مدل سازي و شبيه سازي تبديل كاتاليستي مستقيم جزئي متان به متانول در يك راكتور بستر سيال

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

تبديل كاتاليستي مستقيم متان به متانول روش جديدي است كه به واسطه‌ آن فرايند مياني و هزينه بر توليد گاز سنتز حذف مي‌شود. با استفاده از اين تكنولوژي مي‌توان از ميادين گازي با ذخيره كم و ميادين غيرمتعارف، بدون نياز به ساخت واحدهاي پرهزينه‌ تبديل گاز به محصولات مايع بهره‌برداري لازم را به عمل آورد. در اين مقاله مدلسازي و شبيه‌سازي فرايند تك مرحله اي تبديل متان به متانول در يك راكتور بستر سيال پر شده با كاتاليست پنتااكسيد واناديوم مورد بررسي قرار گرفته است. ابتدا راكتور در شرايط پايا شبيه سازي شده و تاثير پارامترهايي مانند دماي راكتور و زمان اقامت واكنش دهنده ها داخل راكتور روي درصد تبديل متان و انتخاب پذيري محصولات مورد بررسي قرار گرفته است. در مرحله بعدي شبيه سازي ناپاياي فرايند انجام گرفته و رفتار حلقه باز راكتور نسبت به اغتشاشات وارده به پارامترهاي مهم اثر گذار در دماي راكتور و انتخاب پذيري محصولات بررسي شده است. در شرايط پايا براي زمان اقامت 9 ثانيه بيشترين بازده توليد متانول در فشار و دماي ورودي 50 بار و 773 كلوين به‌دست آمد. در اين شرايط درصد تبديل متان 32.2 و انتخاب پذيري متانول برابر 42.1 درصد به‌دست آمد. نتايج نشان مي‌دهد كه با افزايش دماي راكتور و زمان اقامت، درصد تبديل متان زياد ولي انتخاب پذيري متانول كم مي‌شود. همچنين دماي سيال خنك كننده و زمان اقامت داخل راكتور بيشترين تاثير را در عملكرد راكتور دارند. نتايج شبيه سازي روند مشابه با نتايج به‌دست آمده براي نمونه آزمايشگاهي راكتور بستر ثابت مشابه را نشان مي‌دهد.

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.