Министерство образования и науки Российской Федерации

Р оссийский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Факультет информационных технологий и управления

Кафедра кибернетики химико-технологических процессов

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ДИПЛОМНОЙ РАБОТЕ

на тему:

«Анализ и моделирование энергосберегающего процесса получения водорода паровой конверсией метанола»

Заведующий кафедрой КХТП, д.т.н., профессор

Глебов М.Б.

РУКОВОДИТЕЛЬ РАБОТЫ д.т.н., доцент

Писаренко Е.В.

СТУДЕНТ

Грачева Н.С.

Москва

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 5

1.1. Использование водорода 5

1.2. Способы получения водорода 7

1.3. Окислительная конверсия метана 9

1.4. Получение водорода из метанола 12

1.5. Паровой риформинг метанола 15

1.5.1. Катализаторы и условия проведения реакции 16

1.5.2. Пути и механизмы протекания реакции 16

1.5.3. Кинетика 21

1.5.4. Реакторы проведения реакции паровой конверсии метанола 24

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 26

2.1. Кинетические модели реакции паровой конверсии метанола 26

2.2. Формулы для расчета теплоемкости веществ, энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, констант равновесия реакций в зависимости от температуры 35

2.3. Квазигомогенная модель зерна катализатора 39

2.4. Вывод уравнений диффузионной стехиометрии для модели зерна катализатора 41

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 42

Введение

Использование автомобильного транспорта в жизнедеятельности человека стало неотъемлемой частью общественного развития. Однако моторизация общества выдвигает ряд серьёзных социальных проблем, среди которых одно из центральных мест отводится вопросам экологиии сохранению природных ресурсов. Одним из наилучших решений данных проблем является использование водорода как альтернативного топлива. В качестве потенциального источника водорода в данной работе рассматривается метанол.

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:

• изучение кинетики реакции паровой конверсии метанола в водород, анализ конкурирующих механизмов протекания реакции и выбор кинетической модели, наилучшим образом отражающей экспериментальные данные;

• анализ и моделирование процесса паровой конверсии метанола в зерне катализатора, расчет профилей концентраций реагентов по радиусу гранулы и оценка факторов эффективности работы зерна;

• разработка программы решения уравнений модели зерна катализатора для реакции первого порядка на объектно-ориентированном языке программирования Python 2.7. с целью тестирования программы и сравнения полученного численного решения дифференциальных уравнений модели с известноым аналитическим решением;

• разработка программы решения уравнений модели зерна катализатора для нестационарного процесса паровой конверсии метанола на объектно-ориентированном языке программирования Python 2.7;

• разработка программы расчета коэффициентов диффузии реагентов в многокомпонентной газовой смеси на объектно-ориентированном языке программирования Python 2.7;

• анализ и моделирование процесса паровой конверсии метанола в каталитиечском реакторе, разработка математической модели процесса паровой конверсии метанола в каталитическом реакторе, решение дифференциальных уравнений модели реактора в Maple 15;

• установление режимов работы каталитического реактора получения водорода при степени превращения метанола > 90% и остаточном содержании оксида углерода менее 1 об.%.