Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Целью данной работы является исследование и моделирование энергосберегающего процесса паровой конверсии метанола в водород. При этом примесный оксид углерода должен содержаться в количествах допускающих использование водорода в топливных элементах, в качестве моторного топлива и топлива для газовых электростанций/Актуальным является разработка новых технологий получения дешевого водорода из метанола, использование которого для выработки электроэнергии, а также получения экологически чистого моторного топлива должно принести значительный экономический эффект.
При этом разработка новых промышленных процессов переработки углеводородов в водород должна базироваться на новых современных методах моделирования процессов, позволяющих, в частности, строить высокоточные математические модели катализаторов, химических процессов и промышленных аппаратов. По подобным моделям создаются технологические схемы производств, обеспечивающие при их эксплуатации поддержание низких расходных норм по сырью и энергии, при крайне малых количествах вредных выбросов в окружающую среду,. По моделям осуществляется управление промышленными процессами и системами, а также выполняется автоматизированное проектирование новых производств.
Достижение цели предусматривает решение следующих задач:
разработка программы решения уравнений модели зерна катализатора для нестационарного процесса паровой конверсии
Одним из этих альтернативных топлив является водород, использование которого может снизить выбросы диоксида углерода в атмосферу. Водород – самый легкий элемент, нетоксичный газ без цвета и запаха, который присутствует в воздухе в концентрации 0,01%. Это самый распространенный элемент в мире. Однако водород сам по себе не является источником энергии, это не первичный энергетический ресурс, свободно существующий в природе. Водород – это вторичный ресурс, который, так же, как и электричество, необходимо получать, т.е. также является энергоносителем. Водород играет стратегическую важность в переходе к устойчивой энергетической системе, характеризующейся более низким уровнем выбросов. Уникальные свойства водорода позволяют считать его универсальным, экологически чистым энергоносителем, пригодным для использования в любых видах тепловых двигателей и устройствах для получения электроэнергии. Продукты сгорания водорода – вода и малое количество оксидов азота (значительное количество оксидов азота образуется только при высоких температурах сгорания) – не наносят вред экологии. Сырьевая база водорода практически не ограничена.[3]
Важнейшими достоинствами водородного топлива являются: его большая теплота сгорания, составляющая 143,06 МДж/кг, что более чем в 4 раза превышает теплоту сгорания условного углеводородного топлива, высокое октановое число, экологическая чистота как самого водорода, так и продуктов его сгорания, а также низкая вязкость водорода, облегчающая его транспортировку по трубопроводам. [4].
Следует также отметить, что в настоящее время водород является широко применяемым продуктом в различных отраслях промышленности, например, водород используется:
Таким образом, от разработки экономичных способов получения водорода зависит дальнейший прогресс многих отраслей промышленности и возможности использования водорода в качестве альтернативного топлива.
Существует 3 возможных процесса получения водорода из метанола:
Реакция декомпозиции – наиболее простой процесс с химической точки зрения, т.к. в качестве сырья используется только метанол:
кДж·моль-1 (1.7)
Однако эта реакция сильно эндотермическая, что означает, что для ее осуществления потребуется большое количество энергии. К тому же газ-продукт декомпозиции содержит 67% водорода и 33% монооксида углерода. Большое содержание монооксида требует дополнительных очистительных систем для обеспечения возможности применения данной реакции в топливных элементах, причем такие очистительные системы являются наиболее сложным элементом топливных систем. Следовательно, использование реакции декомпозиции метанола в топливных элементах не оправдано.
Реакция парциального окисления является быстро протекающей экзотермической реакцией:
кДж·моль-1 (1.8)
Преимуществом данной реакции является дополнительная энергия, которая может применяться в реакторе в случае необходимости. Однако выделяющаяся в ходе реакции теплота должна быть учтена при проектировании реактора. Быстрый рост температуры в реакторе может привести к дезактивации катализаторов реакции за счет его спекания. Концентрация водорода в 67% в продуктовом газе может быть достигнута при парциальном окислении чистым кислородом. Кислород, применяемый в топливных элемнетах, скорее всего, будет кислородом, который содержится в воздухе. Вследствие большой концентрации азота в воздухе продуктовый газ будет также разбавлен азотом. В результате максимальное возможное содержание водорода снизится до 41%. Уменьшение содержания водорода в продуктовом газе оказывает существенное влияние на производство электроэнергии в топливных элементах.
Реакция парового риформинга метанола известна как реакция, обратная реакции синтеза метанола:
кДж·моль-1 (1.9)
Считается, что реакция парового риформинга является наиболее предпочтительной для получения водорода по сравнению с реакцией декомпозиции и парциального окисления метанола. Это объясняется тем, что существует возможность получения газа с высокой концентрацией водорода (75%) и высокой селективностью по отношению к диоксиду углерода. Реакция парового риформинга является эндотермической. Энергия, необходимая для протекания реакции, может быть получена от каталитической горелки. Существует множество работ, посвященных исследованию данной реакции вследствие ее преимуществ, связанных с высокой конверсией метанола, высокой концентрацией водорода на выходе и мягкими условиями протекания.
Условия протекания реакции:
Основными продуктами реакции паровой конверсии являются водород, диоксид углерода, также в ходе реакции образуется малое количество монооксида углерода (около 2 об. % в сухом продуктовом газе при использовании катализаторов на основе меди). [1]
В нем применяются катализаторы на основе меди с высокой селективностью к Н2и СО2, а также металлы Fe, Co, Ni, Pd, Pt
На рис. представлены пути протекания процесса паровой конверсии метанола
(а) декомпозиция метанола с последующей паровой конверсией СО на Сu/ZnO/Al2O3
Декомпозиция метанола с последующей паровой конверсией СО на Сu/ZnO/Al2O3. В схеме на рис. 1.3 (а) общей реакцией для паровой конверсии метанола считается декомпозиция метанола. Далее СО2 и Н2 получаются по реакции (1.4) из СО, образующегося на стадии декомпозиции.
На рис. 1.4. представлены механизмы протекания процесса паровой конверсии метанола на различных катализаторах
механизм реакциипаровой конверсииметанола на катализаторе Pd/ZnO (рис. 1.4. (а)), по которому из метанола образуется формальдегид [34]. Режим дальнейшего превращения формальдегида либо в поверхностный формиат, либо через простоеразложениес образованием CO, вероятно, связан с его состоянием адсорбциина поверхности катализатора. Поверхностный монодентатный формальдегид стабилизируется на сплавах Pd-Zn и подвергается дальнейшее мугидроксилированию идегидрированию, чтобы сформировать поверхностный формиат, в то время как бидентатный формальдегид имеет тенденцию к декомпозициипрямо доСО и Н2.
Предложили механизм реакциипарового риформингаметанола на катализаторе Cu/CeO2/Al2O3(рис. 1.4. (б)) [35]. Они предположили, что имеет место адсорбцияметанола на металлической меди за счет присутствия поверхностного кислорода в диоксиде церия CeO2,который является сильным восстановителем. На образование СО2 потребляется один атом поверхностного кислорода, соответственно, один атом кислорода мигрирует к поверхности раздела медь – церий для регенерации обедненной кислородом поверхности меди.
На сегодняшний день каталитическая конверсия метанола в трубчатых реакторах является наиболее экономичным способом получения водорода. [47]
Трубчатый аппарат относится к реакторам с непрерывным отводом (подводом) тепла.Отвод (подвод) тепла осуществляется путем теплообмена реагирующей смеси с теплоносителем через стенку реактора. Катализатор загружается в трубки небольшого диаметра (2-8 см), в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель – водяной пар под давлением или расплав солей. Сложность конструкции повышает стоимость таких аппаратов. Однако большим преимуществом трубчатых реакторов являются хорошие условия отвода тепла от катализатора, так как отношение поверхности теплоотдачи к объёму катализатора значительно выше по сравнению с многослойными аппаратами. Схематический вид трубчатого реактора представлен на рис. 1.5.
Конструктивное оформление аппаратов весьма разнообразно, что обусловлено различной мощностью, различными параметрами (температурой и давлением) проведения конверсии.
Реакционные трубы являются важнейшими элементами аппарата. Каждая труба представляет собой заполненный катализатором реактор вытеснения с поперечным подводом тепла через стенку.