Глава 5. Моделирование процесса получения метанола из синтез-газа.

5.1. Построение кинетической модели реакции синтеза метанола.

5.2. Проверка адекватности кинетической модели реакции синтеза метанола.

5.3. Модель зерна катализатора синтеза метанола и расчет факторов эффективности работы зерна.

5.4. Модель каталитического реактора синтеза метанола.

5.5. Анализ и моделирование эффективных химико-технологических схем.

5.5.1. Основные критерии выбора оптимальной ХТС.

5.5.2. Моделирование процесса получения метанола.

5.5.2.1. Моделирование процесса синтеза метанола с переменным давлением в реакторах.

5.5.2.2. Моделирование процесса синтеза метанола постоянным давлением в реакторах (синтез-газ содержит невысокое количество азота до 25 % об).

5.5.2.3. Моделирование процесса синтеза метанола с постоянным давлением в реакторах (синтез-газ содержит значительное количество азота).

5.5.2.4. Моделирование процесса синтеза метанола с постоянным давлением в реакторах (синтез-газ содержит значительное количество С02 до 15 %об.).

Глава 6. Моделирование процесса получения диметилового эфира из метанола.

6.1. Построение кинетической модели реакции синтеза диметилового эфира из метанола.

6.1.1. Результаты кинетических экспериментов реакции дегидратации метанола и оценка констант модели.

6.1.2. Моделирование реакции дегидратации метанола в лабораторном реакторе.

6.2. Анализ и моделирование процесса синтеза диметилового эфира.

Глава 7. Моделирование процесса получения низших олефинов.

7.1. Построение кинетической модели реакции синтеза диметилового эфира и олефиновых углеводородов.

7.2. Экспериментальные исследования кинетики реакции получения олефинов из метанола, оценка констант и проверка адекватности модели.

7.3. Модель зерна катализатора синтеза низших олефинов и расчет факторов эффективности работы зерна.

7.4. Модель каталитического реактора синтеза низших олефинов.

7.5. Эскиз каталитического реактора получения низших олефинов и моторных топлив.

7.6. Режимы работы реакторного узла получения низших олефинов и моторных топлив.

7.7. Оценка эффективности работы реакторного узла получения низших олефинов.

7.8. Перспектива развития газонефтехимических отраслей промышленности.

Введение диссертации (часть автореферата) На тему "Моделирование и разработка энерго- и ресурсосберегающих процессов получения метанола, диметилового эфира и низших олефинов из природного газа."

Двадцать первый век характеризуется быстрым развитием промышленности в ведущих капиталистических странах мира, в особенности химической и нефтехимической. Конкретно именно тех их отраслей, которые определяют уровень развития энергетики и производств ключевых химических продуктов (олефины, алифатические спирты, изоалкановые и ароматические углеводороды и т.п.). Следовательно, в настоящее время особые требования предъявляются к таким показателям производств как энергоресурсосбережение и экологическая безопасность - особенно по показателям количественного сброса в атмосферу парниковых газов и вредных для здоровья человека химических веществ.

Создание новых процессов и производств химических продуктов возможно за счет разработки новых катализаторов, технологического оборудования новых конструкций, совмещения в одном аппарате химических процессов и процессов переноса тепла и массы. Однако при этом исключительно перспективным является тот подход, в котором наряду с перечисленными выше требованиями реализуется комплексное совмещение в одном аппарате взаимодополняющих друг друга химических процессов (эндо-и экзотермических реакций, реакций обеспечивающих более полную конверсию исходного сырья и полученных побочных продуктов, реакций увеличивающих скорости медленных стадий сложного каталитического механизма химического превращения и т. п.), а также химических процессов с физическими процессами переноса тепла и массы. Перечисленные выше задачи могут быть решены за счет подбора комплексных полифункциональных катализаторов, разработки новых типов каталитических реакторов и за счет построения прецизионных кинетических и реакторных моделей изучаемого каталитического процесса. При этом в каждом элементе каталитического слоя в реакторе рассчитываются концентрации исходных реагентов, целевых и побочных продуктов, а также величины температур и давлений в реакционном потоке. По этой информации осуществляется направленный подбор полифункционального катализатора, конструкции реактора и режимов его эксплуатации. Так как созданные модели позволяют рассчитать условия проведения процесса с высокой точностью, то сокращаются затраты на проведение лабораторных и стендовых экспериментальных исследований при одновременном увеличении их надежности. Полная детальная информация о протекании изучаемых реакций на активных центрах поверхности катализатора и в каталитическом реакторе позволяет развить новые способы организации высокоэффективных каталитических процессов, которые обеспечивают повышение рентабельности промышленных производств.

По моделям осуществляется оптимизация режимов работы реакторов, структуры химико-технологической схемы (ХТС) и режимов ее эксплуатации, обеспечивающих необходимые показатели по энергоресурсосбережению и экологичности разрабатываемых процессов, а также разработка систем управления отдельными технологическими аппаратами и ХТС в целом и систем автоматизированного проектирования новых высокорентабельных производств.

Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы являлось создание новых методов моделирования высокоэффективных каталитических процессов и разработка на их основе энерго-, ресурсосберегающих процессов конверсии природного газа в синтез-газ, метанол, диметиловый эфир, низшие олефиновые углеводороды. Преимущество новых технологий по сравнению с традиционными процессами заключается в сокращении энергозатрат, расходных норм по сырью и общей энергозамкнутости процесса. Реализация цели предусматривает решение следующих задач: - разработку методов оценки информационной обусловленности изучаемого процесса, допускающей построение прецизионных кинетических и реакторных моделей;

-разработку методов построения прецизионных кинетических моделей; -разработку методов установления числа констант (или их комбинаций), допускающих оценку, и вычисление их численных значений с заданной точностью;

-разработку методов оценки точности по модели основных показателей работы исследуемого процесса;

-разработку методов непрерывного планирования прецизионных и дискриминирующих экспериментов и методов дискриминации линейно и нелинейнопараметризованных математических моделей;

-разработку методов оценки величин факторов эффективности работы зерна катализатора в отношении ключевых реагентов и независимых химических реакций;

-создание методов оценки множественности стационарных состояний работы зерна катализатора и каталитического реактора;

- разработку способов регуляризации каталитических слоев в промышленном аппарате с целью интенсификации его работы, энерго-, ресурсосбережения;

-разработку методов целенаправленной организации каталитического процесса в реакторе, обеспечивающего максимальную селективность по целевым продуктам при заданной производительности;

-разработку прецизионных кинетических моделей реакций конверсии природного газа в синтез-газ, метанол, диметиловый эфир, низшие олефины;

-разработку математических моделей каталитических реакторов получения синтез-газа, метанола, диметилового эфира;

-разработку способов эксплуатации реакторных узлов получения синтез-газа из природного газа и метанола из синтез-газа, обеспечивающих получение высокочистого метанола при заданной производительности по метанолу;

-разработку способов эксплуатации реакторного узла низкотемпературного синтеза диметилового эфира при его высоком качестве и заданной производительности;

-создание энерго-, ресурсосберегающих химико-технологических схем получения метанола и диметилового эфира из природного газа.

Экспериментальная часть работы была выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессов.