Анализ процессов в послепламенной зоне при некаталитическом парциальном окислении богатых метан-кислородных смесей

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Рұқсат ақылы немесе тек жазылушылар үшін

Аннотация

Конверсия богатых метан-кислородных смесей в матричном риформере протекает через несколько последовательных стадий. За быстрой стадией окислительных процессов, завершающейся практически полной конверсией кислорода (зона пламени), следует послепламенная стадия высокотемпературных эндотермических процессов, протекающих в отсутствие кислорода. В этой зоне происходит существенное увеличение концентрации Н2 и СО, а также изменение соотношения Н2 /СО. Анализ и оптимизация процессов, протекающих в послепламенной зоне, могут позволить существенно повысить выход синтез-газа и соотношение Н2 /СО. В работе на базе кинетического моделирования процессов в послепламенной зоне некаталитического парциального окисления богатых метан-кислородных смесей рассматривается их оптимизация и повышение технологических характеристик процесса. Показано, что активным конвертирующим агентом в послепламенной зоне является Н2О; увеличение температуры, с которой газовая смесь входит в послепламенную зону, приводит к увеличению выхода Н2 и соотношения Н2 /СО, а также повышает выход Н2 на моль поданного с исходной смесью СН4 .

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

Валерий Савченко

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9823-6844

д.х.н., проф.

Ресей, 142432, Московская обл., Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1

Алексей Озерский

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6765-1401

к.х.н.

Ресей, 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

Алексей Никитин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com

к.х.н.

Ресей, 142432, Московская обл., Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

Игорь Седов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9648-4895

к.х.н.

Ресей, 142432, Московская обл., Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1

Владимир Арутюнов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0339-0297

д.х.н., проф.

Ресей, 142432, Московская обл., Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4

Әдебиет тізімі

  1. Советин Ф. С., Гартман Т. Н., Панкрушина А. В., Асеев К. М., Павлов А. С. Обзор технологий синтетического жидкого топлива из природного газа // Успехи в химии и хим. технологии. 2021. Т. 35. № 8. С. 139–132. https://www.elibrary.ru/mwbzxc
  2. Якубсон К. И . Перспективы производства и использования водорода как одно из направлений развития низкоуглеродной экономики в Российской Федерации (обзор) // ЖПХ. 2020. Т. 93. № 12. С.1675–1695. h ttps://doi.org/10.31857/S0044461820120014 Yakubson K. I. Prospects for production and use of hydrogen as one of directions of the development of low-carbon economy in the Russian Federation // Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. N 12. P. 1775–1795. h ttps://doi.org/10.1134/S1070427220120010 ].
  3. Haotian Z., Zhuxing S., Yun H.-H. Steam reforming of methane: Current states of catalyst design and process upgrading // Renew. Sustain. Energy Rev. 2021. V. 149. ID 111330. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111330
  4. Савченко В. И., Зимин Я. С., Никитин А. В., Седов И. В., Арутюнов В. С. Некаталитические процессы получения синтез-газа и возможности снижения эмиссии CO 2 в окружающую среду // ЖПХ. 2022. Т. 95. № 8. С.1045–1053. h ttps://doi.org/10.31857/S0044461822080126 Savchenko V. I., Zimin Ya. S., Nikitin A. V., Sedov I. V., Arutyunov V. S. Non catalytic syngas production processes and possibilities of reducing the CO 2 emission into the environment // Russ. J. Appl. Chem. 2022. V. 95. N 8 . P. 1199–1206. h ttps://doi.org/10.1134/S107042722208016X ].
  5. Шмелев В. М., Николаев В. М. Парциальное окисление метана в химическом реакторе сжатия с внутренней рекуперацией тепла // Хим. физика. 2008. Т. 27. № 6. С. 20–26. https://www.elibrary.ru/inmjmz
  6. Буравцев Н. Н., Колбановский Ю. А., Россихин И. В., Билера И. В. Влияние теплонапряженности камеры сгорания на получение синтез-газа при парциальном окислении метано-кислородных смесей в режиме горения // ЖПХ. 2018. Т. 91. № 10. С. 1404–1413. https://doi.org/10.1134/S0044461818100043 [ Buravtsev N. N., Kolbanovskii Y. A., Rossikhin I. V., Bilera I. V. Effect of the calorific intensity of combustion chamber on production of synthesis gas in partial oxidation of methane–oxygen mixtures in the combustion mode // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. N 10. P. 1588–1596. h ttps://doi.org/10.1134/S107042721810004X ].
  7. Nourbakhsh H., Shahrouzi J. R., Ebrahimi H., Zamaniyan A., Nasr M. R. J. Experimental and numerical study of syngas production during premixed and ultra-rich partial oxidation of methane in a porous reactor // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 31757–31771. h ttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.084
  8. Toledo M., Utria K. S., Gonzalez F. A., Zuniga J. P., Saveliev A. V. Hybrid filtration combustion of natural gas and coal // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. P. 6942−6948. h ttps://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.01.061
  9. Liu Y., Zhang Q., Wang T . Detailed chemistry modeling of partial combustion of natural gas for coproducing acetylene and syngas // Combust. Sci. Technol. 2017. V. 189. N 5. P. 908–922. h ttps://doi.org/10.1080/00102202.2016.1256879
  10. Li Q., Wang T., Liu Y., Wang D. Experimental study and kinetics modeling of partial oxidation reactions in heavily sooting laminar premixed methane flames // Chem. Eng. J. 2012. V. 207–208. P. 235–244. h ttps://doi.org/10.1016/j.cej.2012.06.093
  11. Марголин А. Д. Критические условия горения газовой смеси на поверхности плоской и объемной сотовых пористых матриц // Хим. физика. 2008. Т. 27. № 1. С. 94–96. https://www.elibrary.ru/ibytql
  12. Шмелев В. М. Предельные условия горения богатой газовой смеси на поверхности проницаемой матрицы // Хим. физика. 2013. Т. 32. № 2. С. 38–50. https://doi.org/10.7868/S0207401X13020106
  13. Nikitin A., Ozersky A., Savchenko V., Sedov I., Shmelev V., Arutyunov V . Matrix conversion of natural gas to syngas: The main parameters of the process and possible applications // Chem. Eng. J. 2019. V. 377. ID 120883. h ttps://doi.org/10.1016/j.cej.2019.01.162
  14. Savchenko V. I., Ozerskii A. V., Nikitin A. V., Sedov I. V., Arutyunov V. S . Non-catalytic partial oxidation of С 2+ hydrocarbon/H 2 mixtures // Petrol. Chem. 2023. V. 63. P. 1353–1364. h ttps://doi.org/10.1134/S0965544123110014
  15. Savchenko V. I. , Nikitin A. V. , Zimin Y. S. , Ozerskii A.V., Sedov I. V. , Arutyunov V. S. Impact of post-flame processes on the hydrogen yield in partial oxidation of methane in the matrix reformer // Chem. Eng. Res. Des. 2021. V. 175. N 8. P. 250–258. h ttps://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.09.009
  16. Healy D., Donato N. S., Aul C. J., Petersen E. L., Zinner C. M., Bourque G., Curran H. J. Isobutane ignition delay time measurements at high pressure and detailed chemical kinetic modeling // Combust. Flame. 2010. V. 157. N 8. P. 1540–1551 . h ttps://doi.org/10.1016/j.combustflame.2010.01.011
  17. Healy D., Kopp M. M., Polley N. L., Petersen E. L., Bourque G., Curran H. J. Methane/n-butane ignition delay measurements at high pressure and detailed chemical kinetic simulations // Energy Fuels. 2010. V. 24. N 3. P. 1617–1627. h ttps://doi.org/10.1021/ef901292j
  18. Healy D., Kalitan D. M., Aul C. J., Petersen E. L., Bourque G., Curran H. J. Oxidation of C 1 –C 5 alkane quinternary natural gas mixtures at high pressures // Energy Fuels. 2010. V. 24. N 3. P. 1521–1528 . h ttps://doi.org/10.1021/ef9011005
  19. Савченко В. И., Зимин Я. С., Никитин А. В., Седов И. В., Арутюнов В. С. Некаталитическая паровая конверсия углеводородов С 1 –С 4 // Нефтехимия. 2021. Т 60. № 4. С. 520531. https://doi.org/ 10.31857/S0028242121040079 Savchenko V. I., Zimin Y. S., Nikitin A. V., Sedov I. V., Arutyunov V. S. Non-catalytic steam reforming of C 1 –C 4 hydrocarbons // Petrol. Chem. 2021. V. 61. P. 762–772. h ttps://doi.org/10.1134/S0965544121070021 ].
  20. Savchenko V. I., Zimin Ya. S., Nikitin A. V., Sedov I. V., Arutyunov V. S. Utilization of CO 2 in non-catalytic dry reforming of C 1 –C 4 hydrocarbons // J. CO 2 Utilization. 2021. V. 47. ID 101490. h ttps://doi.org/10.1016/j.jcou.2021.101490
  21. Савченко В. И., Зимин Я. С., Бузилло Э., Никитин А. В., Седов И. В., Арутюнов В. С. О равновесном составе продуктов в некаталитических процессах конверсии углеводородов // Нефтехимия. 2022. Т. 62. № 3. С. 375–386. h ttps://doi.org/10.31857/S0028242122030066 Savchenko V. I. , Zimin Y. S. , Busillo E. , Nikitin A. V. , Sedov I. V. , Arutyunov V. S. Equilibrium composition of products formed by non-catalytic conversion of hydrocarbons // Petrol. Chem. 2022. V. 62. P. 515–525. https://doi.org/10.1134/S0965544122050048 ].

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Screenshot of the model scheme of partial oxidation of CH4 in the Chemical Workbench software environment.

Жүктеу (52KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Change in the temperature of the gas mixture in the post-flame zone at residence times of the reacting gas mixture t from 0 to 1 s under various conditions of the matrix conversion process. The vertical line characterizes the process parameters at t = 0.15 s. Process conditions: 1 — α = 0.36, T0 = 1800 K; 2 — α = 0.40, T0 = 1700 K; 3 — α = 0.3, T0 = 1800 K; 4 — α = 0.36, T0 = 1700 K; 5 — α = 0.33, T0 = 1700 K; 6 — α = 0.3, T0 = 1700 K; 7 — α = 0.36, T0 = 1600 K; 8 — α = 0.3, T0 = 1600 K.

Жүктеу (57KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Dependences of yield (in the case of residual CH4) and concentrations on residence time at temperatures 1800 (I), 1700 (II), and 1600 K (III): 1–3 — CH4, 4–6 — C2H2, 7–9 — CO2, 10–12 — H2, 13–15 — CO, 16–18 — H2O. Oxidizer excess coefficient α: a, c — 0.30; b, d — 0.3.

Жүктеу (215KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Dependences of the H2/CO ratio (1–3) and H2 yield (4–6) on the residence time of the reacting mixture in the post-flame zone. T0 = 1800 (1, 4), 1700 (2, 5), 1600 °C (3, 6). Oxidizer excess coefficient α: a — 0.30, b — 0.36.

Жүктеу (105KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. Dependence of the rate of formation/conversion of components on time. 1 — CO2, 2 — CO, 3 — C2H2, 4 — CH4, 5 — H2O, 6 — H2; T0 = 1600 K. Time interval: a — 0–0.05 s, b — 0.10–0.50 s.

Жүктеу (95KB)
Метадеректер
7. Fig. 6. Dependences of CO yield (1) and H2/CO ratio (2) on the amount of CO2 added to the initial mixture. CH4:O2 = 0.72, T0 = 1600 K, residence time about 0.5 s.

Жүктеу (45KB)
Метадеректер
8. Fig. 7. Dependences of H2 yield (1), synthesis gas module M (2), and H2/CO ratio (3) on the amount of H2O added to the initial mixture. CH4:O2 = 0.72, T0 = 1600 K, residence time about 0.5 s.

Жүктеу (55KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2024