Паровая конверсия метанола в реакторе полного смешения

[Введите текст]

Задание на курсовую работу

Паровая конверсия метанола: СН3ОН+Н2О=СО2+3Н2

Исследовать влияние начальных параметров: температуры, давления, начальной мольной доли метанола, расхода смеси на объем реактора. Провести анализ зависимостей по графикам и выбрать оптимальный вариант объема реактора.

Начальные параметры:

Начальная мольная доля метанола: 0,12−0,17, остальное-водяной пар Температура на входе в реактор: 250?-600?

Давление: 1−5 атм.

Расход смеси: 100−500 м3 /час.

Аналитический обзор

Использование метанола приобретает все более широкие масштабы в промышленности. С дальнейшим расширением производства метанола теперь связывают не только обеспечение сырьем традиционных химических производств, но и решение актуальных проблем энергетики, транспорта и экологии. К их числу, прежде всего, следует отнести использование метанола и газообразных продуктов его каталитического разложения в качестве высокоэффективного альтернативного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Это позволяет не только экономить нефтяные ресурсы, но и существенно улучшить экологические характеристики сгорания топливной смеси, благодаря отсутствию выброса в атмосферу соединений тяжелых металлов, снижению содержания оксидов углерода и азота в выхлопных газах.

Удовлетворение растущей потребности в водороде, оксиде углерода и их смесях различного состава для обеспечения малотоннажных производств, а также лабораторных и опытно-промышленных исследований сопряжено со значительными трудностями при хранении и транспортировке таких газов, что приводит к увеличению стоимости соответствующих производств.

Одним из возможных направлений решения такого рода проблем является комплексная каталитическая переработка метанола с получением синтез-газа, отдельно его компонентов.

В настоящее время наблюдается тенденция перехода химической промышленности от крупнотоннажного производства некоторых продуктов к их малотоннажному производству непосредственно в месте использования. Это связано с проблемой обслуживания, хранения и доставки большого количества опасных химических веществ, а также с опасностью возникновения чрезвычайных ситуаций.

Одним из выходов является использование разнообразных микрокаталитических систем, которые имеют ряд существенных преимуществ — малый объем реакционной зоны, высокое отношения поверхности к объему, более эффективный теплои массообмен и т. д.

Микрокаталитические системы открывают широкие перспективы в области нетрадиционной энергетики и химических технологии.

Одной из таких систем является микроканальный реактор (далее — микрореактор), который представляет собой, как правило, слоистую структуру, состоящую из набора пластин с каналами субмиллиметровых размеров. Благодаря малым размерам каналов реализуются большие значения соотношения поверхности/объема и высокие скорости массои теплопереноса. Кроме того, вследствие малых размеров каналов реализуется равномерное распределение газового потока по скоростям и гасятся нежелательные радикальные процессы, что увеличивает селективность полезных продуктов. В результате по эффективности работы такие системы нередко в 4−5 раз превосходят обычные каталитические системы.

Одним из перспективных направлений является использование микроканальных систем для получения водорода. Водород, в связи с его уникальными свойствами, можно считать универсальным топливом. При его использовании отсутствуют вредные выбросы, что важно с экологической точки зрения. В настоящее время ведутся активные разработки электрохимических генераторов на основе топливных элементов (ТЭ), для которых в качестве топлива используется водород. Различные способы получения водорода из природного газа, углеводородов и спиртов достаточно подробно описаны в литературе.

Одним из перспективных источников водорода для мобильных устройств (транспорт, подвижные энергоустановки, портативные системы электропитания и т. д.) является метанол. Метанол имеет высокую энергетическую емкость, легко транспортируется, достаточно дешев и т. п.

В настоящее время широко исследуется процесс получения водорода в реакции паровой конверсии метанола в микрокаталитических системах. Однако производство микрореакторов еще находится на стадии опытных образцов, стоимость которых достаточно высока. На пути создания конечного устройства находится множество нерешенных проблем, связанных с разработкой оптимальных конструкций микрореакторов и микроструктурированных носителей. Основной проблемой является надежное закрепление высокоактивного катализатора на металлическом носителе. Развитие микрокаталитических систем может существенно повлиять на развитие альтернативных источников энергии.

В последнее время для проведения процесса паровой конверсии метанола все чаще вместо традиционных медь-цинковых катализаторов используются высокотемпературные катализаторы состава Zп/Ti02, которые имеют более высокую активность и стабильность работы.

Для достижения максимальной эффективности работы микроканального реактора требуется исследование протекания процесса паровой конверсии метанола в микроканальном реакторе.

В данной работе поставлена задача оптимизации работы адиабатического реактора полного смешения по технико-экономическим критериям. Реактор, рассчитанный по модели реактора полного смешения, имеет сопоставимые геометрические параметры и изображается в виде емкости с мешалкой. Для перемешивания газов используют циркуляционную схему (кипящий слой, пенный слой и т. д.).

Х1=Х2=Х3=Х4

Рис. 1 — Схема реактора полного смешения Программа расчета

1) Энтальпии веществ при 298К:

2) Теплоемкости веществ при298К:

3) Молярная теплоемкость:

4) Расчет адиабатического коэффициента:

5) Константы скоростей реакции:

6) Скорость химической реакции:

7) Объем адиабатического реактора полного смещения:

Обсуждение результатов

Адиабатический коэффициент уменьшается при повышении начальной доли метанола.

Рис. 2 — График зависимости константы химической реакции от температуры Рис. 3 — График зависимости скорости химической реакции от температуры Константа химической реакции возрастает с ростом температуры, значит, по уравнению изобары Вант-Гоффа, реакция является эндотермической.

Рис. 4 — График зависимости производительности по водороду от объема реактора при различных входных температурах Реакция эндотермическая, следовательно, движущая сила с повышением температуры растет. Константа скорости прямой реакции с повышением температуры увеличивается и скорость растет.

Рис. 5 — График зависимости производительности по водороду от объема реактора при различных давлениях метанол реактор водород микрокаталитический Производительность реакции по водороду больше при большей входной температуре, это связано с тем, что реакция эндотермическая и по принципу Ле-Шателье равновесие смещается в сторону продуктов.

Рис. 6 — График зависимости производительности по водороду от объема реактора при различных расходах реакционной смеси Производительность реакции по водороду больше при меньшем давлении, это связано с тем, что реакция идет с увеличением числа молей и при повышении давления по принципу Ле-Шателье равновесие смещается в сторону исходных веществ.

Рис. 7 — График зависимости производительности по водороду от объема реактора при различных начальных долях метанола Производительность реакции по водороду больше при большем расходе смеси так как, VRD=VNS*(ZD (X)-ZND). VNS увеличивается, и VRD, соответственно, тоже увеличивается.

Рис. 8 — График зависимости производительности по водороду от объема реактора при выбранных ранее условиях Производительность реакции по водороду больше при большей начальной доле метанола так как, ZD (X)=(ZND+ZNA*X*3)/W (X). ZNA увеличивается, и ZD (X), тоже увеличивается. VRD=VNS*(ZD (X)-ZND) и VRD тоже увеличивается.

Рис. 9

Заключение

В ходе работы были проанализированы и сравнены различные условия для проведения паровой конверсии метанола в реакторе полного смешения. Изучено влияние таких параметров, как входная температура, давление, расход смеси, начальная мольная доля метанола.

Для данного процесса с точки зрения величины объема реактора более выгодным оказывается аппарат близкий по свойствам к микрореактору, т.к. при всех параметрах из заданного интервала он более экономичен.

1. Лапидус А. Л., Капкин В. Д., Брук И. А., Антонюк С. Н., Газарян Г. Т., Овчинников Н. М., Варшавский И. Л., Печуро Н. С. Разложение метанола на окисных катализаторах. // Хим. пром., 1984, № 7.

2. Пономарева А. М., Равдель А. А. Краткий справочник физико-химических величин.//Москва 2009.

3. Журнал «Катализ в промышленности» № 5 2011 год.

4. B.C. Лукьянчиков, А. И. Стеженский «Паровая конверсия метанола», Киев, «Наукова думка», 1972.