مدل‌سازی و بهینه‌سازی پویای راکتور ریفرمینگ متان با بخار

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه شیراز، شیراز ، ایران

چکیده

: این پژوهش با هدف مدل­ سازی پویا و بهینه‌سازی کوره ریفرمینگ متان با بخار آب در واحد تولید هیدروژن پالایشگاه نفت شازند انجام شد. نخست این فرایند بر اساس معادله­ های بقای جرم و انرژی و با در نظر افت فعالیت کاتالیست به صورت ناهمگن مدل­سازی شد. با توجه به وجود گرادیان غلظت درون کاتالیست و کنترل سرعت واکنش به­ وسیله مقاومت نفوذ درونی در کاتالیست، ضریب اثر بخشی کاتالیست محاسبه شده و در مدل فرایند وارد شد. سپس برای اثبات دقت مدل پیشنهادی، نتیجه­ های به دست آمده از مدل توسعه داده شده با داده‌های به ­دست آمده از واحد صنعتی مورد مقایسه قرار گرفت. نتیجه ­ها نشان داد با توجه به افت فعالیت کاتالیست در طی زمان عملکرد فرایند، از میزان تولید هیدروژن کاسته شده و نرخ تولید هیدروژن از 27.4 به 24.4 مول بر ثانیه کاهش می‌یابد. در مرحله بعد در راستای جلوگیری از افت تولید در طی دوره عملیاتی واحد، با در نظر گرفتن نرخ تولید یکنواخت هیدروژن به عنوان تابع هدف و براساس محدودیت­ های عملیاتی سامانه یک مسئله بهینه‌سازی یک معیاره پویا توسعه داده شد. در طی بهینه­ سازی چگونگی تغییرهای دمای خوراک، دمای محفظه احتراق و نسبت بخار به هیدروکربن در بازه عملکرد فرایند محاسبه شد. نتیجه­ ها نشان داد عملکرد سامانه در شرایط بهینه موجب 4.5 % افزایش در میزان تولید هیدروژن می ­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] باقری، مهدی؛ فاطمی، شهره؛ تیراندازی، بهنام؛ غنی یاری، سعید؛ بهینه سازی کوره و راکتور لوله ای صنعتی فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار با استفاده از الگوریتم ژنتیک، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (1)28: 1 تا 12 (1388).
[2] Zamaniyan A., Taghi Zoghi A., Software Development for Simulation of Reformer Furnace,
Iran. J. Chem. Chem. Eng., 25(4): 55-71 (2006).
[3] Sabeeh G., Palanki S., Sylvester N.D., El-Sharkh M.Y., Modeling and Analysis of a Hydrogen Reformer for Fuel Cell Applications, Heat Transfer Engineering, 40: 1153-1161 (2019).
[4] وافری، بهزاد؛ کرمی، حمیدرضا؛ کریمی، غلامرضا؛ مدل سازی فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار آب در راکتور غشایی پالادیم-نقره برای تولید هیدروژن خالص، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3)30: 25 تا 16 (1390)
[5] Ayodele B.V., Cheng C.K., Process Modelling, Thermodynamic Analysis and Optimization of Dry Reforming, Partial Oxidation and Auto-Thermal Methane Reforming for Hydrogen and Syngas Production, Chemical Product and Process Modeling, 10(4): 211-220 (2015).
[6] Pasel J., Samsun R.C., Tschauder A., Peters R., Stolten D., Advances in Autothermal Reformer Design, Applied Energy, 198: 88-98 (2017).
[7] Bahadori N., KarimZadeh R., OmidKhah M., “Simulation Results of Catalyst Deactivation for the Steam Reforming of Methane in a Fixed Bed Reactor”, 12th Chemical Engineering Congress and Exibitation, Tabriz (2007).
[8] Song C., Optimization of Steam Methane Reforming Coupled with Pressure Swing Adsorption Hydrogen Production Process by Heat Integration, Applied Energy, 154: 392-40 (2015).
[9] Mohammed S.E., Hussin A.M., Alameen A.A., Mohammed R.A., Wagiallah K.M., Production of Hydrogen through Methane Steam Reforming in a Fixed Bed Reactor Using MATLAB Simulation, University of Khartoum Engineering Journal, 4(2): 1-10 (2015).
[10] Sadooghi P., Rauch. R., “Mathematical Modeling and Experimental Study of Hydrogen Production by Catalytic Steam Reforming of Methane”, ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, American Society of Mechanical Engineers (2013).
[11] Li P., Chen L., Xia S., Zhang L., Maximum Hydrogen Production Rate Optimization for Tubular Steam Methane Reforming Reactor, International Journal of Chemical Reactor Engineering, (2019).
[12] Asleshirin S., Bahmani M., Fazlali A., Fadavi O., The Static and Dynamic Modeling of a Steam Methane Reforming Hydrogen Plant, Petroleum Science and Technology, 30(18): 1882-1892 (2012).
[13] Shahhosseini H.R., Farsi M., Eini S., Multi-Objective Optimization of Industrial Membrane SMR to Produce Syngas for Fischer-Tropsch Production Using NSGA-II and Decision Makings, Journal of Natural Gas Science and Engineering, 32: 222-238 (2016).
[14] Farsi M., Shahhosseini H.R., A Modified Membrane SMR Reactor to Produce Large-Scale Syngas: Modeling and Multi Objective Optimization, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 97: 169-179 (2015).
[15] Herce C., Cortés C., Stendardo S., Numerical Simulation of a Bubbling Fluidized Bed Reactor for Sorption-Enhanced Steam Methane Reforming under Industrially Relevant Conditions: Effect of Sorbent (Dolomite and CaO-Ca12Al14O33) and Operational Parameters, Fuel Processing Technology, 186: 137-148 (2019).
[16] Taji M., Farsi M., Keshavarz P., Real Time Optimization of Steam Reforming of Methane in an Industrial Hydrogen Plant, International Journal of Hydrogen Energy, 3(29): 13110-13121 (2018).
[17] Nieva M.A., Villaverde M.M., Monzón A., Garetto T.F., Marchi A.J., Steam-Methane Reforming at Low Temperature on Nickel-Based Catalysts, Chemical Engineering Journal, 235: 158-166 (2014).
[18] Xu J., Froment G.F., Methane Steam Reforming, Methanation and Water‐Gas Shift: I. Intrinsic Kinetics, AIChE Journal, 35(1): 88-96 (1989).
[19] Hou K., Hughes R., The Kinetics of Methane Steam Reforming over a Ni/α-Al2O Catalyst, Chemical Engineering Journal, 82(1-3): 311-328 (2001).
[20] Hoang D., Chan S., Ding O., Kinetic and Modelling Study of Methane Steam Reforming over Sulfide Nickel Catalyst on a Gamma Alumina Support, Chemical Engineering Journal, 112(1-3): 1-11 (2005).
[21] Alam I., West D.H., Balakotaiah V., Transport Effects on Pattern Formation and Maximum Temperature in Homogeneous–Heterogeneous Combustion, Chemical Engineering Journal, 288: 99-115 (2016).
[22] Holman J., “Heat Transfer”, McGraw-Hill, New York (2001).
[23] Fogler HS., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, Prentice Hall, New York (2016).
[24] Koning G.W., “Heat and Mass Transport in Tubular Packed Bed Reactors at Reacting and Non-Reacting Conditions: Experiments and Models”, Twente University Press., Netherlands (2002).
[25] Polling B.E., Prausnitz J. M., O’Connell J.P., “The Properties of Gases and Liquids”, McGraw Hill, New York (2000).
[26] Rostrup-Nielsen J.R., Production of synthesis gas, Catalysis Today, 18(4): 305-324 (1993).
[27] Rostrup-Nielsen J.R., Sehested J., Nørskov J.K., Hydrogen and Synthesis Gas by Steam-and CO2 Reforming, Advances in Catalysis, 47: 65-139 (2002).
[28] Pen M., Gomez J., Fierro J.G., New Catalytic Routes for Syngas and Hydrogen Production, Applied Catalysis A: General, 144: 7-57 (1996).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار