Паровая конверсия метанола

Подобные корреляции опасны тем, что можно поддаться искушению и решить, что найден основной фактор, управляющий каталитической активностью, тогда как глубокое понимание существа дела возможно, только если детально изучен механизм реакции на молекулярном уровне, а такие реакции весьма редки. Также давно исследователей интересует, как специфичность катализаторов в некоторых реакциях может зависеть от структуры поверхности и размера частиц металла.Каталитическая микроканальная система (КМС)представляет собой компактный реактор. Внутри него размещены пластины с каналами субмиллиметровых размеров. Микроканальные пластины (МКП) – носители каталитически активного компонента и их обычно изготавливают из материалов свысокой теплопроводностью. Конструкция КМС позволяет решить ряд важных проблем, возникающих втрадиционных химических реакторах.Среди такихпроблем – низкая радиальная теплопроводность не-подвижного слоя катализатора, затрудняющая теплообмен в зоне реакции, а также недостаточно эффективное использование катализатора, Экспериментальные исследования подтверждают, что использованиекаталитических микроканальных систем в процессахполучения водорода существенно увеличивает эффективность процессов по сравнению с традиционнымихимическими реакторами.Основнымидостоинствама КМС являются:1) Отношение геометрической поверхности МКП ких полному объему может достигать величины 10000…50000 м2/м3, что многократно превосходит значениеэтого параметра для традиционных химических реак-торов (обычно это величины порядка 100…1000 м2/м3).2) Нет градиентов концентраций реагентовпо сечению канала МКП.3) В случае одинакового сечения каналов на МКПвремена контакта реагентов со слоем катализаторамалы и имеют узкое распределение.4) Высокая скорость тепломассопереноса позволяетобеспечивать изотермичность процесса во всем реакторе.Перечисленные достоинства КМС приводят к существенному увеличению удельной производительности катализатора, а в ряде случаев — и к повышениюселективности процессов в микрореакторе. В микроканальных реакторах (МР) в настоящее времяиспользуют два способа размещения катализатора. Вреакторах первого типа, МР1, мелкие гранулы катализатора засыпают в каналы субмиллиметровых размеров,заполняя весь объем каналов; при этом поток реагентов движется между засыпанными гранулами.В реакторах второго типа, МР2, катализатор закрепляют настенках каналов; при этом поток реагентов движется посвободной полости канала. Гидродинамическое сопротивление у реакторов типа МР1 обычно существеннобольше, чем у реакторов типа МР-2. В связи с этим вреакторах типа МР-2 можно обеспечить существенноменьшие времена контакта реагентов со слоем катализатора.2ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ2.1 Цели и задачи работы.Целью данной работы является выбор математической модели реактора и температурного режима для достижения заданной производительности по водороду при проведении процесса паровой конверсии метанола.Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: провести аналитической обзор источников научно-технической информации с целью определения термодинамических, кинетических параметров проведения рассматриваемого процесса; рассчитать объемы реактора по модели РИВ и РПС при реализации различных температурных режимов в выбранном диапазоне изменения управляющих параметров;определить значения управляющих параметров (температуры реакционной смеси на входе в реактор, объемного расхода реакционной смеси, давления и состава исходной смеси), модель реактора и температурный режим, обеспечивающие достижение требуемого значения производительности по водороду от реакционного объема;построить графические зависимости, характеризующие изменение объема реактора в выбранном диапазоне изменения управляющих параметров, для выбранной идеализированной модели реактора и температурного режима проведения процесса;составить материальный и тепловой баланс реактора с использованием определенных значений расхода реакционной смеси, состава реакционной смеси на входе в реактор, требуемой степени превращения реакционной смеси на входе в реактор.Основной реакцией паровой конверсии природного газа является:CH3ОН + H2O ⇔ CO2 + 3H2(2.1)2.2 Исходные данныеВсе газы считать идеальнымиДавление 1…3 атм.Температура на входе в реактор 400…600оС.Расход исходной смеси 60000 м3/ч.Температурный режим – адиабатический, изотермический, политермический;Кинетическое уравнение:мольметанола/(м3×с)(2.2)Зависимость константы скорости прямой реакции от температуры:(2.3)Температурная зависимость константы равновесия (2.4)ЦЕЛЬ: производительность по водороду 1300 м3/ч2.3Температурные режимыРазличают три температурных режима: адиабатический, изотермический и политермический.При адиабатическом режиме реакторы работают без подвода и отвода теплоты в окружающую среду через стенки реактора или при помощи теплообменных элементов. Вся теплота, выделяемая (поглощаемая) в реакторе аккумулируется реакционной смесьюПри изотермическом режиме процесс протекает при постоянной температуре во всем объеме реактора. Необходимая температура в реакторе устанавливается или благодаря подводу или отводу теплоты реакции, или за счет регулирования температуры, поступающей реакционной смеси.При политермическом режиме в реакторе частично отводится или подводится теплота в соответствии с заданной программой изменения температуры.2.4Основные формулыФормула для расчёта коэффициента изменения числа молей:W(x) = 1 + 2 .ZNA(2.5)Формулы для расчёта текущей мольной доли и парциального давлениякомпонента смеси соответственно:(2.6)Формула для расчёта теплового эффекта реакции:DH = c*DHC + d*DHD - a*DHA - b*DHB (2.7)Формула для расчёта удельного теплового эффекта реакции:(2.8)Формула для расчёта адиабатического коэффициента:(2.9)Формулы для расчёта объёмов реакторов полного смешения и идеальноговытеснения:(2.10)(2.11)2.5 Результаты вычислений.Адиабатический коэффициент при ZNA = 0.18 составил -1101. В соответствии с расчетом, были найдены равновесные мольные доли для изотермического, адиабатического и политермического режимов соответственно:Рис. 2.1. Равновесные мольные доли.Необходимая производительность достигается при степени превращения равной 0.5:Рис. 2.2.Расчет степени превращения.Из предложенного диапазона температур на входе в реактор была выбрана температура 900 С, т.к. при ней достигается необходимая степень превращения.Из предложенного диапазона давлений было выбрано давление 1 атм, т.к. реакция протекает с увеличением числа моль и при увеличении давления ее скорость уменьшается.Далее были рассчитаны объемы реакторов полного смешения и идеального вытеснения в различных температурных режимах.Графики зависимости объема реактора от степени превращения и производительности от объема реактора:Рисунок 4- Зависимость объема реактора от степени превращения.Рисунок 5- Зависимость объема реактора от производительности.Можно отметить, что как модель РИВ, так и модель РПС может обеспечить заданную производительность по синтез-газу. Однако наиболее эффективна модель РИВ в изотермическом режиме.Расчет материального и тепловых балансов представлено в приложении А.ЗАКЛЮЧЕНИЕТребовалось рассчитать реактор для паровой конверсии природного газа с производительностью по водороду 1300 м3/ч.Для данного процесса не подходит адиабатический режим, так как реакция эндотермическая. Расчет показал, что в реакторе идеального вытеснения в изотермическом режиме при начальном расходе смеси 60000 м3/ч, давлении 1 атм и с температурой смеси на входе в реактор 600°С достигается заданная производительность по синтез-газу.Список используемой литературы1) Кутепов, А. М. Общая химическая технология. Учеб. для вузов / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен; М.: Высшая школа, 1990.2) Мухленова, И.П. Общая химическая технология: Учеб. для химико-технологических специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1984. – 263 с.3) Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Уч. для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков; Л.: Химия, 1977. – 496 c.4) Г.С. Яблонский. Кинетические модели гетерогенно-каталитических реакций. Элементы теории кинетики сложных химических реакций. Глава 1. В сб.: Химическая и биологическая кинетика / Под ред. Н.М. Эмануэля, И.В. Березина, С.Д. Варфоломеева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. 254 с