Получены экспериментальные данные по синтезу метанола в лабораторном проточном реакторе для промышленного катализатора Cu/Zn/Al2O3 (Katalko 51-8) на фракции 0,5–1 мм, 1–3 мм и целых гранулах (цилиндры 5×5 мм) при давлении 31, 41 и 49 бар и температуре 200–270 °С. На основе литературной кинетики Graaf et al. (1988, 1990) и сравнения результатов моделирования изотермического лабораторного реактора с экспериментальными данными в кинетической области подобрана двухстадийная термодинамически непротиворечивая реакционная схема, включающая образование метанола из СО и Н2 и обратную шифт-реакцию, и соответствующие кинетические константы. Проведен численный анализ влияния внутридиффузионного торможения на кажущуюся скорость реакций для пористой гранулы катализатора в рамках модели параллельных пор и предложенной кинетики. Сферически симметричная краевая задача базировалась на уравнениях многокомпонентной диффузии Стефана–Максвелла с учетом вклада кнудсеновской диффузии внутри изотермической гранулы. Показано, что при давлении 40 бар и увеличении температуры от 190 до 250 °С расчетная степень использования гранул промышленного катализатора снижается с 95 до 24 % относительно стадии синтеза метанола и с 72 до 21 % относительно стадии обратной шифт-реакции.
Experimental data on methanol synthesis were obtained in a laboratory flow reactor over an industrial Cu/Zn/Al₂O₃ catalyst (Katalko 51-8) using fractions of 0.5-1 mm, 1-3 mm, and whole pellets (5×5 mm cylinders) at pressures of 31, 41, and 49 bar and temperatures of 200-270 °C. Based on the literature kinetics of Graaf et al. (1988, 1990) and a comparison of the modeling results for an isothermal laboratory reactor with experimental data in the kinetic regime, a two-stage thermodynamically consistent reaction scheme was selected, which includes methanol formation from CO and H₂ and the reverse water-gas shift reaction, along with the corresponding kinetic constants. A numerical analysis of the effect of intraparticle diffusion limitations on the apparent reaction rates was performed for the porous catalyst pellet using a parallel pore model and the proposed kinetics. The spherically symmetric boundary value problem was based on the Stefan-Maxwell equations for multicomponent diffusion, accounting for the contribution of Knudsen diffusion within the isothermal pellet. It was shown that at a pressure of 49 bar and with increasing temperature from 190 °C to 250 °C, the calculated effectiveness factor for the 5 mm industrial catalyst pellets decreases from 93% to 36% for the methanol synthesis and from 93% to 52% for the reverse water-gas shift reaction.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.