автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Реактор паровой конверсии метана с каталитически активными покрытиями на поверхностях теплообмена

московским государственный университет

инженерной экологии

^ съ ^

На правах рукописи

макунин алексей владимирович

УДК 66.097.322

РЕАКТОР ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА с: КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТЕПЛООБМЕНА

05.17.08 — Процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском Государственном университете

инженерной экологии, на Химическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова.

доктор технических наук, профессор Сурис Александр Лазаревич.

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Бельнов Владимир Константинович.

доктор химических наук, профессор Головин Георгий Сергеевич, кандидат химических наук, доцент Беренгартен Михаил Георгиевич.

Акционерное Общество Государственный институт азотной промышленности (ГИАП).

Защита состоится ИоЯ^рЯ 1998 года в /4 — часов на заседании диссертационного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К063.44.04 в Московском Государственном университете инженерной экологии по адресу: 107884, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУ ИЭ. Автореферат разослан «2-Тъ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель — Научный консультант —

Официальные оппоненты —

Ведущее предприятие -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ Доля гетерогенно-каталитических процессов в балансе химических производств превышает 70% и продолжает увеличиваться. Важное место среди продуктов химической технологии занимает водород.

Наиболее надежным и дешевым способом получения водородсо-держащих газов является процесс высокотемпературной каталитической конверсии углеводородов водяным паром, главным агрегатом в котором является трубчатый реактор-теплообмепник с неподвижным слоем гранулированного катализатора в трубном пространстве аппарата. Стохастическая организация слоя катализатора на керамических объемно-формованных или экструдированных носителях обладает рядом серьезных недостатков: значительные аэродинамические сопротивления; хрупкость и низкая прочность гранул; высокое термическое сопротивление слоя, приводящее к ощутимым температурным градиентам в радиальном направлении; малая степень использования объема катализатора и в итоге - низкая селективность процесса, усугубляемая склонностью катализатора к закоксо-выванию, которого избегают, ведя процесс с завышенным избытком водяного пара. Достигнутый уровень технологии аппаратостроения позволяет перейти к созданию более эффективных устройств для проведения процесса паровой копверсии углеводородов.

Ключевое место в разрешении проблемы занимает разработка реакционных элементов и реакторов с регулярной пространственной структурой катализатора. Продуктивным направлением является создание реакторов с каталитически активными покрытиями на теплообменных элементах и поверхностях контактных аппаратов. Тонкий слой каталитически активного компонента, сопоставимый по толщине с эффективным действующим слоем традиционно применяемых катализаторов, позволяет существенно уменьшить материалоемкость конструкций, снизить термические, диффузионные и гидравлические сопротивления в аппарате, устранить лимитирующую роль процессов теплообмена, повысить селективность химической реакции и выход целевого продукта.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка научно-технических основ организации процесса паровой конверсии метана в каталитическом реакторе, снабженном реакционными элементами регулярной пространствен-

ной организации с использованием напыленных на контактные поверхности каталитически активных компонентов.

НАУЧНОЙ НОВИЗНОЙ РАБОТЫ являются:

- результаты экспериментальных исследований технологических свойств покрытий из каталитически активных компонентов, нанесенных на поверхности конструкционных материалов;

- результаты экспериментальных исследований аэродинамического сопротивления различных реакционных элементов в трубчатом реакторе;

- результаты исследований макрокинетики процесса конверсии метана водяным паром в реакционных каналах с регулярной пространственной организацией коптактных устройств;

- результаты исследований процесса конверсии метана водяным паром с использованием катализаторов различного состава;

- результаты исследования теплообмена в процессе конверсии метана водяным паром в реакторах с организованным расположением катализатора;

- разработанная математическая модель и предложенная методика расчета реактора паровой конверсии метана с реакционными элементами регулярной пространственной организации, снабженными каталитически активными покрытиями.

НОВИЗНА полученных данных состоит в том, что большинство проведенных исследований осуществлено впервые на основе глубокого теоретического анализа проблемы. Многие технические и исследовательские решения являются оригинальными.

ОБОСНОВАННОСТЬ представленных научных результатов подтверждается использованием известных апробированных методик эксперимента, позволивших получить удовлетворительное совпадение опытных данных на лабораторной и полупромышленной установках, а также применением традиционных математических методов обработки данных.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов подтверждается тем, что сформулированные в работе выводы основаны на обширном экспериментальном материале, полученном как на лабораторных, так и на полупромышленной установках. Достоверность расчетных зависимостей и математической модели подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных значений с данными экспериментов, полученных в том числе и другими авторами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Созданы новые конструкции ге-терогенпо-каталитических реакторов и реакционных элементов с неподвижным слоем катализатора. На основании экспериментальных данных разработаны методики расчета реактора паровой каталитической конверсии метана с регулярной пространственной организацией реакционных элементов. Разработан новый катализатор паровой конверсии метана, способный устойчиво работать без углеродо-образования в условиях малого избытка водяного пара. Для каталитических реакторов разработаны расчетные методики, позволяющие проектировать аппараты повышенной производительности с низким гидравлическим сопротивлением.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ: результаты экспериментальных исследований структурных и прочностных свойств каталитически активных покрытий, макрокинетики и теплообмена на реакционных элементах с каталитически активными покрытиями в трубчатом реакторе паровой конверсии метана, аэродинамических сопротивлений вставок с регулярной пространственной организацией в трубчатом реакторе, макрокинетики и теплообмена в щелевом реакторе паровой конверсии с каталитически активным слоем на поверхностях теплообмена, макрокинетической активности реакционных элементов с каталитическими покрытиями новых составов; математическую модель и методику расчета реактора паровой конверсии метапа с реакционными элементами регулярной структуры; новые конструкции реакторов и реакционных элементов с регулярной пространственной организацией.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7-ми научных статьях и 4-х депонированных научных отчетах, по теме диссертации получено 4 авторских свидетельства и 1 патент на изобретения. Результаты работы обсуждались на научном семинаре кафедры Химической технологии Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, научном коллоквиуме ИМЕТа РАН им. А.А.Байкова, научно-технической секции Совета НПО "Техэнергохимпром".

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена иа 199 страницах, включающих 187 страниц основного текста, 39 рисунков, 9 таблиц и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы из 318 наименований работ оте-

честпенных и зарубежных авторов и Приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, дели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, приведена общая характеристика диссертации в тезисном изложении основных положений, результатов и выводов работы, в том числе выносимых на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ на основании отечественных и зарубежных литературных данных проведен критический обзор проблемы создания гетерогенно-каталитических реакторов с неподвижным слоем катализатора, введена их оригинальная классификация по технологическим и конструктивным признакам, выявлены характерные видовые отличия, выделены три основных типа химических реакторов с регулярной пространственной структурой расположения неподвижного слоя катализатора (трубчатые, пластинчатые компактные и блочные) и приведен обзор технических и технологических решений в этой области, в частности, реакторов паровой каталитической конверсии углеводородов (метана), рассмотрены особенности расчета каталитических реакторов с регулярной пространственной структурой катализатора, проанализированы данные по кинетике процесса конверсии метана на никелевых катализаторах и технологические особенности создания каталитически активного слоя на теилообмен-ных поверхностях контактных аппаратов, показаны основные тенденции развития исследуемого направления в аппаратостроепии. На основании априорного функционального анализа очерчен круг задач, относящихся к реакционным элементам с каталитически активным слоем на теплообменных поверхностях контактного аппарата, сформулированы и поставлены цели экспериментального и теоретического исследования в рамках указанного направления.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ приведены результаты технологических исследований свойств напыленных никельсодержащих каталитически активных покрытий для паровой конверсии метана, целью которых являлось определение границ применимости газотермического метода напыления для налесепия катализаторов на поверхности реакционных элементов.

В качестве объектов изучения были выбраны газонапыленные на металлическую подложку никельсодержащие композиции и конгломераты оксидов металлов. Наряду с определением стандартных ха-

рактеристик пористых каталитически активных порошковых покрытий (прочность покрытия при растяжении, прочность его сцепления с основой, плотность, термостойкость, пористость, газопроницаемость и каталитическая активность), проводились следующие исследования: измерение удельной поверхности образцов отслоенных порошковых покрытий по БЭТ, оценка качества пористой микроструктуры различных поверхностей покрытий с использованием электронного растрового микроскопа, количественная оценка их термоциклической адгезионной прочности после деформации методом чередования горячих и холодных теплосмен, качественная оценка изменения характера микроструктуры поверхности в результате действия различных видов холодной пластической деформации образцов.

Показано, что в процессе газотермического напыления каталитическая активность нанесенного катализатора сохраняется при нанесении па поверхности любой формы. Покрытия обладают свойством компенсации сложных пластических деформаций, по абсолютному значению не превышающих толщины слоя покрытия, которая, в свою очередь, имеет оптимум по удельной поверхности. На основании проведенных исследований сделан вывод о применимости метода холодных пластических деформаций в технологии изготовления реакционных элементов с каталитически активными покрытиями, полученными методами газотермического напыления.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментальных исследований объемных геометрических характеристик и коэффициентов аэродинамического сопротивления реакционных элементов различного пространственного расположения в трубчатом реакторе.

Первая часть главы посвящена изучению геометрических характеристик и аэродинамического сопротивления неподвижного слоя стохастического заполнения из фигурных реакционных элементов пластинчатого типа, получепных путем холодной пластической деформации прямоугольных заготовок (рис. 1), в трубчатом реакторе.

Была создана экспериментальная установка для измерения объемных геометрических характеристик (удельной поверхности и по-розности) неподвижного засыпного слоя реакционных элементов в трубчатом реакторе и коэффициента его аэродинамического сопротивления, разработаны методики исследования и обработки результатов измерений. Результаты исследования представлены в виде критериальных зависимостей удельной поверхности и порозности неподвижного слоя элементов от характерного геометрического размера элемента - к (отношения ширины заготовки к диаметру трубы реактора):

а(к) = (28.20к2 - 13.87к + 2.03) ■ 103 , м2/м3 (1)

- для удельной поверхности слоя из каталитических элементов и

е(к) = —8.4/с2 + 4.14к + 0.39, м3/м3 (2)

- для порозности слоя.

Здесь: к = а/(1 , где а - ширина заготовки каталитического элемента, м, <1 - диаметр канала реактора, м.

Получена эмпирическая зависимость для коэффициента аэродинамического сопротивления неподвижного слоя элементов от числа Рейнольдса и соотношения геометрических размеров элемента и реактора: ,

Л = 15200 • Ее"116 • к"115 (3)

Обработка экспериментальных данных была проведена с использованием эквивалентного числа Рейнольдса:

Яеэ = (4)

V

где т - средняя расходная скорость газового потока, м/с: к — У//(/о ■ е), V/ - объемный расход газа, м3/с, /о - площадь поперечного сечения незаполненного насадкой реактора, м2 (/о = 0.25тгс?2), с1 -диаметр канала реактора, м, е - порозность слоя насадки, м3/м3, V

- коэффициент кинематической вязкости, м2/с.

Была создана экспериментальная установка для определения аэродинамического сопротивления реакционных элементов однорядной загрузки различной геометрической конфигурации в трубчатом реакторе, разработаны методики их изготовления, размещения в реакторе, экспериментального исследования и обработки результатов. Испытывались четыре типа регулярно организованных реакционных

МУ

Г \

\)

2

1 / /

\ и, \

I

V

: -4

сердечник Лднтщвочная ннпЛс»«Ядная этттзка'.тстячт на 12«'

Рис. 2

элементов однорядной загрузки, набранные из гранул промышленного катализатора паровой конверсии природпого газа марки ГИАП-16-2 (рис. 2).

Ниже приведены основные результаты исследования в форме критериальных зависимостей коэффициентов аэродинамического сопротивления от эквивалентного числа Рейнольдса вида:

Л/ = А{ ■ ЫеВ; (5)

Коэффициенты интерполяции (Л,- и Д) и коррелляции (К{) сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Номер вставки А В К

1 1.16 -0.42 0.98

2 4.94 -0.43 0.92

3 18.14 -0.56 0.96

4 5.36 -0.21 0.94

Минимальным коэффициентом сопротивления обладает трубчатый цилиндрический реакционный элемент однорядной регулярной загрузки. При разнесении же гранул катализатора на периферию реактора значение коэффициента аэродинамического сопротивления увеличивается примерно па порядок для соответствующих значений Не, тогда как увеличение геометрической поверхности реакционного элемента при иных пространственных решениях (элементы 2, 3 и 4) не превышает 15 - 20%.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА содержит результаты экспериментальных лабораторных исследований макрокинетики реакционных элементов и катализаторов с никельсодержащими каталитически активными покрытиями в процессе высокотемпературной паровой конверсии ме-

Схаыа авьгтнай аилатнвй устам»« длв исследования |ыс«|»т«ипсратдоных каталитических

1 ■ ганш« •аллани, 1 • вентиль, 3 • аатуав диафрагма, 4« диффманамат?, I - дистиллиравам-нах ввда, ® - дааиревачиий насас, 7 - врвметачиый исваритвль, • - ввдакимачций кпвавн, » -гааааий смеситель, 1> - змвевииввий тавлеевмекник, 11 - ахраииий плаеСиеииии-лерегрсва. таль, 11 - эксвсримеитапьиий участвк • раактар вауавай гаиварсии метана, 13 - источник ии-танив - мцмний ашмавтелк, 14' вадвнай халадмльиик канвартиреваннвга гааа, II - вадв-най саяаратар, 1 а - кантралкный аатащета, 17 • клавам "на С«|1".

Рис.3

тана и подтверждение их выводов испытаниями на полупромышленной установке конверсии природного газа, а также результаты подбора каталитически активных композиций и их сравнения с исследованными ранее.

Для исследования высокотемпературных каталитических процессов при высоких давлениях была создана опытная пилотная установка (рис. 3) и разработана методика экспериментального исследования и обработки результатов опытов.

Последовательность обработки данных экспериментов была следующей: определялась выделяемая в реакторе электрическая мощность; по показаниям термопар вычислялись средние температуры стенки для центрального и концевых участков реактора; на их основе

ПХ26Н89 на труб« ПХгвНЮ на нерж. ост*« Гирлянда и* ГИАП-1С-2

Рис.4

определялись тепловые потери по участкам реактора; рассчитывались полезные тепловые потоки, воспринятые паро-газовой смесью по участкам реакционного канала; по данным хроматографического анализа определялись и рассчитывались составы конвертированного газа и массовые доли компонентного состава на входе и выходе из реактора; по опытным и справочным данным подсчитывались полпые энтальпии паро-газовой смеси на входе и выходе из канала реактора; вычислялась невязка теплового баланса установки; определялись составы конвертированного газа при условии термодинамического равновесия и рассчитывались степени превращения метана в реакции конверсии; вычислялся энерго-химический параметр подобия Кэн/хпм.

Сравнительная каталитическая активность и теплообмен на реакционных элементах регулярной однорядной загрузки (рис. 4) с катализаторами различного состава исследовались в трубчатом реакторе паровой конверсии метана при давлении Р = 2.0 - 2.5 МПа, в диапазоне температур Т = 950 - 11 ТОК, при соотношениях водяной пар : метан от 2.5 до 4.0.

Установлено, что в одинаковых условиях работы эффективность единицы каталитической поверхности промышленного и нанесенных на различные подложки катализаторов практически совпадает, что указывает на сохранение каталитических свойств активных материалов в процессе напыления. Однако в случае напыленного катализатора его требуется в 4.4 - 5.0 раз меньше, чем при использовании традиционных гранулированных каталитических элементов стохастической загрузки.

Результаты исследования сравнительной каталитической активности реакционных элементов регулярной однорядной загрузки в трубчатом реакторе конверсии метана получили подтверждение при испытаниях геометрически идентичных элементов, проведенных на полупромышленной установке паровой конверсии природного газа

на заводе синтетических продуктов в г. Новочеркасске. Ниже приведены некоторые результаты экспериментов (таблица 2). Таблица 2.

№ Вста- Длит. Расход Объемн. Темп. Остат.

вка опыта, газа, скор., стенки, метан,

- - ч м3/ч ч-1 К %

1. ГИАП-16-2 20 50 4130 1073 5-7

2. ГИАП-16-2 15 60 4960 1073 7-11

3. ГИАП-16-2 40 70 5780 1123 6-9

4. ГИАП-16-2 25 90 7440 1123 9-13

5. ГИАП-16-2 25 70 5780 1173 4-8

6. ПХ20Н80 20 60 (11.0) 4500 1073 8-11

7. ПХ20Н80 15 70 (13.2) 5780 1123 6-10

В поисках наиболее оптимального конструктивного решения реактора с совмещенными каталитически активными и теплообмен-ными поверхностями проводились исследования макрокинетической активности и теплообмена в щелевом реакционном элементе паровой конверсии метана в условиях подвода тепловой энергии к каталитической стенке при малых (до 2 : 1) соотношениях водяной пар : метан на опытной пилотной установке (рис. 3). Были получены распределения температуры и плотности теплового потока по длине экспериментального участка при разных тепловых нагрузках, определен характер зависимости степени завершения процесса от средней температуры стенки. Отмечено увеличение удельной эффективности каталитической поверхности на 15 - 25% по сравнению с однорядной коаксиальной загрузкой катализатора в трубчатом реакторе при подводе тепла через внешнюю стенку. При этом для достижения одинаковых степеней превращения расход катализатора примерно в 6 раз ниже по сравнению с традиционными гранулированными каталитическими элементами стохастической загрузки.

Завершают главу результаты исследования каталитической активности нлазмоналыленных оксидных никель-циркониевых катализаторов реакции паровой конверсии метана при нелимитированном подводе тепла и реагентов в проточном реакторе в условиях отсутствия избытка водяного пара на специально модернизированном экспериментальном стенде. В таблице 3 приведено сравнение по активности оксидных никель-циркониевых катализаторов. Здесь сопоста-

в лены данные по поверхности каталитически активных покрытий, отнесенной к массе навески образца покрытия (Э*) и площади геометрической поверхности покрытия (Э); нагрузке катализатора по метану в процессе паровой конверсии метана, отнесенной к площади геометрической поверхности (а) и площади удельной поверхности (а*); а также степени превращения метана (X).

Таблица 3.

№ \2т] в*, Б-Ю2, а-10% а*108, Н20 : СН4 X

- % м2/г м2/см2 моль/см2-с моль/м2-с - %

1 2 3 4 5 6 7 8

1 20 1.2 3.19 1.12 0.35 1.0 80.8

2 40 0.8 2.44 1.12 0.46 1.0 86.3

3 60 1.7 2.67 1.12 0.42 1.0 87.6

Отмечена высокая каталитическая активность исследованных покрытий и возможность проведения процесса каталитической конверсии метана водяным паром при малом избытке последнего вплоть до стехиометрии при отсутствии науглероживания катализатора.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена описанию математической модели и методики численного расчета реактора паровой конверсии метана с регулярной пространственной организацией катализатора.

Математическая модель реактора строилась на основе следующих допущений: реакционная смесь представляет собой идеальный газ; внешнедиффузионное торможение реакции конверсии метапа в радиальном направлении кольцевого зазора реактора пренебрежимо мало; продольная диффузия реагептов существенно меньше их конвективного переноса; реакция конверсии протекает в приповерхностном слое каталитически активного покрытия (толщина покрытия существенно больше глубины диффузионного проникновения реагептов в слой); отвод тепла через газовую фазу незначителен по сравнению с отбором тепла за счет эндотермического эффекта химической реакции; температура в радиальном направлении реактора считается постоянной.

Рассматривали систему двух химических реакций (конверсии метана и оксида углерода):

СН4 + Н20 ^ СО + ЗН2 - Цх, (I)

СО + н20 ^ С02 + н2 + <32. (II)

Для этой системы материальный баланс метана, условия нераз-равности потока, уравнения состояния идеального газа и энергетического баланса реактора, а также соотношения, необходимые для ее замыкания, в общем виде записывали так:

^chJ =__UL.W- (6)

dz

pUf = poUof = const, (7)

PV = ZmRT, (8)

i

PoUocpf^ = 7ГDq - 7rdQiWf, (9)

с начальными условиями:

^Ссн4 = ^оСсн4)

Т — То, (11)

при z = 0.

Для повышения достоверности определения кинетических параметров модели на основании данных экспериментов уравнение (9) было заменено эмпирическими функциями вида:

Т — а\ + a2Z — йзехр(—a^z), а\, аз, а4 > О, (12)

которыми аппроксимировалась каждая серия экспериментов.

Была разработана методика численного решения системы уравнений модели в случае произвольной кинетической функции для реакции паровой конверсии метана и осуществлена процедура ее подбора на основании экспериментальных данных по распределению температуры и состава газа конверсии по длине реактора. Все выражения зависели от некоторых параметров, значения которых находили методом наименьших квадратов, минимизируя целевую функцию:

Crit ~ XX(xi)i3Kc. - (Sl)ixeop.)2. (13)

i

Результирующая форма включает в себя четыре параметра:

г, ехр(-Г2/(ДГ))РСн4Рн2о (l -f Рн2о + Гзехр(-Г4/(ЙГ))^ ' (U)

Сопоставление результатов численных расчетов с характеристиками реакторов промышленных печей ППР-600, ППР-1360 и агрегата фирмы "Келлог" по различным критериям сравнения (эффективной и объемной скоростям процесса, материалоемкости и расходу каталитического компонента - никеля) подтвердило преимущество контактных систем с регулярной пространственной организацией реакционных элемептов.

Методика численного расчета реактора паровой конверсии метана с регулярной пространственной организацией реакционных элементов построена на основании приведенной выше математической модели. Она состоит в выборе п задании основных технологических и конструктивных параметров реактора, закона распределения плотности теплового потока или температуры газовой смеси по длине реакционного капала, совместном решении уравнений (6 - 10) или (6

- 8, 10, 12) модели в соответствии с начальными условиями (11), в результате чего определяется длина реактора, при которой достигается требуемая степень завершения реакции, а также число реакционных каналов, обеспечивающих заданную производительность аппарата.

В заключение приведены практические рекомендации по разработке и проектированию реакторов паровой конверсии с реакционными элементами регулярной пространственной организации и каталитически активными покрытиями на поверхностях контактных устройств.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а,- - интерполяционные коэффициенты; С'сп4, Сн2о> Сп2, Ссо, Ссо2

- концентрации компонентов газовой смеси; ср - изобарная теплоемкость газовой смеси; D и d - наружный и внутренний диаметры кольцевого зазора, соответственно; / - площадь кольцевого зазора реактора; п,- - число молей i-ro компонента смеси; Рсщ, P\i2о, Ла2, Рсо, РСо2 ~ парциальные давления компонентов газовой смеси; Р -общее давление в системе; Q¡ - тепловые эффекты химических реакций; q - плотность внешнего подводимого теплового потока; R -универсальная газовая постоянная; Щ ,U- скорость газовой смеси в начальном и текущем сечениях реактора, соответствепно; V = У(Т)

- выделенный индивидуальный объем; Усм - объемный расход газовой смеси; Wp - кинетическая функция химической реакции; (xi)i3KC., (^i)iTeop. ~ экспериментальные и теоретические значения степени превращения метана в выражении для целевой функции, соответствен-

но; 2 - текущая координата реактора; Г,- - параметры кинетической функции; ро, р - плотности газовой смеси в начальном и текущем сечениях реактора, соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены экспериментальные исследования технологических свойств каталитически активных покрытий, полученных методом газотермического напыления пикельсодержащих порошковых материалов. Показано, что наряду с высокой пористостью и макрокинетиче-ской активностью они обладают удовлетворительными механическими свойствами, не разрушаются при действии фронтальных ударных нагрузок и могут быть нанесены на доступные методу поверхности любой сложной формы. Покрытия обладают свойством компенсации сложных пластических деформаций, по абсолютному значению не превышающих толщины слоя покрытия, которая, в свою очередь, имеет оптимум по удельной поверхности. Приведенные данные свидетельствуют о применимости методов холодных пластических деформаций в технологии изготовления реакционных элементов с каталитически активными покрытиями.

2. Экспериментально исследован процесс конверсии метана водяным паром на специально созданной лабораторной установке при давлении до 3.0 МПа с использованием реакционных элементов организованного пространственного расположения, собранных из гранул промышленного катализатора марки ГИАП-16-2, и полученных газотермическим напылением никельсодержащих порошковых материалов на поверхности металлических труб и сетки из нержавеющей стали. Установлено, что в одинаковых условиях работы эффективность единицы каталитической поверхности промышленного и нанесенных на различные подложки катализаторов практически совпадает, что указывает на сохранение каталитических свойств активных материалов в процессе напыления. Однако в случае напыленного катализатора его требуется примерно в 5 раз меньше, чем при использовании традиционных каталитических элементов гранулированного типа в стохастически организованном слое. Предложены методики расчета аэродинамического сопротивления различных видов реакционных элементов однорядной загрузки и объемно-деформированных высокотеплопроводных элементов насадки неподвижного слоя в трубчатом реакторе.

3. Проведены опытные испытания коаксиально расположенных в

трубчатом реакторе цилиндрических каталитических вставок с напылением порошка нихрома марки ПХ20Н80 и набранных из гранул промышленного катализатора ГИАП-16-2 в процессе каталитической конверсии метана водяным паром на полупромышленной установке. Результаты испытаний подтверждают данные лабораторных исследований.

4. Экспериментально исследован процесс каталитической конверсии метана водяным паром при совмещении каталитических и те-плопередащих поверхностей в щелевом канале. Отмечено увеличение удельной эффективности каталитической поверхности на 15 -20%. При этом для достижения одинаковых значений степени превращения метана расход катализатора примерно в 6 раз ниже по сравнению с традиционными каталитическими элементами гранулированного типа в плотном стохастическом слое. Доказана возможность создания семейства пластинчатых реакторов с каталитически активными поверхностями, полученными методом газотермического напыления.

5. Проведено экспериментальное исследование каталитической активности напыленных катализаторов различных составов. Найдены устойчивые к зауглероживапию составы, по эффективности превышающие существующие промышленные композиции.

6. Разработана полуэмпирическая модель трубчатого каталитического реактора. Выполненные по модели расчеты показали удовлетворительное совпадение с данными лабораторных исследований и полупромышленных испытаний.

7. Различные конструкции реакторов с каталитически активными покрытиями защищены 4 авторскими свидетельствами и 1 патентом на изобретения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО:

1. А.В.Макунин, А.Л.Сурис, М.Ф.Шопшин, С.Ф.Халак. Реакционный элемент гетерогенно-каталитических реакторов с неподвижным слоем катализатора. A.c. № 1576193 (СССР). Приор. 25.05.88. Выд. 08.03.90. Опубл. 07.07.90. Бюл. № 25.

2. А.В.Макунин, А.Л.Сурис, Е.Е.Овчинников, М.Ф.Шопшин. Гетерогенно-каталитический реактор с неподвижным слоем катализатора. A.c. № 1648543 (СССР). Приор. 12.05.89. Выд. 15.01.91. Опубл. 15.05.91. Бюл. № 18.

3. В.С.Румянцев, А.В.Макунин, С.Ф.Халак, И.П.Лузин. Реакционный элемент гетерогенно-каталитического реактора. A.c. № 1710117 (СССР). Приор. 26.02.90. Выд. 08.10.91. Опубл. 07.02.92. Бюл. № о.

4. Е.Е.Овчинников, В.А.Волков, А.В.Макунин, В.С.Румянцев. Аппарат для каталитической конверсии метана. A.c. № 1780826 (СССР). Приор. 30.03.92. Выд. 15.08.92. Опубл. 15.12.92. Бюл. № 46.

5. А.В.Макунин, Е.Е.Овчинников. Реакционный элемент каталитического реактора. Патент на изобретение № 2075168 по заявке № 95110120/26 (018113) от 19.06.95.

6. А.В.Макунин, Е.Е.Овчинников, В.С.Румянцев, А.Л.Сурис. Исследование процесса паровой конверсии метана в реакторе с организованной загрузкой реакционных элементов. //Химическая промышленность. -№ 8. -1995. -С. 50 - 58 (462 - 470).

7. А.В.Макунин, В.С.Румянцев, А.Л.Сурис. Исследование процесса паровой конверсии метана в условиях нелимитированного подвода тепловой энергии в щелевом реакторе с каталитически активным слоем. //Химическая промышленность. -№ 9. -1995. -С. 52 - 58 (541 - 547).

8. А.В.Макунин, В.С.Румянцев, А.Л.Сурис. Сравнительные исследования макрокинетической активности реакционных элементов однорядной загрузки с каталитически активным слоем в процессе паровой конверсии метана. //Химическая промышленность. -№ 10. -1995. -С. 31 - 36 (590 - 595).

9. А.В.Макунин, А.Л.Сурис. Исследование свойств каталитически активных покрытий, полученных методом газотермического напыления. //Физика и химия обработки материалов, -№ 1. -1996. -С. 62 -67.

10. А.В.Макуиин, А.Л.Сурис. Аппараты с каталитически активным слоем на фигурных пластинчатых элементах. //Химическая промышленность. -№ 2. -1996. -С. 37 - 44 (103 - 110).

11. А.В.Макунин, С.И.Сердюков, М.С.Сафонов. Процесс паровой конверсии метана на оксидных никель-циркониевых каталитических покрытиях. //Нефтехимия, № 5. -1996. -С. 34 - 37.

12. М.С.Сафонов, А.В.Макунин, О.Ю.Остошевская, В.К.Бельнов, Н.М.Воскресенский. Гидродинамическое сопротивление двухполюсных элементов пористых блоков с транспортными каналами. //Теор. основы химической технологии. -Т. 30. -№ 6. -1996. -С. 591 - 594.

Подписано к печати 28.09.98 г. Заказ № 185. Тираж 100 экз.

ТОО "Фирма БЛОК" 107140 г. Москва, ул. Русаковская, д.1, т. 264 - 30 - 73 Изготовление брошюр, авторефератов и переплет диссертаций.