مدلسازی و شبیه سازی تبدیل کاتالیستی مستقیم جزئی متان به متانول در یک راکتور بستر سیال

نوع مقاله: مقاله شیمی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز

2 عضو هیأت علمی، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز

چکیده

تبدیل کاتالیستی مستقیم متان به متانول روش جدیدی است که به واسطه‌ آن فرایند میانی و هزینه بر تولید گاز سنتز حذف می‌شود. با استفاده از این تکنولوژی می‌توان از میادین گازی با ذخیره کم و میادین غیرمتعارف، بدون نیاز به ساخت واحدهای پرهزینه‌ تبدیل گاز به محصولات مایع بهره‌برداری لازم را به عمل آورد. در این مقاله مدلسازی و شبیه‌سازی فرایند تک مرحله ای تبدیل متان به متانول در یک راکتور بستر سیال پر شده با کاتالیست پنتااکسید وانادیوم مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا راکتور در شرایط پایا شبیه سازی شده و تأثیر پارامترهایی مانند دمای راکتور و زمان اقامت واکنش دهنده ها داخل راکتور روی درصد تبدیل متان و انتخاب پذیری محصولات مورد بررسی قرار گرفته است. در مرحله بعدی شبیه سازی ناپایای فرایند انجام گرفته و رفتار حلقه باز راکتور نسبت به اغتشاشات وارده به پارامترهای مهم اثر گذار در دمای راکتور و انتخاب پذیری محصولات بررسی شده است. در شرایط پایا برای زمان اقامت 9 ثانیه بیشترین بازده تولید متانول در فشار و دمای ورودی 50 بار و 773 کلوین به‌دست آمد. در این شرایط درصد تبدیل متان 32.2 و انتخاب پذیری متانول برابر 42.1 درصد به‌دست آمد. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش دمای راکتور و زمان اقامت، درصد تبدیل متان زیاد ولی انتخاب پذیری متانول کم می‌شود. همچنین دمای سیال خنک کننده و زمان اقامت داخل راکتور بیشترین تأثیر را در عملکرد راکتور دارند. نتایج شبیه سازی روند مشابه با نتایج به‌دست آمده برای نمونه آزمایشگاهی راکتور بستر ثابت مشابه را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling and Simulation of Catalytic Direct Partial Oxidation of Methane to Methanol in a Fluidized-Bed Reactor

نویسندگان [English]

  • Asghar Mohammadi 1
  • Ali Farzi 2
1 Faculty of Chemical and Petroleum Engineering, University of Tabriz, 29 Bahman Blvd., Tabriz, Iran
2 Faculty of Chemical and Petroleum Engineering, University of Tabriz, 29 Bahman Blvd., Tabriz, Iran
چکیده [English]

Direct catalytic oxidation of methane to methanol is a novel technique which has eliminated the intermediate and expensive process of synthesis gas production. This technology can be used for low deposit, remote, low-pressure fields, and abundant resources of unconventional gas, without need to manufacture of expensive units of gas-to-liquid (GTL) process. In present study, modeling and simulation of the single step (direct) conversion of methane to methanol has been investigated in a fluidized-bed reactor packed with V2O5/SiO2 particles as the reaction catalyst. Firstly, the reactor was simulated at steady-state conditions and the effect of important parameters such as feed temperature and residence time of reactants within the reactor on methane conversion and products' selectivity was studied. In the next step, dynamic simulation of the process was performed and the effect of disturbances of effective parameters on reactor performance was investigated. In steady state conditions, for the residence time of 9 seconds maximum yield of methanol production was obtained at 50 bar and 773 K and methane conversion was 32.2 and methanol selectivity was 42.1. Results showed that by increasing reactor temperature and residence time, methane conversion increases but methanol selectivity decreases. Cooling fluid temperature and residence time were found to have the greatest effect on reaction rate and rector performance. Also results showed reasonable agreement with the experimental data reported in the literature for fixed-bed reactor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Direct conversion of methane to methanol
  • Fluidized-bed reactor
  • Process modeling
  • Dynamic simulation
. ملی مهندسی شیمی ایران، تهران، 7 تا 9 آذر، 1385
[2] Qijian Zhang, Dehua He1, Qiming Zhu1, "Recent Progress in Direct Partial Oxidation of Methane to
Methanol", Journal of Natural Gas Chemistry, Vol. 12, 2003, pp. 81-89.
[3] N.R. Foster, "Direct Catalytic Oxidation of Methane to Methanol-A Review", Applied Catalysis, vol. 19, No.
1, 1985, pp. 1-11.
[4] D. Johnson, "Global Methanol Market Review", Chemical Market Research, 2012, pp. 5-6.
[5] M. Sohrabi, L. Vafajoo, "Partial Oxidation of Methane to Methanol in a Catalytic Packed Bed Reactor: Kinetic
Modeling and Experimental Study", World Applied Sciences Journal, Vol. 6, No. 3, 2009, pp. 339-346.
[6] M.O. Adebajo, R.L. Frost, "Recent advances in catalytic-biocatalytic conversion of greenhouse methane and
carbon dioxide to methanol and other oxygenates", Greenhouse Gases: Capturing, Utilization and
Reduction. In Tech, 2012, pp. 31-56
[7] V. Arutyunov, "Low–scale direct methane to methanol–modern status and future prospects", Catalysis Today,
Vol. 215, 2013, pp. 243–250
[8] M. Haghighi, "Catalytic Partial Oxidation of Methane for Direct Conversion of Natural Gas to Methanol",
Ph.D. Thesis, Curtin University of Technology, 2007.
[9] Q. Zhang, D. He, J. Li, B. Xu, Y. Liang, Q. Zhu, "Comparatively high yield methanol production from gas
phase partial oxidation of methane", Applied Catalysis, Vol. 224, No. 1-2, 2002, pp.201-207.
[10] T. Takemoto, K. Tabat, Y. Teng, Sh. Yao, A. Nakayama, E. Suzuki, "Optimization of C1-oxygenates for the
selective oxidation of methane in a gas phase reaction of CH4-O2-NO at atmospheric pressure", Energy
and Fuels, Vol. 15, No. 1, 2001, pp. 44-51.
[11] Y. Teng, K. Tabata, Y. Yamaguchi, T. Takemoto, E. Suzuki, "effects of lowering reaction temperature in thedirect selective oxidation of CH4-O2-NO2-CH2O", Catalysis Today, Vol. 71, 2001, pp. 37-45.
[12] A.S. Chellappa, S. Fuangfoo, DS. Viswanath, "Homogeneous oxidation of methane to methanol: effect of CO2, N2 and H2 at high oxygen conversions", Industrial and Engineering Chemistry Research. Vol. 36, No. 5, 1997, pp. 1401-1409.
[13] A.S. Chellappa, D.S. Viswanath, "Partial oxidation of methane using ferric molybdate catalyst", Ind. Eng. Chem. Res, Vol. 34, No. 6, 1995, pp. 1933-1940.
[14] L. Vafajoo, M. Sohrabi, and M. Fattahi, "Direct Conversion of Methane to Methanol OverV2O5/Sio2 Catalyst in a Fixed-Bed Reactor Utilizing a CFD Model", World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 49, 2011.
[15] C.G. Dallos, V. Kafarov, R.M. Filho, "A two dimensional steady-state model of the gas–solid–solid reactor: Example of the partial oxidation of methane to methanol" Chemical Engineering Journal, Vol. 134, No. 1-3, 2007, pp. 209–217.
[16] D. Kunii, O. Levenspiel, "Fluidization Engineering", Wiley: New York, 1977, pp. 137-165.
[17] A. Abdelhamid, A. Emaddine, "Dynamic Modeling and Control of a Fluidized Bed Reactor for the Oxidative Dehydrogenation of Ethylbenzene to Styrene", King Saud University, King Saud University, Vol. 10, No. 2, 1998, pp. 141-162.
[18] K.M. Wagialla, S.S.E.H. Elnashaie, "Fluidized-Bed Reactor for Methanol Synthesis. A Theoretical Investigation", Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 30, No. 10, 1991, pp. 2298-2308.
[19] J.R. Grace, "Modelling and simulation of two-phase fluidized bed reactors”. Chemical Reaction Design Technology", Vol. 110, 1986, pp. 245-289.
[20] S. Mori, C.Y. Wen, "Estimation of bubble diameter in gaseous fluidized beds", AIChE Journal, Vol. 21, No. 1, 1975, pp. 109-115.
[21] S.P. Sit, J.R. Grace, "Interphase mass transfer in aggregative fluidized bed", Chemical Engineering Science, Vol. 33, No. 8, 1978, pp. 1115-1122.
[22] J.W. Chun, G.A. Rayford, "Catalytic oxidations of methane to methanol", Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 32, No. 2, 1993, pp. 259-263.