისწინებულია  ადსორბენტის ჩაყრა - გამოყრის მოხერხებული  და ნაკლებად შრომა ტევადი  სისტემა.  ერთერთ ვარიანტში, ნამუშევარი ადსორბენტი შეიძლება გამოყენებული იქნეს როგორც  ნიადაგის დანამატი  სასოფლო -სამეურნეო კულტურებისათვის, ხოლო ადსორბერში ჩაიტვირთოს ადსორბენტის ახალი პორცია (ნამუშევარი ადსორბენტის რეგენერაცია უფრო ძვირი ჯდება, ვიდრე ახალი პორციის შეძენა).

 

 

 

 

 

 

            3. ნახევრად კოქსის  დაფქვა  და სუსპენზიის მომზადება

კკრ-დან გამოყოფის  შემდეგ ნახევრად კოქსი (როგორც ფიგ. 1-ზე ნაჩვენები)  შნეკური მკვებავის საშუალებით მიეწოდება სველად დაფქვის წისქვილს. სველი დაფქვა აუცილებელია ნახშირის წვრილი მტვრის წარმოქმნის შედგად  აფეთქების თავიდან ასაცილებლად. სველი დაფქვა შეიძლება განხორციელდეს სხვა და სხვა ტიპის წისქვილებში, როგორიცაა: ბურთულებიანი,  ჩაქუჩებიანი , კონუსური და ა.შ.  ნედლეული  ნახშირის მარცვლების ზომა,   რომელიც დაქუცმაცების  შემდეგ არ იქნება 5 მმ-ზე მეტი,  კკრ-ში ზომებით არ იზრდება, არამედ კიდევ უფრო მცირდება რადგან,   ფორიანობის გაზრდის გამო მისი სიმტკიცე  მცირდება და იმსხვრევა.

სუსპენზიის მომზადების პროცესში წყლის რაოდენობას განსაზღვრავს ტუმბო, რომელმაც სუსპენზია უნდა  დაჭირხნოს სინთეზის რეაქტორის წნევაზე უფრო მეტ წნევამდე.  წყლის დიდი რაოდენობა სუსპენზიის მოსამზადებლად , დაკავშირებულია ენერგიის ფუჭ ხარჯვასთან  რადგან,  სინთეზის პროცესში წყალი არ მონაწილეობს. ოპტიმალურად  უნდა მივიღოთ  წყლის  ის რაოდენობა, რომელიც ტოლია ელექტროლიზერში მოხმარებული წყლის რაოდენობისა.  ოპტიმალური  რაოდენობის წყლის შეფარდება  ნახვრადკოქსის მასასთან  (1.7)  ფორმულის გამოყენებით  განისაზღვრება ტოლობიდან:

                                       mWopt =                           (3.1)


   სადაც:  mK ნახევრადკოქსის ერთეულ მასაზე მოსული კატალიზატორის მასაა (კგ/კგ).                 რიცხვითი მნიშვნელობების შეტანით ცხრილიდან 1,    (3.1) ფორმულაში, მივიღებთ რომ წყლის რაოდენობის ოპტიმალური მნიშვნელობა დაახლოებით 1,5-ჯერ მეტია,   სუსპენზიის მოსამზადებლად საჭირო წყლის რაოდენობაზე.

     

 

 

                                           3.1  ნახევრად კოქსის დაფქვა

ნახევრად კოქსის დაფქვა   საჭიროა  10 მკმ -ზე უფრო წვრილად, რადგან  მეთანირების რეაქცია ძალიან ნელია და მისი გამოსავალი  დროის ერთეულში წნევასა და ტემპერატურასთან ერთად,   მორეაგირე ნივთიერებების  კონტაქტის ზედაპირის  ფართობის პროპორციულიცაა.

დაფქვის  მეთოდებს შორის: დარტყმა,  გასრესა,  გახურება და  გახეხვა,  ზეწმინდა დაფქვისათვის ძირითადად გამოიყენება   გასრესა და გახეხვა. ორივე ამ პროცესს ახორციელებენ წყალში,  მტვრის წარმოქმნისა და დაფქვილი ნაწილაკების აგლომერაციის   გამოსარიცხად.  ზოგადად,  დაფქვის პროცესი   ენერგოტევადია,  განასაკუთრებით გახურება  და გახეხვა.  მსხვილ ნაწილაკებს ჯერ  გასრესით, დარტყმითა და  გახურებით  აქუცმაცებენ  20 - 50  მმ-მდე, ხოლო შემდეგ  იმავე მეთოდებით 1მმ-ზე უფრო  მეტად და სულ ბოლოს,  ზეწმინდად-  10 მკმ  -ზე  უფრო ნაკლები ზომის ნაწილაკებად. დაფქვაზე დახარჯული ენერგია  პროპორციულია  ნაწილაკების საწყისი და საბოლოო ზომების შეფარდებისა.  გარდა ამისა,  დაფქვის სხვა და სხვა პროცესების მქკ  ძლიერ განსხვავდება ერთმანეთისაგან.   ყველაზე დიდი მარგი ქმედების კოეფიციენტი  აქვთ  გასრესის, გახეხვის პროცესებს. ამიტომ, სადაც ამ მეთოდების გამოყენებაა შესაძლებელი პირველ რიგში მათ იყენებენ.   ენერგიის მცირე დანაკარგებით ხდება დაფქვა ჩაქუჩებიან წისქვილშიც, მაგრამ ნახშირისათვის მისი გამოყენება  არ არის   დასაშვები რადგანაც,  დარტყმით   დაფქვის დროს, წარმოიქმნება  ზეწმინდა ფრაქციაც,  რომელმაც ჰაერთან ნარევში შეიძლება ფეთქებად საშიშ კონცენტრაციას მიაღწიოს.      

ნახევრად კოქსის დაფქვა ტექნოლოგიურ პროცესში  შესაძლებელია   ვიბრო წისქვილით, რომელსაც მართალია მცირე წარმადობა აქვს,  მაგრამ საკმაოდ ერთგვაროვან,  ზეწმინდა ფრაქციას იძლევა. ამ შემთხვევაში,  სუსპენზიის წნევის გაზრდა  და გადაქაჩვა საშრობში განხორციელდება პლუნჟერული ტუმბოთი.

მეორე ვარიანტი, რომელიც შეიძლება ნახევრად კოქსის დასაფქვავად   გამოვიყენოთ არის კოლოიდური წისქვილით  დაფქვა. იგი ხორციელდება  უძრავ სტატორსა და დიდი სიჩქარით  მბრუნავ  როტორს შორის, როდესაც როტორსა და სტატორს შორის  ღრეჩო 0,5 მმ-ზე ნაკლებია.  როტორის ხაზოვანი სიჩქარე 100 მ/წმ-ზე მეტია.  როტორის ასეთი სიჩქარით ბრუნვისას,  ნაწილაკებიც  იწყებენ საკუთარი ღერძის მიმართ ბრუნვას იმდენად  დიდი სიჩქარით რომ იმსხვრევიან.                 

კოლოიდური  წისქვილით დაფქვა,  ტექნიკურად  შეიძლება შეუთავსდეს  სუსპენზიის  წნევის  შექმნასაც.   მართლაც, როტორის ბრუნვით შექმნილი   წყლის   დინამიური წნევა  ტოლია:        

                                    » (ატმ)

თუ როტორი ერთდროულად  ცენტრიდანულ ტუმბოს მუშა თვალიც იქნება, დაფქვასთან ერთად  მიიღება  სუსპენზიის წნევაც.  ცენტრიდანულ ტუმბოებში სითხის მბრუნვის ენერგიის გარდაქმნა  სტატიკურ წნევად  ხორციელდება კოეფიციენტით არა უმცირეს 0,6 - 0,8, რაც   როტორის კონსტრუქციის სწორად შერჩევის  შემთხვევაში სუსპენზიის წნევის  (30 - 40)ატ  ექვივალენტურია.

ტექნოლოგიურ პროცესში გამოიყენება  კოლოიდური წისქვილი  რომლის წარმადობაა 2,0 ტ-მდე  ნახევრად კოქსი საათში , ჰომოგენიზატორი წარმადობით  4,5 მ3/სთ და პლუნჟერული ტუმბო წარმადობით  2 ტ  სუსპენზია  საათში.            

                                     4.   წყალბადის    მიღება

ტექნოლოგიურ პროცესში   წყალბადის  დეფიციტის  შესავსებად  გამოიყენება მაღალსიხშირული რეზონანსული ელექტროლიზის  მეთოდი (მსრე) /12/ .  მისი შინაარსი მდგომარეობს  ელექტროლიზის  გამომწვევ  მუდმივ  ძაბვასთან   ერთად,  მაღალ სიხშირული ელექტრული ველის გამოყენებაში, რომლის სიხშირეც  წყლის მოლეკულის როგორც ელექტრული დიპოლის  საკუთარი სიხშირის  რომელიმე ჰარმონიკის ტოლია. განასხვავებენ  წყლის მოლეკულაში წყალბადის ატომის რხევის საკუთარ სიხშირეს ჟანგბადის ატომის მიმართ - 9,735 ×1011(ჰც)  და  ჟანგბადის ატომის რხევის საკუთარ სიხშირეს წყალბადის ატომის მიმართ - 6,135×1010 (ჰც).  როდესაც აღნიშნული სიხშირეების რომელიმე  მოდა ემთხვევა გარეშე ცვლადი ელექტრული ველის სიხშირეს,  რეზონანსის გამო,  კავშირი წყალბადის იონებსა  და ჟანგბადის იონს შორის   სუსტდება, რის შედეგადაც  წყლის მოლეკულა იშლება წყალბადად და ჟანგბადად,    რომლებიც ცალკ-ცალკე ელექტროდებზე გამოიყოფა.  /12/  -ის ავტორების  თანახმად, ისინი  გამოყოფდნენ  რეზონანსული სიხშირეების რამდენიმე  მოდას, რომლებზეც იკვლევდნენ  წყლის დაშლის ეფექტურობას. აღმოჩნდა რომ,  ჟანგბადის ატომის რეზონანსული სიხშირის ჰარმონიკები  ნაკლებად ეფექტურია მაშინ, როდესაც  წყალბადის ატომის  რეზონანსული სიხშირის  მემილიონე რიგის ჰარმონიკებზე მიიღებოდა  სრულიად ცალსახა შედეგები, რომელთა მიხედვითაც 1კგ წყალბადის მიღებაზე დახარჯული ელექტროენერგია შეადგენდა  დაახლოებით  12 კვტ-სთ.

მიუხედავად იმისა რომ,  /12/ -ში გამოთქმული  ზოგიეთი მოსაზრების ფიზიკური შინაარსი სადაოა,   ჩვენს მიერ ჩატარებული   ექსპერიმენტებით მიღებული შედეგები  ადასტურებენ  მაღალ სიხშირული რეზონანსული ელექტროლიზის  ეფექტურობას. 

        

        

                            4.1 ელექტროლიზერის გაანგარიშება.

მაღალსიხშირული რეზონანსული  ელექტროლიზერის  სქემა  მოცემულია ფიგ. 5.  იგი შედგება  უჟანგავი ფოლადის   პარალელური რამდენიმე ფირფიტისაგან (სქემაზე ნაჩვენებია 4 ფირფიტა),  რომლებიც მოთავსებულია დიელექტრიკის  კორპუსის  შიგნით.  ფირფიტები ერთის გამოტოვებით,   წყვილ -წყვილად შეერთებულია   მაღალ სიხშირული დენის წყაროსთან  ნახევარგამტარული,  მაღალ სიხშირული დიოდის საშუალებით ისე, რომ ფირფიტებზე ძაბვის პოლარობა არ იცვლება.

 სწორედ ეს ფირფიტები წარმოადგენენ  მუშა ელექტროდებს, რომლებზედაც ხდება გაზების, წყალბადისა და ჟანგბადის გამოყოფა. მუშა ელექტროდების პარალელურად,  კორპუსის გარედან დამონტაჟებულია  გარეშე ველის ორი ელექტროდი, რომლებზედაც მოდებულია მაღალი სიხშირის ცვლადი ელექტრული ველი.

მუშა ელექტროდების  პერპენდიკულარულად,   კორპუსის ორივე მხარეს  დამონტაჟებულია  მუდმივი მაგნიტის  ჩრდილოეთ და სამხრეთ პოლუსები.  გარეშე  ცვლადი ელექტრული  ველის და მაგნიტური ველის ძალწირები ურთიერთ პერპენდიკულარულია.

კორპუსში,  მუშა  ელექტროდების პარალელურ სიბრტყეში, კორპუსის კედლებზე მიმაგრებულია  დიელექტრიკის  ფირფიტები,  რომელთა საშუალებითაც ხდება წყალბადისა და ჟანგბადის დაცალკევება   ერთმანეთისაგან.    კორპუსი  მჭიდროდ იხურება დიელექტრიკისავე   სახურავით  ისე,  რომ   გამყოფი  ფირფიტების  ორივე მხარეს მოთავსებული მოცულობები ერთმანეთისაგან დამოუკიდებელია.  

მუშა ელექტროდები ფსკერამდე არ ეშვება რის გამოც,  მათი მოცულობები  ერთმანეთთან  ჰიდრავლიკურად დაკავშირებულია.  წნევა და  წყლის დონე ყველა ელექტროდის მოცულობაში ერთნაირია.

ელექტროლიზერში წყლის მიწოდება ხდება დონის ავტომატური რეგულიატორით.  პროდუქციული გაზები  გამოიყოფა  1 ატა -ზე  ოდნავ მაღალი წნევით. გამოყოფილი    ჟანგბადი გაიტყორცნება ატმოსფეროში, ხოლო წყალბადი  მიეწოდება  კომპრესორის ბუფერულ მოცულობას, საიდანაც კომპრესორის საშუალებით იჭირხნება სინთეზის რეაქტორში.

როგორც ცდებით დადგინდა:

        1. ელექტროლიზის პროდუქციული  გამოსავალი   ელექტროდების ფართობის პროპორციულად იცვლება (ისევე როგორც მუდმივი დენით ელექტროლიზის დროს).

2. მუშა ელექტროდებზე  ცვლადი ძაბვის  მოდების დროს,  ელექტროლიზის პროდუქციული გამოსავალი  ელექტროდებს შორის მანძილზე პრაქტიკულად არ არის დამოკიდებული, განსხვავებით მუდმივი დენით ელექტროლიზისაგან, როდესაც  ელექტროლიზის პროდუქციული გამოსავალი  ელექტროდებს შორის მანძილის უკუპროპორციულია.

3. ელექტროლიზის გამოსავალი  პრაქტიკულად არ იცვლება მაგნიტური  ველის სიხშირის ცვლილებით და ცვლადი გარეშე  ძაბვის  გამოყენებული  სიხშირეების მთელ  დიაპაზონში დაახლოებით 1,3-ჯერ აღემატება ნულოვანი მაგნიტური ველის დროს მიღებულ გამოსავალს.

4. გარეშე ცვლადი ძაბვის  რეზონანსული სიხშირის ჰარმონიკების ტოლი მნიშვნელობის დროს, ელექტროლიზის გამოსავალი  გარეშე ძაბვის ამპლიტუდის პროპორციულია  რაღაც ზღვრულ მნიშვნელობამდე, რომლის ზემოთაც  გარეშე ძაბვის ამპლიტუდის ცვლილება ელექტროლიზის გამოსავალს არ ცვლის.  გარეშე ცვლადი ძაბვის  ამპლიტუდის ზღვრული მნიშვნელობა  სუსტად არის დამოკიდებული სიხშირეზე  და  უკუპროპორციულად დამოკიდებულია  ელექტროლიზერის  სიგრძეზე მუშა ელექტროდების  პერპენდიკულარული მიმართულებით.

ტექნოლოგიურ პროცესში გამოიყენება ბიპოლარული ელექტროლიზერი,  რომელიც შედგება χ ცალი,  პარალელური,  უჟანგავი ფოლადის ფირფიტისაგან, რომელთა შორისაც დამონტაჟებულია  ვინიპლასტის  5 მმ-იანი ფირფიტები.  კორპუსი წარმოადგენს ფოლადის,  შიგნიდან ვინიპლასტის 5 მმ-იიანი ფურცლებით ამოგებულ კონსტრუქციას, რომელიც  ზემოდან  დახურულია  რეზინით შემჭიდროებული  ვინიპლასტის 16 მმ-იანი ფურცლით.

ცხრილი 5 . ელექტროლიზერის გაანგარიშება

4.2  წყალბადის ალტერნატიური წყარო ტექნოლოგიურ პროცესში

სინთეზური  მეთანის წარმოების ერთერთი მთავარი პრობლემა წყალბადის  საჭირო რაოდენობით მიღებაა.   მეთანი  ნახშირბადის მასის ერთეულზე,   ყველა ნახშირწყალბადებს შორის ყველაზე დიდი რაოდენობით შეიცავს წყალბადს.  როგორც ზემოთ იყო აღნიშნული, წყალბადის გარკვეული რაოდენობა შედის თვით ნედლეულ ნახშირში დანარჩენი წყალბადი ტექნოლოგიურ პროცესს  უნდა  მიეწოდოს გარედან. არსებობს წყალბადის გარედან მიწოდების რამდენიმე შესაძლებლობა:

1.  გამომუშავება  ნახშირბადის ნაწილის დაკარგვის ხარჯზე.     ამ შემთხვევაში 

ნახშირბადის კუთრი  დანაკარგი Δmc (კგ/კგ) გამოითვლება ფორმულით:

                                                                                                   (4.1)            

როგორც (4.1) -დან  ჩანს  წყალბადის   მიღებაზე ნახშირბადის კუთრი დანაკარგი მით უფრო დიდია, რაც უფრო მაღალი ხარისხისაა ნახშირი, ამიტომ ეს მეთოდი გამოდგება მხოლოდ მაღალ ნაცრიანი,  დაბალი ხარისხის ნახშირებისათვის.    

2. ნახშირთან ერთად ისეთი   ნედლეული დანამატის გამოყენება, რომელიც დიდი რაოდენობით შეიცავს წყალბადს. მაგალითად, რეზინის ნარჩენები,  ნავთობის ნარჩენები, ნამუშევარი ზეთები და სხვა.

3. მეთანის  მწარმოებელი ქარხნის შეთავსება იაფი დენის წყაროსთან. მაგალითად, ჰიდროელექტროსადგურის  განსატვირთად,   ელექტროენერგიის მოხმარების შემცირების პერიოდში.   

4. წყალბადის მიღება გოგირდწყალბადიდან, რომელსაც დაახლოებით 3-ჯერ უფრო ნაკლები ენერგია სჭირდება ვიდრე  წყლის დაშლას. გოგირდწყალბადის წყაროები მრავლად მოიძებნება საქართველოში.

გარდა ზემოთ აღნიშნულისა, ტექნოლოგიური პროცესის ეკონომიური წარმართვისათვის შესაძლებელია  მეთანის ნაცვლად  ეთანის, პროპანის, ბუტანის, ან მათი ნარევების წარმოება. ასეთ შემთხვევაში ტექნოლოგიურ პროცესში თითქმის არაფერი არ იცვლება  (გარდა კატალიზატორისა) და მნიშვნელოვნად მცირდება წყალბადის ხარჯი.  მაგალითად,  პროპანის მიღებას ჭირდება  1,5-ჯერ ნაკლები წყალბადი, ხოლო ბუტანისას 1,6-ჯერ ნაკლები, ვიდრე მეთანის მიღებისთვის არის საჭირო.

 

 

 

 

 

                                          5.  საშრობი

საშრობის დანიშნულებაა  სუსპენზიიდან წყლის  გამოყოფა და ნახშირის  გამოშრობა  იმ დონემდე, როგორიც საჭიროა  სინთეზის პროცესის წარმართვისათვის.  მნიშვნელოვანია  საშრობის ისეთი კონსტრუქციის  შერჩევა და  გამოყენება, რომელიც წყლის შემცველობის რეგულირების საშუალებას  იძლევა.  ნახშირისა და რკინის ფხვნილის სუსპენზიას პასტის ფორმით,  აქვს  უჟანგავი ფოლადის  კედლებთან სუსტი ადგეზიის  უნარი,  რის გამოც,  მიზანშეწონილია  ისეთი  საშრობის გამოყენება, რომელიც  გამორიცხავს  კედელთან  მყარი მასის   შეცხობას. გარდა ამისა, აუცილებელია  შრობის პროცესი მიმდინარეობდეს არა უმეტეს 300°C ტემპერატურაზე,  რათა  მაქსიმალურად გამოირიცხოს ნახშირის გაზიფიკაცია შრობის პროცესში.

    

 

                                   

                                       5.1  საშრობის  კონსტრუქცია და გაანგარიშება

კონსტრუქციულად საშრობი წარმოადგენს ორსაფეხურიან  თბომცვლელს, რომლის პირველი  საფეხური  მილოვანი თბომცვლელია, რომლის მილების შიგნით მოძრაობს სუსპენზია, ხოლო მილებს შორის სივრცეში  გადახურებული წყლის ორთქლი. საშრობის პირველი  საფეხურის ძირითადი დანიშნულებაა წყლის  ძირითადი ნაწილის  გამოორთქვლა და  სუსპენზიის მიყვანა  პასტის კონდიციამდე.    საშრობის მეორე საფეხური  შნეკური ტიპის  გარსაცმიანი მოწყობილობაა,   რომლის  გარსაცმი  ცხელდება   წყლის  ორთქლით, ხოლო შიგა - შნეკის მოცულობაში მოძრაობს  პასტა, რომელიც  შრება ფხვნილის დონემდე  და იყრება  სინთეზის რეაქტორში. 

წყალი ნახშირის მარცვლებში  მექანიკურად ბმულ მდგომარეობაში იმყოფება და ლოკალიზებულია ფორებსა და  ნაპრალებში. წყლის ნაწილი,  რომელიც  შეიძლება ქიმიურად ბმულ მდგომარეობაში იმყოფებოდეს სინთეზის პროცესს ხელს არ უშლის, ამიტომ მისი მოცილება საჭირო არ არის.

თბომცვლელის გასაანგარიშებლად  საჭიროა სუსპენზიის  მასური ხარჯის  და  წყლის  საწყისი და საბოლოო კონცენტრაციების  დაშვება.  საშრობის  სქემა მოცემულია  ფიგ.6-ზე.

პირველი საფეხურის  საშრობის გასაანგარიშებლად, სითბოგადაცემის კოეფიციენტის მიახლოებითი მნიშვნელობა შეიძლება მივიღოთ /13/ მიხედვით: αI ≈ 500 (ვტ/(მ2.გრად.)), ხოლო მეორე საფეხურის საშრობის გასაანგარიშებლად კი /13/  αII ≈ 1250 (ვტ/(მ2.გრად.)),

ცხრილი 6. საშრობის გაანგარიშება

პირველი საფეხურის სითბოგადამცემი კონსტრუქციულად წარმოადგენს  33 ცალი 6 მეტრი  სიგრძის Ø 57× 5 მილისაგან შედგენილ   მილოვან თბომცვლელს, რომლის გარეთა მილის  შიგა დიამეტრი  560 მმ   იქნება.

მეორე საფეხურის  თბომცვლელის  შნეკის შიგა დიამეტრი  იქნება 200 მმ, კედლის სისქე არა ნაკლებ 5 მმ,  საერთო სიგრძე   16 მ, ხოლო გარსაცმის მილის შიგა დიამეტრი იქნება 260 მმ, გარეთა  სიამეტრი  კი 280 მმ.

საშრობი მუშაობს  სინთეზის რეაქტორიდან ართმეული სითბოთი. მთელი გამოყენებული ორთქლი  წარმოიქმნება  ჩქაროსნულ ამაორთქლებელში, რომელსაც კვებავს  მაღალი წნევის  წყლის ტუმბო.

ნამუშევარი ორთქლის   კონდენსაციის სითბო მთლიანად გადაეცემა წყალბადის ელექტროლიზერს, ასევე კონდენსატის  დიდი ნაწილიც გამოიყენება წყალბადის ელექტროლიზერში.  კონდენსატის დარჩენილი ნაწილი  ბრუნდება  ჩქაროსნულ ამაორთქლებელში.

 

 

 

 

                                  6.   სინთეზის  რეაქტორი

სინთეზის რეაქტორში მიმდინარეობს მეთანის სინთეზი რეაქციით:

                                     C  +  2H2 = CH4  + 84  კჯ/მოლ

საშრობიდან მოხვედრილი წყლის  ხარჯზე   შესაძლებელია  ნახშირბადის გაზიფიკაციაც წყლის ორთქლით, თუმცა ამ უკანასკნელის  სიმცირის გამო, შეიძლება მისი  შედეგების უგულვებელყოფა. მეთანის სინთეზის რეაქტორში გამოიყენება კატალიზატორი,  რომელიც მნიშვნელოვნად აჩქარებს მეთანირების რეაქციას, რომელსაც კატალიზატორის გარეშე ძალიან დაბალი სიჩქარე აქვს.

 

 

                     6.1 სინთეზის რეაქტორის კონსტრუქცია  

სინთეზის რეაქტორი წარმოადგენს  მილოვანი  კონსტრუქციის  თბომცვლელს.  ნახევრად კოქსი და  კატალიზატორი  მიეწოდება მილების შიგა მოცულობას, ხოლო მილებს შორის  სივრცეში მოთავსებულია თბომატარებელი, რომელიც  სინთეზის  შედეგადად გამოყოფილ სითბოს  გადასცემს  მასში გავლილ  მეორად თბომატარებლებს  წყალს (ან წყლის ორთქლს) და  კკრ-ის კატალიზატორს.   სინთეზის  რეაქტორის მილებთან ერთად,  რეაქტორის გარეთა  კორპუსის შიგნით  ჩამონტაჟებულია წყლის, სასტარტო თბომცვლელის და კკრ-ის კატალიზატორის მილებიც. 

სასტარტო თბომცვლელში,   სინთეზის რეაქტორის მუშა ტემპერატურამდე გასახურებლად, კატალიზური  კრეკინგის რეაქტორის წვის კამერიდან  გაედინება ნამწვი გაზები.  კკრ-ის  კატალიზატორის  გასახურებელ მილებში  გაედინება კკრ-დან ტუმბოთი გამოქაჩული კატალიზატორი, რომელიც   სინთეზის რეაქტორის  თბომატარებლიდან ართმეული სითბოთი გახურების შემდეგ,  კვლავ კკრ-ში  ბრუნდება.  

ზემოთ  ჩამოთვლილი  სამი თბომცვლელიდან,  რომლებიც  სინთეზის რეაქტორის მილების მესერშია ჩამონტაჟებული,  შესაძლებელია თითოეულის ცალკ-ცალკე  გამოთიშვა, ან ჩართვა  ტექნოლოგიურ პროცესში - პროცესის გაჩერების გარეშე.

მორეაგირე ნახევრად კოქსი და სინთეზის კატალიზატორი,   სიმძიმის ძალის გავლენით მოძრაობენ ზევიდან ქვევით,  ხოლო მათ  შემხვედრად მოძრაობს წყალბადი, რომელიც გაივლის რა ნახშირისა და კატალიზატორის   ფენებში  თანდათან მდიდრდება მეთანით და რეაქტორიდან გამოსვლის შემდეგ,  პრაქტიკულად მხოლოდ მეთანისაგან შედგება.

სინთეზის კატალიზატორი და  ნახევრად კოქსის მინერალური ნარჩენი,  დგუშებიანი მკვებავის  საშუალებით,    სინთეზის რეაქტორიდან    იყრება  მიმღებ ბუნკერში, ხოლო ამ უკანასნელიდან კი,    პერიოდულად,   სეპარატორში (რომელიც ფიგურა 7-ზე ნაჩვენები არ არის), რომელიც აცალკევებს კატალიზატორსა და  მინერალურ ნარჩენს.

      

 

 

 

 

                             6.2  სინთეზის რეაქტორის გაანგარიშება

სინთეზის პროცესში  მონაწილე გაზები  პროცესის მაღალი ტემპერატურის გამო, შეიძლება განვიხილოთ იდეალურ გაზებად.  რეაქციის წონასწორობის მუდმივა  გამოისახება  ფორმულით (იხ. დანართი 3):

                                        =       და       XCH4  +  XH =1

  გრაფიკულად, წყალბადისა  და მეთანის კონცენტრაციების დამოკიდებულება წნევასა და ტემპერატურაზე ასახულია   ფიგ.8-ზე.  როგორც ამ გრაფიკებიდან ჩანს, რაც უფრო დიდია სინთეზის რეაქტორის წნევა  მით უფრო დიდია მეთანის კონცენტრაცია  და მცირეა წყალბადის  კონცენტრაცია  გაზების  ნარევში.  როგორც დანართი 3-დანაც ჩანს ,  სინთეზის ოპტიმალური ტემპერატურა 600 °C  ფარგლებში  მდებარეობს.

განსაკუთრებულ  მნიშვნელოვანია  ნახშირბადის ჰიდროგენიზაციის რეაქციის  სიჩქარე, რომელიც დაბალ ტემპერატურებზე მცირეა/2/. ამიტომ მიუხედავად იმისა რომ, მაღალ ტემპერატურაზე მეთანის გამოსავალი მცირეა,  რეაქციის შედარებით მაღალი სიჩქარის

გამო , მიზანშეწონილია   მაღალი ტემპერატურისა და წნევის გამოყენება. როგორც /2/ -შია რეკომენდირებული  ოპტიმალურ ტემპერატურათა  ინტერვალია  800 - 900 °C.    როგორც  წნევებისა და ტემპერატურების ფართო დიაპაზონში იყო შესწავლილი,      ნახშირბადის  ჰიდროგენიზაციის  ქიმიური რეაქციის  მალიმიტირებელი  არის ქიმიური რეაქციის სიჩქარე და არა დიფუზიური პროცესები.  შესაბამისად,  სინთეზის   რეაქტორის  პროექტირებისას  გათვალისწინებული უნდა იქნას ორი ძირითადი ფაქტორი:

1, მაქსიმალურად  შესაძლებელი კონტაქტის დრო    და     2. ე.წ.   „გამოწვა“, ანუ ნახშირის რაოდენობის შემცირებასთან ერთად, კიდევ უფრო მცირდება  რეაქციის სიჩქარე.  სინთეზის რეაქტორის  შემოთავაზებული კონსტრუქცია, ორივე ზემოთ ხსენებული  ფაქტორის  გათვალისწინების შესაძლებლობას იძლევა.   რეაქტორის  შიგა მოცულობა  იმდენად შეიძლება გავზარდოთ (მაგალითად,  რეაქტორების რიცხვის გაზრდით),  რომ კონტაქტის დრო  რამდენიმე წუთის  რიგისა იყოს.   გაზებისა და ნახშირბადის ურთიერთ შემხვედრი  მიმართულებით მოძრაობა უზრუნველყოფს გაზების კონტაქტს ნახშირბადის  ახალ -ახალ პორციებთან, რაც გამორიცხავს  გამოწვის ეფექტს.

ცხრილი 7.  სინთეზის რეაქტორის გაანგარიშება (შიბარკულის ნახშირი)

 

 

 

 

 

 

 

ლიტერატურა:

1.  Справочник химика  ТVI,    из-во «Химия» , Ленинградское отделение 1967 г.

2.   Химические вещества из угля.  Пер.  с Немецкого под редакцией Калечица И.В. 1980 г.

3.  Патент РФ 2409704.  «Способ диссоциации воды на водород и кислород и установка для

                                                                                                                           его осуществления

4. Справочник химика  ТI,    из-во «Химия» , Ленинградское отделение 1967 г.

5. Долгов Б.Н.  «Катализ в органической химии»  ГОСХИМИЗДАТ, Ленинг. отделение. 1960

6. Под редакцией Мухленова Н.Н.  «Катализ в кипящем слое» .  «ХИМИЯ»  1971

7.  Справочник химика Т V .    из-во «Химия» , Ленинградское отделение 1967 г.

8. Касаткин  А.Г.  «Основные процессы  и аппараты химической технологии».  Москва 1973

9. Под редакцией  Малкова  М.П.  « Справочник по физико-техническим основам 

   криогеники».    Москва,  энергоатомиздат 1985

10. Под редакцией Семеновой Т.А.  и Лейтеса И.Л. «Очистка газов».   М. Химия   1977

11. Страус В.  «Промышленная  очистка газов»   М. Химия  1981

12. Патент РФ2409704. Способ диссоциации воды на кислород и водород и установка для его осуществления.

13. John  H. Perry  “ Chemical Engineers  Handbook”, Fourth Edition.  V1 ;  1963

14. John  H. Perry  “ Chemical Engineers  Handbook”, Fourth Edition.   V2 ;  1963

 

 

coal 9.png
coal 10.png
coal 11.png
coal 12.png
coal 13.png
coal 14.png
coal 15.png