научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МИКРОРЕАКТОРОВ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНОЛА Химия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МИКРОРЕАКТОРОВ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНОЛА»

КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2007, том 48, № 5, с. 816-822

УДК 542.933:547.261

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ПЛАСТИН НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МИКРОРЕАКТОРОВ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНОЛА

© 2007 г. Л. Л. Макаршин, Д. В. Андреев, А. Г. Грибовский, П. М. Дутов*,

Р. М. Хантаков*, В. Н. Пармон

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск *Новосибирский государственный университет E-mail: andreev@catalysis.ru Поступила в редакцию 22.06.2006 г.

Исследовано влияние конструкции микрореактора (цилиндрической (МРЦ) или прямоугольной (МРП) формы) и микроканальных пластин (МКП) на производительность по водороду в процессе паровой конверсии метанола. МКП изготовлены из алюминиевой фольги, нержавеющей стали и пеноникеля методами лазерного гравирования, электрохимического травления и прессования. Количество порошкообразного катализатора состава CuO/ZnO (40 : 60 мол. %), закрепляемого на одной МКП, варьировалось от 0.04 до 2.5 г. Установлено, что удельная производительность по водороду (Uw) в микрореакторе типа МРЦ более чем в три раза превосходит Uw в реакторе типа МРП и в шесть раз - в традиционных реакторах с неподвижным слоем гранулированного катализатора (РНС). Это связано с более эффективным использованием катализатора в микрореакторах. Обнаружено существенное влияние конструкции МКП, определяющей время контакта реагентов со слоем катализатора на производительность микрореактора.

Последние годы характеризуются повышенным интересом к микроканальным каталитическим системам получения водорода из водородсодержащих топлив. Это объясняется компактностью таких систем и высокой эффективностью использования размещенного в них катализатора по сравнению с традиционными каталитическими системами.

Метанол - один из наиболее перспективных химических субстратов для получения водорода. Это связано с его высокой энергоемкостью, доступностью и низкой стоимостью. Одним из наиболее эффективных процессов получения водорода из метанола является каталитическая паровая конверсия. Данная реакция происходит при относительно низких температурах 200-300°С, что не предъявляет высоких требований к материалу реактора и оборудованию. Использование микрореакторов в процессе паровой конверсии метанола позволяет создать генераторы водорода для портативных источников тока на основе топливных элементов [1].

Микрореакторы паровой конверсии метанола состоят из набора микроканальных пластин (МКП) с каналами субмиллиметровых размеров. Высокая теплопроводность МКП и малое сечение каналов позволяют обеспечить высокие скорости тепломассопереноса и узкое распределение по временам контакта реагентов со слоем катализатора. Проектирование и изготовление таких микрореакторов требует решения ряда проблем, связанных с выбором оптимальной конфигура-

ции МКП, оптимизацией размещения МКП в микрореакторе и разработкой способов нанесения и закрепления катализатора в каналах МКП.

Проблеме разработки микроструктурированных каталитических реакторов полностью посвящен специальный выпуск журнала Catalysis Today1, в котором приводятся сведения о различных типах микрореакторов и обсуждаются кинетические и газодинамические явления, происходящие в каналах субмиллиметрового сечения, а также рассматривается использование таких микрореакторов для получения водорода из метанола и природного газа.

В работах [2, 3] описано изготовление цельнометаллических микрореакторов методом высокотемпературной диффузионной сварки пакета МКП из нержавеющей стали и методом пленочного литья. В первом случае каналы имели характерные размеры сечения от 50 до 500 мкм, а во втором - 500 х х 1000 и 800 х 1000 мкм. Последний реактор был испытан в реакции окисления н-бутана на Pd-катали-заторе. Описание методики изготовления МКП из электротехнического кремния приводится в работе [4]. Здесь была получена МКП, содержащая 800 каналов с размером сечения от 5 до 100 мкм, что позволило существенно увеличить отношение поверхности пластин к их объему.

В работе [5] исследовали автотермический процесс окисления метанола в микрореакторах

1 2005. V. 110. < 1-2.

КХХХХХХХЖХХХХХХХ)!

H2O

Дозатор

Испарртель

CH3OH + H2O

Микрореактор

()()()()(ТиТ)()\()()()()()()()()

Термопара

Компьютер +

программное обеспечение

Сепаратор

CO, CO2, H2O

CH3OH, H2O жидкость

АЦП/ЦАП +

интерфейс

Хроматографы: Кристалл 2000, ЛХМ-8

На анализ

Рис. 1. Блок-схема каталитической установки для испытания микрореакторов.

Датчик расхода газа

Кран отбора пробы (с пневмоприводом)

I

Сброс

двух типов с различными схемами движения газовых потоков через МКП с катализатором. Было установлено, что наибольшая эффективность использования катализатора наблюдается в цилиндрическом микрореакторе, в котором газовый поток движется не вдоль МКП, а в радиальном направлении - из центральной области микрореактора к периферии через отверстия в МКП. В результате на катализаторе Pd/ZnO была достигнута скорость окисления метанола, эквивалентная удельной мощности тепловыделения 425 Вт/(см3 Кт), рассчитанная на объем катализатора.

Для реакции паровой конверсии метанола используют, как правило, медьсодержащие катализаторы, которые имеют достаточно высокую активность и ресурс работы. Наиболее эффективным катализатором паровой конверсии метанола являются композиты СиО^пО [6] и СиО^пО^Ю^О;, [7].

Настоящая работа посвящена исследованию влияния конструкции микрореактора и микроканальных пластин на эффективность использования катализатора в процессе паровой конверсии метанола.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Паровая конверсия метанола (ПКМ) является эндотермическим процессом, протекающим в присутствии катализатора при температуре 200-300°С с образованием водорода, диоксида и монооксида углерода. В этот процесс могут давать вклад несколько реакций. Однако линейно-независимых реакций всего две, и с их помощью можно полностью описать материальный баланс исследуемого процесса:

CH3OH + H2O = CO2 + 3H2

(A H °98 = 49.3 кДж/моль),

(I)

CO2 + H2 = CO + H2O (AH°98 = 41.2 кДж/моль).(П)

Первая реакция основная, в ней из одного моля метанола получается три моля водорода и один моль диоксида углерода. Вторая реакция - это обратная реакция конверсии водяного пара (water-gas shift), которая приводит к образованию монооксида углерода. В качестве катализатора мы использовали образец состава CuO/ZnO = 40 : 60 (мол. %) с удельной поверхностью ~50 м2/г, который был синтезирован по стандартной методике [6, 7].

Исследование эффективности работы микрореакторов проводили на каталитической установке, изготовленной в Институте катализа СО РАН (Новосибирск). Схема установки приведена на рис. 1. Блок дозирования жидкости Bi-Flow (производство Института катализа СО РАН) позволяет осуществлять подачу и дозирование жидкостей в реактор с объемной скоростью от 0 до 0.75 см3/мин с точностью 5 х 10-4 см3/мин. Жидкую водно-ме-танольную смесь (ВМС) из блока дозирования подавали в испаритель, находящийся в непосредственном тепловом контакте с микрореактором. Внешний нагрев микрореактора проводили при помощи шахтной печи, управление которой осуществлялось регулятором температуры МИНИ-ТЕРМ-300. Температуру микрореактора измеряли с помощью термопары типа XA, приваренной к корпусу микрореактора. Выходной поток газа поступал в сепаратор, где происходило его охлаждение до комнатной температуры, а также конденсация паров непрореагировавших воды и метанола. Объемную скорость выходного потока сухого газа измеряли с помощью датчика расхода газа AWM43300VH ("Honeywell Inc."), который периодически калибровали пенным расходомером в рабочем режиме.

CH3OH

газ

Все аналоговые сигналы с датчиков установки отцифровывали при помощи АЦП ADAM 4019+ ("ADVANTECH") и подавали на компьютер. Установка позволяла анализировать газообразные продукты реакции - С02, СО и Н2. Для этих целей использовали хроматографический комплекс, состоящий из двух хроматографов Кристалл-2000 и ЛХМ-8. Регистрацию Н2 проводили на колонке с NaX (газ-носитель - аргон), а СО и С02 - на колонке с углем СКТ (газ-носитель - гелий). Для управления экспериментом и обработки получаемых результатов использовали специально разработанное программное обеспечение.

Эксперимент проводили следующим образом: исследуемый микрореактор помещали в печь и нагревали до температуры реакции 266.7°C в потоке инертного газа - аргона. Затем реактор в течение 2 ч продували небольшим потоком водно-метанольной смеси. Эта процедура приводила к активации катализатора. После этого начинали проводить эксперимент. Контрольные эксперименты по восстановлению катализатора в водородной среде (второй способ активации) показали, что активность катализатора не зависела от способа его активации - двухчасовое восстановление катализатора продуктами реакции ПКМ было эквивалентно обработке его водородом.

При проведении эксперимента по паровой конверсии метанола в различных типах реакторов мы задавали мольное отношение воды к метанолу (ß = CH о / CCH он) и объемную скорость

жидкой ВМС (vBX, см3/мин), поступающей на вход испарителя. Затем измеряли объемную скорость (vBbIX, см3/мин) сухой газовой смеси на выходе из реактора, состоящей из водорода, монооксида углерода, диоксида углерода, и на хроматографиче-ском комплексе анализировали ее состав. Используя уравнения материального баланса элементов во входном и выходном потоках и зная концентрацию монооксида углерода, можно рассчитать конверсию метанола и выход водорода.

Мольная скорость подачи метанола в реактор (F, моль/мин) связана с входным потоком жидкой ВМС следующим соотношением:

Р( У

CH3OH

) = 0.9915 -

F = v вхР( Усн3он) /MC

CH,OH>

(1)

-0.0943ycH 3OH 0.1033jCH 3OH-

С другой стороны, объемный поток сухого газа на выходе из реактора определяется суммой потоков газообразных продуктов реакции и связан с ^ следующим соотношением:

(3)

v Вых = V0 F (4 х - е),

где х = (Свх - свых У свх

где л = ( C CHOH *-CH,OH сн

Свых , лВХ

CO /C

конверсия ме-

та / ^сн3он - доля метанола, конвертированного в монооксид углерода, ¥0 = 24.6 х х 103 см3/моль - объем моля идеального газа при температуре 300 К и давлении 1 ат

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком