Российский химико-технологический университет им Д И Менделеева Факультет

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева Факультет информационных технологий и управления Кафедра информационных компьютерных технологий Выпускная квалификационная работа на тему: Оптимизация процесса селективного каталитического окисления оксида углерода на медноцерийоксидных катализаторах Студент: Похадаев Никита Анатольевич Руководитель работы: к. т. н, доцент Филиппова Елена Борисовна аспир. Митричев Иван Игоревич Москва 2015

2

Селективное каталитическое окисление монооксида углерода Топливо Тепло Паровая конверсия метана Тепло Паровая конверсия CO СКО Тепло 3

Моделирование реактора селективного окисления СО 4

Гетерогенно каталитические реакции 1) CO + 0. 5 O 2 → CO 2 2) H 2 + 0. 5 O 2 → H 2 O Cu. O-Ce. O 2 катализатор 5

Материальный баланс по j-му компоненту в элементарном сегменте • Fj-мольный расход j-го компонента на выходе из текущего сегмента реактора • Fj 0 - мольный расход j-го компонента на входе в сегмент реактора • rj- скорость химической реакции • V – объем сегмента реактора 6

Кинетическая модель окисления монооксида углерода Где , k – константа скорости прямой реакции A – предэкспонента прямой реакции E – энергия активации прямой реакции β – константа расширенного уравнения Аррениуса прямой реакции R – газовая постоянная T – абсолютная температура m - номер реакции pi – парциальное давление компонента ni – частный порядок по i-му компоненту Lee H. C. , Kim D. H. Kinetics of CO and H 2 oxidation over Cu. O-Ce. O 2 catalyst in H 2 mixtures with CO 2 and H 2 O //Catalysis Today. – 2008. – Т. 132. – №. 1. – С. 109 -116. 7

Параметры потока на входе в реактор Имя потока Температура To_PROX Изменяем от 100 до 220 °C Давление 101. 3 к. Па Мольный расход 2. 677 e-004 кмоль/ч 8

Состав потока на входе в реактор Мольн. доля CO 0. 01 O 2 0. 01 H 2 0. 50 CO 2 0. 16 H 2 O 0. 16 He 0. 16 9

Характеристики охлаждающей среды Коэф. теплоот. стенок Мольный расход Теплоемкость Т входа 3, 1393· 103 к. Дж/ч-м 2 -°C 3. 00 · 10 -2 кмоль/ч 29. 0730 к. Дж/кмоль-°C 100 -220. 0 °C 10

Электронная таблица 1 2 3 4 5 6 A(Входной поток) масс доля (CO) масс доля (O 2) масс доля (H 2) мол. расход (CO), кмоль/ч мол. расход (O 2), кмоль/ч Объем реактора, м 3 0, 0230 0, 0263 0, 0828 2, 677· 10 -6 1, 299· 10 -6 B(Выходной поток) C (в %) масс доля(CO) 0, 0013 Конверсия(CO) 94, 17 масс доля(O 2) 0, 0000 Конверсия(O 2) 100 масс доля(H 2) 0, 0811 Конверсия(H 2) 2, 12 Селективность 47, 08 (СО) 11

Влияние концентрации Н 2 на конверсию СО Селективность Состав газа (мол. %) 1% СО, 1% О 2, Н 2 (указано), 16% СО 2, 16% Н 2 О, ост. Не. 2 2 12

Влияние концентрации O 2 на конверсию СО Состав газа (мол. %) 1% СО, О 2 (указано), 50% Н 2, 16% СО 2, 16% Н 2 О, ост. Не. 13

Влияние концентрации CО на конверсию СО Конверсия СО Состав газа (мол. %). СО(показано), 1% О 2, 50% Н 2, 16% СО 2, 16% Н 2 О, ост. Не. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Температура(◦C) 100 120 140 160 180 200 Конверсия CO при СО 0, 5% Конверсия CO при СО 1% Конверсия CO при СО 2% Конверсия CO при СО 4% 220 14

Влияние концентрации CО 2 на конверсию СО Состав газа (мол. %). СО 2 (показано), 1% О 2, 50% Н 2, 16% СО 2, 16% Н 2 О, ост. Не 15

Влияние концентрации Н 2 О на конверсию СО Состав газа (мол. %). СО, 1% О 2, 50% Н 2, 16% СО 2, Н 2 О (показано), ост. Не 2 2 16

Влияние концентрации CО на конверсию О 2 в реакции окисления Н 2 Состав газа (мол. %). СО (показано), 1% О 2, 50% Н 2, 16% СО 2, 16% Н 2 О, ост. Не 2 2 17

Масштабирование dп- диаметр промышленного реактора; dм- диаметр лабораторного реактора; lп- длина промышленного реактора; lм- длина лабораторного реактора; Fп- мольный расход промышленного реактора; Fм- мольный расход лабораторного реактора; n – масштабный коэффициент, показывающий во сколько раз производительность промышленного реактора больше лабораторного; • Диаметр реактора 5 см, длина реактора 9, 025 м, число труб 22. 18 • •

Оптимизация процесса • Целевая функция: максимальная конверсия CO • Оптимизируемые переменные: мольный расход, температура подаваемой смеси, тепловая нагрузка • Ограничения: температура 100 -220 ◦C, селективность – не ниже 79% • Используется утилита «Оптимизатор» UNISIM 19

Оптимальные значения параметров • Мольный расход 50 кмоль/ч или нагрузка на катализатор 44, 75 кг смеси/ кг кат. · ч • Температура подаваемой смеси 150 ◦C • Тепловая нагрузка 5, 56· 104 к. Дж/ч При данных значениях параметров достигается: • Конверсия CO: 88. 92 % • Селективность: 79. 06 %

Выводы • Освоены основы моделирования химических реакторов в программном пакете UNISIM DESIGN R 430; • Проведено моделирование гетерогеннокаталитического процесса селективного окисления CO на медноцерийоксидном катализаторе. Его результаты хорошо совпадают с экспериментами; • Произведено масштабирование лабораторного реактора, осуществлен переход к реактору большего размера, произведена оптимизация процесса селективного каталитического окисления СО. 21

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!