Введение к работе
Актуальность работы.
Синтез искусственной нефти является современной актуальной задачей, связанной с утилизацией нефтяного (попутного) газа. Содержание попутного газа в российских нефтяных месторождениях достигает 60 - 100 м'/Т. Сжигание жирного нефтяного газа приводит к потери органического сырья, а также существенно ухудшает экологическую обстановку в местах нефтедобычи. Второе направление использование синтеза тяжелых углеводородов связано с использованием синтез-газа (смеси СО и Н2), получавшегося при термической переработке органических бытовых отходов.
Синтез тяжелых углеводородов реализуется по методу Фишера - Тропша в каталитических реакторах. Из условий стабильности надежности работы реактора в России бьша выбрана конструкция, основанная на прохождении синтез-газа через неподвижный слой катализатора.
Несмотря на долгую историю процесса синтеза Фишера - Тропша, многие принципиальные вопросы, связанные с технологией получения заданного состава продуктов синтеза остается невыясненными. В литературе отсутствуют методы термодинамического расчета свойств жидких и газообразных продуктов синтеза, включающих в себя тяжелые углеводородные соединения с числом атомов углерода свыше 20. В литературе не разработаны модели позволяющие рассчитывать многофазное многокомпонентное равновесие для продуктов синтеза, нет в частности подходов, предсказывающих долю образующихся твердых парафинов из жидкого раствора.
Безопасность работы реактора синтеза определяется составом жидких, твердых и газообразных продуктов в зоне синтеза. В связи с этим разработка термодинамических моделей для расчета свойств отдельных углеводородов, смесей углеводородов и фазового состава представляется современной актуальной задачей.
Цель работы:
Основной целью работы является создание термодинамических моделей, предназначенных для расчета теплофизических свойств как отдельных продуктов синтеза, включая и тяжелые углеводороды с числом атомов выше 20, так и теплофизичесике свойства смеси в газообразном, твердом и жидком состоянии, а также состав продуктов синтеза в твердой, жидкой и паровой фазах.
Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
провести анализ существующих уравнений состояния и выбрать уравнения состояния, позволяющее надежно рассчитывать термодинамические свойства как легких, так тяжелых углеводородов в широком диапазоне температур и давлений;
на основе гипотезы Эйринга - Франкля об активационном комплексе разработать термодинамическую модель для расчета вязкости углеводородов в жидком и газообразном состояниях;
обобщить модель расчета вязкости индивидуальных веществ на жидкие и газообразные смеси;
разработать устойчивый математический метод поиска минимума энергии Гиббса в случае многокомпонентного многофазного равновесия;
разработать математическую модель расчета трехфазного равновесия (твердое - жидкость -пар) в продуктах синтеза Фишера-Тропша;
- адаптировать созданные модели с целью их включения в математический софт,
предназначенный для моделирования процессов гидродинамики и тепло - массопереноса в реакторе
Фишера-Тропша с неподвижным слоем катализатора.
Научная новизна:
- Впервые разработана методика расчета равновесия между жидкими и газообразными
продуктами синтеза, основанная на прямой численной минимизации энергии Гиббса.
- Впервые, в рамках модели актированного комплекса Эйринга-Франкля создана
универсальная модель вязкости жидких и газообразных продуктов синтеза, включая тяжелые
углеводороды в жидком и газообразном состоянии.
- Впервые разработана методика расчета вязкости смесей продуктов синтеза в жидком и
газообразном состояниях.
Впервые на основе прямой минимизации энергии Гиббса создана математическая модель для расчета трехфазного равновесия (жидкость-пар-твердое) многокомпонентной смеси продуктов синтеза.
Получены новые данные о составе жидкой, паровой и твердой фаз продуктов синтеза при различных температурах, давлениях и константы продолжения цепи.
Практическая значимость.
Практическое приложение при конструировании экспериментального реактора получили методики и результаты расчетов термодинамических свойств продуктов синтеза Фишера-Тропша во всем диапазоне количества атомов углерода.
Разработанные в диссертации алгоритмы расчетов включены в большой комплекс программ, предназначенных для численного моделирования процессов тепло - массопереноса в реакторе синтеза Фишера-Тропша с неподвижным слоем катализатора.
Результаты диссертации применяются при проектировании, создании и эксплуатации как лабораторных установок, так и опытного реактора.
Автор защищает:
результаты анализа существующих уравнений состояний, предназначенных для расчета термодинамических свойств отдельных углеводородов;
термодинамическую модель расчета вязкости отдельных углеводородов и их смесей на основе гипотезы актированного комплекса Эйринга-Франкля;
термодинамическую модель по расчету трехфазного равновесия жидкость - пар - твердое продуктов синтеза Фишера-Тропша;
результаты расчетов вязкости отдельных веществ и их смесей, и составов продуктов синтеза в трехфазной системе.
Достоверность полученных результатов.
Основана на использовании классических законов термодинамики, на непротиворечивости модельных предположений, использованных при создании моделей и методик расчета.
Достоверность результатов подтверждается сопоставлением с экспериментальными данными, взятыми из литературы, и полученными с участием диссертанта на экспериментальных установках и опытном реакторе.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на: XVII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» (г. Жуковский, 2009 г.), Пятой российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 2010 г.), XXIX Сибирском теплофизическом семинаре (г. Новосибирск, 2010 г.), XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях" (г. Звенигород, 2011 г.), Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, посвященной 65-летию Победы и 90-летию МИХМ-МГУИЭ (г. Москва, 2011 г.)
Публикации
По результатам работы опубликовано 7 научных работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
