Оптимизация управления процессом синтеза углеводородов из моноокиси углерода и водорода на кобальтовых катализаторах

• Автор: Высочин, Николай Викторович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Новочеркасск
• Количество страниц: 149 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1 Анализ процесса синтеза углеводородов на Со

катализаторах как объекта управления

1.1 Физикохимические основы процесса

1.2 Кинетические математические модели ФТсинтеза

1.2.1 Механизм ФТсинтеза на Сокатализаторах

1.2.2 Формальная модель

1.2.3 Стохастическая формальная модель

1.2.4 Неформальная модель

1.2.5 Влияние природы катализатора на уравнение кинетики

1.3 Процесс синтеза на зерне катализатора
1.4 Анализ процесса в слое катализатора
Выводы
Глава 2 Моделирование стационарного процесса синтеза углеводородов
2.1 Постановка задачи моделирования
2.2 Кинетическая модель
2.2.1 Вывод кинетического уравнения
2.2.2 Размерность константы скорости реакции
2.2.3 Результаты моделирования кинетики
2.2.4 Выбор уравнения молекулярномассового распределения
2.3 Моделирование процесса на зерне катализатора
2.3.1 Математическое описание
2.3.2 Степень использования внутренней поверхности
2.4 Моделирование процесса в слое катализатора
2.4.1 Математическое описание ,
2.4.2 Параметры математической модели
2.4.3 Параметры настройки модели
2.5 Оценка адекватности модели процесса
Глава 3 Моделирование динамики процесса
3.1 Динамическая модель процесса ФТсинтеза
3.2 Расчет динамической модели
Выводы
Глава 4 Оптимизация управления процессом синтеза углеводородов
4.1 Математическое описание падения активности катализатора
4.2 Критерий оптимизации
4.3 Метод оптимизации
4.4 Расчет оптимального управления процессом синтеза
4.5 Проектирование СУ процессом синтеза
4.5.1 Принцип автоматизации управления
4.5.2 Алгоритм управления Выводы
Заключение
Литература


Конвертированный газ (синтез-газ), состоящий из основных реагентов: СО и и из примесей: азота Я2у углекислого газа С и метана СН4,, от печи конверсии с температурой до °С подается в подогреватель (П) (см. С. Нагретый синтез-газ подается на вход реактора (Р), представляющий собой одноходовой трубчатый теплообменник с неподвижным слоем катализатора, на поверхности которого протекают реакции синтеза, и проходит по трубкам с неподвижным слоем кобальтового катализатора. В реакторе при температуре до 0 °С и давлении 1 МПа протекают реакции синтеза углеводородов с выделением тепла. Съем тепла и регулирование температуры реакционной среды осуществляется системой испарительного охлаждения (ПС). Далее полученные продукты разделяются на фракции с помощью парафиноотделителей (ПО), холодильника (X) и конденсатора (К), которые собираются в емкостях для сбора продуктов (Е). Из технологии процесса следует, что основной его вЩ приходится на реактор. В связи с этим технологическую схему можно упростить, выделив в ней только реактор, и рассматривать его как объект управления. Гидрирование оксида углерода () в процессе ФТ-син$? Механизм процесса еще не изучен и базируется на нескольких основных гипотезах [2], подробное рассмотрение которых будет приведено при анализе кинетики процесса Здесь же остановимся на общей части, объединяющей эти гипотезы. Первая стадия реакции синтеза заключается в одновременной хемосорбции оксида углерода и водорода на катализаторе. При этом оксид углерода соединяется углеродным атомом с метатлом-катализатором, вследствие чего ослабляется связь С-0 и облегчается взаимодействие СО и водорода с образованием первичного комплекса. С этого комплекса и начинается рост углеводородной цепи. Рост цепи заканчивается в результате десорбции, гидрирования или взаимодействия растущей цепочки с продуктами синтеза. Основными продуктами реакций являются насыщенные и ненасыщенные углеводороды алифатического ряда, а побочными - спирты, альдегиды и кетоны. Реакционно-способные соединения (ненасыщенные углеводороды, альдегиды, спирты и т. В дальнейшем реакции между образующимися продуктами приводят к кислотам, эфирам и т. Реакции дециклизации, протекающие при более высоких температурах синтеза, приводят к ароматическим углеводородам. Не исключается также протекание крекинга или гидрокрекинга более высококипящих углеводородов, первично образовавшихся и десорбированных с катализатора, если они снова адсорбируются на нем. Так как углеводороды образуются на . Наиболее широкое применение в качестве кататизаторов находят металлы VIII группы Периодической системы [2-5]. В зависимости от применяемого кататизатора процесс может осуществляться как при атмосферном, так и при повышенном давлении в интервале температур 0-5 °С. Как уже было сказано, синтез начинается с одновременной хемосорбции СО и Н2 на атомах металла. Для образования такой хемосорбированной связи особенно пригодны переходные металлы с Зс/- и 4/-электронами или их соединения (карбиды, нитраты и т. В качестве основного металла для катализаторов ФТ-синтеза практически пригодными оказались кобальт и железо. Железные катализаторы способствуют образованию парафинов с разветвленной цепочкой и большого количества олефинов. Что касается других металлов, то в результате проведенных исследований [2, 5] известны следующие фаты: над родием получали жидкие продукты; осмиевые катализаторы при высоких температурах приводили к образованию больших количеств газообразных продуктов; над рутением при высоком давлении можно синтезировать парафины с молекулярной массой ; титан, ванадий, хром и марганец до настоящего времени не нашли применения в качестве основы катализаторов ФТ-синтеза, т. Так как в рамках диссертационной работы рассматривается процесс синтеза углеводородов на кобальтовых (Со) катализаторах, приведем отличительные черты процесса при его использовании. Учитывая, что преобладающими продуктами на Со-катализаторе являются парафины, реакция образования парафинов является основной. Данная реакция является экзотермической: количество образующегося тепла составляет около % от теплоты сгорания синтез-газа.