Modelowanie syntezy metanolu w mikroreaktorze płytowym
W artykule przedstawiono wyniki symulacji numerycznej procesu syntezy metanolu z gazu syntezowego na katalizatorze Cu/ZnO/Al2O3 w reaktorze mikropłytowym. Zaprezentowano opis modelowy wymiany ciepła oraz masy syntezy metanolu w dwufazowym układzie gaz-ciało stałe z wykorzystaniem pseudojednorodnych modeli dyspersji. Do symulacji wykorzystano oprogramowanie COMSOL Multiphysics. Określono stopień konwersji CO oraz dezaktywacji katalizatora. Weryfikację wyników przeprowadzono w oparciu o prace literaturowe. Abstract. This paper presents results of numerical simulation of the synthesis of methanol from syngas in plate microreactor over a catalyst Cu/ZnO/Al2O3. It presents a description of a model of heat transfer and mass of the methanol synthesis in a two phase gas-solid using pseudohomogeneus dispersion models. The simulation used the software COMSOL Multiphysics. The conversion of CO and catalyst deactivation was described. Verification of the results was based on the works of literature.(Modeling of the methanol synthesis in plate microreactor). Słowa kluczowe: mikroreaktory, synteza metanolu, technologia krzemowa. Keywords: microreactors, methanol synthesis, silicon technology. Wstęp Wielkoprzemysłowe technologie syntezy metanolu (Lurgi, ICI) w tym instalacje sprężania i recyklu gazu syntezowego wykazują szereg wad: wysokie koszty operacyjne, energochłonność, duża ilość powstających produktów ubocznych czy kwestia bezpieczeństwa prowadzonego procesu [1]. Powoduje to poszukiwanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych sprawnych energetycznie instalacji, które pozwolą na optymalne wykorzystanie rezerw gazu ziemnego przy niskich kosztach inwestycyjnych wraz z małym oddziaływaniem procesu na środowisko [2]. W ostatnich latach rozwiązaniem związanych z tym problemów stanowią technologie mikroreaktorowe. W porównaniu z tradycyjnymi reaktorami, mikroreaktory są znacznie mniejsze, wydają szybszą odpowiedź, bardziej elastyczne, tańsze i redukują[...]
Modelling and thermodynamic calculations of methanol synthesis by hydrogenation of carbon dioxide Modelowanie i obliczenia termodynamiczne nad syntezą metanolu w wyniku uwodornienia ditlenku węgla DOI:10.15199/62.2015.1.13
Synthesis of MeOH by hydrogenation of CO2 at varying
temp., pressure and syngas compn. was numerically simulated
by using Vanden Bussche & Froment kinetic model.
Thermodynamic calcns. of equil. concns. of MeOH and CO
were carried out.
Przeprowadzono obliczenia termodynamiczne
syntezy metanolu w wyniku uwodornienia CO2
w różnych warunkach procesowych. Określono
wydajność równowagową syntezy metanolu
i tlenku węgla(II). W obliczeniach uwzględniono
reakcję konwersji gazu wodnego WGSR
(water gas shift reaction). Wyniki obliczeń
wskazują na znaczący wpływ parametrów procesowych:
temperatury, ciśnienia oraz składu
mieszaniny wejściowej na równowagową wydajność
syntezy metanolu i tlenku węgla(II).
Przeprowadzono obliczenia numeryczne syntezy
metanolu w homogenicznym reaktorze rurowym
z wykorzystaniem modelu kinetycznego
Vanden Bussche'a i Fromenta.
Metanol w światowym przemyśle chemicznym stosowany jest
głównie do produkcji formaldehydu, kwasu octowego, estrów metylowych
kwasów tłuszczowych, eteru metylowo-tertbutylowego (MTBE)
i dimetylowego (DME). Światowe zapotrzebowanie na metanol
wynosi ok. 50 mln t/r1). Stosowany jest również jako nośnik wodoru
w ogniwach paliwowych oraz jako paliwo w przemyśle motoryzacyjnym
w komponowaniu (blendingu) benzyn. Metanol poprzez transestryfikację
triglicerydów używany jest do produkcji biodiesla w celu
ograniczenia emisji tzw. "gazów cieplarnianych"2). W USA ok. 30 tys.
a w Chinach ok. 50 tys. samochodów (2008 r.)3) jest zasilanych paliwem
M-85 (85% obj. metanolu i 15% obj. węglowodorów). Chociaż M-85
znacznie trudniej ulega zapłonowi niż benzyna z powodu wysokiej
temperatury zapłonu to emituje znacznie mniej zanieczyszczeń (o ok.
50% zmniejsza emisję acetaldehydu, benzenu i 1,3 butadienu). Ponadto
opary metanolu nie są tak łatwopalne, jak opary benzyny i wymagają
cztery razy większego stężenia w powietrzu aby ulec zapłonowi4) .
Proces uwodornienia ditlenku węgla do metanolu w ostatnic[...]
Numerical modelling of methanol synthesis. Part 1. Process analysis in a two- and three-phase industrial system Modelowanie numeryczne procesu syntezy metanolu. Cz. I. Analiza przebiegu procesu w układach dwu- i trójfazowym w skali przemysłowej DOI:10.15199/62.2015.12.13
MeOH synthesis by conversion of syngas on suspended
CuO/ZnO/Al2O3 catalyst was modelled to est. the process
balances and kinetics and to optimize the process conditions
and its energy efficiency. The Klier and Šetinc-Levec
kinetic models were used for numerical calcns.
Sporządzono numeryczny model wytwórni metanolu
z gazu syntezowego. Przeanalizowano
wariant oczyszczania gazu syntezowego ze
składników kwaśnych w celu dostosowania
jego wymagań jakościowych do syntezy metanolu.
Omówiono aspekty technologiczne wytwórni
dotyczące ograniczeń procesowych. Na
podstawie sporządzonych bilansów masowo-
-energetycznych określono sprawność całego
procesu wraz ze zużyciem energii elektrycznej.
Wykonano obliczenia numeryczne nad
syntezą metanolu z wykorzystaniem modeli kinetycznych
Kliera oraz Šetinca i Leveca. Przeprowadzone
analizy procesowe stanowią dane
wejściowe zarówno w badaniach nad optymalizacją
procesu, jak i przy obliczeniach związanych
z projektem instalacji technologicznej.
Metanol w przemyśle chemicznym służy głównie do produkcji
formaldehydu, kwasu octowego, estrów metylowych kwasów tłuszczowych,
eteru metylowo-tert-butylowego czy dimetylowego. Może być
również używany jako nośnik wodoru oraz jako paliwo w przemyśle
motoryzacyjnym1). Światowe zapotrzebowanie na metanol wynosi ok.
50 mln t/r i rośnie w tempie 3-7% rocznie2). Największe na świecie
zdolności produkcyjne (2,5 mln t/r) mają wytwórnie "megametanolowe"
wybudowane w Trinidadzie i Tobago. Zdolności produkcyjne
wzrastają średnio o 4-6% rocznie, zgodnie z zapotrzebowaniem rynku.
Metanol jest wytwarzany z gazu syntezowego, który może być
otrzymywany w wyniku zarówno parowego reformingu metanu, jak
i zgazowania węgla lub biomasy3). Efektywna synteza metanolu z gazu
syntezowego pochodzącego ze zgazowania węgla znacznie poprawia
bezpieczeństwo dostaw energii oraz stanowi jedną z dróg rozwoju utylizacji
i zagospodarowania ditlenku węgla4, 5). W Głównym Instytucie
Górn[...]
Numerical modelling of methanol synthesis. Part 2. CFD simulation in a three-phase slurry reactor Modelowanie numeryczne procesu syntezy metanolu. Cz. II. Symulacja CFD procesu w trójfazowym reaktorze zawiesinowym DOI:10.15199/62.2015.12.35
Three-dimensional computational fluid dynamics numerical
model was used for modeling the MeOH synthesis
in a 3-phase slurry reactor on CuO/ZnO catalyst slurry in
paraffin oil. The syngas hydrodynamics and hold-up, conc.
profile and velocity field of slurry in the reactor were detd.
For balancing the syngas bubble flow, the population balance
model was used. Gas bubble size distribution was based
on Sauter diam. value. Numerical calcns. for modelling the
MeOH synthesis were performed by using Šetinc-Levec kinetic
model with heat removal option through a cooler.
Sporządzono trójwymiarowy model numeryczny
CFD (computational fluid dynamics)
syntezy metanolu w trójfazowym reaktorze zawiesinowym.
Przeprowadzono badania nad hydrodynamiką
zawiesiny katalizatora CuO/ZnO
w oleju parafinowym. Określono stopień zatrzymania
gazu syntezowego, profile stężenia
oraz pola prędkości zawiesiny w reaktorze.
Zastosowano model bilansu populacji dla
przepływających pęcherzy gazu syntezowego.
Wyznaczono rozkłady wielkości pęcherzy gazowych
w oparciu o wartość średnicy Sautera.
Przeprowadzono obliczenia numeryczne syntezy
metanolu z wykorzystaniem modelu kinetycznego
Šetinca i Leveca z odbiorem ciepła
reakcji przez chłodnicę reaktora.
Reaktory barbotażowo-zawiesinowe SBCR (slurry bubble column
reactor) znajdują zastosowanie w biologicznych oczyszczalniach ścieków,
procesach fermentacji, odsiarczaniu spalin, w hydrorafinacji ciężkich
pozostałości naftowych, reakcji syntezy metanolu oraz Fischera
i Tropscha2-4). W porównaniu z tradycyjnymi reaktorami rurowymi ze
stałym złożem katalizatora do głównych zalet reaktorów barbotażowo-
-zawiesinowych należy możliwość uzyskania dużego stężenia zawiesiny,
dużych szybkość międzyfazowego transferu masy przy małym poborze
energii oraz wysoka selektywność reakcji syntezy metanolu z gazu syntezowego5).
Duża pojemność cieplna zawiesiny umożliwia efektywny
odbiór ciepła, zapewniając stabilne izotermiczne środowis[...]
Gas dynamics of stack-type microreactors with various filling shape. Gazodynamika mikroreaktorów typu plastrowego o różnym kształcie wypełnienia
Flow characteristics of a stack-type microreactor with
cylindrical and rectangular pillars were detd. by numerical
simulation. In particular, impact of reactor fulfillment
on velocity, pressure drop and av. residence time distribution
was taken into consideration. A gas mixt. with
compn. corresponding to the stoichiometry of MeOH
prodn. by conversion of synthesis gas was used in
numerical calcns. carried out by using a com. computational
fluid dynamics software. The effect of filling
shape on parameters of the gas mixt. in the reaction zone
of microplaster was evaluated. Przedstawiono porównanie podstawowych
charakterystyk przepływowych mikroreaktorów
typu plastrowego o wybranym kształcie
wypełnienia (cylindrycznym i prostopadłościennym).
Określono wpływ wypełnienia reaktora
na rozkład prędkości przepływu, spadki
ciśnień i średnie czasy przebywania. Modelowano
przepływ mieszaniny gazowej zawierającej
0,65% mol. H2, 0,25% CO, 0,05% CO2
i 0,05 N2, (stechiometria reakcji otrzymywania
metanolu z gazu syntezowego). Przeprowadzono
obliczenia numeryczne przepływów,
wykorzystując oprogramowanie ANSYS Fluent
12.1. Określono wpływ kształtu wypełnienia na
wybrane parametry mieszaniny gazowej w obszarze
reakcyjnym mikroplastra.W trakcie opracowywania technologii procesu syntezy metanolu
istotne są takie parametry, jak dobór odpowiedniego katalizatora, ustalenie
optymalnych warunków procesu i fizyko-chemicznych właściwości
mieszaniny, określenie optymalnego sposobu rozdziału gazów
i wypełnienie obszaru reakcyjnego. Ponadto ważna jest optymalizacja
kosztowo-ekonomiczna jej funkcjonowania w danych warunkach.
Poprawne zaprojektowanie instalacji zapewnia wysoką wydajność
oraz selektywność reakcji, redukcję kosztów inwestycyjnych, eksploatacyjnych
oraz zmniejszenie negatywnego oddziaływania procesu na
środowisko.
[...]