مدل‌سازی فرایند ریفرمینگ گاز‌طبیعی با بخار آب در راکتور غشایی پالادیم ـ نقره برای تولید هیدروژن خالص

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

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

چکیده

پیل‌های سوختی یکی از مهمترین مبدل‌های انرژی در آینده می‌باشند که از هیدروژن خالص، متانول و گاز طبیعی به عنوان خوراک استفاده می‌کنند. تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته در پیل‌های سوختی فرایندی مستقیم است که بدون ایجاد آلودگیهای زیست‌محیطی و صوتی انجام می‌شود. از این‌رو مطالعه‌ و مدل‌سازی راههای مختلف تولید و خالص‌سازی هیدروژن ضروری به نظر می‌رسد. یکی از مهمترین فرایند‌های شیمیایی موجود برای تولید هیدروژن، تبدیل گاز طبیعی با بخار آب است. شایان گفتن است که هیدروژن از جداسازی گاز سنتز (مخلوط هیدروژن و کربن مونواکسید) به عنوان فراوده‌ی واحد تبدیل با بخار آب به دست می‌آید.پژوهش‌های گسترده‌ای نیز بر روی راه‌های تولید مستقیم هیدروژن خالص با استفاده از غشاهای گوناگون انجام شده‌است. مطالعات گذشته نشان داده‌است که استفاده از غشای پالادیم ـ نقره که فقط نسبت به هیدروژن عبورپذیر است، بهترین گزینه برای تولید هیدروژن خالص خواهد بود. بر همین اساس در این مقاله، مدل‌ سازی فرایند تبدیل گاز طبیعی با بخار آب در راکتور غشایی پالادیم ـ  نقره انجام شده است. اثر متغیرهای گوناگونی مانند فشار و دمای محیط واکنش، نسبت متان به بخار‌ آب در خوراک ورودی، ضخامت غشاء و نوع جریان واکنشگر‌ها و گاز جاروب‌کننده (همسو و ناهمسو) بر‌روی میزان تبدیل متان، تولید هیدروژن و نسبت هیدروژن به کربن مونواکسید‌ تولیدی بررسی و شرایط بهینه‌ی عملیاتی به  ‌صورت کیفی تعیین شده‌است. مدل پیشنهادی با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی موجود در مراجع مورد ارزیابی قرار گرفته‌است. این ارزیابی نشان می‌ دهد که نتیجه‌ های مدل ارایه ‌شده به‌خوبی بر نتیجه‌ های آزمایشگاهی منطبق است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Zhu J., Zhang D., King K.D., Reforming of CH4 by Partial Oxidation: Thermodynamic and Kinetic Analyses, Fuel, 80, p. 899 (2001).

[2] Mariana, M.V.M. Souza, M. Schmal, Autothermal Reforming of Methane over Pt/ZrO2/Al2O3 Catalysts, Applied Catalysis A: General, 281, p. 19 (2005).

[3] باقری، مهدی؛ فاطمی، شهره؛ تیراندازی، بهنام؛ غنی­یاری بنیس، سعید؛ بهینه سازی کوره و راکتور لوله­ای صنعتی فرایند ریفرمینگ گاز طبیعی با بخار با استفاده از الگوریتم ژنتیک، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، دوره 28، شماره 1 (1388).

[4] Oklany J.S., Hou K., Hughes R., A Simulative Comparison of Dense and Microporous Membrane Reactors for the Steam Reforming of Methane, Applied Catalysis A: General, 170, p. 13 (1998).

[5] Prokopiev S.I., Aristov Y.I., Parmon V.N., Giordano N., Intensification of Hydrogen Production via Methane Reforming and the Optimization of H2:CO Ratio in a Catalytic Reactor with a Hydrogen-Permeable Membrane Wall, International journal of Hydrogen Energy, 17, p. 17, 275 (1992).

[6] Lin Y.M., Liu S.L., Chuang C.H., Chu Y.T., Effect of Incipient Removal of Hydrogen Through Palladium Membrane on the Conversion of Methane Steam Reforming Experimental and Modelling, Catalysis Today, 82, p. 127 (2003).

[7] Siriwardane R.V., PostonJr J.A., Fisher E.P., Lee T.H., Dorris S.E., Balachandran U., Characterization of Ceramic Hydrogen Separation Membranes with Varying Nickel Concentrations, Applied Surface Science, 167, p. 34 (2000).

[8] Tong J., Matsumuta Y., “Effect of Catalytic Activity on Methane Steam Reforming in Hydrogen-Permeable Membrane Reactor, Applied Catalysis A: General, 286, p. 226 (2005).

[9] Yu W., Ohmori T., Kataoka S., Yamamoto T., Endo A., Nakaiwa M., Itoh N., Reforming in a Porous Ceramic Membrane Reactor Using Nitrogen and Steam as Sweep Gases, International Journal of Hydrogen Energy, 33, p. 685 (2008).

[10] Fernandes A.N.F., Soares Jr A.B., Methane Steam Reforming Modeling in a Palladium Membrane Reactor, Fuel, 85, p. 569 (2006).

[11] Barbieri G., Violante V., Maio F.P.D., Criscuoli A., Drioli E., Methane Steam Reforming Analysis in a Palladium-Based Catalytic Membrane Reactor, Industrial and Engineering Chemistry Research, 36, p. 3369 (1997).

[12] Madia G.S., Barbieri G., Drioli E., Theoretical and experimental Analysis of Methane Steam Reforming in a Membrane Reactor, Canadian journal of Chemical Engineering, 77, p. 698 (1999).

[13] Kikuchi E., Uemiya S., Matsuda T., Hydrogen Production from Methane Steam Reforming Assisted by use of Membrane Reactor, Studies in Surface Science and Catalysis, 61, p. 509 (1991).

[14] Oertel M., Schmitz J., Weirich W., Jendryssek-Neumann D., Schulten R., Steam Reforming of Natural Gas with Integrated Hydrogen Separation for Hydrogen Production, Chemical Engineering and Technology. 10, p. 248 (1987).

[15] S. Uemiya, Y. Kude, K. Sugino, N. Sato, T.Matsuda, E. Kikuchi, A Palladium/Porous Glass Composite Membrane forHydrogen Separation, Chemistry Letters, 17, p. 687 (1988).

[16] Uemiya S., Sato N., Ando H., Kude Y., Matsuda T., Kikuchi E., Separation ofHydrogen Through Palladium ThinFilm Supported on a Porous Glass Tube, Journal of Membrane Science, 56, p. 303 (1991).

[17] J. Shu, B.P.A. Grandjean, S. Kaliaguine, Methane SteamReforming in Asymmetric Pd- and Pd-Ag/Porous SS Membrane Reactors, Applied Catalysis A: General, 119, p. 305 (1994).

[18] Shu J., Grandjean B.P.A., Kaliaguine S., Aymmetric Pd-Ag/ Stainless Catalytic Membranes for Methane Steam Reforming, Catalysis Today, 25, p. 327 (1995).

[19] S.W. Nam, S.P. Yoon, H.Y. Ha, S.A. Hong, A.P., Maganyuk, Methane Steam Reforming in a Pd-Ru Membrane Reactor, Korean Journal of Chemical Engineering, 17, p. 288 (2000).

[20] Tong J., Matsumura Y., Suda H., Haraya K., Experimental Study of Steam Reforming of Methane in a Thin (6 µM) Pd-Based Membrane Reactor, Industrial and Engineering Chemistry Research, 44, p. 1454 (2005).

[21] Gallucci F., Paturzo L., Fam A., Basile A., Experimental Study of the Methane Steam Reforming Reaction in a Dense Pd/Ag Membrane Reactor, Industrial and Engineering Chemistry Research, 43, p. 928 (2004).

[22] Gallucci F., Comite A., Capannelli G., A Steam Reforming of Methane in a Membrane Reactor: An Industrial Case Study, Industrial and Engineering Chemistry Research, 45, p. 2994 (2006).

[23] Gallucci F., Paturzo, L., Basile A., A Simulation Study of the Steam Reforming of Methane in a Dense Tubular Membrane Reactor, International Journal of Hydrogen Energy, 29, p. 611 (2004).

[24] Assaf E.M., Jesus C.D.F., Assaf J.M., Mathematical Modelling of Methane Steam Reforming in a Membrane Reactor: an Isothermic Model, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 15, p. 160 (1998).

[25] Hoang D.L., Chan S.H., Ding O.L., Kinetic and Modelling Study of Methane Steam Reforming overSulfide Nickel Catalyst on a Gamma Alumina Support, Chemical Engineering Journal, 112, p. 1 (2005).

[26] Hacarlioglu P., Gu Y., Oyama S.T., Studies of the Methane Steam Reforming Reaction at HighPressure in a Ceramic Membrane Reactor, Journal of Natural Gas Chemistry, 15, p. 73 (2006).

[27] Xu J., Froment G.F., Methane Steam Reforming Methanation and Water-Gas Shift: I. Intrinsic Kinetics, AIChE Journal, 35, p. 88 (1989).

[28] A. Stephan, Birdsell, R.S. Willms, Modeling and data Analysis of a Palladium Membrane Reactor for Tritiated Impurities Cleanup, Fusion Technology Journal, 28, p. 530 (1995).

[29] Adris A.M., Elnashaie S.S.E.H., Hughes R., A Fluidized Bed Membrane Reactor for the Steam Reforming of Methane, Canadian Journal of Chemical Engineering, 69, p. 1061 (1991).