Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена численному исследованию химических превращений водород содержащих газов в микроканалах. Химические процессы получения водорода, связанные с протеканием каталитических реакций, широко распространенны в современной промышленности. К таким процессам относится каталитическое окисление метана, монооксида углерода, спиртов и легких углеводородов. Окислителем может служить водяной пар, двуокись углерода, кислород пли смесь этих газов в различных пропорциях. Основной применяемый в настоящее время в промышленных масштабах путь переработки природного газа - его предварительная конверсия в смесь оксида углерода и водорода (синтез-газ). Конверсия метана в синтез газ применяется для промышленного получения водорода и обеспечения водородом процессов связанных с его потреблением, таких, как гидроочистка, гидрокрекинг, восстановление железа из окислов и т.д. Значительный интерес к методам получения синтез-газа связан с его использованием как питающей смеси для топливных элементов. Наиболее эффективным методом получения водорода является окисление метана в среде паров воды - паровая конверсия метана. Для каталитических систем получения водорода этот процесс может быть реализован на основе микроканальной технологии, где процессы тепломассообмена являются определяющими. Тепло и массообмен при химических превращениях на микромасштабе вырос в последнее время в важное поле исследований, так как процессы переноса на микромасштабе во многом определяют эффективность макроскопических систем. Для того чтобы увеличить эффективность топливных элементов, каждый из компонентов должен быть оптимизирован. Численное моделирование является мощным инструментом помогающим понять основные явления, происходящие внутри каталитических реакторов. Моделирование каталитических превращений помогает понять характер взаимодействия реагирующего потока с каталитической поверхностью, и получить оптимальные параметры работы реактора, которые затем можно реализовать в эксперименте. Для расчета и оптимизации промышленных реакторов и химико-технологических процессов важной является задача нахождения и получения кинетической модели гетерогенных каталитических реакций и ее параметров. Существенной частью математического описания каталитического реактора являются кинетические уравнения, дающие зависимость скорости химической реакции от концентраций реагирующих компонентов, температуры и давления. В этой связи актуальна задача численного исследования гидродинамики и тепломассопереноса при химических превращениях с образованием водорода в микроканалах, а так же анализ и построение моделей, учитывающих физические механизмы, влияющие на гидродинамику, на тепло и массообмен при химических превращениях водородсодержащих газов.
Целью работы является численное исследование химических превращений водородсодержаших газов, активированных на стенках микроканала, развитие методов построения кинетики реакций, получение локальных характеристик тепло и массообмена при различных режимах каталитических реакций.
Научная новизна
С использованием алгоритма наискорейшего спуска развита новая методика определения кинетических параметров каталитической реакции на основе обработки экспериментальных данных, что позволяет преодолеть овражность при нахождении решения и ускорить время расчета. Определены кинетические параметры паровой конверсии монооксида углерода для наноструктурного катализатора.
Развит метод численного решения двумерных уравнений Навье-Стокса в щелевом микроканале для ламинарного течения многокомпонентного сжимаемого газа с переменными теплофизическими свойствами и комплексной кинетикой каталитических реакций на стенках.
Впервые получена детальная информация о структуре полей температуры, концентрации компонент смеси и скоростей реакций при химических превращениях метана и метанола в среде паров воды с образованием водорода, как для адиабатических условий, так и при внешнем подводе тепла.
Установлено, что взаимная диффузия компонент смеси оказывает влияние только на начальном участке и практически не влияет на концентрации компонент на выходе и конверсию водородсодержащих газов.
Впервые получено, что немонотонное изменение скоростей реакций, поперечных потоков тепла и компонент смеси по длине микроканала оказывает значительное влияние на локальные коэффициенты тепло- и массообмена.
Впервые разработаны методы управления эндотермическими химическими превращениями при паровой конверсии метана и метанола при изменении распределения внешнего теплового потока по длине микроканала.
Получена детальная информация о структуре полей температуры, концентрации компонент смеси и скоростей реакций при химических превращениях монооксида углерода в среде паров воды при до-обогащении смеси водородом, разработаны методы снижения концентрации монооксида углерода на выходе.
Достоверность предложенных методов и полученных результатов обеспечивается строгостью постановок задач и математических методов их решения, анализом различных модельных и тестовых задач, сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
Автор защищает
Развитый метод получения кинетических параметров каталитической реакции в микроканале на основе экспериментальных данных.
Развитую методику численного моделирования химических превращений водородсодержащих газов в щелевом микроканале при различных режимах подвода тепла к стенкам канала.
Результаты численного исследования химических превращений метана и метанола в среде паров воды с образованием водорода, методы управления скоростью реакций при изменении режима внешнего подвода тепла.
Результаты численного исследования влияния взаимной диффузии компонент смеси на химические превращения метана в среде паров воды.
Результаты численного исследования локальных характеристик тепло- и массооомена в микроканале при каталитических превращениях водородсодержащих газов.
Результаты численного исследования химических превращений монооксида углерода в среде паров воды при до-обогащении смеси водородом, методы управления степенью химических превращений при изменении температурного режима стенок микроканала.
Практическая ценность работы определяется тем, что разработанные методы математического моделирования позволяют решать широкий круг задач, возникающих при оптимизации как действующих микроканальных реакторов, так и вновь проектируемых. Полученные результаты могут служить научно-методическим основанием для обоснования рациональных конструктивно-технологических решений при проектировании и изготовлении микроканальных компактных систем получения водорода.
Личный вклад. В диссертации лично соискателем получена методика определения кинетических параметров гетерогенной реакции в микроканале, развита методика численного моделирования химических превращений водородсодержащих газов в микроканале при различных режимах подведения тепла к стенкам канала и проведено численное исследование взаимосвязи физико-химических и диффузионных процессов на локальные характеристики тепло-и массообмена при каталитических превращениях водородсодержащих газов в микроканале.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005); XL III Международной научной студенческой конференции «Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2005); 4 Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006); Международном научном конгрессе «ГЕО-Спбирь-2006» (Новосибирск, 2006); Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007); XLV Международной научной сту-
денческой конференции «Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2007); The 14th International Congress on Catalysis (ICC 14) (Korea, 2008); X Всероссийской школе - конференции молодых учёных (Новосибирск, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» - (Новосибирск, 2008); 3 Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2008); XVII Школе семинаре молодых ученых под руководством академика Леонтьева А.И (Жуковский, 2009); Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» (Новосибирск, 2009); VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2009); The Internationa! Congress Geosiberia-2010 (Novosibirsk, 2010); Устойчивость и турбулентность течений гомогенных и гетерогенных жидкостей (Новосибирск, 2010). По результатам работы опубликовано 20 печатных работ, из них 3 в перечне ВАК.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объём диссертации -123 страниц текста, 51 рисунка и графика, а также 7 таблиц.
